DE3614529C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Femto-Amperemeter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein der­ artiges Femto-Amperemeter ist aus der EP-A-00 49 754 bekannt.

Femto-Amperemeter messen sehr kleine Ströme. Leider sind jedoch die gemessenen kleinen Ströme häufig kleiner als das transiente Rauschen, das in dem Amperemeter er­ wartet werden kann. Übliche Amperemeter-Schaltungen können leicht fehlerhafte Anzeigen liefern.

Femto-Amperemeter finden Anwendung bei empfindlichen Instrumentationen in Kernkraftanlagen, wie beispiels­ weise Hauptdampfleitungs-Strahlungsmonitoren, Weit­ bereichs-Strahlungsmonitoren außerhalb des Kerns, Zwischenbereichsmonitoren außerhalb des Kerns und Bereichs- und Prozess-Strahlungsmonitorfunktionen.

Wo Amperemeter in diesen Plätzen angeordnet sind, können sie einfach nicht für übermäßig lange Zeitperioden aus der Leitung herausgenommen werden. Die Zuverlässigkeit des Amperemeters muß hoch sein; die Instrumente dürfen nicht außer Betrieb sein wegen der transienten Vorgänge. Darüber hinaus darf das Instrument keine falschen An­ zeigen bewirken, denn diese falschen Anzeigen bewirken ein Ausschalten der Kernkraftanlagen und einen Verlust an Betriebseinnahmen.

Bei einer bekannten Amperemeterschaltung ist eine Konstantstromquelle mit einer temperaturkompensierenden logarithmischen Diode verbunden, die mit dem invertie­ renden Eingang eines Verstärkers in Verbindung steht. In die Rückführungsschleife des Verstärkers ist eine logarithmische Diode geschaltet, die die Ausgangsgröße des Verstärkers über einen Digital/Analog-Wandler steuert. Im Betrieb wird die Ausgangsgröße des Amperemeters so gesteuert, daß Ströme von etwa 10^-13 bis 10^-3 Ampere in logarithmischer Abhängigkeit von der Spannung erhalten werden können, die üblicherweise von 0 bis 1 Volt beträgt.

Eine derartige Schaltungsanordnung führt zu Schwierig­ keiten bei einer Anwendung in Femto-Amperemetern. Erstens spannen wegen der extrem kleinen Ströme die normalerweise gemessenen transienten Spannungen den Verstärker in Sperr­ richtung vor. Wenn der Verstärker in Sperrichtung vorge­ spannt ist, können nur Streuströme durch die logarithmische Diode die positive Vorspannung für den Verstärker wieder­ herstellen. Zeitkonstanten für die Wiederherstellung in der Größenordnung von 10 000 Sekunden (2 Stunden, 40 Minuten) können erwartet werden. Bei vielen modernen Instrumen­ tierungen sind derartige Erholperioden völlig unakzeptabel.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Femto-Amperemeter der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine Aus­ gangsspannung über einem breiten Bereich von Eingangs­ strömen und wesentlich verkürzte Erholzeiten erhalten werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahme gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß ein Femto-Amperemeter erhalten wird, das dem Rauschen widersteht, das durch die Sperrvorspan­ nung des Amperemeter-Verstärkers hervorgerufen wird und das eine lange Zeitkonstanten aufweisende Erholung mit ungewöhnlich hoher Meßgenauigkeit verhindert. Transiente Vorgänge der negativen oder positiven Vorspannung werden aufgenommen, ohne daß der Verstärker in eine Sperrpola­ rität vorgespannt wird und eine Erholung mit unzulässig langer Zeitkonstante aufweist. Eine übliche Temperatur­ kompensation, die mit der anti-parallelen Diodenschaltung nicht möglich ist, wird durch eine temperaturgeregelte Wärmesenke der Amperemeterkomponenten ermöglicht, die einen logarithmischen Dioden-Temperatursensor für die Wärmesenke aufweisen und die Betriebstemperatur der Wärmesenke mit einer thermoelektrischen Regeleinrichtung regeln. Die die Temperatur abtastenden logarithmischen Dioden liefern eine Ausgangsgröße an eine Nachschlag­ tabelle eines Rechners. Die gleiche temperaturempfind­ liche logarithmische Diode liefert eine Ausgangsgröße an eine Brückenschaltung, die die thermoelektrische Regeleinrichtung betätigt. Diese erwärmt oder kühlt die Regeleinrichtung, um das Amperemeter thermisch auf eine optimale Betriebstemperatur einzustellen. Eine Bootstrap- Kalibration mit Reed-Schaltern verhindert Streuströme. Daraus resultiert eine bisher nicht erreichbare Genauig­ keit.

Das erfindungsgemäße Femto-Amperemeter kann betriebs­ sicher in empfindlichen Sicherheitsinstrumentationen verwendet werden. Lange Abschaltzeiten aufgrund der Er­ holung von transienten Vorgängen werden vermieden.

Die anti-parallel geschalteten, logarithmischen Dioden haben an sich eine Sekundärwirkung, indem sie bekannte Temperatur-Kompensationsschaltungen völlig unwirksam machen. Deshalb ist bei dem Femto-Amperemeter gemäß der Erfindung eine Temperaturregelung vorgesehen, deren erste und empfindlichste Verstärkerstufe in einer Wärme­ senke eingeschlossen ist. Zwei logarithmische Dioden, die in Reihe geschaltet sind, werden mit einem konstanten Eingangsstrom gespeist. Diese logarithmischen Dioden geben eine Spannung ab, die direkt proportional zur Temperatur ist. Die Ausgangsspannung wird in einer Brückenschaltung verglichen. Die Ausgangsgröße der Brückenschaltung wird an eine thermoelektrische Regel­ einrichtung gegeben. Dadurch kann die Betriebstemperatur des Amperemeterverstärkers genau geregelt werden. Ferner wird dabei eine direkte Anzeige der Wärmesenkentemperatur geliefert, durch die die Kalibration der Ausgangsgröße des Amperemeters auf einer Realzeitbasis eingestellt werden kann. Eine derartige Kalibration kann durch drei­ dimensionale Nachschlagtabellen erfolgen, die auf der Basis von Strom und Betriebstemperatur ein kalibriertes Meßergebnis liefern.

Weiterhin liegt nicht nur die Anzeige des Amperemeters in Realzeit für seine augenblickliche Betriebstemperatur vor, sondern es wird auch eine thermische Langzeitbe­ wegung in Richtung auf und bis zu einer optimalen Betriebstemperatur ermöglicht.

Das gesamte Amperemeter arbeitet mit einer Genauigkeit innerhalb ± 1% bei 10^-13 Ampere. Daraus resultiert ein sicherer Instrumentenbetrieb.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Schaltungsanordnung.

Fig. 2 ist ein schematisches Schaltbild von der Femto- Amperemeterschaltung gemäß der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine Kurve, die den Ausgangsbereich des angegebenen Femto-Amperemeters darstellt.

Fig. 4a und 4b zeigen tatsächlich verwendete elektro­ nische Schaltungskomponenten, die für die Implementierung des bevorzugten Ausführungs­ beispiels der Erfindung bezeichnet sind.

Fig. 1 zeigt eine typische, bekannte Amperemeterschaltung. Ein Eingang 12 ist mit dem einen Eingang 15 eines Ver­ stärkers 16 verbunden. Eine Konstantstromquelle 18 ist mit einer temperaturkompensierenden log Diode 19 verbunden, die mit dem negativen Eingang 17 des Verstärkers 16 ver­ bunden ist. Eine log Diode 19, die in die Rückführungs­ schleife 20 des Verstärkers 16 geschaltet ist, steuert die Ausgangsgröße des Verstärkers über einen Digital/ Analog-Wandler 25.

In Fig. 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Eine Eingangsgröße 24 fließt durch eine Summierstelle 28 zum Eingang eines Verstärkers 30. Der Ausgang des Verstärkers 30 ist mit einem Analog/Digital-Wandler 14 verbunden. Ein Digital/ Analog-Wandler 16 liefert an die Summierstelle 28 eine temperaturkompensierte Eingangsgröße 18.

Der Verstärker 30 ist mit einer Rückführungsschleife 31 versehen, die anti-parallel geschaltete und in ihrem nicht-linearen Kennlinienbereichen arbeitende Dioden 34, 36 aufweist, damit der Verstärker 30 mit jeder Polarität arbeiten kann, während akzeptable Erholungs­ zeiten für unvermeidliche transienten Spannungen ge­ stattet werden. Ein Widerstand 38 mit 10¹¹ Ohm und ein kleiner Kondensator 32 (10 Picofarad) bilden die restliche Rückführungsschleife für den Verstärker 30, um Schwingungen des Verstärkers zu dämpfen.

Der Verstärker 30 ist in einer Wärmesenke (Kühlkörper) 50 enthalten. Die Temperatur der Wärmesenke 50 wird durch mit konstantem Stromgetriebene Dioden 45 gemessen, die in ihren nicht­ linearen Kennlinienbereichen arbeiten und die eine Spannung liefern, die eine Funktion der Temperatur ist. Diese Spannung wird für einen Vergleich an einer Brücken­ schaltung 47 verwendet, um einer thermoelektrischen Regeleinrichtung 48 zugeführt zu werden. Der Vergleich an der Brückenschaltung 47 spannt den Ausgang der Schal­ tungsanordnung vor. Wenn die Temperatur der Wärmesenke 50 zu hoch ist, wird der Strom zur thermoelektrischen Regeleinrichtung 48 zur Kühlung der Wärmesenke 50 ver­ wendet. Wenn die Tempratur der Wärmesenke 50 zu niedrig ist, wird der Strom zur thermoelektrischen Regelein­ richtung 48 umgekehrt, um die Temperatur der Wärmesenke 50 zu erhöhen.

Zur gleichen Zeit wird die Ausgangsgröße der die Temperatur abtastenden, mit konstantem Strom betriebenen Dioden 45 in einen digitalen Wert umgewandelt und zum Adressieren von Nachschlagetabellen eines Computers (nicht gezeigt) verwendet. Der AID-Wandler 14 veranlaßt die Computersteuerung, eine entsprechende Nachschlagetabelle zu adressieren, die in Realzeit auf den gewünschten Stromwert eingestellt ist. Es entsteht eine Ausgangsgröße des Amperemeters, die im wesentlichen stetig ist und auf zuverlässige Pegel kalibriert ist.

In Fig. 4a ist die Hauptbetriebsschaltung dargestellt. Fig. 4a enthält einen eingang 24 und einen Ausgang 26. Der Eingang 24 ist mit der Summmierstelle 28 verbunden. Die entgegengesetzt gepolten Dioden 34, 36 schließen eine Rückführungsschhleife 31 über zwei Verstärker 30a und 30b. Eine Signalausgabe erfolgt durch einen Endverstärker 30c zum Ausgang 26 für eine Umwandlung.

Somit ist die erste Verstärkungsstufe 30a die einzige Stufe, die in der Wärmesenke 50 eingeschlossen ist. Dieser Verstärker arbeitet mit einem kleinen Verstärkungsgrad, um den gesamten Wärmeverlust niedrig zu halten.

Es ist ferner in Fig. 4a gezeigt, daß die Wärmesenke 50 eine große Wärmesenke ist, die den Verstärker 30a der ersten Stufe und seine Beschaltung umgibt. In dem zusammengebauten Ausführungsbeispiel ist die gesamte durch eine Wärmesenke umgebende Schaltungsanordnung in der gleichen Wärmesenke angebracht.

Die thermoelektrische Regeleinrichhtung 48 fühlt eine die Wärme darstellende Ausgangsgröße der Dioden 34, 36 ab. Diese fließt durch eine Brückenschaltung 47 um die Regeleinrichtung 48 über zwei Leiter 49 zu betätigen. Gleichzeitig geben die Dioden 34, 36 eine Anzeige der Temperatur auf der Leitung zum Computer ab zur Verwendung mit computer-gestützten Nachschlagetabel­ len (look up tables).

In Fig. 4a ist eine übliche Schaltungsanordnung dargestellt. ein geschützter Analogschalter 60 empfängt selektive Eingangssignale, zu denen die Kalibrationsspannung, Ausgangstemperatur und Strommessung gehören. Diese Signale werden Standard-Computerkomponenten (nicht gezeigt) zugeführt.

Wie in Fig. 4a gezeigt ist, umschließt die Wärmesenke 50 die Hauptelemente der Schaltungsanordnung. Die Eingangsgröße wird an Schaltern 61 von Erde bzw. Masse und am Schalter 62 auf die Summmierstelle 28 für eine tatsächliche Messung geschaltet. Ferner ist eine Bootstrap-Kalibrationsschaltung 70 vorgesehen.

Die Bootstrap-Kalibrationsschaltung enthält kalibrierende Widerstände 71 bis 75, die alle parallel geschaltet sind. Entsprechende Schalter 80 bis 83 werden einer nach dem anderen geöffnet, um an die Parallelschaltung variable Widerstände anzulegen.

Aus Fig. 4b ist ersichtlich, daß entsprechende Spulen 10 bis 104 verwendet werden, um Magnetfelder zu liefern. Diese entsprechenden Magnetfelder betätigen Reed-Schalter bei 80 bis 83 innerhalb oder nahe der Wärmesenke. Diese entsprechenden Reed-Schalter verhindern, daß Schalter Wärme oder Ströme innerhalb der Wärmesenke oder enthaltener Verdrahtung erzeugen, die anderenfalls die vorgenommenen Messungen durcheinander bringen könnten.

Weiterhin sind in Fig. 4b QUAD-MOSS-Leistungsarrays 111 bis 114 dargestellt. Diese Arrays empfangen Ausgangssignale von einem Computer über entsprechende OR-Gatter 122, 123, 124.

Aus Fig. 4b wird deutlich, daß ein Signal auf der Leitung 131 die Leistungsarrays 111, 112, 113, 114 schließt. Wenn das Betätigungssignal (voraussichtlich ein LOW-Signal) an die Leitung 132 und nicht 131 angelegt wird, öffnet der Schalter 80 und die Schalter 82, 83, 84 bleiben geschlossen. Wenn das Signal auf der Leitung 133 zugeführt wird, bleiben die Schalter 83, 84 geschlossen. Wenn das Signal auf der Leitung 134 zugeführt wird, bleibt nur der Schalter 84 ge­ schlossen.

Es wird noch einmal auf die Fig. 4a und die dort dargestell­ te Bootstrap-Kalibrationsschaltung 70 zurückgegangen, das nun besser verstanden werden kann.

Im weiteren Sinne erfolgt eine Kalibration bei maximalem Strom, wenn der Schalter 62 und die Schalter 80, 81, 82 und 83 geschlossen sind. In diesem Fall dominiert der Widerstand 71 die Parallelschaltung, und der Digital/Analog-Wandler läßt eine kalibrierende Spannung durch.

Der Schalter 80 wird zunächst geöffnet. An diesem Punkt dominiert der Widerstand 72, und eine exakte Kalibrations­ spannung wird durch den Digital/Analog-Wandler an die Schaltungsanordnung angelegt. Diese Spannung wird zunächst angelegt, um einen maximal zulässigen Stromfluß zu bewir­ ken,und danach wird sie mit einem Pegel von 1/100stel des maximalen Flusses angelegt. Dieser 1/100stel Wert wird in dem Speicher des Computers gespeichert.

Anschließend ist der Schalter 81 geöffnet. In diesem Fall dominiert der Widerstand 73. Es wird aber wieder eine Span­ nung angelegt, um einen vollen Stromfluß und anschließend 1/100stel Stromfluß zu erzeugen. Schließlich ist der Schal­ ter 82 geöffnet und der Vorgang mit dem Widerstand 74 wie­ derholt. Anschließend ist der Schalter 83 geöffnet und der Vorgang wiederholt sich mit dem Widerstand 75.

Die Kalibration erfolgt über eine längere Zeitperiode von etwa 45 Minuten. Abweichende Spannungen (Strompegel) werden alle getestet. Ergebnisse werden in eine dreidimensionale Nachschlagetabelle geschrieben. Diese Nachschlagetabelle enthält Eingangssignale in bezug auf die Temperatur der Wärmesenke, den Bereich von Spannungen, die von dem Digtial/Analog-Wandler abgegeben werden, und den Bereich von gemessenen Strömen.

Eine Bootstrap-Kalibration, wie sie beispielsweise hier dargestellt ist, wurde bisher nur manuell auf derartigen Instrumenten vorgenommen. Es wird nunmehr deutlich, daß dies bei den Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung von dem Computer durchgeführt wird.

Es ist ersichtlich, daß jede vergleichende Brückenschaltung ausreichend ist. Die hier mit tatsächlichen Komponenten gezeigte Anordnung entspricht einem tatsächlich benutzten Ausführungsbeispiel.

Unter der Annahme, daß eine Kalibration durchgeführt und die Wärmesenke in die gewünschten Zustände gebracht wurden, kann nun die Messung eines Stroms erläutert werden. Üblicherweise wird ein Strom am Eingang 24 eingegeben, wobei der Schalter 62 geschlossen und der Schalter 61 geöffnet ist. Unter der Annahme, daß das Instrument voll kalibriert ist, fließt ein Strom zur Summmierstelle 28. An der Summierstelle 28 sind entsprechende Verstärker 30a und 30b durch die Rückführungsschleife 31 vorgespannt. Eine Ausgabe erfolgt durch eine zweite Stufe 30c und an den Ausgang 26.

Zur gleichen Zeit wird die Temperatur auf der Leitung in den Computer eingespeist. Wenn die Temperatur und der Strom gegeben sind, werden die nicht gezeigten Nachschlagetabelle des Computers abgefragt und liefern die endgültige Ausgabe.

Claims (8)

1. Femto-Amperemeter mit einem zwei Eingänge aufweisenden Verstärker, dessen Eingang und der zweite Eingang mit einer Referenzspannung verbunden sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

• - der Rückführungsschleife (31) des Verstärkers (30) sind zwei anti-parallel geschaltete Dioden (34, 36), die eine logarithmische Strom-Spannungsabhängigkeit aufweisen, parallel geschhaltet, und
• - die Dioden (34, 36) und der Verstärker (30) sind auf einem Kühhlkörper (50) mit einer Temperaturregeleinrichtung (48) angeordnet, deren Temperatursensor (bei 45) die Ist-Temperatur des Kühlkörpers sowohl an eine Nachschlagetabelle eines Computers als auch an eine Brückenschaltung (47) liefert, die mit der Temperaturregeleinrichtung (48) verbunden ist, um die Temperatur des Kühlkörpers (50) entsprechend der Soll-Betriebstemperatur des Amperemeters zu regeln.

2. Femto-Amperemeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (bei 45) durch eine mit konstantem Strom betriebene Diode gebildet ist, deren Spannungsabfall von der Temperatur abhängig ist.

3. Femto-Amperemeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturensensor (bei 45) durch zwei Dioden gebildet ist, die in Reihe geschaltet sind und deren Eingang mit einer Konstantstromquelle verbunden ist.

4. Femto-Amperemeter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (45) mit dem Kühlkörper (50) in Kontakt ist.

5. Femto-Amperemeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung (47) die der Ist- Temperatur entsprechende Spannung mit der Referenzspannung vergleicht zum Steuern der Erwärmung/Kühlung des Kühlkörpers (50).

6. Femto-Amperemeter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung (47) einen Ausgangsstrom mit einer ersten Polarität zum Kühlen des Kühlkörpers (50) und einen Ausgangsstrom mit einer zweiten Polarität zum Erwärmen des Kühkörpers (50) liefert.

7. Femto-Amperemeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (30) eine geringe Verstärkung aufweist zur Senkung von Wärmeverlusten und der einzige Verstärker ist, der von dem Kühlkörper (50) umschlossen ist.

8. Femto-Amperemeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachschlagetabelle des Computers eine dreidimensionale Nachschlagetabelle ist,die Ströme und Betriebstemperaturen enthält.