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Messwandler zum potentiolfreien messen eines Stromes
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Messwandler zum potentialfreien Messen eines Stromes Es ist ein Messwandter
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bekannt (DE-PS 27 34 729), bei
dem als Magnetfeldkomparator ein Magnetfilm dient, der annähernd im Nulldurchgang
des durch den Messstrom und den Hilfsstrom erzeugten Magnetfeldes ummagnetisiert
wird, wodurch in einer Induktionswicklung ein den Nulldurchgang markierender Spannungsimpuls
induziert wird. Ferner ist es bekannt (DE-PS 28 25 397), als Magnetfeld komparator
einen magnetoresistiven Magnetfilm zu verwenden und die im NuLldurchgang des MagnetfeLdes
auftretende Widerstandsänderung zu detektieren.
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Schliesslich ist ein Messwandler der im Oberbegriff des Anspruchs
1 genannten Art bekannt (CH-PS 593 493), bei dem als Magnetfeldkomparator eine Hallsonde
vorgesehen ist. Beim Betrieb dieses Messwandlers wird der Strom in der Hitfsstromspute
so lange verändert, bis bei GLeichheit des durch den Messstrom erzeugten und des
entgegengerichteten, durch den Hilfsstrom erzeugten MagnetfeLdes die von der Hallsonde
abgegebene HaLlspannung verschwindet.
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Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung Liegt die Aufgabe zugrunde,
die Technik auf dem Fachgebiet der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Messwandlergattung
durch eine weitere vorteilhafte Lösung zu bereichern.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen
2 bis 6 definiert.
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Akustische Oberf Lächenwel Lenoszillatoren mit einer magnetostriktiven
Schicht, wie sie hier gemäss Anspruch 2 als Magnetfeldkomparator vorgeschlagen werden,
sind zwar an und für sich bekannt (US-PS 4 078 186), waren allerdings bisher zu
einem ganz anderen Zweck vorgesehen, nämLich zur Erzeugung einer sehr hohen veränderbaren
Frequenz.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Messwand Lers, Fig.
2 bis 4 Diagramme und Fig. 5 ein Detail einer Variante des Messwandlers nach der
Fig. 1.
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In der Fig. 1 bedeutet 1 einen Messleiter, der einen Messstrom I m
führt und als Messstromspule 2 um einen Magnetkern 3 gewickelt ist. Dieser Magnetkern
3 trägt auch eine Hilfsstromspule 4, in welcher ein Hilfsstrom Ih fliesst. In einem
Luftspalt 5 des Magnetkerns 3 entsteht ein resultierendes Magnetfeld H, das der
Differenz der beiden durch den Messtrom Im und den Hilfsstrom Ih erzeugten Magnetfelder
entspricht. Dem resultierenden Magnetfeld H ist ein als Oberflächenwellen-Oszillator
6 mit magnetfeldabhäng i ger Schwingfrequenz ausgeb i ldeter Magnetfeldkomparator
ausgesetzt.
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Der Magnetkern 3 und die Messstromspule 2 sind nicht unbedingt erforderlich;
es ist lediglich dafür zu sorgen, dass der magnetfeldempfindliche Teil des Oszillators
6 in einer Zone angeordnet ist, in der sowohl der Messstrom Im als auch der Hilfsstrom
Ih ein homogenes Magnetfeld erzeugen.
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Der Oszillator 6 besteht im dargestellten Beispiel aus einem vorzugsweise
piezoelektrischen Substrat 7, auf dessen einen Fläche zwei interdigitale Uebertrager
8, 9 und eine magnetostriktive Schicht 10 angeordnet sind, sowie aus einem Verstärker
11. Das Substrat 7 mit der magnetostriktiven Schicht 10 bildet eine akustische Obverflächenwellenverzögerungstei@ung.
Diese kann z B. auch aus einem dreischichtigen Aufbau bestehen, etwa aus einer G.G.G.-Schicht
(Gallium-Gadolinium-Garnet), einer Y.I.G.-Schicht (Yttrium-Iron-Garnet) und einer
ZnO-Schicht, wobei die Uebertrager 8, 9 auf der einen und die Y.I.G.-Schicht und
die
G.G.G.-Schicht auf der anderen FLäche der ZnO-Schicht angeordnet sind. Die typische
Dicke der Schichten beträgt einige Mikron und die Längenabmessung einige MiLLimeter.
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Der Verstärker 11 ist über den Uebertrager 8, die OberfLächenwellenverzögerungsleitung
7, 10 und den Uebertrager 9 rückgekoppelt. Das Ausgangssignal des Verstärkers 11
wird durch den Uebertrager 8 in akustische Oberflächenwellen umgesetzt. Diese erreichen
nach einer Verzögerungszeit T den Uebertrager 9 und werden dort in ein elektrisches
Signal umgewandelt, das zum Eingang des Verstärkers 11 gelangt. Die Phasenbedingung
führt auf folgende mögliche Schwingfrequenzen f des OszilLators 7: n n n T ; n =
1, 2 , 3 . . .
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Durch geeignete Ausgestaltung der Uebertrager 8, 9 ist in bekannter
Weise dafür gesorgt, dass eine einzige Schwingfrequenz f in der Grössenordnung von
z.B. 200 MHz auftritt. Die magnetostriktive Schicht 10 verändert in Abhängigkeit
vom resultierenden Magnetfeld H die Verzögerungszeit T und damit die Schwingfrequenz
f des Oszillators 6. Die Fig. 2 zeigt ein typisches BeispieL für die Frequenzvariation
in Abhängigkeit vom Magnetfeld H.
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Zwischen den Ausgang des Oszillators 11 und den Eingang einer elektronischen
Auswerteschaltung 12 ist ein Frequenzdiskriminator 13 geschaltet. Im Beispiel der
Fig. 1 besteht die Auswerteschaltung 12 aus einem Begrenzer 14, einem Nullschwellenschalter
15 und gegebenenfalls aus einer Logikschaltung 16. Eine Stromquelle 17 Liefert den
Hilfsstrom Ih, der einen alternierenden, z.B. dreieckförmigen Kurvenverlauf aufweist.
Der dem Frequenzdiskriminator 13 und dem Begrenzer 14 nachgeschaLtete NuttschweL-lenschalter
15 kann ausgangsseitig mit einem ersten und die Stromquelle 17 mit einem zweiten
Eingang der Logikschaltung 16 verbunden sein, deren Ausgang mit 18 bezeichnet ist.
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Der beschriebene Messwandler arbeitet wie folgt: Wenn kein äusseres
Magnetfeld den Oszillator 6 beeinflusst, erzeugt dieser Schwingungen mit der Mittenfrequenz
fo (Fig. 2).
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Das resuLtierende Magnetfeld H bewirkt eine Verschiebung der Schwingfrequenz
f um die Frequenzabweichung # (Fig. 3), und der Frequenzdiskriminator 13 liefert
eine zur Frequenzabweichung #f proportionale Ausgangsspannung Ud Diese wird im Begrenzer
14 auf einen Maximalwert Ue begrenzt. Am ausgang des Nullschwellenschalters 15 entsteht,
wie aus der Fig 4 ersichtLich ist, eine Spannung Us, die den Logischen Wert "0"
oder "1" annimmt, je nachdem, ob das vom Messstrom 1 erzeugte Magnet m feld Hm grösser
oder kleiner als das vom Hüfsstrom Ih erzeugte Magnetfeld H h und somit die Frequenzabweichung
#f #f grösser oder Kleiner als null ist. Die Spannung Us markiert die Nulldurchgänge
des MagnetfeLdes H und stellt ein zeitverschlüsseltes Abbild des Messstromes I dar.
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m Je nach dem Kurvenverlauf der Schwingfrequenz; in Abhängigkeit
vom Magnetfeld H kann es erforderlich sein, den Oszillator 6 einem konstanten Vorspannfeld
Ho solcher Slärke auszusetzen, dass der Arbeitspunkt f01 (Fig. 2i des oszillators
6 in einem annähernd Linearen Bereich eines kurvenastes der Frequenz-Magnetfeld-Kurve
Liegt, wenn sich die vom @ Messstrom d m und vom Hillsstrom Ih erzeugten Magnetfelder
gegenseitig aufheben.
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Das Vorspannield Ho, das die Mittenfrequenz fo in den Arbeitspunkt
fo' verschiebt, kann z.B. mittels eines Permanentmagneten oder eines dem Hilfsstrom
1h überlagerten Gleichstromes erzeugt werden. Im Beispiel nach der Fig. 2 befindet
sich der Arbeitspunkt fo' auf einem abfallenden Kurvenast 19, der dem Ursprung des
Diagramms näher Liegt als ein zweiter, bei höherer Magnetfeldstärke wieder ansteigender
Kurvenast 20.
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Der zulässige Dynamikbereich des Messstromes I ist vorerst m dadurch
begrenzt, dass der Kurvenast 20 einen zweiten Nulidurchgang
der
Frequenzabweichung elf und damit eine Fehlinformation liefert. Wird eine grössere
Dynamik angestrebt, so ist die in der Fig. 1 gestrichelt dargestellte Logikschaltung
16 erforderlich, die eine logische Auswertung des Signalverlaufs der Spannung U
und des Hilfsstromes 1h durchführt. Mit Hilfe dee Kenntnis 5 des Signalverlaufs
des Hilfsstromes Ih, der durch die FLanken der Spannung U markierten Zeitpunkte
der Nulldurchgänge der 5 Frequenzabweichung Af und der durch den logischen Wert
der Spannung U dargestellten Vorzeichen der Frequenzabweichung hf 5 können die Nulidurchgänge
auf dem Kurvenast 20, die eine Fehlinformation bilden, eliminiert werden.
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Trotz des nicht genau Linearen Verlaufs des Kurven astes 19 verhält
sich das durch die Spannung U bzw. das Ausgangssignal 5 der Logikschaltung 16 gegebene
zeitverschlüsselte Abbild des Messstromes 1 zu diesem streng proportional, so dass
mit der m beschriebenen Anordnung ein Linearer Messstromwand ler realisiert werden
kann. Das gleiche Ergebnis kann nicht nur mit einem deterministischen, sondern auch
mit einem stochastischen Kurvenverlauf des Hilfsstromes 1h erzielt werden, wenn
die Ausgangsspannung U des NuLlschwel lenschalters 15 bzw. das Ausgangs-5 signal
der Logikschaltung 16 statistisch ausgewertet wird.
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Gemäss der Fig. 5 kann in der Schaltungsanordnung nach der Fig. 1
als elektronische Auswerteschaltung ein Regler 21 eingesetzt werden, der an die
Stelle der Teile 15 bis 17 tritt, wobei der Eingang des Reglers 21 an den Begrenzer
14 bzw. den Frequenzdiskriminator 13 und der Ausgang des Reglers 21 an die Hilfsstromspule
4 angeschlossen wird. Mit Hilfe des Reglers 21 stellt sich der Hilfsstrom Ih so
ein, dass das resultierende Magnetfeld H und die Ausgangsspannung Ud des Frequenzdiskriminators
13 praktisch verschwinden. Der Hilfsstrom Ih stellt dann ein analoges Abbild des
Messstromes dar.
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Der beschriebene Messwandler eignet sich vorzüglich als Eingangswandler
in einem statischen Elektrizitätszähler, da die Ober-
flächenwellenverzögerungsleitung
7, 10 des Oszillators 6, die interdigitalen Uebertrager 8, 9 und selbstverständlich
auch der Frequenzdiskriminator 13 und die Auswerteschaltung 12 bzw.
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der Regler 21 in integrierter Schaltungstechnik als kostengünstige
Massenartikel herstellbar sind. Da der Frequenzdiskriminator 13 nicht nur den Zeitpunkt
des Nulldurchgangs, sondern auch das Vorzeichen des resultierenden Magnetfeldes
H liefert, sind zahlreiche Ausführungsvarianten des beschriebenen Messwandlers möglich.