Zur Messung von Gleich- und Wechselströmen kommen verschiedene Messverfahren in Frage. Die einfachste Form ist dabei die Verwendung eines Messwiderstandes (Shunt) indem der Spannungsabfall über den Widerstand gemessen wird und auf den Strom über das ohmsche Gesetz umgerechnet werden kann. In der Praxis werden aber, speziell bei energiereichen Anwendungen, häufige andere Messtechnologien eingesetzt welche den magnetischen Fluss zur Hilfe nehmen um den Stromfluss zu ermitteln. Dies sind beispielsweise die Verwendung von Rogowskispulen, Eisenkernzangen, Hall-Zangen oder Nullfluss-basierten Messprinzipien. 

Herausforderung: Messung von Gleichströmen

Während bei Wechselströmen stets ein sich änderndes Magnetfeld entsteht, erzeugen Gleichströme ein konstantes Magnetfeld. Ein konstanter magnetischer Fluss kann durch auf Induktion basierenden Messtechnologien (Eisenkernzange, Rogowskispule) nicht direkt erfasst werden. Beispielsweise können ja Transformatoren bekanntlich keine Gleichströme übertragen. Somit können diese Verfahren nur für die Messung von Wechselströmen eingesetzt werden.

Wie kann man nun DC Ströme messen?

Wird nun ein stromführender Leiter (Wechselstrom) durch einen Eisenkern geführt, entsteht ein magnetischer Fluss Φ (elektrische Energie wird in magnetische umgewandelt). Der magnetische Fluss Φ über den Eisenkern durchsetzt die Sekundärwicklung und induziert eine Spannung (Umwandlung magnetischer in elektrische Energie). Es ergibt sich ein Sekundärstrom ISek  entsprechend der Windungszahl.

Fließt aber nun ein Strom bestehend aus Gleich- und Wechselanteilen durch den Eisenkern, kann der Gleichanteil über die Sekundärspule nicht übertragen werden und es entsteht ein Differenzfluss ∆Φ im Eisenkern. Der Differenzfluss ∆Φ = Φ – Φ´ im Eisenkern entspricht letztlich dem Gleichstromanteil: 

Dieser Differenzstrom bzw. Gleichstromanteil kann nun auf verschieden Arten erfasst werden:

Hall-Sensor

Bei Verwendung eines Hall-Sensors erzeugt der Differenzfluss (∆Φ) eine dem magnetischen Fluss proportionale Spannung am Hall-Element (aktiv versorgt). Diese Spannung kann einfach erfasst und über einen Verstärker aufbereitet werden. Sollten nun die Messung von AC und DC Strömen gewünscht sein, wird der AC-Strom direkt über die Sekundärspule erfasst und der DC Strom über das Hallprinzip und beide Signale anschließend in einer Verstärkerschaltung kombiniert.

Nachteile dieser Methode:

  • geringe Genauigkeit
  • relativ hoher Temperaturdrift
  • hohe Offsetdrift
  • geringe Bandbreite (speziell bei hohen Strömen)

 
Nullflusswandler

Das grundsätzliche Prinzip der Nullflusswandler-Technologie liegt darin, aus einem konstanten magnetischen Feld ein veränderliches magnetisches Feld zu erzeugen. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten dies zu realisieren. Im einfachsten Fall kommt ein Flux-Detektor zum Einsatz, dessen Ausgangssignal ein Maß für den erforderlichen Kompensationsstrom darstellt.

Dieses Prinzip findet in zahlreichen Varianten des Nullflusswandlers Anwendung. Eine in der Praxis oft anzutreffende Variante besteht aus zwei um 180° versetzten Spulen statt eines Flux-Detektors, die aktiv versorgt werden (Oszillator in Grafik). Die Magnetfelder der beiden Spulen heben sich bei reinen Wechselstrom Signalen auf (Kompensation). Fließt nun aber ein Gleichstrom durch den Primärleiter entsteht eine Asymmetrie welche schließlich Rückschlüsse auf den Gleichstromanteil erlaubt. In Summe bestehen diese Wandler aus insgesamt drei Spulen – zwei für die Gleichstrommessung und eine für die breitbandige Wechselstrommessung.

Ein Vorteil dieser Technologie liegt darin, dass die Messung nicht von den magnetischen Eigenschaften (B-H) des Eisenkerns abhängig ist (da kompensiert) und so eine äußerst hohe Linearität und Bandbreite erreicht werden kann bei geringem Phasenfehler.

Die Vorteile dieser Technologie sind:

  • Hohe Genauigkeit
  • Hohe Bandbreite
  • Hohe Linearität
  • Geringe Temperaturdrift
  • Geringer Offset

Diese Technologie erlaubt die hochpräzise und breitbandige Messung von Strömen (AC+DC) erfordert jedoch die Verwendung mehrere Kerne und eine aktive Versorgung mit hoher Leistungsaufnahme.

Nachteile:

  • Größe und Gewicht
  • Hohe Stromaufnahme           

Der patentierte Platiše Nullflusswandler PFS

Der Platiše Nullflusswandler verbindet nun die Vorteile aus beiden Welten. Zum einen können hochpräzise und breitbandige Messungen wie bei Nullflusswandlern durchgeführt werden, zum anderen liegt der Energieverbrauch in der Größenordnung von Hall-basierenden Stromsensoren. Wie ist das möglich?

Die patentierte Technologie des Platiše Nullflusswandlers besteht im Vergleich zu Nullflusswandlern nur aus einem Kern mit einem „magnetischen Schalter“. Dieser Kern verfügt über eine Spezialkonstruktion mit mehreren Wicklungen. Die Abbildung zeigt den Aufbau des Sensors mit den Spulen LS, LSR und LDC .

Die Sekundärspule LS dient dabei wiederum zur Erfassung des AC-Anteils – wie bereits eingangs beschrieben. Nun teilt sich aber der Kern in zwei Pfade auf in welchen jeweils eine Spule (LSR und LDC) zu finden ist. Im Normalbetrieb teilt sich somit der magnetische Fluss auf beide Pfade auf - wie in der Abbildung gezeigt.

Eine dieser Spulen (LSR) dient jedoch als „magnetischer Schalter“ mit dem Ziel den magnetischen Fluss durch den Kern kurzzeitig umzulenken. Dieser „magnetische Schalter“ beruht auf dem Reluktanzprinzip (bekannt aus der Antriebstechnik bei Reluktanzmotoren). Wird der Schalter zugeschaltet entsteht auf diesem Pfad des Eisenkerns eine Sättigung und die relative Permeabilität sinkt auf 1. 

Dadurch wird der magnetische Widerstand im Vergleich zum anderen Pfad des Eisenkerns sehr hoch und der (nahezu) gesamte magnetische Fluss fließt über diesen Pfad. Über die Spule LDC an diesem „Messpfad“ kann nun durch die Änderung des magnetischen Flusses der DC-Anteil des Signals ermittelt werden.

Über die „Messspule“  LDC kann somit der Gleichanteil und über die Sekundärspule (LS) der breitbandige Wechselstromanteil erfasst werden. Die Signale für die DC- und für die AC-Messung werden dabei in einer ausgeklügelten Schaltung kombiniert. 

Dieses kombinierte Signal fließt einerseits über die Sekundärwicklung zurück und stellt die Balance der Magnetfelder wieder her (Nullfluss-Kompensation). Andererseits wird das Signal über einen Hochpräzisionswiderstand (Folienwiderstand) geführt und steht als ein dem primärstrom-proportionales Kleinspannungssignal zur Verfügung. 

Der PFS wendet sozusagen ein Nullflusswandlerprinzip an, das darin besteht den magnetischen Fluss kurzzeitig umzuleiten, um für eine die zur Ermittlung von Gleichströmen notwendige Änderung von magnetischen Feldern hervorzurufen. Da der Wandler stets kompensiert betrieben wird und durch die Verwendung von hochpermeablen Werkstoffen ist man auch bei dieser Technologie nicht abhängig von den magnetischen Eigenschaften (B-H) des Eisenkerns und Messungen mit höchster Bandbreite und hoher Linearität bei geringem Phasenfehler sind garantiert. Ein geringer Offset wird durch eine intelligente Ansteuerung des magnetischen Schalters erreicht.
Da diese Technologie nur einen Eisenkern erfordert, entstehen gegenüber den herkömmlichen Nullflusswandlern zusätzliche Vorteile wie der äußerst geringe Stromverbrauch oder die viel kompaktere Bauform.  Eine geringe Empfindlichkeit gegenüber externer Magnetfelder wird ebenso erreicht (1-Kern).

Die Vorteile des Platiše Nullflusswandlers sind:

  • Sehr geringer Stromverbrauch
  • Kompakte Bauform
  • Geringes Gewicht
  • Hohe Genauigkeit
  • Hohe Bandbreite
  • Hohe Linearität
  • Geringer Temperaturdrift
  • Geringer Offset
  • Geringe Empfindlichkeit gegenüber externer Magnetfelder
  • Kein Luftspalt (im Vergleich zu Hall-Sensoren)

XHS-PWR

SIRIUS XHS-PWR


Eingesetzt wird diese neue Technologie z.B. im SIRIUS XHS-PWR welches speziell für die Leistungsmessung im Fahrzeug konzipiert und entwickelt wurde. Mit seiner Abtastrate von 15 MS/s und 5 MHz Bandbreite ist es in der Lage, auch sehr hochfrequente Ereignisse zu erfassen. Hochspannungs- und Hochstromkabel laufen direkt durch den gekapselten DC-CT-Sensor (Gleichstromwandler), wodurch die Gefahr von Stromschlägen durch abgerissene oder lose Messkabel ausgeschlossen ist. Spannungen bis 2000 VDC und Ströme von 2000 A können dank der neuen DC-CT-Technologie direkt gemessen werden.
Das Messsystem mit geschlossenem Chassis bietet große Vorteile gegenüber Stromzangen (die bei Gleichstrommessungen an geschirmten Kabeln Messfehler bis zu 50 % aufweisen können) und Shunts (die eine sehr begrenzte Bandbreite haben und oft nicht in der Lage sind, Signale über 10 kHz zu messen).

 

Alle Detailinfos zum Messprinzip können in der wissenschaftlichen Veröffentlichung des MDPI „Sensors“ Journals nachgelesen werden (MDPI Sensors 2020, 20, 4197 / s20154197)
https://www.mdpi.com/1424-8220/20/15/4197/htm

Verwendete Abkürzungen:
B  magnetische Flussdichte (Tesla)
H  magnetische Feldstärke (Ampere/Meter)