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Dokumentenidentifikation DE4434417A1 28.03.1996
Titel Meßanordnung zur Messung eines elektrischen Stromes
Anmelder Lust Antriebstechnik GmbH, 35633 Lahnau, DE
Erfinder Hebing, Ludger, Dipl.-Ing., 35614 Aßlar, DE;
Kunze, Jürgen, Dipl.-Ing., 35585 Wetzlar, DE;
Lust, Karl-Heinz, 35633 Lahnau, DE
Vertreter Missling, A., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 35390 Gießen
DE-Anmeldedatum 26.09.1994
DE-Aktenzeichen 4434417
Offenlegungstag 28.03.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.03.1996
IPC-Hauptklasse G01R 17/10
IPC-Nebenklasse G01R 29/08   G01R 33/02   
Zusammenfassung Meßanordnungen zur Bestimmung von Magnetfeldern dienen insbesondere zur potentialfreien Messung der Stromstärke eines elektrischen Stromes, der ein derartiges Magnetfeld hervorruft. Um ein in die zugehörige Stromleitung speziell einzufügendes Zwischenstück zu vermeiden und die Meßanordnung statt dessen in einer Klemmvorrichtung unterbringen zu können, die der Stromleitung lediglich übergestreift werden muß, sind in der erfindungsgemäßen Ausführung zwei Meßbrücken vorgesehen, die beiderseits der Stromleitung zu arretieren sind und deren Verstimmung durch das Magnetfeld des Stromes über eine Steuerschaltung ausgewertet wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Messung eines durch einen Stromleiter fließenden elektrischen Stromes mit Hilfe einer elektrischen Steuerschaltung mit einem Meßglied in Form einer als Wheatstone-Brücke ausgebildeten Meßbrücke aus magnetoresistiven Meßwiderständen, an die eine elektrische Brückenspannung angelegt ist, und von der zur Messung einer von dem Strom in der unmittelbaren Umgebung des Stromleiters erzeugten magnetischen Feldstärke eine Meßspannung abgegriffen wird, wobei die Meßspannung der Meßbrücke einen Kompensationsstrom im Kompensationsleiter beeinflußt, der so wählbar ist, daß die von dem Meßglied gemessene magnetische Feldstärke kompensiert wird, so daß der Kompensationsstrom proportional dem Strom ist.

Meßanordnungen zur Bestimmung von Magnetfeldern dienen insbesondere zur potential freien Messung der Stromstärke eines elektrischen Stromes, der ein derartiges Magnetfeld hervorruft. Da die gesamte Umgebung eines auf diese Weise zu bestimmenden Magnetfeldes stets schon mit großräumigen Störmagnetfeldern behaftet ist, liegt es nahe, mit Hilfe von Magnetfeldgradienten zwischen dem auszumessenden und einem Störmagnetfeld zu unterscheiden.

Eine solche Meßanordnung ist aus der Offenlegungsschrift DE 43 00 605 bereits bekannt, bei der ein mit einer Meßbrücke aus magnetoresistiven Schichtstreifen und einem Dünnschicht-Streifenleiter für einen kompensierenden Steuerstrom ausgestatteter Sensor, mit dem Stromleiter baulich vereint, vorgesehen ist, wobei das Ausgangssignal störfeld-unabhängig, dem auszumessenden Strom proportional und weder temperatur- noch hilfsmagnetfeld-abhängig ist, wie das von anderen Meßanordnungen her bekannt ist. Es ist aber nun erforderlich, daß die Meßanordnung in einem Zwischenstück des Stromleiters vorgesehen ist, die zu diesem Zweck unterbrochen und zu beiden Seiten des Zwischenstückes angeschlossen werden muß, wenn man vermeiden will, an dem Stromleiter einen Meßbereich abzuisolieren, um dort die Meßanordnung anbringen zu können. Insbesondere bei der Messung größerer Stromstärken ist allein eine Stromschiene als Zwischenstück praktikabel, auf der die Meßanordnung bereits angebracht und kalibriert ist, um den Einfluß der geometrischen Abmessungen auf das Übersetzungsverhältnis beherrschen zu können.

Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, diese Nachteile zu beseitigen und eine Meßanordnung der eingangs näher bezeichneten Art so auszubilden, daß sie mit dem unverändert bleibenden Stromleiter zum Messen jederzeit verbunden und bei Bedarf auch ohne weiteres wieder entfernt werden kann, ohne daß die bei derartigen Meßanordnungen bereits realisierbaren Vorteile - potentialfreie, störfeld-, temperatur- und hilfsmagnetfeld-unabhängige Messung - aufgegeben werden müßten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß als Meßglied zwei der elektrischen Brückenspannung ausgesetzte, parallel geschaltete Meßbrücken vorgesehen sind, die aus jeweils vier in der zugehörigen Meßbrücke angeordneten magnetoresistiven Meßwiderständen bestehen, daß die Meßwiderstände in den Meßbrücken in einer gemeinsamen Brückenebene angeordnet und daß die Meßbrücken mit zueinander im wesentlichen flächenparallelen Brückenebenen beiderseits des Stromleiters vorgesehen sind, und daß jede Meßbrücke eine Kompensationsleitung aufweist, und daß die Summe der Kompensationsströme der Meßbrücken gebildet wird, die proportional dem fließenden Strom ist.

Die Erfindung macht sich zunutze, daß beiderseits eines Stromleiters das von diesem erzeugte Magnetfeld entgegengerichtet wirkt und in einem (homogenen) Störfeld entweder verstärkt oder geschwächt wird, so daß sich nach wie vor diese störfeldabhängigen Komponenten in der Meßanordnung durch Addition eliminieren. Dabei ist es nun aber auch möglich, daß jeweils eine Meßbrücke zusammen mit der zugehörigen Kompensationsleitung in einem Sensor vereint untergebracht werden kann und daß die beiden Sensoren in einer gemeinsamen Klemmvorrichtung vorgesehen sein können, die als Meßglied über den Stromleiter legbar ist. Eine solche von dem Stromleiter getrennte Ausführung konnte bei der eingangs benannten Meßanordnung mit den Mitteln des Standes bisher nicht angegeben werden.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Kompensationsleiter an der jeweils zugehörigen Meßbrücke über einen Differenzverstärker angeschlossen sind, an dem andererseits die Meßspannung dieser Meßbrücke anliegt, so daß aus der Summe der Kompensationsströme ein Meßsignal gebildet werden kann, das in geeigneter Weise so verarbeitet wird, daß es der Stromstärke in der Stromleitung proportional ist.

In einer besonders zweckmäßigen Ausführung sind die Meßbrücken über und unter dem Stromleiter vorgesehen, wobei es aus baulichen Gesichtspunkten am besten ist, wenn die Meßbrücken und der Stromleiter waagerecht und jeweils bezüglich einer gemeinsamen senkrechten Symmetrieachse mittig angeordnet sind; dabei kann der Stromleiter waagerecht und parallel zu seiner Längsachse verschoben werden, ohne daß ein nennenswerter Meßfehler auftritt, so lange der Querschnitt des Stromleiters eher breit als hoch ist. Es ist aber auch möglich, daß die Meßbrücken und der Stromleiter nach wie vor waagerecht und die Meßbrücken nun aber rechts und links von der Längsachse des Stromleiters entfernt angeordnet sind, zweckmäßig gleichweit von dem Stromleiter beabstandet; in diesem Fall kann der Stromleiter ebenfalls waagerecht und parallel zu seiner Längsachse, nun aber in großem Umfang verschoben werden, ohne daß ein unzumutbarer Meßfehler aufträte, weil die Meßsignale der Meßbrücken sich zwar wechselweise vermindern und erhöhen, ihre Summe aber (nahezu) unverändert bleibt.

Die erfindungsgemäße Meßanordnung ist gleichermaßen ohne nennenswerte Meßfehler einsetzbar, wenn die Abstände der Längsachse des Stromleiters von den Brückenebenen der Meßbrücken ungleich ist. Die Abweichung kann bis zu 15% differieren, wobei der Meßfehler 5% nicht übersteigt. Vorteilhaft werden die beiden Meßbrücken in einem definierten Abstand angeordnet. Der zwischen diesen befindliche elektrische Leiter kann dann in einem weiten Bereich verschoben werden, ohne daß sich die Summe der beiden Kompensationsströme wesentlich ändert. Hierdurch wird die erforderliche Genauigkeit bei der Montage des Leiters reduziert, d. h. auch Abweichungen von der Soll-Lage beeinflussen das Meßergebnis kaum.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert; die einzige Figur zeigt ein schematisches Schaltbild der erfindungsgemäßen Meßanordnung, teilweise in räumlicher Darstellung.

Eine von einem auszumessenden Strom Io durchflossene, als Stromleiter Li dienende Stromschiene ist Bestandteil eines elektrischen Leistungs-Stromkreises; in der Figur ist ein kurzes, waagerechtes Teilstück einer solchen Stromschiene dargestellt. Die Richtung des Stromes Io ist durch Richtungspfeile P angedeutet.

In der unmittelbaren Umgebung Z über und unter dem Stromleiter Li und in einer gemeinsamen Symmetrieachse As sind, zu diesem ortsfest, je eine Meßbrücke Bo,Bu in geeigneter Weise angebracht, die aus je vier in der Art einer Wheatstone-Brücke geschalteten magnetoresistiven Meßwiderständen M bestehen und an die eine Brückenspannung Ub angelegt ist; dieser Teil der Meßanordnung bildet zusammen mit je einer Kompensationsleitung Lk ein Meßglied A.

Die an jeder Meßbrücke Bo,Bu abgegriffene Meßspannung Um wird je einem Differnzverstärker Vd zugeführt, der den Kompensationsstrom Ik in jedem Kompensationsleiter Lk derart regelt, daß die Meßspannung Um Null wird.

In jedem Kompensationsleiter Lk ist ein Meßwiderstand Rm eingeschaltet über den der Spannungsabfall gemessen wird. Diese Spannungen werden einem Operationsverstärker Vo zugeführt, der diese addiert. Die Ausgangsspannung Us des Operationsverstärkers Vo ist proportional dem zu messenden Strom Io.

Bezugszeichenliste

A Meßglied

Ai Längsachse

As Symmtetrieachse

B,Bo,Bu Meßbrücke

Bz Brückenzweig

E Nullpotential

Im Meßstrom

Io Strom

Ik Kompensationsstrom

Li Stromleiter

Lk Kompensationsleitung

Mo,Mu Abstand

P Richtungspfeil

Rm Meßwiderstand

Ra Abgleich-Widerstand

S Steuerschaltung

Sp Pfad

U Brückenspannung

Um Meßspannung

Us Ausgangsspannung

Vd Differenzverstärker

Vo Operationsverstärker

Z Umgebung


Anspruch[de]
  1. 1. Meßanordnung zur Messung eines durch einen Stromleiter (Li) fließenden elektrischen Stromes (Io) mit Hilfe einer elektrischen Steuerschaltung (S) mit einem Meßglied (A) in Form einer als Wheatstone-Brücke ausgebildeten Meßbrücke (B) aus magnetoresistiven Meßwiderständen (M), an die eine elektrische Brückenspannung (Ub) angelegt ist, und von der zur Messung einer von dem Strom (Io) in der unmittelbaren Umgebung (Z) des Stromleiters (Li) erzeugten magnetischen Feldstärke eine Meßspannung (Um) abgegriffen wird, wobei die Meßspannung (Um) der Meßbrücke (B) einen Kompensationsstrom (Ik) im Kompensationsleiter (Lk) beeinflußt, der so wählbar ist, daß die von dem Meßglied (A) gemessene magnetische Feldstärke kompensiert wird, so daß der Kompensationsstrom (Ik) proportional dem Strom (Io) ist, dadurch gekennzeichnet daß
    1. (a) als Meßglied (A) zwei der elektrischen Brückenspannung (Ub) ausgesetzte, parallel geschaltete Meßbrücken (Bo,Bu) vorgesehen sind, die aus jeweils vier in der zugehörigen Meßbrücke (Bo,Bu) angeordneten magnetoresistiven Meßwiderständen (M) bestehen,
    2. (b) die Meßwiderstände (M) in den Meßbrücken (Bo,Bu) in einer gemeinsamen Brückenebene angeordnet und
    3. (c) die Meßbrücken (Bo,Bu) mit zueinander im wesentlichen flächenparallelen Brückenebenen beiderseits des Stromleiters (Li) vorgesehen sind,
    4. (d) jede Meßbrücke (Bo,Bu) eine Kompensationsleitung (Lk) aufweist, und daß die Summe der Kompensationsströme (Ik) der Meßbrücken (Bu,Bo) gebildet wird, die proportional dem fließenden Strom (Io) ist.
  2. 2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Stromkreis jedes Kompensationsleiters (Lk) ein Meßwiderstand (Rm) eingeschaltet ist, daß der am Meßwiderstand (Rm) anliegende Spannungsabfall einem Addierer zugeführt wird, dessen Ausgangssignal (Us) proportional dem Strom (Io) ist.
  3. 3. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung (Um) jeder Meßbrücke (Bo,Bu) einem Differenzverstärker (Vd) zugeführt wird, der in Abhängigkeit der Meßspannung (Um) den Strom im Kompensationsleiter (Lk) vorgibt.
  4. 4. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbrücken (Bo,Bu) über und unter dem Stromleiter (Li) vorgesehen sind.
  5. 5. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbrücken (Bo,Bu) und der Stromleiter (Li) waagerecht und jeweils bezüglich einer gemeinsamen senkrechten Symmetrieachse (As) mittig angeordnet sind.
  6. 6. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßbrücken (Bo,Bu) und der Stromleiter (Li) waagerecht und die Meßbrücken (B&sub0;,Bu) rechts und links von der Längsachse (Ai) des Stromleiters (Li) entfernt angeordnet sind.
  7. 7. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß die Abstände (Mo,Mu) der Brückenebenen der Meßbrücken (Bo,Bu) voneinander veränderbar sind.
  8. 8. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß die Abstände (Mo,Mu) von der Längsachse (Ai) des Stromleiters (Li) von den Brückenebenen der Meßbrücken (Bo,Bu) gleich sind.
  9. 9. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß die Zahl der oben und unten angeordneten Meßbrücken (Bo,Bu) vervielfacht wird.
  10. 10. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Meßbrücken (B) an den Seiten des Stromleiters (Li) angeordnet sind.
  11. 11. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Meßbrücke (Bo,Bu) zusammen mit der zugehörigen Kompensationsleitung (Lk) in einem Sensor vereint untergebracht sind und daß die beiden Sensoren in einer gemeinsamen Klemmvorrichtung vorgesehen sind, die als Meßglied (A) über den Stromleiter (Li) legbar ist.






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