Es gibt viele verschiedene Arten von Strommesstechniken, die vom einfachen Shunt- und Hall-Effekt-Sensor bis zu komplexeren Systemen reichen. Bei den aufkommenden Elektromobilitäts-Anwendungen soll der Genauigkeitsgrad im dreistelligen ppm-Bereich liegen, während bei medizinischen MRI-Geräten und Beschleunigern in der physikalischen Grundlagenforschung sogar eine Genauigkeit im einstelligen ppm-Bereich erforderlich sein kann. Solch hohe Ansprüche können einfachere Geräte nicht mehr ohne Weiteres bedienen.

Fluxgate-Technik

Bild 1: Vergleich des normalen Verhaltens des Stroms (rot) mit dem des Stroms durch das Fluxgate-Element (blau).

Bild 1: Vergleich des normalen Verhaltens des Stroms (rot) mit dem des Stroms durch das Fluxgate-Element (blau). Danisense

Die von Danisense entwickelte Fluxgate-Technik ist eine geregelte kompensierte Technologie mit fester Erregungsfrequenz und Zero-Flux-Detektion im Bereich der zweiten harmonischen Oberschwingung. Die Kompensation des durch den Integrator erzeugten sekundären Stroms wirkt dem durch den primären Strom erzeugten Magnetfeld im Ring entgegen. Das Fluxgate erkennt Magnetfelder im Ring , Dvon Gleichspannung bis unter 100 Hz im Sub-ppm-Bereich und veranlasst so deren Kompensation durch den Integrator. Bei höheren Frequenzen detektiert die Rückkopplungswicklung magnetische Felder im Ring im ppm-Bereich und der Integrator kann diese wiederum kompensieren. Bild 1 zeigt den Vergleich des normalen Verhaltens des Stroms mit dem des Stroms, der durch das Fluxgate-Element fließt. Durch eine auf magnetische Standardwerkstoffe gewickelte Aufnehmerspule verhält sich der Strom bis zur Sättigung linear. Ist das magnetische Material für den Kern allerdings nach Sättigungsvermögen und Empfindlichkeit gewählt, zeigt das Diagramm einen sehr definierten und gut erkennbaren Sprung.

Bild 2: Auswirkung einer angelegten Rechteckspannung (links), die steilflankige positive und negative Signale erzeugt.

Bild 2: Auswirkung einer angelegten Rechteckspannung (links), die steilflankige positive und negative Signale erzeugt. Danisense

Bild 2 ist ein vereinfachtes Diagramm, das die Auswirkng einer angelegten Rechteckspannung zeigt, die steilflankige positive und negative Signale erzeugt. Rechts verschiebt ein zusätzliches Magnetfeld das Signal, das durch den primären Gleichstrom Ip im Drahtleiter entsteht. Schließlich kommt ein hochentwickeltes Signalverarbeitungsverfahren zur Anwendung und über die zweite Harmonische lassen sich die Werte für die neuen Signale erfassen und für die Messung des Stroms in den Leitern und dessen Gleichstromwert heranziehen. Dies ist die grundlegende Flux-Gate- oder Zero-Flux-Technologie. Sie lässt sich auch um eine zusätzliche AC-Rückkopplungswicklung ergänzen, um den Frequenzbereich der Wechselstrommessungen zu erweitern.

Dual Balance

Bild 3a: Fluxgate-Aufbau in Dual-Balance-Ausführung mit zwei gegengeschalteten Magnetkernen, ähnlich dem Konzept einer Wheatstone-Brücke. Hier das Blockschaltbild.

Bild 3a: Fluxgate-Aufbau in Dual-Balance-Ausführung mit zwei gegengeschalteten Magnetkernen, ähnlich dem Konzept einer Wheatstone-Brücke. Hier das Blockschaltbild. Danisense

Ein einfacher Fluxgate-Aufbau und Magnetkern ermöglichen zwar präzise Messungen im DC- und niederfrequenten AC-Bereich, sind allerdings aufgrund der sehr geringen Bandbreite nicht für AC-Messungen über die gesamte Bandbreite geeignet. Darüber hinaus können Temperatur- und sonstige Umgebungsbedingungen zu einer Drift des Magnetfelds führen. Einige Hersteller bauen auf elektronische Kompensationsschaltungen, was nicht nur mehr Kosten und Komplexität bedeutet, sondern auch zu mehr Ungenauigkeit neigen kann. Im Gegensatz dazu setzt Danisense auf einen Fluxgate-Aufbau in Dual-Balance-Ausführung mit zwei gegengeschalteten Magnetkernen, ähnlich dem Konzept einer Wheatstone-Brücke. So lässt sich eine natürliche Kompensation erreichen und jede Driftwirkung beseitigen. Das Blockschaltbild ist in Bild 3a dargestellt und das vereinfachte Signaldiagramm in Bild 3b. Um den gegenseitigen Ausgleich der beiden Fluxgate-Elemente zu erreichen, müssen diese allerdings perfekt abgestimmt sein. Die DS-Sensorbaureihe (DS200 bis DS10000) ist in der Lage, den Strombereich von 200 bis 10.000 A abzudecken. Sie verfügen über eine Linearität von 0 bis fS, eine zeitliche Offset-Stabilität unterhalb von 0,1 ppm pro Monat und eine  Bandbreite von DC bis mehreren hundert Kilohertz. Bild 4 zeigt die Phasenverschiebung bei der Wechselstrommessung.

Bild 3b: Das vereinfachte Signaldiagramm zeigt, dass sich so eine natürliche Kompensation erreichen und jede Driftwirkung beseitig lässt.

Bild 3b: Das vereinfachte Signaldiagramm zum Fluxgate-Aufbau zeigt, dass sich so eine natürliche Kompensation erreichen und jede Driftwirkung beseitigen lässt. Danisense

Der DM1200 ist sogar in der Lage, Signale bis 1200 Aeff und 1500 ADC zu messen. Mit einem Durchmesser von 45 mm soll der DM1200 das Prüfen zudem einfacher und kostengünstiger machen, weil das häufige Installieren und Austauschen des zu prüfenden Systems ohne das Abnehmen des Primärkabelsteckverbinders erfolgen kann.

Hohe Linearität

Bild 4: Darstellung der Phasenverschiebung bei der Wechselstrommessung.

Bild 4: Darstellung der Phasenverschiebung bei der Wechselstrommessung. Danisense

Mit der Zero-Flux-Technik hat der DM1200 eine Linearität von < 1 ppm bei einem geringen Offset von 12 ppm und bietet eine sehr geringe Amplituden- und Phasenverschiebung. Diese Parameter sind entscheidend für eine präzise Messung der Wandlereffektivität. Der DM1200 hat eine Bandbreite bis 300 kHz und ist so für höhere Schaltgeschwindigkeiten geeignet, die insbesondere bei SiC- und GaN-Bauelementen eine Rolle spielen. Für die Abschirmung gegen die elektromagnetischen Störungen durch diese hochfrequenten Signale sorgt beim DM1200 ein Metallgehäuse. Der Sensor ist waagerecht und senkrecht montierbar und lässt sich dadurch einfach an den Aufbau der Prüfvorrichtung anpassen.