DE69400014T2

DE69400014T2 - Widerstandselemente zur Strommessung und Anschluss- und Messmodule.

Info

Publication number: DE69400014T2
Application number: DE69400014T
Authority: DE
Inventors: Olivier Ploix
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1993-02-15
Filing date: 1994-02-11
Publication date: 1996-05-02
Anticipated expiration: 2014-02-12
Also published as: EP0612081B1; EP0612081A1; JPH06294821A; DE69400014D1; FR2701590B1; ZA94994B; FR2701590A1; ES2079988T3

Description

Die Erfindung betrifft Widerstandselemente zur Strommessung und Module zum Anschließen und Messen, welche solche Elemente inkorporieren. Die Erfindung findet eine besonders wichtige Anwendung in elektrischen Energiezählern, wo die gegenwärtige Leistung bestimmt wird, indem das Produkt der auf die Klemmen einer Ladung angewendeten Spannung und eines für den durch die Ladung hindurchtretenden Strom repräsentativen Spannungssignals gebildet wird.
Man kennt schon zahlreiche Widerstandselemente, die für diesen Zweck bestimmt sind. Sie weisen im allgemeinen Anschlußmittel zum Anschließen einer Ladung in Reihe und Mittel zum Abgreifen einer Potentialdifferenz auf, die repräsentativ für den Ohmschen Spannungsabfall in dem Element ist.
Insbesondere kennt man Elemente, die von einem einfachen spangenförmigen Element gebildet sind, welches an seinen Enden mit Zapfen zur Befestigung an den Klemmen zur Verwirklichung der Serienschaltung versehen sind. Der elektrische Widerstand des spangenförmigen Elementes wird durch das Vorsehen von Nuten justiert, die lokal den Querschnitt verringern. Diese bekannten Widerstandselemente weisen den Nachteil auf, daß der Widerstand (und somit das für einen gegebenen Strom gelieferte Spannungssignal) beträchtlich im Bereich der Betriebstemperaturen variiert, die typischerweise von -20º C bis + 80º C liegen. DE-A-29 39 594 bechreibt ein Widerstandselement zur Strommessung, welches vollständig aus einer Legierung wie "Manganin" besteht, welche aufgrund ihres geringen Temperaturkoeffizienten weniger durch den vorbeschriebenen Nachteil beeinträchtigt wird. Aber die Antwort eines solchen Widerstandsmeßelementes ist nicht linear, weil die Stromlinien in der Gesamtheit des Widerstandselementes zwischen den Punkten, wo die Potentialdifferenz gemessen wird, nicht parallel sind. Ein anderes zu begrenzendes Risiko ist, daß das Meßelement im Falle der Anwendung von Spannungspitzen beschädigt werden kann, selbst wenn diese nur einige Mikrosekunden dauern.
Der Erfindung insbesondere liegt die Aufgabe zugrunde, ein Widerstandselement zur Strommessung anzugeben, das besser als die vorbekannten den Anforderungen der Praxis genügt und insbesondere die vorbeschriebenen Nachteile in einem weiten Meßbereich weitgehend vermeidet.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Widerstandselement zur Strommessung der eingangs bezeichneten Art vor, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es einen Mittelbereich mit konstantem transversalen Querschnitt und zwei Endbereiche aus elektrisch leitendem Material aufweist, welche an den beiden Enden des Mittelbereichs entlang zweier zur Richtung des Stromdurchtritts transversaler Verbindungen angelötet sind, wobei die Endbereiche mit Laschen versehen sind, welche die Anschlußmittel zum Anschließen in Serie bilden, wobei der Mittelbereich aus einem Material besteht, dessen spezifischer Leitungswiderstand um wenigstens eine Größenordnung oberhalb desjenigen des Materials der Endbereiche liegt und eine Änderung des spezifischen Leitungswiderstandes in Abhängigkeit von der Temperatur nicht über 25 ppm/ºC wenigstens zwischen -20º C und 80ºC aufweist.
Der Mittelbereich kann insbesondere aus "Manganin" bestehen, welches eine Legierung ist, die zu 4 Gew.-% aus Nikkel, 10 Gew.-% aus Mangan und 86 Gew.-% aus Kupfer besteht, deren Variationskoeffizient in Funktion der Temperatur 15 ppm/ºC zwischen 40º und 60º nicht überschreitet, d.h. im Meßbereich, der am häufigsten auftritt. Das Lot kann dann mit Silber bewirkt werden, was einen geringen Verbindungswiderstand sicherstellt und das Manganin nicht verändert, auch wenn es eine Umgebungstemperatur von 600 º C überschreitet.
Die Mittel zum Abgreifen der Potentialdifferenz können insbesondere von zwei Löchern gebildet sein, die jeweils im Mittelbereich in der Nachbarschaft der beiden Endbereiche oder sogar quer durch das Lot ausgespart und vorgesehen sind, um Endspitzen von Meßdrähten aufzunehmen.
Aufgrund der Tatsache der Widerstandsdifferenz zwischen dem Mittelbereich und den Endbereichen bleiben die wichtigsten Krümmungen der Stromlinien begrenzt auf die Endbereiche. Aufgrund dieses Aufbaus können die Stromlinien im Mittelbereich, d.h. in der Zone, wo der gemessene Spannungsabfall entsteht, parallel gehalten werden und zwar qasi exakt. Der divergente Charakter der Stromlinien in den Endbereichen ist ohne Konsequenz, weil die gemessene Potentialdifferenz den Ohmschen Spannungsabfall in den Endbereichen nicht berücksichtigt. Dieser Ohmsche Spannungsabfall kann übrigens extrem gering sein, insbesondere wenn man Kupferelektrolyte verwendet.
Gemäß einem zweiten Aspekt schlägt die Erfindung einen Anschluß- und Meßmodul vor mit Verbindungsmitteln zum Verbinden eines Phasendrahtes und eines neutralen Drahtes eines elektrischen einphasigen Verteilungsnetzes mit jeweils zwei Drähten zur Speisung von elektrischen Einrichtungen, welche stromabwärts des Moduls gelegen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsmittel ein Widerstandselement zur Messung des Stromes, wie vorstehend beschrieben, aufweist, das angeordnet ist, um mit einer der Laschen mit dem Phasendraht und mit seiner anderen Lasche mit dem entsprechenden Speisungsdraht verbunden zu werden.
Andere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aufgrund der nachfolgenden Beschreibung anhand eines bevorzugten, aber nicht beschränkenden Ausführungsbeispiels offensichtlich. In den beigefügten Zeichnungen ist gezeigt:
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Widerstandselementes nach der Erfindung;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Anschluß- und Meßmoduls nach der Erfindung und
Fig. 3 ist ein Schema, das eine mögliche Verbindungsart im Modul nach Fig. 2 zeigt.
Das Widerstandselement 1, das in Figur 1 dargestellt ist, ist bestimmt, den elektrischen Strom zu messen, der in einer Ladung fließt. Es besteht aus einem Mittelbereich 2 mit rechteckiger Form und zwei Endbereichen 3,4 aus elektrisch leitendem Material, die an die Enden des Mittelbereiches angelötet sind.
Der Mittelbereich 2 besteht aus "Manganin", einer Metallegierung, die aus 4 Gew.-% Nickel, 10 Gew.-% Mangan und 86 Gew.-% Kupfer besteht mit einem Widerstand von 38,3 uΩ.cm und einem Temperaturkoeffizienten zwischen 40º C und 60º C von ± 15 ppm/ºC. Zwischen -20º und +80º ändert sich dieser Temperaturkoeffizient maximal um ± 25 ppm/ºC. Der zu messende Strom fließt im Mittelbereich 2 zwischen den Endbereichen 3,4. Der Querschnitt des Mittelbereiches 2 ist konstant entlang der Richtung des Stormdurchtritts.
Die Endbereiche 3,4 bestehen aus elektrolytischem Kupfer und sind an den Mittelbereich 2 mittels Silberlot angelötet. Ein solches Lot ist fähig, einer Spannung von 12 kV zu widerstehen und einem Strom von 4.500 A während 2 msec. Die Lote sind an zwei Verbindungen 6,7 verwirklicht, welche transversal zur Stromrichtung im Mittelbereich 2 sind.
Jeder Endbereich 3,4 weist einen Bereich auf, der den Mittelbereich 2 verlängert und eine Lasche 8,9, die sich transversal zum Mittelbereich 2 erstreckt. Die Laschen 8,9 dienen zum Anschließen in Reihe des Widerstandselementes 1 an der Ladung. Jede der Laschen 8,9 hat eine konkave Form auf ihrem unteren Teil, derart, um sich an die Form des Drahtes anpassen zu können, mit dem sie verbunden wird, um einen guten elektrischen Kontakt zu verwirklichen.
Um eine Potentialdifferenz, die repräsentativ für den Ohmschen Spannungsabfall im Element 1 ist, abgreifen zu können, weist dieses zwei zylindrische Löcher 11,12 auf, die im Mittelbereich 2 ausgespart sind. Die Löcher 11,12 sind bestimmt, um Endspitzen 13,14 von Meßdrähten 16,17 (Fig. 2) aufzunehmen. Die Spannung zwischen den Meßdrähten 16,17 ist proportional zur Intensität des Stromes, der den Mittelbereich 2 durchfließt, wobei der Widerstand zwischen den beiden Löcher 11,12 typischerweise von 120 uΩ bis 0,6 % nah ist, wobei der Gesamtwiderstand des Widerstandselementes 1, gemessen zwischen den Laschen 8,9 unterhalb von 170 uΩ liegt.
Der Mittelbereich 2 weist außerdem ein drittes Loch 18 auf, das dazu bestimmt ist, die Endspitze 19 eines Bezugsdrahtes 21 aufzunehmen.
Vorzugsweise weisen die Löcher 11,12,18 wenigstens einen Teilbereich auf, der rechts von den transversalen Verbindungen 6,7 gelegen ist. Wie dies Figur 1 zeigt, kann so jedes Loch 11,12,18 an seinem Umfang auf der Oberfläche des transversalen Endes des Mittelelementes 2 geöffnet werden. Diese Anordnung erlaubt es, die Endspitzen 13,14,19 mittels Silberlot zu befestigen, das für die transversalen Verbindungen 6,7 gebraucht worden ist.
Der Anschluß und Meßmodul, der in Figur 2 dargestellt ist, weist einen Block 26 aus elektrisch isolierenden Material auf, in welchem vier Ausnehmungen 27,28,29,30 ausgespart sind. Diese Ausnehmungen erlauben es, einen Phasendraht P einen neutralen Draht N eines einphasigen elektrischen Verteilnetzes mit jeweils zwei Drähten AP, AN zur Speisung von elektrischen Einrichtungen zu verbinden, welche stromabwärts des Moduls gelegen sind. Der Modul weist ein Widerstandselement 1 zur Strommessung auf, wie dies vorstehend beschrieben worden ist, dessen Mittelbereich auf einer hinteren Fläche des Blockes 26 angeordnet ist. Die Lasche 8 durchdringt die Ausnehmung 27, um mit dem Phasendraht P in Kontakt zu kommen, mittels einer Anordnung wie diese in Figur 3 dargestellt ist. Ein Bügel 31 umgibt den Phasendraht P und die Lasche 8, die die Ausnehmung 27 durch zwei gegenüberliegende Flächen des Blockes 26 durchdringt. Eine von einer oberen Fläche des Blockes 26 zugängliche Schraube erlaubt es, den Bügel 31 vertikal verschieben zu können, um ein Schließen des Phasendrahtes P und der Lasche 8 eine gegen die andere ermöglichen zu können. Für eine analoge Anordnung ist die Lasche 9 des Elementes 1 in der Ausnehmung 30 mit dem Speisungsdraht AP in Kontakt gebracht.
Der Modul weist außerdem einen Springleiter 33 in Form eines U auf, welcher zwei parallele Laschen 34,35 in derselben Form wie die Laschen 8,9 aufweist, die jeweils in die Ausnehmungen 28,29 hineindringen, um in Kontakt mit dem neutralen Draht N und dem Speisungsdraht AN zu kommen. Eine Nut ist auf dem Boden des Springers 33 vorgesehen für die Anlötung der Endspitze 37 eines Drahtes zum Abgreifen der Spannung 38.
Außer seiner Funktion zur Verbindung elektrischer Einrichtungen mit einem Verteilnetz dient der in der Figur 2 dargestellte Modul zur Lieferung von Meßsignalen, die brauchbar sind, um den elektrischen Energieverbrauch in der Ladung zu zählen, der durch die elektrischen Speiseeinrichtungen durch die Drähte AN und AP gebildet wird. Die Spannung zwischen den Meßdrähten 16,17 bildet ein Stromsignal, das repräsentativ für den die Ladung durchdringenden Strom ist. Die Spannung zwischen den Drähten 21,38 repräsentiert die auf die Ladung angewendete Spannung und kann durch einen Spannungsteiler mit Widerständen reduziert werden, um ein Spannungssignal zu liefern. Die Drähte 16,17,21,38 sind mit nicht dargestellten elektronischen Schaltungen verbunden, die das Zeitintegral des Produktes zwischen dem Stromsignal und dem Spannungssignal zur Bildung einer Anzeige des elektrischen Energieverbrauches in der Ladung berechnen. Diese Schaltungen werden mit einer kontinuierlichen Basisspannung gespeist im Verhältnis zu einem Massenpotential, das durch die Referenzspannung definiert ist, welche von dem Draht 21 geliefert wird. Diese kontinuierliche Spannung kann von einer Gleichrichterschaltung, die zwischen den Drähten 21 und 38 angeordnet ist, erhalten werden.

Claims

1. Widerstandselement zur Strommessung (1) mit Anschluß mitteln zum Anschließen einer Ladung in Reihe und mit Mitteln zum Abgreifen einer Potentialdifferenz, die repräsentativ für den Ohmschen Spannungsabfall in dem Element ist, dadurch gekennzeichnet,

daß es einen Mittelbereich (2) mit konstantem Querschnitt und zwei Endbereiche (3,4) aus elektrisch leitendem Material aufweist, welche an den beiden Enden des Mittelbereichs entlang zweier zur Richtung des Stromdurchtritts transversaler Verbindungen (6,7) angelötet sind, wobei die Endbereiche mit Laschen (8,9) versehen sind, welche die Anschlußmittel zum Anschließen in Serie bilden, wobei der Mittelbereich (2) aus einem Material besteht, dessen spezifischer Leitungswiderstand um wenigstens eine Größenordnung oberhalb desjenigen des Materials der Endbereiche liegt und eine Änderung des spezifischen Leitungswiderstandes in Abhängigkeit von der Temperatur nicht über 25 ppm/ºC, wenigstens zwischen -20ºC und +80ºC, aufweist.

2. Widerstandselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Mittelbereich (2) aus einer Verbindung besteht, die aus 4 Gew.-% Nickel, 10 Gew.-% Mangan und 86 Gew.-% Kupfer besteht.

3. Widerstandselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Mittel zum Abgreifen der Potentialdifferenz von zwei Löchern (11,12) gebildet sind, die jeweils im Mittelbereich (2) in der Nachbarschaft der beiden Endbereiche (3,4) ausgespart sind und vorgesehen sind, um Endspitzen (13,14) von Meßdrähten (16,17) aufzunehmen.

4. Widerstandselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß es ein anderes Loch (18) aufweist, das im Mittelbereich (2) in der Nachbarschaft eines der beiden Endteile (3) ausgespart ist und vorgesehen ist, um eine Endspitze (19) eines Referenzdrahtes (21) zur Lieferung eines Referenzpotentials aufzunehmen.

5. Widerstandselement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Löcher (11,12,18) wenigstens bereichsweise geradlinig am Rand der Verbindungen (6,7) gelegen sind.

6. Anschluß und Meßmodul mit Verbindungsmitteln zum Verbinden eines Phasendrahtes (P) und eines neutralen Drahtes (N) eines elektrischen einphasigen Verteilungsnetzes mit jeweils zwei Drähten (AP, AN) zur Speisung von elektrischen Einrichtungen, welche stromabwärts des Moduls gelegen sind, dadurch gekennzeichnet,

daß die Verbindungsmittel ein Widerstandselement (1) zur Messung des Stromes gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist, das angeordnet ist, um mit einer der Laschen (8) mit dem Phasendraht (P) und mit seiner anderen Lasche (9) mit dem entsprechenden Speisungsdraht (AP) verbunden zu werden.

7. Anschlußmodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß das Widerstandselement (1) zur Messung des Stromes ein Loch (18) aufweist, welches in dem Mittelbereich (2) in der Nachbarschaft eines der Endbereiche (3) ausgespart ist und bestimmt ist, den Referenzdraht (21) zur Lieferung eines Referenzpotentials aufzunehmen, und daß es außerdem einen bügelförmigen Leiter (33) mit zwei Laschen (34,35) aufweist, die angeordnet sind, um jeweils mit dem neutralen Draht (N) und dem entsprechenden Speisungsdraht (AN) verbunden zu werden, wobei der Bügel Anschlußmittel zum Anschließen eines Drahtes (38) zum Abgreifen der Spannung aufweist, welcher im Verhältnis zum Referenzdraht (21) eine Spannung liefert, die repräsentativ zu derjenigen ist, die auf die Ladung angewendet wird.