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Diese Erfindung betrifft ein berührungsloses Verfahren
und ein Instrument, um einen Strom abzutasten bzw. zu fühlen und
zu messen, insbesondere, aber nicht ausschließlich, einen Strom, welcher
geringer als 1 A sein kann.
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Das Instrument kann zum Beispiel
verwendet werden, um den Strom zu messen und zu überwachen, welcher in einer
Schienen-Schaltung fließt. Eine
Schienen-Schaltung stellt das Vorhandensein eines Zugs in einem
Abschnitt von Schienen fest, indem ein Gleichstrom mit niedriger
Spannung zwischen den Schienen angelegt wird und die Änderung in
dem Widerstand zwischen den Schienen infolge des Vorhandenseins
eines Zuges festgestellt wird, wenn die Räder und Achsen eine elektrische
Verbindung zwischen den Schienen schaffen. Der elektrische Gleichstrom,
welcher in der Schienen-Schaltung fließt, wenn ein Zug vorhanden
ist, ist typischerweise geringer als 1 A, und kann im Bereich von
1 mA bis 100 mA liegen, und die Messung solcher Ströme in berührungsloser
Weise (und somit ohne Modifizieren der Schienen-Schaltung) ist schwierig,
weil das magnetische Feld eines solchen kleinen Gleichstroms bedeutend
geringer als das Magnetfeld der Erde ist.
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Ein berührungsloses Instrument für die Messung
von elektrischen Strömen
ist in der CH 419 338 (University of Southampton et al) beschrieben,
und ähnliche
Instrumente sind in der
DE
39 40 932 A (Don) und in der
EP 0 356 171 A (University of British Columbia)
beschrieben. Die letztere beschreibt ein Instrument zum Abtasten
bzw. Feststellen und Messen eines Stroms in einem Leiter, wobei
das Instrument zwei Ringe aus magnetischem Material aufweist, die
so angeordnet sind, dass sie den Leiter umgeben, wobei jeder Ring
eine Erregerwicklung trägt,
wobei die Erregerwicklung so angeordnet ist, dass sie einen Wechselstrom
führt und
so angeordnet ist, dass die Ringe mit der gleichen magnetischen Feldstärke (H)
magnetisiert werden, aber in entgegengesetzten Richtungen, und eine
Abtast- bzw. Fühlwicklung,
welche mit einem Stromanzeiger bzw. -indikator verbunden ist, wobei
die Abtast- bzw. Fühlwicklung
so eingerichtet ist, dass sie auf die Summe der Magnetflüsse in den
beiden Ringen ansprechen, wobei die Größe des Wechselstroms, welcher
zu den Erregerwicklungen geführt
wird, ausreichend groß ist,
um sicherzustellen, dass die Dichte des magnetischen Induktionsflusses
(B) in jedem der Ringe sich in nicht-linearer Weise mit dem Momentanwert
des Wechselstroms ändert
(Augenblickswert).
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Die vorliegende Erfindung schafft
ein solches Instrument, bei welchem die Frequenz des den Erregerwicklungen
zugeführten
Wechselstroms wenigstens zweimal so hoch wie diejenige irgendeines
in dem Leiter zu messenden Wechselstroms ist und in welchem der
Stromanzeiger bzw. -indikator so angeordnet bzw. eingerichtet ist,
dass er die Werte der in den Abtast- bzw. Fühlwicklungen über einen
vorbestimmten Teil von jedem aufeinanderfolgenden Zyklus des den
Erregerwicklungen zugeführten
Wechselstroms integriert.
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Das Magnetfeld der Erde wird über ein
kleines Gebiet als im wesentlichen ebenes Feld angesehen, welches
unter dem Inklinationswinkel gegenüber der Horizontale geneigt
ist (zum Beispiel 67° in Südengland),
wohingegen das magnetische Feld infolge des Stroms in dem Leiter
ein zirkuläres
Feld um den Leiter ist. Obgleich das Magnetfeld der Erde durch die
Gegenwart der Eisenbahnschienen und irgendwelcher Züge deformiert
wird, kann dieser geometrische Unterschied noch verwendet werden,
um die beiden Quellen magnetischer Felder voneinander zu unterscheiden.
Die beiden Ringe aus magnetischem Material sind deshalb wünschenswerter
Weise nahe genug zusammen, so dass das Magnetfeld der Erde im wesentlichen
das gleiche für
jeden Ring ist. In der bevorzugten Anordnung sind die Ringe koaxial
und einander eng benachbart, wobei sie nur durch die Dicke der elektrischen
Wicklungen und Isolierungen voneinander getrennt sind.
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Das die Ringe bildende magnetische
Material stellt sicher, dass die Beziehung zwischen dem elektrischen
Strom und der Dichte des magnetischen Flusses (D) nicht-linear ist.
Das Material hat wünschenswerter
Weise eine hohe magnetische Permeabilität, da dies die Empfindlichkeit
des Instruments verbessert. Die Vorteile einer hohen Permeabilität würden erheblich
verringert, wenn irgendwelche Luftspalte in dem magnetischen Kreis
vorhanden wären,
so dass vorzugsweise jeder Ring ein durchgängiger Ring ist und von einer
laminierten Form sein kann, wobei er aus einem fortlaufenden Band
gewickelt ist. Alternativ kann jeder Ring Ringteilstücke (zum
Beispiel zwei C-förmige
Halbringe) aufweisen, welche um den Leiter zusammengefügt werden
können;
in diesem Falle sind die Paarungs- bzw. Kontaktflächen der
Ringteilstücke
wünschenswerter
Weise maschinell bearbeitet, so dass sie eben bzw. glatt sind, so
das wenn sie zusammengefügt
werden, kein bedeutender Luftspalt vorhanden ist. Idealerweise würde das
magnetische Material eine fast rechteckförmige Hysterese (B/H)-Kurve
aufweisen, welche plötzliche
magnetische Sättigung
zeigt und eine hohe magnetische Remanenz hat, aber mit praktischen bzw.
praktisch erhältlichen
Materialien kann dies nur angenähert
werden.
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Das Instrument ist in der Lage, Gleichströme und Wechselströme niedriger
Frequenz (idealerweise bis zur Hälfte
der Frequenz des Stroms der Quelle für Wechselstrom) zu messen.
Es kann dazu verwendet werden, Ströme abzutasten bzw. festzustellen, welche
in einem elektrischen Kabel fliessen, in welchem Falle die Ringe
groß genug
für das
Kabel sein müssen,
damit es durch sie hindurch verlaufen kann und können zum Beispiel 20 mm Innendurchmesser aufweisen.
Alternativ kann es dazu verwendet werden, den Strom der Schienen-Schaltung
festzustellen, welcher durch die Achse eines Zuges fließt, in welchem
Falle jeder Ring groß genug
sein muss, um die Achse zu umgeben und von sagen wir einmal 200 mm
Innendurchmesser zu sein.
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Die alternierende elektromotorische
Kraft (EMK), welche mit den Erregerwicklungen verbunden ist, könnte sinusförmig, oder
mehr bevorzugt, eine Rechteckwelle sein. Die Frequenz ist vorzugsweise
ausreichend niedrig, so dass jeder Ring von der Sättigung
in einer Richtung zur Sättigung
in der umgekehrten Richtung bei jedem Zyklus getrieben bzw. gesteuert
wird, und ist so gewöhnlich
geringer als 10 kHz, noch mehr bevorzugt geringer als 1000 Hz, aber
vorzugsweise wenigstens 100 Hz. Das Erreichen der Sättigung
hat den Vorteil, dass die Endpunkte des magnetischen Zyklus eindeutig
definiert sind. Wenn die Ringe identisch wären und kein Strom in dem Leiter
fließen
würde,
dann würde
kein Signal an den Stromanzeiger bzw. -indikator abgegeben. In dem
Leiter fließender
Strom verstärkt
den Magnetfluss in einem Ring, wohingegen der Fluss in dem anderen
Ring herabgesetzt wird, und wegen der nicht-linearen Eigenschaften
der Ringe wird dann ein Signal an den Stromanzeiger bzw. -indikator
gegeben. Wenn das magnetische Material in den Ringen eine ideale
rechteckige Hysteresekurve hätte,
würde man einen
Impulsausgang erwarten, da ein Ring die Sättigung geringfügig vor
dem anderen erreicht. In der Praxis sind die Ausgangs signale, welche
an den Stromanzeiger bzw. -indikator geführt werden, komplexer, aber
sie können
nichtsdestoweniger mit dem Strom in dem Leiter in Beziehung gesetzt
werden.
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In einem zweiten Aspekt schafft die
Erfindung ein Verfahren des Abtastens bzw. Fühlens und Messens eines Stroms
in einem Leiter, wobei ein solches Instrument verwendet wird.
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Die Erfindung wird nun weiter und
genauer beschrieben, und zwar nur beispielsweise und unter Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen, in welchen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Instruments zum Messen des Stroms in
einem Leiter zeigt, wobei teilweise das Instrument in Perspektivansicht
gezeigt ist;
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2 ein
elektrisches Schaltbild für
das Instrument von 1 zeigt;
die 3a und 3b graphisch die Ausgangssignale
zeigen, welche über
der Zeit aufgetragen sind, wobei diese mit dem Instrument gemäß 1 bei verschiedenen Werten
des Stromes in dem Leiter erhalten worden sind;
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4 graphisch
die Veränderung
des Ausgangssignals mit dem Strom für ein Instrument, wie in 1 dargestellt, zeigt; und
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5 graphisch
die Veränderung
des Ausgangssignals mit dem Strom für ein Instrument wie in 1 dargestellt zeigt, nach
der Integration des Spannungssignals.
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Es wird nunmehr auf die 1 und 2 Bezug genommen.
Ein Instrument 10 für
das Abtasten bzw. Fühlen
und Überwachen
von Gleichströmen
in einem Kabel 12 mit einem Außendurchmesser von 15 mm weist
zwei Ringe 14 auf, welche jeder einen Innendurchmesser
von 20 mm besitzen, durch welchen das Kabel 12 verläuft. Die
Ringe 14 sind im wesentlichen identisch und jeder ist aus
einem 0,05 mm dicken Band aus Mumetall gewickelt, so dass sie in
laminierter Form vorliegen (Mumetall ist eine Legierung von einer
ungefähren
Zusammensetzung; Fe 18%, Ni 75%, Cu 5% und Cr 2%) . Auf jeden Ring 14 ist eine
jeweilige toroidartige Erregerspule 16 gewickelt (von welcher
nur eine Windung in 1 gezeigt
ist) aus isoliertem Draht, wobei die Wicklungen 16 miteinander
in Reihe geschaltet sind und an eine Quelle 18 von Erregungs-Wechselstrom
angeschlossen sind. Die Wicklungen 16 sind so angeordnet
bzw. eingerichtet, dass die magnetischen Feldstärken (H) in den Ringen 14 infolge
des Erregungsstroms gleich sind, aber in entgegengesetzte Rich tungen
gerichtet sind. Obgleich die Ringe 14 in den Figuren als
voneinander beabstandet dargestellt sind, sind die Ringe 14 aneinander
angrenzend angeordnet, wobei sie nur durch die Wicklungen 16 voneinander
separiert sind. Eine Abtast- bzw. Fühlwicklung 20 wird
dann um beide Ringe 14 zusammen überwickelt (von welcher nur
eine Windung in 1 gezeigt
ist). Der von der Wicklung 20 umschlossene magnetische
Induktionsfluss ist demzufolge die Summe der magnetischen Induktionsflüsse in den
beiden Ringen 14 und irgendwelche Änderungen in dieser Summe erzeugen
in der Wicklung 20 eine Spannung. Selbstverständlich ist
dies äquivalent
zu dem Wickeln separater Abtast- bzw. Fühlspulen 20 um jeden
Ring 14 und dann Verbinden dieser Wicklungen in Reihe,
wie dies in dem Schaltbild von 2 gezeigt
ist. Die Abtast- bzw. Fühlwicklung 20 ist
mit einem Stromanzeiger bzw. -indikator 22 verbunden bzw.
an diesen angeschlossen.
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In Verwendung des Instruments 10
schafft die (Strom-)Quelle 18 eine Rechteckwellen-Wechselspannung für die Erregerwicklungen 16,
welche in diesem Falle bei einer Frequenz von 750 Hz liegt. Das
Instrument ist tatsächlich
ein Wechselstrom-Brückennetzwerk,
und ein Ausgangssignal von der Abtast- bzw. Fühlwicklung 20 tritt
nur auf, wenn eine Differenz zwischen den magnetischen Flüssen in
den beiden Ringen 14 vorhanden ist. Dies geschieht, wenn
ein Strom in dem Leiter 12 vorhanden ist, da dies den Fluss
in einem Ring 14 erhöht
und den Fluss in dem anderen Ring 14 herabsetzt. Wegen
der nicht-linearen Eigenschaften des magnetischen Materials ist
die Zunahme und die Abnahme nicht die gleiche und deshalb wird eine
Spannung in der Abtast- bzw. Fühlwicklung 20 induziert.
Diese Frequenz des Wechselstroms ist derart, dass jeder Ring 14 in die
Sättigung
bei jedem Halbzyklus gesteuert wird, wobei ein Spitzen bzw. Scheitelstrom
von 100 mA verwendet wird. (Wenn die Erregungsfrequenz erhöht wird,
nimmt die Zeit, welche für
die Sättigung des
magnetischen Materials zur Verfügung
steht ab, und deshalb würde
Energie in einem größeren Maß eingeführt werden
müssen.
Für eine
gegebene Anzahl von Windungen in der Erregerwicklung kann dies durch
Einstellen des Treiberstroms eingestellt werden, aber es liegt kein
Nutzen in der Erhöhung des
Verbrauchs an Energie. Andere Erwägungen bezüglich der Auswahl dieser Frequenz
sind diejenigen, dass im Prinzip eine Messung des Stroms in dem
Leiter 12 pro Zyklus gemacht werden kann; für die Genauigkeit
ist es vorzuziehen, eine Mittelung über eine Anzahl von Zyklen
vorzunehmen. Um die Messungen der Ströme in dem Leiter 12 bis
zu angenommen 10 Hz zu ermöglichen,
muss die Erregungsfrequenz deshalb we nigstens 20 Hz sein und ist
vorzugsweise wenigstens 40 Hz. Um eine mögliche Beeinflussung bzw. Beeinträchtigung
durch andere elektrische Anwendungen bzw. Apparate zu vermeiden,
ist es wünschenswert,
eine Frequenz zu wählen,
die ein Vielfaches der Netzfrequenz, das heißt 50 Hz in Europa, ist.)
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Die in der Abtast- bzw. Fühlwicklung 20 induzierte
Spannung kann auf eine Vielzahl von Weisen detektiert bzw. festgestellt
werden und in Beziehung zu dem Strom in dem Leiter 12 gesetzt
werden. Es wird nunmehr auf die 3a und 3b Bezug genommen. Diese
zeigen graphisch die Veränderung
der induzierten Spannung V über
der Zeit t (über
einen Zyklus der Rechteckwellen-Erregungsspannung) für verschiedene
Werte von elektrischen Strömen
I in dem Leiter 12, wie sie mit dem oben beschriebenen Instrument 10 festgestellt
bzw. beobachtet werden. Die 3a zeigt
die Ergebnisse, welche erhalten werden, wenn positive Werte des
Stromes I verwendet werden und die 3b zeigt
die Ergebnisse, welche mit negativen Werten des Stroms I erhalten
werden, wobei diese nur der Klarheit wegen getrennt voneinander
gezeigt sind. Es wird festgestellt bzw. beobachtet, dass die induzierte
Spannung V in einer komplexen Weise über jeden Zyklus variiert und
dass die bei unterschiedlichen Werten des Stroms erhaltenen Kurven
klar voneinander unterschieden werden können; in 3a sind die Unterschiede am bemerkenswertesten
in der rechten Seite der Kurve, wohingegen in 3b die Unterschiede am bemerkenswertesten
in der linken Seite der Kurve sind. Die genaue Form dieser Kurve
hängt von
der Form der Kurve der Hysterese für das Material der Ringe 14 ab und
kann sich auch für
die hinge verschiedener Dimensionen bzw. Abmessungen unterscheiden.
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Ein modifiziertes Instrument zum
Abtasten bzw. Fühlen
von Strom wurde ausgeführt,
welches von dem oben beschriebenen darin abweicht, dass die Ringe 14 aus
Mumetall-Band auf Kunststoff- bzw. Plastikmaterialformern mit einem
Innendurchmesser von 200 mm gewickelt wurden, wobei dies groß genug
ist, dass eine Achse durch die Ringe 14 verlaufen kann.
Die Erregerwicklungen 16 und die Abtastwicklungen 20 wurden,
wie oben beschrieben, gewickelt. Die Erregerwicklungen 16 wurden
mit einem Strom mit 750 Hz Rechteckwelle gespeist mit einem Spitzen-
bzw. Scheitelerregungsstrom von 100 mA. Der Stromanzeiger bzw. -indikator 22 wies
in diesem Falle ein Zeitfenster bzw. -tor, ein Filter und einen Ausgangsverstärker, welcher
an ein Voltmeter angeschlossen war, auf. Das Zeitfenster bzw. -tor
war in diesem Falle mit dem Erregungssignal synchronisiert und so
angeordnet bzw. eingerichtet, dass nur das Spannungssignal an einem
gut definierten Punkt in dem Zyklus ausgewählt wurde; das sich ergebende Signal
wurde gefiltert, um die Schaltfrequenz von 750 Hz zu entfernen;
und das sich ergebende Gleichstromsignal wurde verstärkt (mit
10 multipliziert), um zufriedenstellende Ablesewerte auf einem digitalen Voltmeter
zu erhalten. Es wird nunmehr auf 4 Bezug
genommen. Dort sind graphisch die Ablesungen des digitalen Voltmeters
für einen
Bereich verschiedener Werte des Stromes, welcher in einem Leiter 12 fließt, welcher
sich durch die Ringe 14 erstreckt, dargestellt. Es wird
beobachtet, dass in diesem speziellen Fall eine im wesentlichen
lineare Beziehung zwischen der Ausgangsspannung und dem Strom über diesen
Bereich von Strömen
vorliegt.
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Ein alternativer und zu bevorzugender
Weg der Bestimmung des Stroms I aus den Messungen der induzierten
Spannung V schließt
die Integration der induzierten Spannung V über Teilen des Zyklus ein,
da dies einen Ausgang schafft, welcher weniger empfindlich für irgendwelche
Fehler der zeitlichen Steuerung ist. Das bevorzugte Vorgehen ist
es, diese Integration über
die ersten und dritten Quartale eines jeden Zyklus vorzunehmen.
Dies kann durch Verwendung analoger Elektroniken in dem Stromanzeiger
bzw. -indikator 22 von 1 erfolgen,
und zwar mit einem Festkörperschalter
zur Steuerung der Zeiten, für
die das Spannungssignal an den. Integrator geführt wird und eine Abtast-Halte-Schaltung
(sample-and-hold circuit), um das Ergebnis der Integration an dem
Ende jedes Zyklus abzugeben. Diese Signalverarbeitung erzeugt ein
Ausgangssignal, welches, wie in 5 gezeigt,
auf welche nunmehr Bezug genommen wird, sich monoton mit dem Strom
I ändert und über einen
weiten Bereich von Strömen
I linear ist.
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Es wird wiederum auf 1 Bezug genommen. Das Instrument 10 kann
weiterhin dadurch verbessert werden, dass eine Rückkopplungswicklung 30 vorgesehen
wird, welche durch den Ausgang von dem Stromanzeiger bzw. -indikator 22 angesteuert wird,
wobei das magnetische Feld des Stroms in der Rückkopplungswicklung 30 entgegengesetzt
zu dem Feld des Stroms in dem Kabel 12 ist. Die Rückkopplungswicklung 30 kann
viele Windungen haben, so dass der Rückkopplungsstrom im Gleichgewichtszustand
viele Male kleiner als der Strom in dem Kabel 12 sein kann.
Die Veränderung
des Flusses in den Ringen 14 über der Zeit wird dadurch nahe
dem Nullstromzustand gehalten, was den nützlichen bzw. günstigen
Effekt hat, dass der Betrieb des Instruments 10 im wesentlichen
unabhängig
von den Eigenschaften des magnetischen Kreises gemacht werden kann.
Weiterhin kann der Bereich der Ströme, welche gemessen werden
können,
vergrößert werden,
wobei er nur durch die Fähigkeit
der Zuführung
eines Abgleich- bzw. Ausgleichstroms zu der Rückkopplungswicklung 30 begrenzt
wird. Die Empfindlichkeit des Instruments 10 mit der Rückkopplung wird
durch die Eigenschaften der Rückkopplung
dominiert und ist deshalb viel weniger von den magnetischen Eigenschaften
der Ringe 14 abhängig.
Mit einem solchen Rückkopplungssystem
schafft der Strom in. der Rückkopplungswicklung 30 ein
Maß des
Stroms in dem Kabel 12.
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Es sollte berücksichtigt werden, dass im Prinzip
die Rückkopplung
in dieser Weise in irgendeinem Instrument 10 vorgesehen
bzw. geschaffen werden kann, in welchem die Ausgangsspannung V (wie in
den 3a und 3b gezeigt) erst so verarbeitet
wurde, dass ein einzelner Wert eines Ausgangssignals entsprechend
einem bestimmten Wert des Stroms I in dem Kabel 12 geschaffen
wird. Das bevorzugte Instrument 10, wie oben beschrieben,
integriert die induzierte Spannung über das erste und dritte Quartal bzw.
Viertel eines jeden Zyklus und schließt auch die Rückkopplungswicklung 30 ein.
Das Einschließen
eines Integrationsmechanismus mit Rückkopplung in dieser Weise
macht im wesentlichen das Instrument 10 auf Null selbstabgleichend.
Mit einer Rechteckwellen-Erregungsfrequenz von 750 Hz, welche an die
Wicklungen 16 angelegt wird, kann das Instrument sowohl
den Gleichstrom in dem Kabel 12 als auch irgendwelche Veränderungen
in diesem Strom bis zu einer Frequenz von etwa 200 Hz messen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass
die Spannungssignale auf eine Vielzahl von verschiedenen Wegen zusätzlich zu
den oben beschriebenen analysiert werden können und insbesondere könnten sie anstelle
dessen digital analysiert werden.