DE102015006449B4

DE102015006449B4 - Method of measuring electric currents

Info

Publication number: DE102015006449B4
Application number: DE102015006449.5A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-05-18
Filing date: 2015-05-18
Publication date: 2022-10-13
Anticipated expiration: 2035-05-19
Also published as: DE102015006449A1

Abstract

Verfahren zur Messung elektrischer Ströme, mit folgenden Merkmalen:Method for measuring electrical currents, with the following features:

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Stromstärke insbesondere von Gleichstrom, das ohne die Notwendigkeit von Meßbereichsumschaltungen die Erfassung eines sehr großen Wertebereichs gestattet, typischerweise von 6 bis 7 Größenordnungen.The invention relates to a method for measuring the current strength, in particular of direct current, which allows a very large range of values, typically of 6 to 7 orders of magnitude, to be recorded without the need for switching the measuring range.

Die einfachste und am häufigsten eingesetzte Meßmethode besteht darin, den Strom durch einen Shuntwiderstand fließen zu lassen und den proportionalen Spannungsabfall zu messen. Dieser ist bei kleinem Strom jedoch ebenfalls sehr klein und wird durch Spannungsoffset und -drift des Meßverstärkers verfälscht. Um dem Problem beizukommen, wird vorgeschlagen ( US 2015/0077091 A1 ), mehrere Meßverstärker zu verwenden, die mit Hilfe mehrerer Schaltglieder abwechselnd den Spannungsabfall messen und einen Nullabgleich ihres eigenen Eingangsoffsets durchführen. Das Verfahren erfordert einigen Aufwand, kann aber den Offsetfehler trotzdem nie völlig beseitigen, denn mögliche Thermospannungen am Shuntwiderstand lassen sich vom Nutzsignal nicht unterscheiden. Eine weitere Schwierigkeit beim Shunt-Meßverfahren besteht darin, daß große Spannungen im Laststromkreis eine entsprechend hohe Gleichtaktunterdrückung und Spannungsfestigkeit des Meßverstärkers erfordern, was jedoch zu Lasten der Meßgenauigkeit und der Kosten geht. Alternativ kann der Meßverstärker direkt im spannungsführenden Pfad angeordnet sein und die Meßwertübertragung sowie Verstärkerspeisung galvanisch getrennt erfolgen, wie es in der Zeitschrift „Elektronikpraxis“, Nr.6, 19.3.2015, Seite 18, anhand einer Applikationsschaltung beschrieben ist. Der Aufwand hierfür ist jedoch nicht unerheblich, zudem bleibt das eingangs geschilderte Problem von Offset und Drift ungelöst. Ein weiteres Verfahren zur Bestimmung eines Gleichstroms wird in der Patentanmeldung US 2015/0109078 A1 beschrieben.The simplest and most commonly used measurement method is to let the current flow through a shunt resistor and measure the proportional voltage drop. With a small current, however, this is also very small and is falsified by the voltage offset and drift of the measuring amplifier. To get around the problem, it is suggested ( U.S. 2015/0077091 A1 ), to use several measuring amplifiers, which alternately measure the voltage drop with the help of several switching elements and carry out a zero adjustment of their own input offset. The procedure requires some effort, but can never completely eliminate the offset error, because possible thermal voltages at the shunt resistor cannot be distinguished from the useful signal. A further difficulty with the shunt measuring method is that high voltages in the load circuit require a correspondingly high common-mode rejection and dielectric strength of the measuring amplifier, which, however, is at the expense of the measuring accuracy and the costs. Alternatively, the measuring amplifier can be arranged directly in the live path and the measured value transmission and amplifier feed can be galvanically isolated, as described in the magazine "Elektronikpraxis", No. 6, March 19, 2015, page 18, using an application circuit. However, the effort required for this is not insignificant, and the problem of offset and drift described above remains unsolved. Another method for determining a direct current is described in the patent application U.S. 2015/0109078 A1 described.

Mitunter nimmt den Platz eines konstanten Shuntwiderstands ein MOSFET ein, dessen Gatespannung automatisch so geregelt wird, daß der Spannungsabfall einen gut erfaßbaren, aber noch nicht störend großen, konstanten Wert annimmt, etwa im Bereich 1 bis 100 mV. Als Meßgröße dient dann die Gatespannung. Dieses Verfahren erlaubt die Strommessung in einem sehr großen Wertebereich ( DE 102011078548A1 ), allerdings muß eine Temperaturkompensation erfolgen, und die Meß-Kennlinie ist stark nichtlinear und abhängig vom MOSFET-Typ.Sometimes a MOSFET takes the place of a constant shunt resistor, the gate voltage of which is automatically regulated in such a way that the voltage drop assumes a constant value that is easy to detect but not yet disturbingly large, approximately in the range of 1 to 100 mV. The gate voltage is then used as a measured variable. This method allows current measurement in a very large value range ( DE 102011078548A1 ), however, a temperature compensation must take place, and the measurement characteristic is strongly non-linear and dependent on the MOSFET type.

Eine Vielzahl von Verfahren basiert auf dem Hall-Effekt. Zur Erweiterung des linearen Meßbereichs durch Scherung weist der Magnetkreis einen zusätzlichen Luftspalt auf ( DE 4229065 A1 ), oder ein Kompensationsstrom regelt das Magnetfeld auf Null und dient als Meßgröße ( DE 10204425 B4 ). Der Hallsensor, besonders in Form der weit verbreiteten aufklappbaren Stromzange, ist sehr praktisch im Gebrauch, aber der erfaßbare Wertebereich für den Strom bleibt begrenzt, und der instabile Offset erfordert einen häufigen Nullabgleich. Bei Systemen mit Kompensationsstrom ist wiederum der Energieverbrauch hoch.A large number of methods are based on the Hall effect. The magnetic circuit has an additional air gap ( DE 4229065 A1 ), or a compensation current regulates the magnetic field to zero and serves as a measured variable ( DE 10204425 B4 ). The Hall effect sensor, particularly in the form of the widely used hinged current clamp, is very convenient to use, but the detectable range of current values remains limited and the unstable offset requires frequent zeroing. On the other hand, in systems with compensation current, the energy consumption is high.

Verschiedene Anordnungen verwenden wechselstromgespeiste Magnetschleifen, bei denen ein Brückengleichgewicht oder eine Kennlinie durch den zu messenden Strom verstimmt bzw. verschoben wird ( EP 2666023 B1 , EP 2840400 A1 , DE 3435267 A1 ). Das ermöglicht die galvanische Trennung zwischen Laststromkreis und Signalauswertung, jedoch ist ein sehr weiter linearer Meßbereich schwer erreichbar und erfordert den Einsatz gepaarter Induktivitäten oder sonstiger Fehlerkompensationsmaßnahmen.Various arrangements use AC-fed magnetic loops in which a bridge balance or a characteristic curve is detuned or shifted by the current to be measured ( EP 2666023 B1 , EP 2840400 A1 , DE 3435267 A1 ). This enables galvanic isolation between the load circuit and the signal evaluation, but a very wide, linear measuring range is difficult to achieve and requires the use of paired inductances or other error compensation measures.

Schließlich gibt es noch optische und thermische Methoden, bei denen der Strom die Brechzahl in einem Lichtleiter verändert ( EP 2824463 A1 ), ein magnetooptisches Material beeinflußt ( DE 112012005929 T5 ), oder ein Material erwärmt, dessen Temperatur mittels Infrarotkamera gemessen wird ( EP 2848946 A1 ). Diese Methoden bieten eine sehr gute galvanische Trennung und sind für Messungen in Hochspannungs-Stromkreisen prädestiniert, aber ein Meßbereich über mehrere Größenordnungen ist kaum möglich.Finally, there are optical and thermal methods in which the current changes the refractive index in a light guide ( EP 2824463 A1 ), affecting a magneto-optical material ( DE 112012005929 T5 ), or heats a material whose temperature is measured by an infrared camera ( EP 2848946 A1 ). These methods offer very good galvanic isolation and are predestined for measurements in high-voltage circuits, but a measuring range over several orders of magnitude is hardly possible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gleichstrommessung über mehrere (typisch 6 bis 7) Dekaden zu schaffen, das auf preiswerten und leicht beschaffbaren Komponenten basiert, einen kleinstmöglichen Spannungsabfall verursacht, keine Meßbereichsumschaltung im Laststromkreis erfordert, die Möglichkeit einer galvanischen Trennung zur Signalauswertung bietet sowie einen geringen Energieverbrauch aufweist.The object of the invention is to create a method for direct current measurement over several (typically 6 to 7) decades, which is based on inexpensive and easily obtainable components, causes the smallest possible voltage drop, does not require a measuring range switch in the load circuit, the possibility of galvanic isolation for signal evaluation offers and has a low energy consumption.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der zu messende Strom durch geeignete Schaltelemente abwechselnd auf zwei unterschiedliche Pfade umgelenkt und wieder zusammengeführt wird. Die so entstehende wechselnde Stromflußrichtung verursacht wechselnde Magnetfelder um die beiden Pfade herum, deren Intensitäten mit bekannten Sensoren gemessen werden können und die proportional zu dem zu messenden Strom sind. Die alternierende Ansteuerung der Schaltelemente erfolgt lückenlos oder sogar mit geringfügiger Überlappung, mit dem Ziel, daß der zu messende Strom stets mindestens einen Pfad vorfindet und zu keinem Zeitpunkt der Messung eine Unterbrechung erleidet. Die Schaltelemente im geschlossenen Zustand ebenso wie die Strompfade haben einen möglichst geringen ohmschen Widerstand, so daß der auftretende Spannungsabfall ebenfalls möglichst gering wird. Im Gegensatz zur Shunt-Meßmethode ist der Spannungsabfall für das Funktionieren des erfindungsgemäßen Verfahrens gar nicht notwendig und läßt sich so weit minimieren, wie es für die gewünschte Anwendung erforderlich ist. Vorteilhaft ist, daß das Meßsignal von seiner Entstehung an als Wechselgröße vorliegt und somit Thermospannungen und elektronische Offsetfehler keinen verfälschenden Einfluß ausüben. Außerdem läßt sich das Meßsignal mit geringstem Aufwand galvanisch getrennt übertragen, was die Anwendung in Stromkreisen mit hoher Arbeitsspannung erleichtert. Neben der Messung von Gleichstrom ist das Verfahren auch für Wechselstrom geeignet. Dabei ist es nicht einmal erforderlich, gemäß dem Abtasttheorem die Umschaltfrequenz der beiden Strompfade mindestens doppelt so hoch zu bemessen wie die maximal erwartete Frequenzkomponente des Wechselstroms. Es genügt, das alternierende Meßsignal anhand der Umschaltzeitpunkte der Schaltelemente vorzeichenrichtig auszuwerten, also eine phasensynchrone Gleichrichtung vorzunehmen.According to the invention, the object is achieved in that the current to be measured is alternately deflected onto two different paths and brought together again by suitable switching elements. The resulting alternating direction of current flow causes alternating magnetic fields around the two paths, the intensities of which can be measured with known sensors and which are proportional to the current to be measured. The switching elements are driven alternately without gaps or even with a slight overlap, with the aim that the current to be measured always finds at least one path and is never interrupted during the measurement. The switching elements in the closed state as well as the current paths have the lowest possible ohmic resistance, so that the occurs voltage drop is also kept as low as possible. In contrast to the shunt measuring method, the voltage drop is not necessary at all for the method according to the invention to function and can be minimized to the extent necessary for the desired application. It is advantageous that the measuring signal is present as an alternating variable from the moment it is generated, so that thermal voltages and electronic offset errors do not have a falsifying influence. In addition, the measurement signal can be transmitted galvanically isolated with minimal effort, which makes it easier to use in circuits with a high working voltage. In addition to measuring direct current, the method is also suitable for alternating current. It is not even necessary, according to the sampling theorem, to dimension the switching frequency of the two current paths at least twice as high as the maximum expected frequency component of the alternating current. It is sufficient to evaluate the alternating measurement signal with the correct sign using the switching times of the switching elements, ie to carry out phase-synchronous rectification.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Figur ist I der zu messende Strom, T1 und T2 sind vorzugsweise n-Kanal-MOSFETs mit on-Widerständen von 1 Milliohm oder weniger, die von den Rechtecksignalen S1, S2 abwechselnd angesteuert werden. Die Umschaltfrequenz liegt zweckmäßig bei einigen 100 Hz. Der Transformator Tr. ist ein Durchsteck-Stromwandler, wie er in der Wechselstrom-Meßtechnik gebräuchlich ist. Somit bestehen die Primärwicklungen L1 und L2 jeweils nur aus einer Windung, d.h. es führen zwei Drähte aus entgegengesetzten Richtungen durch die Öffnung des Stromwandlers. Dessen Sekundärwicklung L3 hat gewöhnlich eine Windungszahl von 1000 bis 3000 und wird ausgangsseitig näherungsweise im Kurzschluß betrieben, entweder durch Beschaltung mit einem niederohmigen Meßwiderstand oder durch den Anschluß an den Eingang eines Transimpedanzverstärkers (i/u-Wandler). Weil das zum Strom I proportionale Signal i,sec. eine Wechselgröße darstellt, läßt es sich frei von störenden Offseteinflüssen weiterverarbeiten. Bei einer Stromstärke I im Laststromkreis von beispielsweise 10 Mikroampere bis 50 Ampere und mit einer Sekundärwicklung von 1000 Windungen hat das ungefähr rechteckförmige Meßsignal i,sec. einen Effektivwert im Bereich 10 Nanoampere bis 50 Milliampere und ist mit modernen Operationsverstärker-Schaltungen bequem und rauscharm verarbeitbar. Wie auch immer diese Verarbeitung erfolgt - ob mit manueller oder automatischer Meßbereichsänderung oder aber durch eine Auswertevorrichtung, die ohne Bereichswechsel und dadurch verursachte Latenzzeiten die gesamte Spanne für i,sec. verarbeitet - im Laststromkreis ist keinerlei Umschaltung erforderlich.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the figure, I is the current to be measured, T1 and T2 are preferably n-channel MOSFETs with on-resistances of 1 milliohm or less, which are alternately driven by square-wave signals S1, S2. The switching frequency is expediently around a few 100 Hz. The transformer Tr. is a push-through current transformer, as is customary in AC measurement technology. Thus, the primary windings L1 and L2 each consist of only one turn, i.e. two wires pass through the opening of the current transformer from opposite directions. Its secondary winding L3 usually has a number of turns of 1000 to 3000 and is operated approximately in the short circuit on the output side, either by connecting a low-impedance measuring resistor or by connecting it to the input of a transimpedance amplifier (i/u converter). Because the signal i,sec. represents an alternating variable, it can be further processed free of disturbing offset influences. With a current intensity I in the load circuit of, for example, 10 microamperes to 50 amperes and with a secondary winding of 1000 turns, the approximately square-wave measurement signal i,sec. has an effective value in the range of 10 nanoamps to 50 milliamps and can be processed easily and with low noise using modern operational amplifier circuits. Regardless of how this processing is carried out - whether with manual or automatic change of the measuring range or by means of an evaluation device which, without changing the range and the latency times caused thereby, the entire range for i, sec. processed - no switching is required in the load circuit.

Claims

Method for measuring electrical currents, with the following features:

The entire current to be measured is alternately diverted to spatially separate paths with the aid of switching elements and brought together again on a common path.

The alternating flow of current through the spatially separate paths creates an alternating magnetic field whose frequency is equal to the switching frequency of the switching elements and whose effective value is proportional to the current to be measured.

The switching elements are driven alternately by mutually inverse switching signals in such a way that the current to be measured flows continuously and has no time gaps caused by the method.

A magnetic field sensor measures the effective value of the changing magnetic field. This effective value is proportional to the current to be measured.