DE69802203T2

DE69802203T2 - Gerät mit bandpass grosser bandbreite zum messen elektrischer stromstärke in einem leiter

Info

Publication number: DE69802203T2
Application number: DE69802203T
Authority: DE
Inventors: Patrick Hofer-Noser; Nicolas Karrer
Original assignee: ARBEITSGEMEINSCHAFT PROF DR J
Current assignee: ARBEITSGEMEINSCHAFT PROF DR J
Priority date: 1997-04-21
Filing date: 1998-04-21
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2018-04-22
Also published as: JP2001521629A; EP1012609A1; WO1998048287A1; EP1012609B1; US6366076B1; DE69802203D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Messung der Stärke des Stromes in einem Leiter mit einer sehr hohen Abbildungsgüte, die es erlaubt, sowohl Gleichstrom wie auch Strom mit hohen Frequenzen zu messen, und die eine Bandbreite von 0 bis über 10 MHz aufweist.
Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung gemäss der Erfindung dadurch charakterisiert, dass sie einerseits aus einer in sich geschlossenen Messspule ohne magnetisierbaren Kern besteht, welche den Stromleiter zumindest teilweise umgibt, und so angeordnet ist, dass sie ein erstes Messsignal liefert, und andererseits mindestens einem Messwiderstand, der durch den zu messenden Strom durchflossen wird, oder mindestens einem magnetischen Felddetektor, der sich in der Nähe des Leiters befindet, so angeordnet, um ein zweites Messsignal zu liefern; die Messvorrichtung beinhaltet ferner eine Auswertschaltung des erwähnten ersten und zweiten Messsignals, so angeordnet, um ein Ausgangssignal zu bilden, das ein Abbild des zu messenden Stromes ist.
Die Erfindung bezweckt im weiteren, die Messvorrichtung zu miniaturisieren und gemäss einer zu bevorzugenden Ausführung eine Messung ohne galvanische Kopplung zwischen dem zu messenden Strom und dem Ausgangssignal durchzuführen.
Spezielle Realisierungsformen der Vorrichtung gemäss der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 13 erwähnt, aus der Beschreibung und den Abbildungen werden andere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung hervorgehen.
Bekannt sind schon Messverfahren, welche Rogowskispulen verwenden, wie zum Beispiel in der Publikation "Rogowski Transducers For High Current Measurement" von W. F. Ray, "IEE Colloquium on Low Frequency Power Measurement and Analysis", London, 1994 p. 10/1-10/6 und der Patentanmeldung FR 92 10801, diese Messverfahren erlauben es jedoch nicht, Gleichströme oder Gleichstromanteile zu messen.
Andere bekannte Strommessverfahren benützen die Messung vom magnetischen Feld, hervorgerufen durch den stromdurchflossenen Leiter, mittels Feldsensoren, wie die Hallsensoren oder magnetoresistive Elemente (s. DE 36 05 719 und DE 35 17 095). Ohne den Fluss mittels magnetischer Materialien hoher Permeabilität zu kanalisieren sind die Messsignale sehr klein. Dadurch können die kapazitiven Kopplungen und die Störfelder um ein Mehrfaches grösser sein als das Messsignal, wie zum Beispiel beim Schalten schneller Halbleiterschalter, das zu Spannungsänderungsgeschwindigkeiten im Bereich einiger tausend Volt pro Mikrosekunden führen kann. Um das Messsignal und somit auch den Störspannungsabstand zwischen dem zu messenden Signal und den vorhandenen Störungen zu erhöhen, kann der stromführende Leiter von einem geschlitzten Ringkern aus magnetischem Material umgeben werden. Man misst in diesem Fall das Magnetfeld im Inneren des Schlitzes zum Beispiel mittels einer Kompensationsschaltung, die den Fluss im Magnetmaterial mittels einer zusätzlichen stromdurchflossenen Wicklung auf Null regelt. Jedoch ist die obere Bandgrenze solcher Kompensationswandler allgemein kleiner als 1 MHz. Andererseits nimmt die Querschnittfläche des magnetischen Kerns mit zunehmenden Messstrom zu und erlaubt somit kaum eine Möglichkeit zur Miniaturisierung.
In den Verfahren, bei welchen der Spannungsabfall an stromdurchflossenen Leitern oder Widerständen gemessen wird, sind die auftretende Verlustleistung, die proportional mit dem Effektivwert des zu messenden Stromes steigt, die galvanische Kopplung zwischen Messsignal und dem zu messenden Strom, sowie die aufwendige mechanische Konstruktion, die solche Verfahren benötigen, wesentliche Nachteile. Ein solches Verfahren wird in der Veröffentlichung von Adolf Schwab "Die Berechnung der Bandbreite und der Anstiegszeit rohrförmiger koaxialer Messwiderstände unter Berücksichtigung der Stromverdrängung" (ETZ-A Band Nr. 89, 1968, S. 604 ff.) erläutert.
Die vorliegende Erfindung, die zum Ziel hat, die Nachteile der obenerwähnten Verfahren und Anordnungen zu beheben, wird besser verstanden im Licht der nachfolgenden Beschreibung von verschiedenen Realisierungsformen, die beispielhaft erwähnt werden, die auf die folgenden angefügten Zeichnungen referenzieren, in denen:
die Fig. 1 ein Schema des Prinzips der Anordnung gemäss der Erfindung ist;
die Fig. 2 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform ist;
die Fig. 3 ein Übersichtsblockschaltbild einer weiteren Ausführungsform ist;
die Fig. 4 ein Schema einer einfachen Messvorrichtung ist;
die Fig. 5 ein detailliertes Schema einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäss der Erfindung ist;
die Fig. 6a und 6b Ansichten bzw. Aufsieht und Schnitt einer Ausführung der Anordnung gemäss der Erfindung sind;
die Fig. 7 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform gemäss der Erfindung ist;
die Fig. 8 ein Blockschaltbild einer zu Fig. 7 ähnlichen Ausführungsform ist;
die Fig. 9 ein Blockschaltbild noch einer weiteren Ausführungsform der Anordnung gemäss der Erfindung ist; und
die Fig. 10 ein Blockschaltbild einer zu Fig. 9 ähnlichen Ausführungsform ist.
Gemäss dem Schema aus Fig. 1, wird der Strom I, der durch den Leiter 1 fliesst, einerseits mittels einer in sich geschlossenen Luftspule 4, die um den Leiter 1 angeordnet ist, auch Rogowskispule genannt gemessen und anderseits mittels mehrerer - hier vier - Magnetfelddetektoren 3, wie zum Beispiel Hall-Elemente oder magnetoresistive Elemente gemessen, dessen Ausgangssignale in der Schaltung 2 addiert werden um das Messsignal zu bilden. Dieses addierte Signal, welches auf dem Leiter 5 anliegt, wird dem ersten Eingang der signalverarbeitenden Schaltung 7 zugeführt, dessen anderer Eingang über die Leitung 6 das Signal der Spule 4 erhält. Das Ausgangssignal der Schaltung 7 erscheint im Leiter 8.
Es ist zu bemerken, dass die Felddetektoren vorzugsweise in der Nähe des primären Leiters 1 angeordnet werden, ohne dass der magnetische Fluss in ihrer Umgebung durch einen magnetischen Kreis oder Elementen aus magnetisierbarem Material konzentriert wird. Dadurch wird vermieden, dass der magnetische Kreis oder die Elemente sowohl das Verhalten der Messvorrichtung als auch dasjenige des Primärkreises, welcher in bestimmten Anwendungen sehr schnell kommutiert werden muss, beeinflussen.
Die Fig. 2 beschreibt eine Ausführungsform der Vorrichtung durch ein Blockschaltbild, in welchem die Signale durch ihre Laplacetransformierte dargestellt werden, wobei s den Laplaceoperator, I(s) die Transformierte des zu messenden Stromes I(t) und Y(s) das Ausgangssignal der Messvorrichtung darstellt.
Die Rogowskispule liefert eine Spannung, welche proportional zu der Änderungsgeschwindigkeit des Stromes I ist, diese Spannung kann im Frequenzbereich durch den Ausdruck
Ur(s) = s·Td·I(s) (2)
beschrieben werden. Td bezeichnet eine von Form und Material der Spule abhängigen Zeitkonstante.
Die Magnetfelddetektoren 3 liefern im Leiter 5 ein bandbegrenztes Signal, welches durch
Uh(s) = Kh*·I(s)/(1 + s·Th) (3)
beschrieben werden kann. Kh* bezeichnet eine Konstante, welche insbesonders von der Art und Anzahl der Magnetfelddetektoren abhängt. Der Nenner des Ausdrucks 3 beschreibt die Bandbegrenzung von diesem Signal.
In der Schaltung 7 der Fig. 2 werden die Messsignale in der Vorrichtung 9 addiert und das resultierende Signal wird dem Verzögerungsglied erster Ordnung 10 mit der Zeitkonstante T zugeführt. K stellt die Verstärkung des Signals in dieser Anordnung dar. Das Ausgangssignal des Ausgangsleiters 8 wird somit
Y(s) = I(s)[s²·Td·Th·k + s·Td·K + Kh*·K]/[s²·T·Th + s·(Th + T) + 1] (4)
Wenn man die Konstanten so wählt, dass der Zähler und der Nenner vom Multiplikator von I(s) ungefähr gleich werden, dann wird die Übertragungsfunktion ungefähr gleich eins und Y(s) stellt ein treues Abbild des Stromes I(s) dar. In den meisten Fällen wird es genügen, dass die Bedingung Th< < T erfüllt wird, um ein Ausgangssignal mit der gewünschten Genauigkeit zu erhalten.
In der verbesserten Ausführung von Fig. 3, welche die Nomenklatur von Fig. 2 benützt, wird der Block 10 der Schaltung 7 durch den Block 11, mit einem Regelkreis, ersetzt.
Das Ausgangssignal U(s) des Additionsblockes 9 wird dem positiven Eingang des Subtrahierers 9' zugeführt, dessen Ausgang mit der Integrationsvorrichtung 13 verbunden ist. Der Ausgang 13 ist mit dem negativen Eingang des Subtrahierers 9' über die Leiter 14, 14'durch ein Verzögerungsglied erster Ordnung 12 analog zum Block 10 aus Fig. 2 verbunden. Das Signal E(s) ist das Fehlersignal, welches am Ausgang von Block 9' erscheint und die Übertragungsfunktion von Block 11 ist die folgende:
Y(s)/U(s) = (s·T + 1)/[(s·T + 1)·s·Ti + K] (5)
T beschreibt die Zeitkonstante des Verzögerungsglieds; K die Verstärkungskonstante des Regelkreises, und Ti die Zeitkonstante des Integrators 13.
Unter Verwendung der Signalantworten gemäss den obenstehenden Formeln (2) und (3) kann die Übertragungsfunktion der Messvorrichtung berechnet werden:
Y(s)/I(s) = [s·Td(1 + s·Th) + Kh*](s·T + 1)/{(1 + s·Th)[s·Ti(s·T + 1) + K]} (6)
Wenn es möglich ist, die Parameter so zu wählen, dass die Bedingungen Td = Ti, T = Th und K = Kh* erfüllt sind, dann wird der Wert dieser Übertragungsfunktion gleich eins und das Ausgangssignal ist ein treues Abbild des zu messenden Stromes. Die obere Grenzfrequenz wird durch die Auslegung der Rogowskispule und des Integrators bestimmt. Die untere Grenzfrequenz ist gleich Null.
Die Fig. 4 zeigt eine sehr einfache Messvorrichtung gemäss dem Schema der Fig. 2, in dem die Messsignale durch die Serieschaltung der Spule 4 und des Messwiderstandes 15 addiert werden. Die Rogowskispule 4 besitzt einen inneren Widerstand RL1, eine Eigeninduktivität L1 und eine Gegeninduktivität L12. Der Messwiderstand 15 besitzt einen Ohmschen Anteil R5 und eine Streuinduktivität Ls. Die Summe des Spannungsabfalls über dem Widerstand 15 und der induzierten Spannung der Spule 4 erscheint in der Leitung 16 und wird einem Verzögerungsglied erster Ordnung 17 zugeführt, das beispielsweise aus einem Tiefpassfilter mittels einem Widerstand R und einem Kondensator C realisiert wird. Auf der Leitung 8 erscheint ein Ausgangssignal der Form
Y(s) = I(s)·[s(L12 + Ls) + Rs]/[s²·C(L1 + Ls) + s·C(RL1 + Rs + R) + 1] (7)
Falls es möglich ist die Konstanten so zu wählen, dass die Übertragungsfunktion Y(s)/I(s) annäherungsweise eins ist, so wird das Ausgangssignal ein getreues Abbild des Stromes I(s). Der Hauptnachteil einer solchen Vorrichtung ist die galvanische Kopplung zwischen dem Leiter 1 des zu messenden Stromes und dem Ausgangsleiter 8.
Die Ausführungsform welche detaillierter in Fig. 5 wiedergegeben ist beschreibt eine ähnliche Übertragungsfunktion zu derjenigen in Fig. 3 und die jeweilig gleichen Elemente sind durch die gleichen Kennziffern, die wie bis anhin verwendet wurden, bezeichnet. Die Magnetfelddetektoren in der Form von Hallsensoren, welche den Detektoren 3 von Fig. 1 entsprechen, wovon nur einer H1 im Block 33 dargestellt ist, liefern jeweils eine Spannung Ud, die proportional zu den niederfrequenten Komponenten des Stromes I im Leiter 1 aus Fig. 1 ist. Die Ausgangssignale der verschiedenen Hallsensoren werden in dazugehörigen Verstärkern wie OP2 im Block 25 dargestellt, verstärkt, danach in einem nicht dargestellten Block summiert. Das resultierende Signal wird einem Verzögerungsglied erster Ordnung 26 mit einer Verstärkung zugeführt, welches aus den Widerständen R3, R4, einem Operationsverstärker OP3 und der Kapazität C1 besteht. Die Eckfrequenz der Schaltung 26 ist bedeutend tiefer als die des Detektors 33, die resultierende Gesamtübertragungsfunktion der Blöcke 33, 25, 26, welche am Leiter 5 anliegt und eines der Messsignale der Vorrichtung bildet, lautet:
Gh(s) = -Kh·R4·kd/[R3(1 + s·C1·R4)] (8)
in dem die Konstante Kh die Eigenverstärkung der Hallsensoren und Kd die Verstärkung des Blocks 25 ist.
Das andere Messsignal wird von der Rogowskispule geliefert, welche im Block 4 durch ihre Eigeninduktivität L1 und ihrem ohmschen Widerstand RL1 und ihrer internen Kapazität CL beschrieben wird. Das Signal auf dem Leiter 6, wird dem Block 13 zugeführt, welcher einen Integrator mit Subtraktion enthält und aus den Widerständen R10, R11 und einem Operationsverstärker OP5 mit einem Kondensator C3 besteht. Um eine genügend schnelle Integration zu erreichen, muss der Operationsverstärker OP5 eine sehr grosse Bandbreite aufweisen und kann zum Beispiel durch einen Verstärker, der aus "Diamond Transistorstrukturen" gemäss der Nomenklatur der Firma Burr Brown (Applications Handbook 1994, Seiten 257 ff) aufgebaut ist oder durch einen Transimpedanzverstärker oder durch einen Breitbandverbundverstärker, der aus mehreren Verstärkern besteht realisiert werden. Die Eingangsimpedanz des Verstärkers OP5 muss auf die Rogowskispule abgestimmt sein, diese Abstimmung kann eventuell mit einem passiven Netzwerk realisiert werden.
Auf dem Leiter 8 am Ausgang des Blocks 13 erscheint das Ausgangssignal der Messvorrichtung. Dieses Signal wird unter anderem, auf eine ähnliche Art wie im Schema der Fig. 3, unter Zuhilfenahme eines Verzögerungsgliedes erster Ordnung 28, bestehend aus einem Tiefpassfilter, das einen Widerstand R12 und eine Kapazität C4 enthält, an den Block 27 gekoppelt, dessen Ausgangssignal über die Verbindung 32 die zum positiven Eingang des Verstärkers OP5 führt. Der Block 27 bildet die Differenz zwischen dem Signal Ur, das auf dem Leiter 30 erscheint und dem Signal Uh, welches auf dem Leiter 29, nach einer Teilung durch die Widerstände R5 und R6 vom Messsignal des Leiters 5, erscheint. Die Widerstände R13, R15 und R16 sowie ein Kondensator C17 gehören zum Block 27, wie in Schema Fig. 5 dargestellt, die Werte von R16 und C17 sind gleich wie jene von RiI und C3.
Die Übertragungsfunktion Y(s)/I(s) der Vorrichtung in Fig. 5 wird somit
Y(s)/I(s) = - {[s·L1·R10·(1 + s(C1·R4)/(R10 + R·L1)] + Kh·Kd·R4·R6(R13 + R15)/ R3·R13·(R6 + R5)}(1 + s·C4·R12)/ {(1 + s·C1·R4)[s·C3·R11·(1 + s·C4·R12) + R15/R13]} (9).
Der Vergleich mit den Koeffizienten der Gleichung (6) zeigt, dass
Td = L1·R10/(R10 + RL1)
Kh* = Kh·Kd·R4·R6.(R13 + R15)/[R3·R13·(R6 + R5)]
Th = C1·R4
Ti = C3·R11
T = C4·R12
K = R15/R13
Nach der Fig. 5 ist das Ausgangssignal gegenüber dem Eingangssignal invertiert. Das Vorzeichen des Ausgangssignals kann invertiert werden durch eine Anordnung zum Invertieren am Ausgang oder durch das Vertauschen der Eingangssignale am Integrator.
Das Schema von Fig. 5 stellt ebenfalls die Versorgung der Hallsensoren mittels einer Konstantstromquelle dar, durch das Schema des Blocks 33 realisiert in dem R1 und R2 Widerstände sind, 21 eine Zenerdiode und OP1 ein Operationsverstärker ist. Die Versorgungen der verschiedenen Hallsensoren sind in Serie geschaltet. Da der Speisestrom konstant ist, ist die Spannung, am Ausgang des Verstärkers 1 gegenüber der Masse 22, Uhs, proportional zur Temperatur der Hallsensoren und kann mittels Block 23 zur Temperaturregelung verwendet werden. Der Block 23 beinhaltet einen Heizwiderstand R9, der wiederum aus einer Serie oder Parallelschaltung von Widerständen bestehen kann, gespeist durch den Operationsverstärker OP4, und je nach dem über einen Leistungsverstärker. Der Temperatursollwert wird bestimmt durch einen Spannungsteiler, bestehend aus einem Widerstand R8 und einer Zenerdiode 22. Die Spannung Uhs wird über den Leiter 24 und den Widerstand R7 dem negativen Eingang des Operationsverstärkers OP4/C2 zugeführt. Alternativ kann ein separater Temperatursensor das Steuersignal für den Block 23 liefern. Andere Methoden zur Temperaturstabilisierung können ebenfalls gebraucht werden, wie z. B. eine Brückenschaltung, bestehend aus Hallsensoren, in Serie dazu ein Temperaturmesswiderstand, welcher die gleiche Charakteristik hat in Funktion der Temperatur wie die Differenz der Potentiale zwischen den Diagonalen der Brücke, welche das Signal Ud erzeugt.
Die Fig. 6a und 6b zeigen eine bevorzugte Realisierungsform der Messvorrichtung gemäss Erfindung. Die Rogowskispule 4 ist als gedruckte Schaltung 19 auf einem Substrat realisiert, bestehend zum Beispiel aus zwei zusammengefügten Teilen 18, 18', der Rückleiter 31 kann somit im Zentrum der Wicklung plaziert werden. Hallsensoren oder andere magnetische Felddetektoren 3 sind auf dem gleichen Substrat aufgebracht und in regelmässigen Abständen um die mittlere Öffnung 34 plaziert, durch welche der stromführende Leiter 1 hindurchgeht. Die Vorrichtung verfügt zudem über eine Leiterbahn 20, welche die Öffnung 34 umrandet mit Durchführungen 21, welche das Substrat durchqueren, das Ganze ist mit Masse verbunden, um eine Abschirmung gegen parasitäre kapazitive Störeinkopplungen zu realisieren. Die Rogowskispule 4 weist eine homogene Struktur auf, um den Einfluss externer parasitärer Felder zu reduzieren. Die signalverarbeitende elektrische Schaltung 7 wird vorzugsweise auf dem gleichen Substrat wie die Spule und die Hallsensoren realisiert. Die Leiterbahnen können auf einem starren oder flexiblen Substrat aufgebracht werden und können vorzugsweise so angeordnet werden, dass sie eine einzige Einheit bilden, die es ermöglicht, die Vorrichtung zu öffnen, um sie um den Leiter 1 herum installieren zu können.
Die Ausführungsformen der Schaltung zur Bearbeitung der oben erwähnten Signale zielen darauf hin, das Problem der Gleichstrommessung zu lösen mit Hilfe einer Messvorrichtung, welche es erlaubt hochfrequente Ströme zu messen, entweder mit Hilfe einer Rogowskispule oder einer Luftspule. In der Tat kann eine solche Spule kein Messsignal der Frequenz null liefern und die normalerweise verwendete Integrationsstufe müsste ihr Ausgangssignal in der Umgebung dieses Punktes konstant halten. Aber, die Integrationsstufe hat kein ideales Verhalten. Sie umfasst normalerweise einen oder mehrere Operationsverstärker, welche eine möglichst grosse Bandbreite, äusserst kleine Drift und Offsetströme und einen sehr grossen Ein- und Ausgangsspannungshub besitzen müssen. Andererseits weisen diese Verstärker meistens eine sehr grosse Verstärkung in der Nähe der Frequenz null auf. Das Ausgangssignal hat somit immer die Tendenz wegzudriften.
Die Lösung nach Fig. 3 und 5, welche darin besteht, eine Messung des Magnetfeldes, welches durch den Strom erzeugt wird, durchzuführen, um ein zweites Messsignal im niedrigen Frequenzbereich zu erhalten und einen Regelkreis zu verwenden, um die durch die Integrationsstufe bedingten Abweichungen zu beheben erweist sich als relativ teuer und als industriell schwierig zu realisieren, speziell wegen der Temperaturabhängigkeit und dem Stabilitätsproblem des Regelkreises.
Die Fig. 7 bis 10 illustrieren eine alternative Lösung, welche es erlaubt, die fast ideales Verhalten aufweisende Integrationsstufe zu vermeiden und auf einfache Art und Weise ein Ausgangssignal Y(s), das proportional zum Messstrom I(s) ist in einem Frequenzbereich, der von null bis zur Resonanzfrequenz der Messspule reicht, zu erzeugen.
Die Blockschaltbilder der Fig. 7 und 8 zeigen einerseits zwei Realisationsvarianten der Lösung, in welcher die Signalquellen als ideal betrachtet werden analog zu Fig. 2, und es werden die Kennziffern und Symbole für die Elemente und Signale die jenen der Fig. 2 entsprechen verwendet.
Gemäss Fig. 7 wird das Messsignal 6 an eine Verzögerungsstufe erster Ordnung 40 zugeführt und danach an die getrennten oder vereinten Verstärkerstufen 41, 42. Im Fall, wo die Stufe 40 ein aktives Element ist, kann die Verstärkungsfunktion von 41 und 42 in dieser Stufe realisiert werden.
Das Messsignal 5 wird verstärkt oder abgeschwächt in der Stufe 43 in Abhängigkeit des Faktors K in Funktion der gewünschten Amplitude des Ausgangssignals.
Die so bearbeiteten Signale werden in einem Additionsblock 44 addiert, um das Ausgangssignal Y(s) zu erzeugen.
Gemäss Fig. 8 wird der Reziprokwert des Verstärkungsfaktors der Stufe 41 aus Fig. 7 in die Verstärkungs-/Abschwächungsstufe 43', welche anstelle der Stufe 43 von Fig. 7 steht, übernommen.
Es ist leicht zu erkennen, dass die Übertragungsfunktion der Messvorrichtung im Fall der Fig. 7 Y(s)/I(s) = K und im Fall der Fig. 8 Y(s)/I(s) = K·Td/Th wird.
Die Fig. 9 und 10 illustrieren zwei weitere Varianten einer solchen Messvorrichtung, die Messspule wird durch dis Übertragungsfunktion gemäss dem Ausdruck der im Block 4' erscheint, beschrieben, welche eine Approximation bis zu Frequenzen oberhalb von einigen zehn MHz darstellt. Tatsächlich weist eine Rogowski- oder eine Luftspule ein ideales Differenzierverhalten bis zu Frequenzen von etwa 100 MHz je nach Ausführung der Spule auf. Für höhere Frequenzen verhält sie sich, wegen der kapazitiven Kopplung zwischen den Windungen, als Integrator.
Für die Funktionsweise des Messgerätes ist es wichtig, dass die obere Grenzfrequenz, bis zu der die Spule als Differentialglied arbeitet, grösser als die obere Grenzfrequenz des Magnetfelddetektors ist, welcher Tiefpasscharakter besitzt. Diese Bedingung ist allgemein erfüllt im Fall von den heutigen Hallsensoren und einer gut ausgefegten Rogowskispule.
Im Blockschaltbild von Fig. 9 wird das Messsignal 6' einem Verzögerungsglied erster Ordnung 45 zugeführt, welches eine Zeitkonstante Tv besitzt, anschliessend wird es einer Verstärkung um den Faktor Tv/Td im Block 46 unterzogen, diese Funktion kann auch in der Stufe 45 realisiert werden. Das Messsignal 5 kann direkt einer Verstärkungs-/Abschwächungsstufe 47 zugeführt werden, wenn Tv = Th ist.
Im Fall, dass die Eckfrequenz des Detektors 3 um zwei oder drei Dekaden oberhalb derjenigen der Stufe 45 ist, kann ein Verzögerungsglied 48 identisch zum denjenigen aus Block 45 verwendet werden. Da sich die Realisation zweier identischer Anordnungen als schwierig erweisen kann, zieht man allgemein eine Schaltung gemäss Fig. 10 vor.
Die umgewandelten Signale werden in der Stufe 44 addiert und zum Beispiel in der Stufe 49 aus Fig. 9 verstärkt. Selbstverständlich kann diese Funktion auch in der Stufe 44 oder in den Stufen 46 und 47 realisiert werden.
In der Ausführungsform gemäss Fig. 10 wird die Verzögerung am Ausgang der Additionsstufe 44 realisiert, zum Beispiel durch eine aktive Stufe 50, welche die Verzögerung wie auch eine Verstärkung um den Faktor K erzeugt. Die Funktionen der anderen gleichnamigen Stufen sind analog zu denen in Fig. 9.
In den praktischen Ausführungen wird wegen des nicht idealen Verhaltens der Messsignale sowie der anderen Komponenten der Messvorrichtung das Ausgangssignal kein perfektes Abbild des zu messenden Stromes im ganzen Frequenzbereiche sein. Nichtsdestotrotz entspricht die Frequenzcharakteristik eines solchen Gerätes deren eines Tiefpassfilters mit einer Eckfrequenz nahe der Resonanzfrequenz der Rogowskispule. Ein Dämpfungswiderstand ist vorzugsweise am Ausgang der Spule montiert, um das Signal bei der Resonanzfrequenz zu dämpfen.
Die beschriebene Lösung unter Zuhilfenahme der Beispiele aus Fig. 7 bis 10 erlaubt es leicht handhabbare Geräte mit niedrigen Selbstkosten zu realisieren, welche eine konstante Übertragungsfunktion in einem sehr breiten Frequenzbereich, inklusive der Frequenz Null aufweisen.
Durchgeführte Vergleichsmessungen mit einem Gerät gemäss der Erfindung und einem kommerziellen Stromtransformator, der eine obere Eckfrequenz von 20 MHz aufweist, haben erlaubt festzustellen, dass die jeweiligen dynamischen Eigenschaften keine Unterschiede aufweisen. Andererseits hat eine Gleichstrommessung bis 300 A einen maximalen Fehler von 2% bezogen auf die Messung mittels eines Messwiderstandes hoher Genauigkeit, ergeben.

Claims

1. Messvorrichtung zur Erfassung des in einem Leiter fliessenden Stroms, welche einerseits eine in sich geschlossene, den Leiter (1) zumindest teilweise umschliessende Messpule (4) ohne magnetisierbaren Kern aufweist welcher so angeordnet ist, dass sie ein erstes Messignal liefert, und andererseits mindestens einen Messwiderstand (45) aufweist, welcher vom zu messenden Strom durchsetzt wird, oder mindestens einen Magnetfelddetektor (3), der in der Nähe des Leiters (1) angebracht ist, aufweist und so angeordnet ist, dass sie ein zweites Messignal liefert, wobei die Messvorrichtung eine Schaltung (2,7) zur Bearbeitung des ersten und zweiten Messignals aufweist, um ein Ausgangssignal zu liefern, welches ein Abbild des zu messenden Stromes ist.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule eine Rogowski-Spule (4) ist und der Magnetfelddetektor eine Hall-Sonde (3) oder eine Feldplatte ist, wobei die Vorrichtung keine Elemente aus magnetisch permeablem Material zur Kanalisierung des magnetischen Flusses durch die Magnetfelddetektoren enthält.

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Magnetfelddetektoren (3) aufweist, die gleichmässig um den Stromleiter (1) angeordnet sind.

4. Vorrichtungen nach Patentansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rogowski-Spule (4) auf einem Substrat (18, 18') realisiert ist, auf dem elektrische Leiterbahnen (19) aufgebracht sind, die als regelmässige Wicklung um eine Öffnung (34) in der Mitte angeordnet sind und einen kreisförmigen, mittleren Rückleiter (31) besitzen, wobei die Magnetfelddetektoren (3) auf dem gleichen Substrat wie die Spule montiert sind.

5. Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (18, 18') einen Abschirmungsleiter (20) aufweist, welcher die Durchführungsöffnung (34) umrandet, ohne eine geschlossene Schleife zu bilden.

6. Vorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschirmungsleiter (20) mit leitenden Teilen (21) verbunden ist, welche das Substrat (18, 18') durchqueren.

7. Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus mindestens zwei gegenüberstehenden Lagen (18, 18') gebildet ist, welche die Wicklungen der Rogowski-Spule tragen, wobei deren Rückleiter (31) in der Berührungsfläche der zwei Lagen entlang der Mitte der Windungen angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter zusammen eine Gesamtheit bilden, so dass das Substrat geöffnet werden kann, um ein Einführen des zu messenden Stromleiters zu ermöglichen.

9. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Additionsvorrichtung aufweist, welche die Summe der Messignale bildet, wobei der Ausgang dieser Additionsvorrichtung mit einer ersten Subtraktionsvorrichtung (9') verbunden ist, der Ausgang dieser Subtraktionsvorrichtung mit einer Integrationsvorrichtung (13) verbunden ist, und das Ausgangssignal dieser Integrationsvorrichtung mittels einer Verzögerungsvorrichtung (12) mit einem zweiten Eingang der Subtraktionsvorrichtung (9') verbunden ist, um einen Regelkreis zu bilden, so dass das am Ausgang des Integrators erscheinende Ausgangssignal der Messvorrichtung proportional zur zu messenden Stromstärke sei.

10. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine erste Verstärker- und Verzögerungsvorrichtung (26) aufweist, welche mit dem Magnetfelddetektorausgang (33) oder den Anschlüssen des Messwiderstandes verbunden ist, um ein erstes Messignal zu bilden, eine Integrationsvorrichtung (13), deren Ausgang mit einer zweiten Verstärker- und Verzögerungsvorrichtung verbunden ist, und eine Additions-/Subtraktionsvorrichtung (27), deren Ausgang mit dem Eingang der Integrationsvorrichtung (13) verbunden ist, und deren Eingänge jeweils mit dem Ausgang der ersten Verstärker- und Verzögerungsvorrichtung (26), mit dem Ausgang der zweiten Verstärker- und Verzögerungsvorrichtung (28) und mit dem Ausgang der das zweite Messignal liefernden Spule (4) verbunden sind, um einen Regelkreis zu bilden, so dass das am Ausgang des Integrators erscheinenden Ausgangssignal der Messvorrichtung proportional zur zu messenden Stromstärke sei.

11. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Vorrichtung (44) zur Addition des Messignals, gegebenenfalls nach einer geeigneten Verstärkung oder Abschwächung des einen und/oder des anderen dieser Signale, aufweist, sowie eine mit dem Ausgang der Additionsvorrichtung verbundene Vorrichtung zur Verzögerung erster Ordnung (50), wobei die Verstärkung und Abschwächung der Messignale und die Zeitkonstante der Verzögerungsvorrichtung so gewählt sind, dass das Ausgangssignal der Verzögerungsvorrichtung proportional zur zu messenden Stromstärke sei.

12. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine mit dem Ausgang der Messpule (4) verbundene Verzögerungsvorrichtung erster Ordnung (50) sowie eine Signaladditionsvorrichtung (44) und mindestens eine Verstärker- oder Abschwächvorrichtung (42; 43) aufweist, welche zwischen dem Ausgang der Verzögerungsvorrichtung und einem ersten Eingang der Additionsvorrichtung und/oder zwischen dem Ausgang des Magnetfelddetektors und einem zweiten Eingang der Additionsvorrichtung angebracht sind, wobei die Verstärkung oder Abschwächung und die Zeitkonstante der Verzögerungsvorrichtung so gewählt sind, dass das Ausgangssignal der Additionsvorrichtung proportional zur zu messenden Stromstärke sei.

13. Vorrichtung nach Patentanspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelddetektoren eine obere Bandgrenze aufweisen, welche tiefer ist als die Eigenfrequenz der Messpule.