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Die Besonderheit der Magnetsonde

Eine Besonderheit der hier betrachteten Stromsensoren ist die von der VAC entwickelte Magnetsonde, bei der es sich um eine Anwendung des Fluxgate- oder Sättigungskernsonden-Prinzips handelt. Bei dieser Sonde wird das Feld im Luftspalt des Magnetkerns nicht wie sonst üblich von einem Hallelement erfasst, sondern von einer Spule mit offenem Magnetkreis, die Teil eines selbstschwingenden Kreises ist und wechselseitig in die Sättigung getriebenen wird (Bild 2, links). Ein auf sie einwirkendes externes Feld verschiebt die magnetische Symmetrie des Kerns und ändert damit das Tastverhältnis eines abgeleiteten PWM-Signals (Bild 2, rechts). Hieraus wird wiederum der Kompensationsstrom abgeleitet.

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Die Arbeitsfrequenz der Sonde liegt bei 400 kHz oder höher, also weit oberhalb des nutzbaren Frequenzbereiches. Die Sonde hat eine hohe eigene Verstärkung, das erzeugte Signal somit eine hohe Amplitude. Es muss nicht wie bei Hallelementsonden aus dem mV-Bereich verstärkt werden mit entsprechenden Nachteilen wie Verstärkerrauschen und -drift. Die Genauigkeit der Sonde hängt außerdem ausschließlich von der physikalisch bedingt immer nahezu perfekten Symmetrie der Hystereseschleife ab und nicht von ihrer Steigung oder der Sättigungsinduktion des Materials. Eigenschaften, die einer (wenn auch nur geringen) Temperaturabhängigkeit unterliegen.

Vorteile durch moderne Werkstoffe

Kompensations-Stromsensoren mit magnetischer Sonde erreichen, über anwendungstypische Temperaturbereiche betrachtet, etwa die doppelte Genauigkeit von Kompensationssensoren mit Hallelement als Nullfelddetektor und ein mehrfaches der Genauigkeit von direktabbildenden (Open Loop) Sensoren.

Der Kern der Magnetsonde besteht aus einem gerade einmal 20 µm dünnen Streifen aus dem amorphen Werkstoff VITROVAC mit Z-förmiger Hystereseschleife. Dieser Werkstoff bietet eine für die Anwendung optimale Kombination aus hartem Sättigungsverhalten, hoher Permeabilität im nicht gesättigten Zustand und niedrigen Verlusten.

Der Hauptmagnetkern des Sensors besteht aus PERMENORM, einer 50%igen Nickel-Eisen-Legierung, die eine geringe Koerzitivfeldstärke und somit eine leichte Magnetisierbarkeit aufweist, wodurch Offset und Hysterese des Sensors klein gehalten werden können. Die Werkstoffexpertise eines führenden Herstellers von Magnetwerkstoffen führt hier also zu optimalen Ergebnissen am fertigen Produkt Stromsensor.

Der Regelkreis: Die Elektronik der Kompensationssensoren mit Magnetsonde der VACUUMSCMELZE wurde zum überwiegenden Teil in einen IC integriert. Bild 3 zeigt den Regelkreis des Kompensationssensors. Er unterteilt sich in die Funktionsblöcke Magnetsonde, IC und Kompensationswicklung. (die Übertragungsfunktion als Formel finden Sie in der Bildergalerie).

In dieser Formel steht I_K für Kompensationsstrom, S für Steilheit der Sonde, k_e für Verstärkung der Elektronik, k_HF für „Verstärkung“ Transformator (für hohe Frequenzen), k_R für „Verstärkung“ Kompensationswicklung (Windungszahl) und I_P für Primärstrom. Der linke Term der Formel beschreibt die grundsätzliche Übertragungsfunktion des gesamten Regelkreises; der mittlere den Einfluss des Fehlers F_MAG (welcher durch die Kernhysterese und externe Einstreuungen entsteht). Der rechte Term beschreibt den Einfluss des Fehlers F_INT, (der die Fehler der Elektronik, wie Offset und Verzögerungen, wiedergibt). Nimmt man die Leerlaufverstärkung der Elektronik als unendlich an und vernachlässigt man den HF-Pfad (transformatorische Kopplung), so vereinfacht sich die Übertragungsfunktion zu der Formel 2, die Sie ebenfalls in der Bildergalerie finden.

Es wird sichtbar, dass der Fehler F_INT im umgekehrten Verhältnis der Sondensteilheit in die Übertragungsfunktion eingeht. Der durch die Elektronik des Sensors eingebrachte Fehler wird also durch die hohe Eigenverstärkung der Sonde niedrig gehalten.

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