DE4021358A1 - Verfahren und einrichtung zum messen eines elektrischen stromes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Stromstärke eines elektrischen Stromes, der in einem Leiter fließt. Sie betrifft auch eine Einrichtung zum Messen der Stromstärke.

Eine Einrichtung zum berührungslosen Messen der Stromstärke eines in einem Leiter fließenden Stromes ist beispielsweise aus der DE-PS 12 46 872 bekannt. Dabei wird davon ausgegangen, daß ein von einem Strom durchflossener Leiter von einem Magnetfeld umgeben ist, dessen Feldstärke abhängig ist von der Stromstärke des Stromes im Leiter.

Beim Bekannten wird in das Magnetfeld ein Körper aus magnetostriktivem Werkstoff eingebracht und eine Längenänderung dieses Körpers wird erfaßt. Aus dieser Längenänderung läßt sich die Feldstärke des Magnetfeldes und damit die Stromstärke im Leiter bestimmen.

Eine derartiges Verfahren erfordert eine sehr genaue Messung einer Längenänderung. Eine solche Messung ist nur mit aufwendigen Mitteln möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen der Stromstärke eines elektrischen Stromes, der in einer Leiter fließt, anzugeben, das berührungslos erfolgt und mit einfachen technischen Mitteln eine hohe Meßgenauigkeit gewähr­ leistet. Es soll auch eine Einrichtung zum Messen der Strom­ stärke mit einem solchen Verfahren angegeben werden.

Die erstgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein äußeres homogenes Magnetfeld mit bekannter magnetischer Induktion erzeugt wird, das quer, insbesondere senkrecht, zum Leiter ausgerichtet wird, daß Lorentz-Kraft gemessen wird, und daß aus der gemessenen Lorentz-Kraft die Stromstärke des elektrischen Stromes, der im Leiter fließt, bestimmt wird.

Die Lorentz-Kraft ist abhängig vom äußeren, homogenen Magnetfeld und vom Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters. Das Zusammenwirken dieser beiden Magnetfelder ist die Ursache der Lorentz-Kraft. Das Magnetfeld des stromdurchflossenen Leiters ist von der Stromstärke im Leiter abhängig. Bei bekannter magnetischer Induktion des äußeren, homogenen Feldes ist die Lorentz-Kraft folglich eine Funktion der Stromstärke des elektrischen Stromes, der im Leiter fließt. Aus der gemes­ senen Lorentz-Kraft kann also die Stromstärke bestimmt werden. Es gilt die Beziehung:
dF = I × dl × B,
wobei dF eine differentielle Lorentz-Kraft auf ein differen­ tielles Leiterelement dl ist. I ist die Stromstärke des Stromes im Leiter, und B ist die magnetische Induktion des homogenen Magnetfeldes.

Eine Kraftmessung ist mit einfachen technischen Mitteln, beispielsweise mit Drucksensoren, durchführbar. Die Meßge­ nauigkeit ist dabei höher als bei einer Längenmessung. Mit dem Verfahren nach der Erfindung wird also der Vorteil erzielt, daß mit einfachen technischen Mitteln die Stromstärke eines in einem Leiter fließenden Stromes mit hoher Genauigkeit zu messen ist.

Beispielsweise ist der Leiter unbeweglich angeordnet und es wird die Lorentz-Kraft auf einen das äußere, homogene Magnetfeld erzeugenden Magneten gegen ein Widerlager gemessen. Die Lorentz- Kraft wirkt in entgegengesetzter Richtung mit gleicher Stärke auf den Leiter und auf die Magnete ein. Mit einer Kraft­ messung an den Magneten wird der Vorteil erzielt, daß weder ein Strommeßgerät noch ein mechanischer Kraftmesser mit dem Leiter in Kontakt gebracht werden muß. Die Messung erfolgt berühungs­ los. Die Kraftmessung an den Magneten bringt das gleiche Ergebnis, das eine Kraftmessung am Leiter erbringen würde.

Beispielsweise wird das äußere, homogene Magnetfeld von einem entgegengerichteten, veränderbaren, homogenen Kompensations­ magnetfeld überlagert. Die magnetische Induktion des Kompensa­ tionsmagnetfeldes wird dann verändert, bis die Lorentz-Kraft gegen ein Widerlager nicht meßbar klein ist. Die dazu notwen­ dige magnetische Induktion des Kompensationsmagnetfeldes wird registriert. Daraus wird die Stromstärke des elektrischen Stromes, der im Leiter fließt, bestimmt.

Das äußere, homogene Magnetfeld wird durch das überlagerte entgegengerichtete, homogene Kompensationsmagnetfeld so weit geschwächt, daß die Lorentz-Kraft gerade nicht mehr meßbar ist. Die dazu erforderliche magnetische Induktion des Kompensations­ magnetfeldes ist abhängig von der bekannten magnetischen Induktion des äußeren, homogenen Magnetfeldes und von der magnetischen Induktion desjenigen Magnetfeldes, das dem Leiter zuzuordnen ist, und das von der Stromstärke im Leiter abhängt. Aus der magnetischen Induktion des Kompensationsmagnetfeldes kann also die Stromstärke im Leiter bestimmt werden.

Mit einer derartigen Kompensationsschaltung wird vorteilhaft eine noch größere Meßgenauigkeit erzielt.

Das homogene Kompensationsmagnetfeld wird beispielsweise durch einen Elektromagneten erzeugt, und zum Bestimmen der magnetischen Induktion des Kompensationsmagnetfeldes wird die Stromstärke des Stromes durch den Elektromagneten gemessen.

Damit wird der Vorteil erzielt, daß zum berührungslosen Messen der Stromstärke eines Stromes, der durch einen Leiter fließt, nach Kompensation einer Lorentz-Kraft nur die Stromstärke in einer Spule zu messen ist, die weder elektrisch noch mechanisch mit dem Leiter verbunden ist. Das Kompensieren der Kraft ist mit hoher Genauigkeit möglich; die Genauigkeit ist größer als bei einer Kraftmessung. Die Stromstärkemessung an einer Spule ist mit sehr hoher Genauigkeit durchführbar. Mit diesem Verfahren wird also der Vorteil erzielt, daß die Stromstärke eines elektrischen Stromes, der in einem Leiter fließt, berührungslos und mit sehr hoher Genauigkeit und trotzdem mit einfachen technischen Mitteln zu messen ist.

Zum Kalibrieren des Meßverfahrens kann vor einer Messung an einem Leiter ein bekannter Kalibrierstrom durch eine Leitung geschickt werden, die quer zum äußeren homogenen Magnetfeld und quer zur Richtung der Lorentz-Kraft verläuft. Auf diese Weise kann eine Kalibrierkurve aufgenommen werden, die die Abhängigkeit der Lorentz-Kraft oder des Stromes durch eine Kompensations­ spule von der Stromstärke im Leiter angibt. Damit wird der Vorteil erzielt, daß nach der Messung einer Lorentz-Kraft oder einer Stromstärke in einer Kompensationsspule sofort aus einer Kalibrierkurve die Stromstärke des Stromes im Leiter zu entnehmen ist. Der Wert der magnetischen Induktion des äußeren, homogenen Magnetfeldes muß dann nicht bekannt sein.

Die zweite genannte Aufgabe, eine geeignete Einrichtung zum Messen der Stromstärke eines elektrischen Stromes, der in einem Leiter fließt, anzugeben, wird gemäß der Erfindung dadurch ge­ löst, daß den Leiter flankierend zwei Magnete ungleichnamige Pole einander zuwendend angeordnet sind, daß die Magnete oder der Leiter zur Messung der Lorentz-Kraft über zumindest eine Kraftmeßvorrichtung auf einem Widerlager abgestützt angeordnet sind, und daß zumindest eine Kraftmeßvorrichtung mit einer Auswerte- und Anzeigeeinheit verbunden ist.

Bei der genannten Anordnung der beiden Magente befindet sich der Leiter in einem äußeren, homogenen Magnetfeld, das senkrecht zu ihm gerichtet ist. Das Magnetfeld eines Stromes durch den Leiter bewirkt dann eine Lorentz-Kraft. Diese wirkt auf den Leiter und in entgegengesetzter Richtung auf die Magne­ te ein. Die Lorentz-Kraft ist meßbar mit Kraftmeßvorrichtungen, über die die Magente auf einem Widerlager abgestützt sind. In der Auswerte- und Anzeigeeinheit wird aus der Lorentz-Kraft und der bekannten magnetischen Induktion des äußeren, homogenen Magnetfeldes, sowie aus Parametern des Leiters die Stromstärke des im Leiter fließenden elektrischen Stromes bestimmt und dann angezeigt.

Mit der Einrichtung nach der Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß weder elektrische noch mechanische Anschlüsse am Leiter erforderlich sind, und daß trotzdem eine sehr genaue Messung der Stromstärke möglich ist.

Es kann auch der Leiter über eine Kraftmeßvorrichtung zum Messen der Lorentz-Kraft an einem Widerlager befestigt sein.

Die Magnete können Permanentmagnete sein oder Elektromagnete, die Spulen aufweisen.

Beispielsweise sind die Magnete von Kompensationsspulen um­ geben, die entgegengerichtete Magnetfelder erzeugen. Die Windungen der Kompensationsspulen sind dabei z. B. um die Magnete herumgeführt. Die genannten Kompensationsspulen sind in einem Stromkreis angeordnet, in dem die Stromstärke veränderbar ist, und in dem eine Stromstärkemeßvorrichtung vorhanden ist. Diese Stromstärkemeßvorrichtung ist neben den Kraftmeßvorrichtungen mit der Auswerte- und Anzeigeeinheit verbunden. Mit dieser Einrichtung kann die Stromstärke in den ein entgegengerichtetes Kompensationsmagnetfeld erzeugenden Kompensationsspulen so lange verändert werden, bis die in den Kraftmeßvorrichtungen gemessene Lorentz-Kraft verschwindet. Aus der Stromstärke des in den Kompensationsspulen fließenden Stromes läßt sich dann in der Auswerte- und Anzeigeeinheit bei Kenntnis der magnetischen Induktion des äußeren, homogenen Magnetfeldes und anderer Parameter die Stromstärke im Leiter bestimmen und anzeigen.

Beispielsweise ist zwischen den Magneten, die das homogene Magnetfeld erzeugen, senkrecht zu diesem Feld und senkrecht zur Meßrichtung der Kraftmeßvorrichtungen eine Kalibrierleitung fest angeordnet. Die Kalibrierleitung ist mit einer variablen Spannungsquelle über einen Schalter verbunden. Zur Kalibrierung wird die Einrichtung nach der Erfindung so aufgestellt, daß kein störendes, fremdes Magnetfeld einwirken kann. Nach Schließen des Schalters fließt dann ein bekannter Strom durch die Kalibrierleitung und bewirkt eine Lorentz-Kraft, die gemessen wird. Die Kraftmessung ist auf diese Weise bestimmten Stromstärken zuzuordnen und dadurch zu kalibrieren. Man erhält eine Kalibrierkurve.

Bei einer Kompensation der Lorentz-Kraft durch ein durch Kompensationsspulen erzeugtes Kompensationsmagnetfeld kann eine Kalibrierung auf die gleiche Weise vorgenommen werden.

Anhand zuvor bestimmter und abgespeicherter Kalibrierkurven kann in der Auswerteeinheit aus der gemessenen Lorentz-Kraft oder aus der gemessenen Stromstärke in einer Kompensations­ spule die Stromstärke im Leiter bestimmt werden.

Mit dem Verfahren und mit der Einrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes wird der Vorteil erzielt, daß ein genauer Wert der Stromstärke des elektrischen Stromes in einem Leiter mit einer einfachen Kraftmessung oder sogar mit der Messung der Stromstärke in einer Spule zu erhalten ist. Dabei sind weder elektrische noch mechanische Anschlüsse am Leiter notwendig.

Das Verfahren und die Einrichtung nach der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine Einrichtung zum berührungslosen Messen eines elektrischen Stromes.

Fig. 2 zeigt eine sonst gleichartige Einrichtung mit Kompensationsspulen.

Zum Messen der Stromstärke eines elektrischen Stromes, der in einem Leiter 1 fließt, dient nach Fig. 1 eine Einrichtung, die zwei Permanentmagnete 2 und 3 aufweist. Die Permanent­ magnete 2 und 3 sind ungleichnamige Pole einander zuwendend angeordnet, so daß zwischen ihnen ein homogenes Magnetfeld gebildet wird. Sie sind über Kraftmeßvorrichtungen 4 und 5 auf einem Widerlager 6 abgestützt. Zum Messen der Stromstärke im Leiter 1 wird die Einrichtung so ausgerichtet, daß der Leiter 1 in dem äußeren, homogenen Magnetfeld zwischen den Polen der Permanentmagnete 2 und 3 weitgehend senkrecht zur Feldrichtung und weitgehend senkrecht zur Wirkrichtung der Kraftmeßvorrich­ tungen 4 und 5 verläuft. Durch Zusammenwirken der Magnetfelder der Permanentmagente 2 und 3 einerseits und des elektrischen Stromes im Leiter 1 andererseits wird eine Lorentz-Kraft erzeugt, die bei fest installiertem Leiter 1 von den Kraftmeßvorrich­ tungen 4 und 5 gemessen wird. Die Kraftmeßvorrichtungen 4 und 5 stehen mit einer Auswerte- und Anzeigeeinheit 7 in Verbindung. Zwischen den beiden Permanentmagneten 2 und 3 ist eine Kalibrier­ leitung 8 fest angeordnet, die über einen Schalter 9 mit einer veränderbaren Stromquelle 10 verbunden werden kann. Im Strom­ kreis der Kalibrierleitung 8 befindet sich ein Stromstärkemes­ ser 11, der mit der Auswerte- und Anzeigeeinheit 7 verbunden ist.

Zum Kalibrieren der Einrichtung wird diese so aufgestellt, daß kein Leiter 1 zwischen den Permanentmagneten 2 und 3 vorhanden ist. Dann wird durch Schließen des Schalters 9 ein bekannter Strom durch die Kalibrierleitung 8 geleitet. Der dabei mit den Kraftmeßvorrichtungen 4 und 5 gemessenen Lorentz-Kraft wird die Stromstärke in der Kalibrierleitung 8 zugeordnet. Dazu ist im Stromkreis der Kalibrierleitung 8 der Stromstärkemesser 11 angeordnet, der mit der Auswerte- und Anzeigeeinheit 7 in Verbindung steht. Mit mehreren Kalibriermessungen erhält man eine Kalibrierkurve, die in der Auswerte- und Anzeigeeinheit 7 abgespeichert wird. Bei geöffnetem Schalter 9 kann anhand dieser Kalibrierkurve aus den Werten der Kraftmeßvorrichtungen 4 und 5 die Stromstärke in einem Leiter 1 bestimmt werden, dem die Einrichtung nach der Erfindung zuvor zugeordnet worden ist.

Statt der Permanentmagnete 2 und 3 können auch Elektromagnete eingesetzt sein.

Nach Fig. 2 sind den Permanentmagenten 2 und 3 Kompensations­ spulen 12 und 13 zugeordnet. Die Windungen dieser Kompensations­ spulen 12 und 13 sind um die Permanentmagnete 2 und 3 herum­ geführt. Dabei sind die Kompensationsspulen 12 und 13 derart an Spannungsquellen 14 und 15 angeschlossen, daß ihr Magnetfeld dem Magnetfeld der Permanentmagnete 2 und 3 entgegengerichtet ist. In den Stromkreisen der Kompensationsspulen 12 und 13 be­ finden sich weitere Stromstärkemesser 16 und 17. Die Spannungs­ quellen 14 und 15 sind steuerbar. Sowohl die Kraftmeßvorrich­ tungen 4 und 5, die auf dem Widerlager 6 abgestützt sind, als auch die steuerbaren Spannungsquellen 14 und 15 und die Strom­ stärkemesser 16 und 17 stehen mit der Auswerte- und Anzeigeein­ heit 7 in Verbindung. Von dort aus wird die Spannung der Span­ nungsquellen 14 und 15 und damit der Strom durch die Kompensa­ tionsspulen 12 und 13 so verändert, daß die zunächst an den Kraftmeßvorrichtungen 4 und 5 gemessene Lorentz-Kraft Null wird. Die in diesem Zeitpunkt an den Stromstärkemessern 16 und 17 gemessene Stromstärke in den Kompensationsspulen 12 und 13 ist dann eine Maß für die Lorentz-Kraft und damit für die Strom­ stärke im Leiter 1. Zur Kalibrierung der Einrichtung dient auch hierbei die Kalibrierleitung 8, die mit einer Stromquelle 10 über einen Schalter 9 und einen Stromstärkemesser 11 verbunden ist. Zur Aufnahme einer Kalibrierkurve ist die Stromquelle 10 veränderbar und der Stromstärkemesser 11 steht mit der Auswerte­ und Anzeigeeinheit 7 in Verbindung.

An die Stelle der Permanentmagnete 2 und 3 können auch Elektromagnete treten.

Nach Fig. 2 wird für jede Stromstärke in der Kalibrierleitung 8 diejenige Stromstärke des Stromes durch die Kompensations­ spulen 12 und 13 abgespeichert, die notwendig ist, um die Lorentz-Kraft zu kompensieren, die durch die Kraftmeßvor­ richtungen 4 und 5 bestimmt wird. Hierbei erhält man eine Kalibrierkurve.

Bei geöffnetem Schalter 9 wird bei einer Messung der Strom durch die Kompensationsspulen 12 und 13 solange verändert, bis die von den Kraftmeßvorrichtungen 4 und 5 gemessene Lorentz- Kraft verschwindet. Die in diesem Moment gemessene Stromstärke in den Kompensationsspulen 12 und 13 dient zusammen mit der Kalibrierkurve zum Bestimmen der Stromstärke im Leiter 1.

Die Lorentz-Kraft kann nach den Fig. 1 und 2 statt an den Magneten 2 und 3 auch am Leiter 1 gemessen werden, wenn die Magnete 2 und 3 fest installiert sind und der Leiter 1 über eine gestrichelt gezeigte Kraftmeßvorrichtung 18 mit einem Widerlager 19 verbunden ist.

Falls keine Kalibrierkurven vorhanden sind, können an ihre Stelle zum Bestimmen der Stromstärke im Leiter 1 aus der Lorentz-Kraft oder aus der Stromstärke in den Kompensations­ spulen 12 und 13 bekannte Parameter der Magnete 2 und 3, der Kompensationsspulen 12 und 13 und auch des Leiters 1 treten.

Claims (10)

1. Verfahren zum Messen der Stromstärke eines elektrischen Stromes, der in einem Leiter (1) fließt, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußeres, homogenes Magnetfeld mit bekannter magnetischer Induktion erzeugt wird, das quer, insbesondere senkrecht zum Leiter (1) ausgerichtet wird, daß die Lorentz-Kraft gemessen wird, und daß aus der gemessenen Lorentz-Kraft die Stromstärke des elektrischen Stromes, der im Leiter (1) fließt, bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Leiter (1) unbeweglich angeordnet ist, und daß die Lorentz-Kraft auf einen das äußere, homogene Magnetfeld erzeugenden Magneten (2, 3) gegen ein Widerlager (6) gemessen wird.

3. Verfahren nach einem, der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere, homogene Magnetfeld von einem entgegengerichteten, veränderbaren homogenen Kompensationsmagnetfeld überlagert wird, daß die magnetische Induktion des Kompensationsmagnetfeldes verändert wird, bis die Lorentz-Kraft nicht meßbar klein ist, und daß aus der dann registrierten magnetischen Induktion des Kompensations­ magnetfeldes die Stromstärke des elektrischen Stromes, der im Leiter (1) fließt, bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Kompensationsmagnetfeld durch einen Elektromagneten erzeugt wird, und daß zum Bestimmen der magnetischen Induktion des Kompensationsmagnetfeldes die Stromstärke des Stromes durch eine Kompensationsspule (12, 13) des Elektromagneten gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kalibrierkurve bestimmt wird, indem durch eine Kalibrierleitung (8) quer zum homogenen Magnetfeld und quer zur Richtung der Lorentz-Kraft bekannte Kalibrierströme geschickt werden, und jeweils die Lorentz-Kraft oder der Strom durch eine Kompensationsspule (12, 13) gemessen wird, und daß mit einer solchen Kalibrierkurve für eine gemessene Lorentz-Kraft oder für einen gemessenen Strom durch eine Kompensationsspule (12 und 13) die Stromstärke des elektrischen Stromes, der im Leiter (1) fließt, bestimmt wird.

6. Einrichtung zum Messen der Stromstärke eines elektrischen Stromes, der in einem Leiter (1) fließt, insbesondere mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß den Leiter (1) flankierend zwei Magnete (2 und 3) ungleichnamige Pole einander zuwendend angeordnet sind, daß die Magnete (2 und 3) oder der Leiter (1) zur Messung der Lorentz-Kraft über zumindest eine Kraftmeßvor­ richtung (4 und 5 oder 18) auf einem Widerlager (6 oder 19) abgestützt angeordnet sind, und daß zumindest eine Kraftmeßvor­ richtung (4 und 5 oder 18) mit einer Auswerte- und Anzeigeein­ heit (7) verbunden ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Magnete (2 und 3) Permanentmagnete sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Magnete (2 und 3) Elektromagnete sind, die Spulen aufweisen.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (2 und 3) von entgegengerichtete Kompensationsmagnetfelder erzeugenden Kompensationsspulen (12 und 13) umgeben sind, daß die Kompensationsspulen (12 und 13) über einen Stromstärkemesser (16, 17) mit einer veränderbaren Spannungsquelle (14, 15) verbunden sind, und daß der Stromstärkemesser (16, 17) und die Kraftmeßvorrichtung (4, 5, 18) mit der Auswerte- und Anzeige­ einheit (7) verbunden sind, die mit der veränderbaren Span­ nungsquelle (14, 15) über eine Steuerleitung verbunden ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Magneten (2 und 3), die das homogene Magnetfeld erzeugen, senkrecht zu deren Magnetfeld und senkrecht zur Meßrichtung der Kraftmeß­ vorrichtung (4, 5) eine Kalibrierleitung (8) fest angeordnet ist, die mit einer veränderbaren Stromquelle (10) über einen Schalter (9) und einen Stromstärkemesser (11) verbunden ist, und daß der Stromstärkemesser (11) mit der Auswerte und An­ zeigeeinheit (7) in Verbindung steht.