Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Strommessung DC 20 kA


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von Thomas R. (Gast)


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Hallo zusammen,

ich möchte die Ausgangsleistung meines Punktschweissgerätes messen. 
Spannung und Impulszeit ist natürlich kein Problem, der Strom hingegen 
schon.

Folgende Parameter sind bekannt:
- Gleichstrom
- Spannung max. 20V
- Impulszeit 20 - 200ms
- Funktionsprinzip: Kondensatorentladung

Anforderungen:
- Galvanisch getrennte Messung, kein Shunt
- Messbereich 5 - 20kA
- Fertiger LEM Hallsensor kann ich mir vermutlich nicht leisten :(

Wie würdet Ihr das angehen?

von Der Andere (Gast)


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Abschätzen indem man den Spannungsabfall an einer definierten Länge der 
Zuleitung misst. (Querschnitt und Material sollte bekannt sein)

von Richard (Gast)


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Auch wenn Shunt:
Schau dir mal die IT Modular von Isabellenhütte an. Die gehen nominal 
bis maximal 2500A, können dann aber bis 48kA kurzzeitig (in deinem 
Zeitbereich)

von Henrik V. (henrik_v)


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Na, ein Puls von 20ms bis 200ms ist ja schon fast AC :)

Rogowskispule bastlen und ausprobieren.

https://de.wikipedia.org/wiki/Rogowskispule

Zum Kalibrieren dann 1mOhm der's abkann (100W peak)

von Peter II (Gast)


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war nicht Strom etwas mit Kraft je Meter? Beide Leitungen Parallel legen 
und eine Drucksensor? Bei 20kA werden wohl ein paar N zusammenkommen.

von MiWi (Gast)


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Thomas R. schrieb:
> Hallo zusammen,
>
> ich möchte die Ausgangsleistung meines Punktschweissgerätes messen.
> Spannung und Impulszeit ist natürlich kein Problem, der Strom hingegen
> schon.
>
> Folgende Parameter sind bekannt:
> - Gleichstrom
> - Spannung max. 20V
> - Impulszeit 20 - 200ms
> - Funktionsprinzip: Kondensatorentladung
>
> Anforderungen:
> - Galvanisch getrennte Messung, kein Shunt
> - Messbereich 5 - 20kA
> - Fertiger LEM Hallsensor kann ich mir vermutlich nicht leisten :(
>
> Wie würdet Ihr das angehen?

Rogowskispule...

Oder ein bischen genauer, aber um die Ecke gemessen:

da Du den Spannungsverlauf am C sehr genau messen kannst, die Kapazität 
Deiner Kondensatoren auch kennst oder zumindest kennen kannst liese sich 
aus dem du/dt (Spannungsabfall bei Entladung) der entnommene Strom 
ableiten.

Ein uC mit einem schnellen 16bitADC sollte das ohne weiteres 
hinbekommen. Ist aber nicht "Echtzeit" sondern hinkt immer einige 
ADC-Samplerate-Zyklen bischen hinterher...

MiWi

von Georg M. (g_m)


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MiWi schrieb:
> Oder ein bischen genauer, aber um die Ecke gemessen:
>
> da Du den Spannungsverlauf am C sehr genau messen kannst, die Kapazität
> Deiner Kondensatoren auch kennst oder zumindest kennen kannst liese sich
> aus dem du/dt (Spannungsabfall bei Entladung) der entnommene Strom
> ableiten.

Ja, wenn die Kapazität bekannt ist, dann indirekt, mit dem Oszilloskop.

i(t) = dQ/dt = C*dU/dt

von Schreiber (Gast)


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Thomas R. schrieb:
> Anforderungen:
> - Galvanisch getrennte Messung, kein Shunt

Ein Stück Stromschiene als Shunt missbrauchen, nach dem Messverstärker 
mittels analog-Optokoppler für galvanische Trennung sorgen.

von Patrick J. (ho-bit-hun-ter)


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Hi

Kann man nicht bei einer Kondensator-Entladung aufgrund der Spannungen 
vorher/nachher, der Kapazität und der Impulszeit auf den 
durchschnittlichen Strom schließen?

MfG

... wurde schon angedacht - bin dann wieder lieb :)

: Bearbeitet durch User
von Harald W. (wilhelms)


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Schreiber schrieb:

>> - Galvanisch getrennte Messung, kein Shunt
>
> Ein Stück Stromschiene als Shunt missbrauchen, nach dem Messverstärker
> mittels analog-Optokoppler für galvanische Trennung sorgen.

Wenn man es "etwas genauer" haben will, baut man einen AD-Wandler
hinter den Shunt und trennt dessen Ausgangssignal über "digitale"
Optokoppler.

von Joachim B. (jar)


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ich würde einen AVR / Arduino nehmen am Shunt mit SIM1 galvanisch 
getrennt und das Ergebnis per Optokoppler wieder galvanisch getrennt 
seriell raustickern.

Besserer ADC geht natürlich auch.

: Bearbeitet durch User
von Thomas R. (Gast)


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Mein Plan war eigentlich nur eine einmalige Messung. Durch Eure Ideen 
angestachelt, überlege ich grad da noch ein Display nachzurüsten :)

Oooh, ja klar. Habe mich so sehr darauf konzentriert keinen 
(zusätzlichen) Shunt zu verbauen, dass ich nicht realisiert habe, dass 
da schon mehrere "Shunts" verbaut sind. Am besten würde sich wohl ein 
Kupferprofil eignen, welches den +Pol der Kondensatoren mit dem Kabel 
für die positive Elektrode verbindet. Das müsste so um die 50 uOhm 
haben. Ist zwar ein bisschen wenig, aber es muss nicht wirklich genau 
sein.

Die Idee via C*dU/dt finde ich genial :)
Werde so mit dem Oszilloskop die Variante mit dem "Shunt" überprüfen. 
Wenn ich grössere Abweichungen habe, muss dann wohl noch ein uC her. 
Dass es nicht Echtzeit ist spielt keine Rolle, kann ja während dem 
Schweissvorgang eh nicht korrigierend eingreifen.

Rogowskispule hab ich mir schon angeschaut und verworfen, da die für AC 
ausgelegt ist. Aber wenn ich genauer überlege habt Ihr schon recht. Da 
die Induktivität der Leitungen den Strom "langsam" ansteigen lässt und 
er durch die Entladung der Kondensatoren wieder sinkt, ist der Impuls 
schon AC ähnlich und müsste damit gemessen werden können. Schaue ich mir 
vielleicht auch an.

Herzlichen Dank für Eure Antworten, Ihr habt mir sehr geholfen :)

von Schreiber (Gast)


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Harald W. schrieb:
> Wenn man es "etwas genauer" haben will, baut man einen AD-Wandler
> hinter den Shunt und trennt dessen Ausgangssignal über "digitale"
> Optokoppler.

1% Messgenauigkeit lässt sich auch mit einem analogen Optokoppler und 
Zweipunktkalibrierung mühelos erreichen und genauer muss es bei einem 
Schweißgerät eh nicht werden.
Den Nullpunkt der Kalibrierung kann man per Software nachführen um den 
Drift rauszukalibrieren. Hilft Kundenbeschwerden vorzubeugen, wenn das 
Teil bei offenem Stromkreis immer 0A anzeigt...

von Schreiber (Gast)


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Thomas R. schrieb:
> Die Idee via C*dU/dt finde ich genial :)
> Werde so mit dem Oszilloskop die Variante mit dem "Shunt" überprüfen.
> Wenn ich grössere Abweichungen habe, muss dann wohl noch ein uC her.
> Dass es nicht Echtzeit ist spielt keine Rolle, kann ja während dem
> Schweissvorgang eh nicht korrigierend eingreifen.

Man kann die Schweißdauer in Abhängigkeit vom Strom regeln, das sorgt 
für gleichmäßigere Ergebnisse.

von voltwide (Gast)


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Ganz einfach und ohne jegliche Elektronik: Mit einem Magnetnadelkompaß 
(kennt den noch jemand?) in der Nähe der stromdurchflossenen Leitung.

von Patrick J. (ho-bit-hun-ter)


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voltwide schrieb:
> Ganz einfach und ohne jegliche Elektronik: Mit einem
> Magnetnadelkompaß
> (kennt den noch jemand?) in der Nähe der stromdurchflossenen Leitung.

Ok, damit ist ein Stromfluß erkennbar - aber ob's 5A oder 5000A waren, 
sieht man der Nadel nicht sooo genau an - wobei man aber wohl zwischen 
den beiden Extremen unterscheiden kann.

MfG

von Georg M. (g_m)


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Einen Shunt für 20kA kann ich mir nicht vorstellen. (müsste aber schwer 
und teuer sein)

Bei sehr schwachen Strömen ist die kontaktlose Messung schwierig oder 
gar unmöglich, so dass man den Shunt als ein unvermeidliches Übel 
akzeptieren muss.

Bei sehr starken Strömen ist alles genau umgekehrt.

https://de.wikipedia.org/wiki/Stromsensor

von MiWi (Gast)


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Georg M. schrieb:
> Einen Shunt für 20kA kann ich mir nicht vorstellen. (müsste aber schwer
> und teuer sein)
>
> Bei sehr schwachen Strömen ist die kontaktlose Messung schwierig oder
> gar unmöglich, so dass man den Shunt als ein unvermeidliches Übel
> akzeptieren muss.
>
> Bei sehr starken Strömen ist alles genau umgekehrt.
>
> https://de.wikipedia.org/wiki/Stromsensor

so schauts aus:

https://www.aldis.at/forschung/blitzforschungsstation-gaisberg/blitzstrommessung/

ist auch ausreichend gekühlt :-)

von Strom (Gast)


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Thomas R. schrieb:
> - Funktionsprinzip: Kondensatorentladung

Wie groß ist die Kapazität der Kondensatoren?

von Falk B. (falk)


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@ Georg M. (g_m)

>Einen Shunt für 20kA kann ich mir nicht vorstellen. (müsste aber schwer
>und teuer sein)

Nö, vor allem wenn die 20kA nur ein kurzer Puls sind. Sowas hab ich mal 
gebaut, ein Koaxialshunt bestehend aus einem Messingrohr mit ca. 10mm 
Durchmesser und 75mm Länge, der hatte 100uOhm. Damit konnte man sehr gut 
10kA++messen, allerdings waren die Pulse nur im 2stelligen us Bereich.

von Klaus (Gast)


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Thomas R. schrieb:
> Am besten würde sich wohl ein
> Kupferprofil eignen, welches den +Pol der Kondensatoren mit dem Kabel
> für die positive Elektrode verbindet.

Einen analogen Hallsensor isoliert auf dieses Profil kleben und 
auswerten

MfG Klaus

von Falk B. (falk)


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@Klaus (Gast)

>> Kupferprofil eignen, welches den +Pol der Kondensatoren mit dem Kabel
>> für die positive Elektrode verbindet.

>Einen analogen Hallsensor isoliert auf dieses Profil kleben und
>auswerten

Dann mal viel Spaß bei der Kalibrierung.

von Klaus (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Dann mal viel Spaß bei der Kalibrierung.

Ob ich nun den Widerstand eines Kupferprofils, den ich nicht wirklich 
richtig messen kann (mein Microohmmeter ist gerade beim Kalibrieren), 
oder die Verhältnisse eines festgeklebten Hallsensensors (so sahen die 
Vorläufer der ACS7xx mal aus) berücksichtige mach keinen wirklichen 
Unterschied.

MfG Klaus

von Falk B. (falk)


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@Klaus (Gast)

>> Dann mal viel Spaß bei der Kalibrierung.

>Ob ich nun den Widerstand eines Kupferprofils, den ich nicht wirklich
>richtig messen kann (mein Microohmmeter ist gerade beim Kalibrieren),

Wer hat als Bastler ein Mikroohmmeter?

>oder die Verhältnisse eines festgeklebten Hallsensensors (so sahen die
>Vorläufer der ACS7xx mal aus) berücksichtige mach keinen wirklichen
>Unterschied.

Aber sicher. Wenn du den Hallsensor kalibrieren willst, musst du 
optimalerweise den vollen Nennstrom durch deine Kupferschiene schicken 
und diesen mit einem Referenzmeßgeräß prüfen. Viel Spaß bei 20kA ;-)

von Harald W. (wilhelms)


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Falk B. schrieb:

> Dann mal viel Spaß bei der Kalibrierung.

Die macht man während des nächsten Gewitters. :-)

Hier ein Bild des Versuchsaufbaus:
http://4.bp.blogspot.com/-Ypqg5FJ8agM/Ue6-POC-ZJI/AAAAAAAADNc/F8QKzPnaxrI/s1600/6-15-1752-Ben-Franklin-Kite.gif

: Bearbeitet durch User
von Klaus (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Aber sicher. Wenn du den Hallsensor kalibrieren willst, musst du
> optimalerweise den vollen Nennstrom durch deine Kupferschiene schicken
> und diesen mit einem Referenzmeßgeräß prüfen. Viel Spaß bei 20kA ;-)

Und wenn du einen Shunt (der ist auch noch galvanisch mit deiner 
Messanordnung verbunden) kalibrieren willst und deine Messung nicht in 
Störungen und Rauschen untergehen soll, brauchst du auch einen Strom im 
kA Bereich. Das wird sich in der Realität nicht viel nehmen.

Falk B. schrieb:
>>Ob ich nun den Widerstand eines Kupferprofils, den ich nicht wirklich
>>richtig messen kann (mein Microohmmeter ist gerade beim Kalibrieren),
>
> Wer hat als Bastler ein Mikroohmmeter?

Du bist ja ein Blitzmerker

MfG Klaus

von Georg M. (g_m)


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von Philipp C. (e61_phil) Benutzerseite


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Klaus schrieb:
> Und wenn du einen Shunt (der ist auch noch galvanisch mit deiner
> Messanordnung verbunden) kalibrieren willst und deine Messung nicht in
> Störungen und Rauschen untergehen soll, brauchst du auch einen Strom im
> kA Bereich. Das wird sich in der Realität nicht viel nehmen.

Ich denke das kommt darauf an wie groß der Shunt ist und welche 
Genauigkeit man erreichen möchte. Bei 100µR würde ich mir das vermessen 
noch zutrauen.

Ich habe kürzlich mal überprüfen wollen ob mein 600µR Shunt tatsächlich 
in der 0,5% Toleranz liegt. Gemessen habe ich da auch nur mit 1A. Ich 
habe rund 200 Messungen gemacht und die lieferten eine 
Standardabweichung von ca. 40nR.

https://lowcurrent.wordpress.com/2017/02/10/kleine-widerstaende-und-offset-compensation/


kleiner Nachtrag: Wenn ich jeweils von den ein Jahres Specs der 
Messgeräte ausgehe. Keithley 182: 60ppm of reading + 16ppm of range und 
Agilent 6632B: 0,05% + 2mA. Dann liefert mir das totale Differential 
einen Fehler von +/- 1,6µR bei 600µR. Vorrausgesetzt ich habe mich 
gerade nicht verrechnet ;)

: Bearbeitet durch User
von Klaus (Gast)


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Philipp C. schrieb:
> kleiner Nachtrag: Wenn ich jeweils von den ein Jahres Specs der
> Messgeräte ausgehe. Keithley 182: 60ppm of reading + 16ppm of range und
> Agilent 6632B: 0,05% + 2mA.

Wenn diese typischen Bastlermessgeräte nicht auch gerade zum Kalibrieren 
außer Haus sind.

MfG Klaus

von Philipp C. (e61_phil) Benutzerseite


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Klaus schrieb:
> Wenn diese typischen Bastlermessgeräte nicht auch gerade zum Kalibrieren
> außer Haus sind.

Hmm, dann muss man entweder warten ;) oder man nimmt den ADC, der hier 
schon für die spätere Messung vorgeschlagen wurde.

Sagen wir mal es wird ein schneller 16bit wie vorgeschlagen verwendet 
und wir nehmen 2,5V Referenz (100µR und 20kA wären dann mit 2V ja in der 
Anwendung ganz passend). Dann hätte man rund 40µV Auflösung. Offsets 
kann man loswerden in dem man einmal mit und einmal ohne Strom misst. 
Dazu dann das Labornetzteil mit zB 3A (mehr ist natürlich immer besser, 
aber das hat ja nicht jeder), dann kommt man auf rund 14µR Auflösung. 
Damit da irgendwas annähernd brauchbares rauskommt wird man ordentlich 
mitteln müssen, aber versuchen könnte man es. Es sind nur eine handvoll 
LSB die man bei 3A sieht. Ggf kann man noch etwas rausholen, wenn man 
für die Kalibrierung die Referenzspannung reduziert.

Besser wäre wohl ein 24bit ADC mit direkt Differenziellem Eingang, aber 
der wird für die spätere Anwendung nicht schnell genug sein.

von Philipp C. (e61_phil) Benutzerseite


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Vielleicht vertue ich mich gerade sehr, aber 100µR sind viel zu viel für 
20kA oder?

20kA²*100µR*0,2s=8000J

Wenn man dann nur einfach mal zum Rechnen annimmt man hätte einen 
Kupfershunt der rund 50g wiegt (vielleicht völlig daneben, hab ich 
einfach mal aus meinem 600µR Shunt geschätzt), dann wir der nach so 
einem 20kA Puls verdammt heiß. (die Einheiten zwecks Übersichtlichkeit 
weggelassen)

8000 / (50e-3 * 385) = 415K

Falk hat ja schon etwas von einem Kupferrohr geschrieben, aber bringt 
die Fläche bei so kurzen Pulsen etwas? Für eine Dauerlast (oder 
wiederkehrende Pulse) ist das sicherlich gut, aber ich würde vermuten, 
dass innerhalb von 200ms da noch nicht viel über die Luft 
abtransportiert wird.

von Henrik V. (henrik_v)


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Heute einen alten Shunt beim Kupferschrott gesehen
10µOhm 23kA Dauerlast Kl. 0.03%
Passt noch unter den Schreibtisch :)
Zuleitungen sind halt für 23kA Dauerstrom ausgelegt....
Das Motörchen mit dem Riemen ist ein Kühlmittelquirl.

Bei den hier diskutierten kurzen Pulsen aber nicht das Ding. 10cm 
Messingrohr Vierleitermessung oder eben Rogowski.

: Bearbeitet durch User

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