pA, nA, µA oder mA Strommessung auf Hochspannungsausgängen pAM14

Die hoch empfindliche Strommessungen an Ausgängen von Hochspannungsnetzgeräten stellt verschiedene Anforderungen, die nicht einfach auf einen Nenner zu bringen sind. Wenn Ströme im Bereich von mA bis hinunter in den nA oder pA Bereich erfasst werden sollen, sind hoch sensible Messschaltungen von Nöten. Je geringer der zu Messende Strom ist, umso wesentlicher sind Ableit- und/oder Fehlströme. Zudem werden für diese kleinen Ströme grosse Verstärkungen benötigt, um den Messwert verarbeiten zu können. Aber genau diese Schaltungen fordern entweder, dass sichergestellt werden kann, dass keine hohen Spannungen (in der Regel unter 10V) an der Messstelle auftreten können oder dass eine entsprechende Schutzschaltung dafür sorgt, dass dies nicht passiert. Diese Schutzschaltungen bedürfen aber einer besonderen Betrachtung, da durch diese im Normalbetrieb keine Fehlströme verursacht werden dürfen. Auf der anderen Seite wird die Ausgangsspannung bei Hochspannungsnetzgeräte im Allgemeinen mittels Koaxialkabel zum Verbraucher geführt. Diese Kabel weisen jedoch zwangsläufig eine Kabelkapazität auf. Dies führt besonders beim Einschalten der Ausgangsspannung zu Spannungsüberhöhungen an der Messstelle, da das Kabel im ersten Moment wie ein Kurzschluss wirkt (bis die Kabelkapazität geladen ist). Wenn diese Strommessung auf einer Ausgangsspannung von mehreren kV gemacht wird, kann kurzzeitig die volle Ausgangsspannung an der Messstelle anliegen. Dies würde unweigerlich zu einer Zerstörung der Messelektronik führen. Durch eine geeignete Schutzschaltung kann dies verhindert werden. Im Normalbetrieb sind die Komponenten der Schutzschaltung so zu wählen, dass die Fehlströme je nach tiefstem Messbereich immer mindestens ca. um das 10 bis besser 100 fache kleiner sind als dieser Messbereich. Bei einem Messbereich von 1nA müssen somit die Fehlströme wesentlich tiefe als 100pA sein, besser im Bereich von 10pA, um noch brauchbare Messresultate zu erhalten. Wenn die Messung zudem noch schnell erfolgen soll, kann auch mit der Filterung der Spannung wenig erreicht werden.

INNOTEC-Netzgeräte GmbH hat eine solche Messelektronik entwickelt und in verschiedenen Kundenlösungen zur Anwendung gebracht. Mit dieser Lösung lassen sich Messbereiche bis in den kleinen pA-Bereich realisieren, die Spannungsspitzen von bis 7kV verkraften können. Die Lösung überträgt die Messwerte asynchron über einen Lichtleiter auf Groundpotential, um Ableitströme über die Messleitung zu verhindern. Die Messelektronik kann entweder aus der Hochspannung oder von einer Batterie versorgt werden. Da es immer eine sehr auf den Kundenbedarf ausgerichtete Lösung sein wird, ist dieses Lösung nicht als Standardprodukt ab Lager verfügbar. Sie wird jeweils auf Grund der Kundenspezifikationen gefertigt.

Bemerkung:

Bei mehreren Messbereichen kann die Messbereichsumschaltung bis hinunter in den Bereich von 1µA mit speziellen FET (mit sehr geringem Gatestrom im kleinen nA Bereich) gemacht werden. Bei Messbereichen im nA und pA Bereich werden dafür aber Reedrelais benötigt (Steuerstrom ist vollständig vom Messstrom getrennt).

Vorteil der Lösung:

Strommessung unabhängig von Erd- und Ableitströmen, es wird nur der Wirkstrom direkt am Ausgang gemessen

Einsatzgebiete:

Messtechnik in der Hochspannungsumgebung, Strommessung an Ionenpumpen, Strommessung an Photomultipliern, Gitterstrommessungen

Bild:
Das Bild zeigt eine Lösung mit fünf Messbereichen von 2µA bis 20mA für den Einsatz auf einer Ausgangsspannung von ca. 5500V. Es erfolgt eine automatische Messbereichsumschaltung. Die Messwerte werden mit einem Optic
al-Link von der hochspannungsseitigen Strommessung asynchron auf Groundpotential übertragen. Die Auflösung ist 12Bit in jedem Messbereich. Es werden ca. 4500 Messwerte inklusive dem Messbereich pro Sekunde übertragen. Zudem verfügt diese Lösung über eine redundante Überstromerkennung für eine anlageseitige Weiterverarbeitung. Auch diese Information wird zusammen mit den Messwerten übertragen. Die Empfängerelektronik überwacht die Messung auf eine regelmässige Datenlieferung. Sollte diese ausfallen wird ein Alarm ausgelöst

Bemerkung:
Die gezeigte Platine enthält noch weitere kundenspezifische Funktionen, die nicht direkt mit der Strommessung zusammenhängen!

pA, nA, µA oder mA Strommessung auf Hochspannungsausgängen pAM14

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