DK176607B1 - Detektorkredslöb til brug ved strömmåling - Google Patents

Description

DK 176607 B1

Opfindelsen angår et detektorkredsløb til brug ved strømmåling under anvendelse af i det væsentlige ens beviklede ringkernetransformere, hvori der af en hovedstrøm induceres magnetomotoriske kræfter, der modvirkes af magneto-motoriske kræfter induceret af en kompensationsstrøm, og hvor der magnetise-5 res i modfase ved hjælp afen modulationsstrøm, hvilket kredsløb evt også omfatter en synkron ensretter til tilvejebringelse af et reguleringssignal for kompensationsstrømmen, hvorhos der er indrettet midler til at kompensere for forskelle mellem de to ringkernetransformere.

10 Fra dansk patent nr. 149238 kendes en nul-flux strømtransformer til måling af strømmen til en elektromagnet i en partikelaccelerator. Da det drejer sig om meget store strømstyrker, flere hundrede ampere, er det hensigtsmæssigt at konvertere hovedstrømmen til en håndterbar mindre målestrøm og lede denne gennem en målemodstand. Spændingsfaldet over målemodstanden benyttes 15 da som et mål for styrken af hovedstrømmen.

De kendte nul-flux strømstransformere udgøres af en kombination af en magnetisk integrator og en 2. harmonisk magnetisk modulator. En magnetisk integrator består i princippet af en ringkerne af et ferromagnetisk materiale med en 20 primærvikling, en sekundærvikling og en følervikling. Følerviklingen er forbundet til indgangsterminalerne af en forstærker, der driver sekundærstrømmen gennem en målemodstand. En ændring i den magnetiske flux i ringkernen vil da inducere en spænding i følerviklingen, som påvirker forstærkeren på en sådan måde, at denne frembringer en kompensationsstrøm til modvirkning af den af 25 primærstrømmen frembragte fluxændring. De af strømmen gennem primærviklingen frembragte magnetomotoriske kræfter vil således blive balanceret ud af de magnetomotoriske kræfter, som frembringes af strømmen gennem sekundærviklingen, således at der eksisterer et bestemt forhold mellem strømstyrken i primærviklingen og strømstyrken i sekundærviklingen.

Den magnetiske integrator er imidlertid ikke i stand til at håndtere DC og meget lave frekvenser, hvorfor det er nødvendigt med et separat kredsløb til denne funktion. Et sådant kredsløb udgøres af en magnetisk modulator bestående af 30 DK 176607 B1 2 to ens beviklede ringkerner og et driverkredsløb. Kernerne drives i mætning, og ved balance/"nul fluks” er strømkurverne symmetriske i forhold til nul. Dette indebærer, at indholdet af lige harmoniske er nul. Men kan da enten anvende en direkte symmetridetektering ved hjælp af en vindueskomparator/Schmitt-trigger 5 eller en anden harmonisk detektor, der anvender synkron ensretning af strøm-signalet med den dobbelte frekvens af modulationssignalet I begge tilfælde opnås et outputsignal, der er nul ved balance mellem det primære og det sekundære amperevindingstal. Ved ubalance opnås en spænding, hvis amplitude og polaritet afhænger af ubalancens størrelse og polaritet. Én kerne er tilstrækkelig 10 ti! at udføre denne detektorfunktion, men det er nødvendigt med to kerner i modfase for at forhindre at kompensationskredsløbet kvæler detektionen, og forhindre at modulationssignalet forstyrrer den magnetiske integrator ved magnetisk kobling 15 De to detektorprincipper har hver deres fordele og ulemper. Afhængigt af anvendelsen kan der også vælges mellem et selvsvingende og et udefra tvangsstyret kredsløb

De to kerner vil imidlertid aldrig kunne være helt ens.

20

Fra US patent nr. 4 536 706 kendes en magnetisk strømsensor til måling af strømme i et telefonkredsløb dvs. forholdsvis små strømme.

Denne strømsensor indeholder et offsetkorrektionskredsløb, som imidlertid kun 25 er i stand til at foretage en offsetkorrektion under forudsætning af at strømmålingen indstilles, medens korrektionen finder sted.

Formålet med opfindelsen er derfor at anvise hvorledes der på en enkel måde kan korrigeres herfor medens strømmåling finder sted, og dette formål er ifølge 30 opfindelsen opnået ved, at midlerne til at kompensere for evt. forskelle imellem ringkernetransformerne udgøres af en fælles vikling over de to ringkerner, hvilken fælles vikling aftaster et evt. fejlsignal, der anvendes i en negativ tilbage-koblingssløfje, der af sig selv søger mod ligevægt.

DK 176607 B1 3

En aktiv kompensation kan ifølge opfindelsen foretages på to måder 1. Den ene kerne anvendes som detektor (master), medens den anden er slave. En vikling, der omslutter begge kerner, vil da opfange et differenssig- 5 nal/fejlsignal, der forstærkes og adderes til styringssignalet til slave-kernen, hvorved det til kompensationskredsløbet overkoblede signal reduceres ca. 50 gange.

2. Til opnåelse af en mere effektiv kompensation kan der ifølge opfindelsen 10 indføres en yderligere kerne, der kun styres ved hjælp af det forstærkende fejlsignal. Dermed opnås en reduktion på ca. 500-1000 gange.

Fremdeles kan ifølge opfindelsen en negativ tilbagekoblingssløjfe til tilvejebringelse af kompensationen tilvejebringes ved, at fejlsignalet adderes til modulati-15 onssignalet på en sådan måde, at fejlsignalet reduceres Modulationssignalet kan enten tilføres udefra eller tilvejebringes ved hjælp af en indbygget multivibrator.

Opfindelsen skal nærmere forklares i det følgende under henvisning til tegnin-20 gen,hvor fig. 1 viser et selvsvingende detektorkredsløb med nuldetektor-støjreduktion, med tre kerner, 25 fig. 2 et selvoscillerende detektorkredsløb med nuldetektor-støjreduktion, med fire kerner, fig. 3 et detektorkredsløb med et udefra påtrykt modulationssignal, med tre kerner, og 30 fig 4 et detektorkredsløb med et udefra påtrykt modulationssignal, med fire kerner.

DK 176607 B1 4

Det i fig. 1 viste detektorkredsløb til brug ved måling af store strømme består af tre i det væsentlige ens ringkerner 1, 2, 3, igennem hvilke der forløber en hovedstrøm l5, der inducerer nogle magnetomotoriske kræfter, der skal modvirkes af en kompensationsstrøm i4. Til to af disse kerner 2, 3 tilføres et modulations-5 signal i form af et firkantbølgesignal af en frekvens på nogle hundrede Hz, idet firkantbølgesignalet til den ene kerne 2 er inverteret i forhold til firkantbølgesig-nalet til den anden kerne 3. Derved magnetiseres de to kerner 2, 3 i modfase, således at både de ulige og lige harmoniske i det væsentlige udkompenseres (ved kobling via viklingerne L1, L4 og L5).

10

Opfindelsen er imidlertid baseret på, at middelfluksen i kernerne er nul, når der er ligevægt eller balance imellem de af hoved- og kompensationsstrømmen inducerede felter. Bliver middelfluksen derimod forskellig fra nul på grund af uligevægt mellem de inducerede felter, dvs. ubalance mellem ampere vindingstal-15 lene for hovedstrømmen Is og kompensationsstrømmen 14, vil magnetiseringsstrømmen i modulationsviklingerne indeholde lige harmoniske, af hvilken den anden harmoniske er den vigtigste. Ved detektion af denne anden harmoniske afledes et til ubalancen svarende jævnstrømssignal, der benyttes til at styre en forstærker på en sådan måde, at balancen imellem de af primær- og sekun-20 dærstrømmen inducerede magnetomotoriske kræfter genoprettes.

En konkret udformning af et sådant detektorkredsløb er vist i fig. 1. Modulationssignalet etableres ved hjælp af en Schmitt-trigger A4, hvis udgang er forbundet til den ene terminal af vikling L2, og hvis indgang er forbundet til den 25 anden terminal af vikling L2. Kredsløbet er selvsvingende. I det øjeblik der påtrykkes en positiv spænding på L2, således at der tilføres en positiv spænding til indgangen af Schmitt-triggeren A4, og denne positive spænding giver anledning til, at der løber en strøm i viklingen L2, og dette medfører, at kerne 2 mættes, vil spændingsfaldet over viklingen L2 aftage til næsten nul, og spændingsfaldet 30 over modstanden R1 (50Ω) vil vokse, hvorefter Schmitt-triggeren A4 skifter tilstand, således at der derved er tilvejebragt et selvsvingende kredsløb.

DK 176607 B1 5

Firkantbø!gesigna!et ved udgangen af Schmitt-triggeren A4 føres desuden til indgangen af en forstærker A5, hvis udgang forsyner viklingen L3, som derved får tilført et firkantbølgesignal, der er i modfase med firkantbølgesignalet tilført til viklingen L2.

5

Signalspændingen over modstanden R1, der svarer til signalspændingen ved indgangen af Schmitt-triggeren A4, føres desuden via en lavpas-forstærker A3 til en additionsenhed, hvor den adderes til en af vikling L1 aftastet signalspænding til tilvejebringelse af kompensationsstrømmen 14, der derved er i stand til at 10 kompensere for både langsomme og hurtige variationer i hovedstrømmen l5.

For at kompensere for at de to ringkerner 2, 3 ikke er helt ens, er der ifølge opfindelsen desuden indrettet midler til kompensation herfor. Disse midler udgøres af en fælles vikling L6 over de to ringkemer 2, 3, hvilken fælles vikling L6 af-15 taster et evt fejlsignal ie, der adderes til det til kerne 3 tilførte modulationssignal. Fejlsignalet tilføres på en sådan måde, at der etableres en negativ tilbagekoblingssløjfe, der af sig selv søger mod ligevægt, dvs. modulationssignalet til kerne 3 ændres, indtil fejlsignalet i det væsentlige er nul.

20 Fejlsignalet kan imidlertid ikke blive eksakt nul.

Dette skyldes bi.a., at reguleringen i det væsentlige kun er effektiv så længe kerne 3 ikke er i mætning. For at kompensere herfor kan der i givet fald tilføjes en yderligere ringkerne 4, der ikke går i mætning som følge af, at den ikke får 25 tilført noget modulationssignal.

I sidstnævnte tilfælde udgøres de nævnte kompensationsmidler af en fælles vikling L6 over de tre ringkerner 2, 3, 4, hvilken fælles vikling L6 aftaster et evt. fejlsignal (hidrørende fra kerne 2 og 3), hvilket fejlsignal udnyttes til at påvirke 30 magnetiseringen i kerne 4. Derved opnås en yderligere reduktion af fejlsignalet og derigennem en mere nøjagtig måling af hovedstrømmen l5.

DK 176607 B1 6 I en alternativ udførelsesform - se fig. 3 - er det selvsvingende kredsløb erstattet af et kredsløb, der er tvangsstyret udefra, idet der til vikling L2 tilføres et modulationssignal i form af et vekselspændingssignal, fortrinsvis et firkantbølgesignal med en frekvens på nogle hundrede Hz, og der til vikling L3 tilføres et i forhold 5 dertil inverteret vekselspændingssignal, fortrinsvis i form af et firkantbølgesignal. De to viklinger L2 og L3 magnetiseres derved i modfase.

Signalspændingen over modstanden R1 udtages og føres til en forstærker A3, hvorefter den forstærkede signalspænding multipliceres med et signal af fre-10 kvensen 2 f (synkron-ensretning). Blandingsproduktet adderes derefter til det af vikling L1 aftastede signal.

Også i dette tilfælde kan der ifølge opfindelsen være indrettet midler til at kompensere for at de to ringkerner 2, 3 ikke er helt ens - se fig. 3. Disse midler ud-15 gøres ligesom i fig. 1 af en fælles vikling L6 over de to ringkerner 2, 3, hvilken fælles vikling L6 aftaster et evt. fejlsignal, der adderes til det til kerne 3 tilførte modulationssignal. Fejlsignalet tilføres på en sådan måde, at der etableres en negativ tilbagekoblingssløjfe, der af sig selv søger mod ligevægt, d v s. modulationssignalet til kerne 3 ændres, indtil fejlsignalet i det væsentlige er nul.

20

Ligesom i forbindelse med den i fig. 1 viste kredsløbskonfiguration er reguleringen kun effektiv så længe kerne 3 ikke er i mætning. For at kompensere herfor kan der som vist i fig. 4 tilføjes en yderligere ringkerne 4, der ikke går i mætning som følge af, at der ikke tilføres et modulationssignal til denne kerne 4.

25 I den i fig. 4 viste kredsløbskonfiguration udgøres de nævnte kompensationsmidler af en fælles vikling L6 over de tre ringkerner 2, 3, 4, hvilken fælles vikling L6 aftaster et evt. fejlsignal (hidrørende fra kerne 2 og 3), som udnyttes til at påvirke magnetiseringen i kerne 4.

De beskrevne detektorkredsløb kan f eks. benyttes til at måle store strømme (magnetiseringsstrømme) til partikelacceleratorer.

30

Claims (6)

7 DK 176607 B1

1. Detektorkredsløb ti! brug ved strømmåling under anvendelse af i det væ-5 sentlige ens beviklede ringkernetransformere, hvori der af en hovedstrøm (l5) induceres magnetomotoriske kræfter, der modvirkes af magnetomotoriske kræfter induceret af en kompensationsstrøm (i4), og hvor to ringkernetransformere (2, 3) magnetiseres i modfase ved hjælp afen modulationsstrøm, hvilket kredsløb evt. omfatter en synkron ensretter til tilvejebringelse af et reguleringssignal 10 for kompensationsstrømmen, hvorhos der er indrettet midler til at kompensere for forskelle imellem de to ringkernetransformere (2, 3) kendetegnet ved, at midlerne til at kompensere for evt, forskelle imellem ringkernetransformerne (2, 3. udgøres af en fælles vikling (L6) over de to ringkernetransformere (2, 3), hvilken fælles vikling (L6) aftaster et fejlsignal, der anvendes i en negativ tilbage-15 koblingssløjfe, der af sig selv søger mod ligevægt.

2. Detektorkredsløb ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den negative tilbagekoblingssløjfe tilvejebringes ved, at fejlsignalet adderes til et modulationssignal på en sådan måde, at fejlsignalet reduceres og af sig selv søger mod nul. 20

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at modulationssignalet tilføres udefra.

4. Detektorkredsløb ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at det er selv-25 svingende, idet modulationssignalet tilvejebringes ved hjælp af en indbygget multivibrator.

5 Detektor ifølge krav 4, kendetegnet ved, at multivibratoren omfatter en Schmitt-trigger (A4).

6, Detektorkredsløb ifølge et af de foregående krav, kendetegnet ved, at der til kompensation for at de kerner (2, 3), der får tilført modulationssignaler, kan gå i mætning, er tilføjet en yderligere kerne (4), der ikke går i mætning, som føl- 30 DK 176607 B1 8 ge af at den ikke får tilført noget modulationssignal.. 5