CN111521856B - 用于测量直流电流和交流电流的传感器设备 - Google Patents

用于测量直流电流和交流电流的传感器设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于测量通过导体(2)的直流电流和交流电流的传感器设备(1)，其中该传感器设备(1)具有罗氏线圈(3)，其中该罗氏线圈(3)的主延伸平面与该导体(2)的主延伸方向大体上正交，其中该导体(2)被该罗氏线圈(3)围绕，其特征在于，该传感器设备(1)具有多个磁场传感器(4)。

Description

用于测量直流电流和交流电流的传感器设备
技术领域
本发明涉及一种用于测量电导体中的直流电流和交流电流的传感器设备。
背景技术
精确的电流测量是功率电子技术和EMV技术的核心元素。在此，电子***相互间的调节通常借助所执行的电流测量来进行。为了在对电子***的运行品质的高要求下保证电子***的稳定运行，电流测量必须具有多种特性。在此，对电流测量的核心要求是大的频谱带宽，即，在低频交流电流和高频交流电流中电流测量运作良好、测量偏差小、测量漂移小、动态范围大并且测量相位准确。
检测具有大的动态范围(例如从几个μA直至达多个kA)的交流电流通常通过其磁场以非常高的准确性来实现。在此，除了大多导致大的测量偏差的霍尔传感器之外，罗戈夫斯基-施泰恩豪斯-查托克(Rogowski-Steinhaus-Chattock)线圈(在下文中一般通常仅被称为“罗氏线圈(Rogowski-Spule)”)也引人关注，该罗氏线圈通常以没有磁芯并且因此没有使高频测量变得困难的磁惯性的状态来使用。罗氏线圈允许从毫赫兹范围至兆赫兹范围的非常大的带宽，但会产生如下测量信号，该测量信号由磁感应而产生并且因此与所测量的电流的时间导数成比例。罗氏线圈以非常简单的测量原理为基础，该测量原理获取有待测量的电流的导数并且因此与变压器非常相似地运作。基于通过法拉第感应定律(Faraday’sche Induktion)来获取有待测量的电流的时间导数的测量原理，罗氏线圈原理上不可以测量直流电流。虽然通过提高敏感度可以检测几乎任意低的频率。但纯直流分量是难以实现的。面临于此引起对直流电流分量测量的较高的兴趣。从现有技术中已知一种***，该***在将传感器设备插到有待测量的电流导线或汇流条上之前在一开始就藉由对电流的导数信号进行数学积分而得出有待测量的电流的等效值。然而该***是极不准确的并且带宽有限的，原因在于针对这种功能在低频谱范围内进行优化，而对应地针对高频率下的高电流值不再有这种品质。虽然原理上可能开发出这样的***，这些***使用多个独立的电流测量***并且随后将其信息整合在数字处理器中，然而大多数的罗氏线圈借助预期模拟信号输入的模拟测量***或示波器来使用。数字组合可能产生延迟，潜在随后的、重新的模拟变换(为了将其传递给另外的模拟信号处理)可能造成信号的品质明显地劣化并且由于所有转换器必须具有大的频谱带宽和分辨率而造成不必要的高成本。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种传感器设备，该传感器设备不具有现有技术的缺点，而是提供成本有效地并且准确地测量交流电流和直流电流的可能性。
该目的通过一种用于测量通过导体的直流电流和交流电流的传感器设备来实现，其中该传感器设备具有罗氏线圈，其中该罗氏线圈的主延伸平面与该导体的主延伸方向大体上正交，其中该导体被该罗氏线圈围绕，其特征在于，该传感器设备具有多个磁场传感器。
根据本发明的传感器设备可以实现测量直流电流以及交流电流。在此，借助罗氏线圈来测量交流电流，并且借助磁场传感器来测量直流电流。罗氏线圈是环形的空心线圈。导电线围绕由空气形成的环形的核心部缠绕成几乎封闭的圆形区段并且磁中性地从绕组的末端通过核心部返回至绕组的起始端。当将罗氏线圈插到导体上时，流动通过导体的交流电流的交变磁场在罗氏线圈中感应产生电压。通常，以高电阻的方式来测量罗氏线圈中的电压，从而使得罗氏线圈中的电流几乎为零并且因此感应电压与有待测量的交流电流的时间导数成比例。导体中的直流电流通过其磁场借助于磁场传感器来测量。
可设想的是，罗氏线圈仅以小的弹性并且几乎没有弹性地制造而成。因此可以实现，罗氏线圈被布置在相对于导体在空间上准确地被限定的位置中。此外可设想的是，多个磁场传感器包括四个磁场传感器并且优选包括七个磁场传感器。测量误差随着磁场传感器的数量的增加而减小。在此，七个磁场传感器已经证明对于误差减小与生产耗费的关系而言是特别有利的。
本发明的有利的设计方案和改进方案可以自以下优选实施方式以及从参考附图的说明中得出。
根据本发明的一个优选实施方式提出：这些磁场传感器是霍尔传感器。这可以实现的是：代替仅检测磁场的大小，也检测磁场的方向相关性。如果要获得电流方向，这是尤其有利的。然而还可以设想的是GMR传感器或TMR传感器。
根据本发明的另一个优选实施方式提出：这些磁场传感器被布置在该罗氏线圈的主延伸平面中，其中优选地，该罗氏线圈被布置在该导体与这些磁场传感器之间。导体越远离罗氏线圈的中心并且越靠近罗氏线圈或磁场传感器的位置，则磁场部分的测量误差越增大。已经表明，罗氏线圈比磁场传感器更容错，并且因此能够减小测量误差。
根据本发明的另一个优选实施方式提出：这些磁场传感器被布置在围绕该导体的环形面上，其中优选地，该导体被布置在该环形面的中心点，其中特别优选地，沿着该环形面的相邻的磁场传感器之间的间距是相等的。通过这样布置磁场传感器总体上改善了测量品质。可设想的是，磁场传感器被紧固在罗氏线圈上。
根据本发明的另一个优选实施方式提出：这些磁场传感器被布置成使得这些磁场传感器的测量方向与该罗氏线圈相切并且沿着该罗氏线圈的主延伸平面。如果导体被布置成以其主延伸方向与罗氏线圈的主延伸方向正交，则与罗氏线圈相切并且沿着罗氏线圈的主延伸平面的方向与由有待测量的直流电流感应产生的磁场线的方向相对应。
根据本发明的另一个优选实施方式提出：该传感器设备具有用于评估这些磁场传感器的测量值的评估电子器件，其中优选地，该评估电子器件是模拟评估电子器件。有利地，借助于评估电子器件可以将测量出的直流电流的值加到测量出的交流电流的值上。还可以设想的是，评估电子器件同样被配置为用于评估罗氏线圈的测量值。优选地，评估电子器件被配置为用于评估罗氏线圈的测量值、并且用于评估磁场传感器的测量值、并且用于计算由通过导体的直流电流和交流电流构成的总电流。
根据本发明的另一个优选实施方式提出：该评估电子器件具有低通滤波器。因此可以滤除不期望的高频信号，这引起对测量结果的改善。
根据本发明的另一个优选实施方式提出：该评估电子器件针对每个磁场传感器具有前置放大器，其中该评估电子器件具有放大器，其中优选地，这些前置放大器被配置为用于各自以前置放大系数进行前置放大，其中这些前置放大系数与相应的磁场传感器至其最相邻的磁场传感器的间距成比例。相应的前置放大系数应被选择成使得斯托克斯(Stokes)积分的黎曼-斯蒂尔杰斯(Riemann-Steltjes)式离散(Ampère’sches Gesetz，安培定律)可以全部被映射至恒定的前置放大系数上。因此，借助于安培定律得出电流为
Figure BDA0002378321660000041
其中Γ是闭合的环路，该环路被布置成穿过磁场传感器并且近似地沿罗氏线圈的走向而布置。dγ是曲线Γ的矢量路径元素(Wegelement)。B是磁场，C是常量，以及ri是第i个磁场传感器的位置矢量。‖ri-r(i-1)‖是第i个磁场传感器至最相邻的传感器的间距，并且‖ri+1-r(i-1)‖是在环路Γ上相对于第i个磁场传感器的两侧的路径元素。优选地，通过所属的电阻Ri、Rj、…的对应大小得出磁场传感器i、i+1、…的相应前置放大器的放大系数，这些电阻与相应的磁场传感器彼此间的间距的关系有关：
Figure BDA0002378321660000042
或者
Figure BDA0002378321660000043
或者
Figure BDA0002378321660000044
替代于此提出：该评估电子器件具有用于共用地放大所有磁场传感器的前置放大器，其中该评估电子器件具有放大器。为此，磁场传感器在理想情况下彼此等距分布地布置。这可以实现：传感器设备能够以更少的零件并且因此更有利地并且更不易出现误差地来制造。为此可以设想的是：磁场传感器的测量值通过磁场传感器的传感器输出端的串联连接来相加。此外可以设想的是：磁场传感器的电源同样以串联实现。
然而优选地还提出：该评估电子器件不具有前置放大器。为此可以设想的是：该放大器具有高的输入阻抗。
根据本发明的另一个优选实施方式提出：该评估电子器件被配置为用于产生校正值，其中优选地，该评估电子器件被配置为：用于产生这些磁场传感器的测量值的平均值；用于产生相应的磁场传感器的差值，其中该差值为相应的磁场传感器的测量值与该平均值之差；并且用于从这些差值产生该校正值。
尤其当导体和因此有待测量的电流并非在中心穿过罗氏线圈而延伸时，产生传感器设备的测量误差，即因此距罗氏线圈的中心近似地一样远的磁场传感器不再检测相同的通量密度，为此优选地从分别由磁场传感器所测量的值的差异产生该校正值。
用于实现开篇所述目的的本发明的另一个主题是一种用于借助根据前述方案之一所述的传感器设备来测量流动通过导体的直流电流和交流电流的方法，其中借助该罗氏线圈来测量交流电流并且借助这些磁场传感器来测量直流电流。
所有上述实施方式同样适用于根据本发明的传感器设备和根据本发明的方法。
附图说明
本发明的其他细节、特征和优点将从附图以及下文根据附图对优选实施方式的说明中得出。这些附图在此仅展示本发明的示例性实施方式，而不限制发明构思。
图1示意性地展示根据本发明的一个示例性实施方式的传感器设备。
图2a至图2 d示意性地分别展示根据本发明的一个示例性实施方式的传感器设备的评估电子器件。
具体实施方式
在图1中示意性地示出根据本发明的一个示例性实施方式的传感器设备1。传感器设备1具有罗氏线圈3和多个磁场传感器4，在这里示出的实施方式中为四个霍尔传感器。流动通过导体2的直流电流感应产生磁场5，该磁场由磁场传感器4检测。因此，借助于磁场传感器4可以测量直流电流。流动通过导体2的交流电流在罗氏线圈中感应产生电压，借助于该罗氏线圈检测交流电流。
图2a至图2d示意性地分别展示根据本发明的一个示例性实施方式的传感器设备1的评估电子器件。在图2a中示出根据第一实施方式的评估电子器件。评估电子器件具有磁场传感器4、磁场传感器4的电源6、前置放大器7和从属于这些前置放大器的前置放大器电阻8。通过前置放大器电阻8的适配来调节对相应的磁场传感器4的信号的前置放大。在此，对相应的前置放大电阻8与所属的磁场传感器4至其最相邻的磁场传感器4之间的间距进行适配。此外，评估电子器件具有低通滤波器9和放大器10。在图2b中示出根据第二实施方式的评估电子器件。磁场传感器4相对彼此等距地被布置在传感器设备中。因此可以不是为每个磁场传感器4安装单独的前置放大器，而是为所有的磁场传感器4总共使用仅一个前置放大器7。此外示出的是：磁场传感器4的电源6以串联实现。然而，在一个替代于此的、未示出的实施方式中，各个磁场传感器4的电源相互独立地实现。因此避免了补偿电流。在图2c中示出根据第三实施方式的评估电子器件。在这里示出的实施方式中，省去对磁场传感器4进行前置放大并且给放大器10配备有对应高的输入阻抗。在图2d中示出根据第四实施方式的评估电子器件。加法器13构建用于校正测量的校正值。为此，藉由电阻级联器 11形成磁场传感器4的测量值的平均值，并且藉由平方器12(例如藉由模拟乘法器，如AD534)形成相应的测量值与所有测量值的平均值之间的差值并对其乘平方。替代性地，在这里在另一个实施方式中同样相应地代替乘平方也可以考虑绝对值。在随后求和之后，在乘平方的情况下，对应地产生这些测量值的方差、随机二阶矩(Moment) 或绝对一阶矩，这两个矩量化了测量值的不等性。此外可以看到另一个低通滤波器9’和另一个放大器10’。通过在加法器13处选择适合的放大，通过调节可以校准校正项。在忽略低通滤波器9和另一个低通滤波器9’的情况下，示例性地得出如下输出电压：
Figure BDA0002378321660000061
其中Ri是第i个前置放大器7的前置放大器电阻8，V霍尔，i是第i个磁场传感器4 的输出电压。
Figure BDA0002378321660000062
在此表示磁场传感器4的输出电压的平均值，其中 RM是电阻级联器11的电阻。
Figure BDA0002378321660000063
在这里是用于调节校正系数的权重的放大系数。总和
Figure BDA0002378321660000064
在Rvi相等的情况下对应于方差漫射(Streuung)Var{V霍尔,i}。

Claims (15)

1.一种用于测量通过导体（2）的直流电流和交流电流的传感器设备（1），其中该传感器设备（1）具有罗氏线圈（3），其中该罗氏线圈（3）的主延伸平面与该导体（2）的主延伸方向大体上正交，其中该导体（2）被该罗氏线圈（3）围绕，其特征在于，该传感器设备（1）具有多个磁场传感器（4），其中这些磁场传感器（4）被布置在该罗氏线圈（3）的主延伸平面中，并且其中该罗氏线圈（3）被布置在该导体（2）与这些磁场传感器（4）之间。
2.根据权利要求1所述的传感器设备（1），其中这些磁场传感器（4）是霍尔传感器。
3.根据权利要求1或2所述的传感器设备（1），其中这些磁场传感器（4）被布置在围绕该导体（2）的环形面上。
4.根据权利要求1或2所述的传感器设备（1），其中这些磁场传感器（4）被布置成使得这些磁场传感器（4）的测量方向与该罗氏线圈（3）相切并且沿着该罗氏线圈（3）的主延伸平面。
5.根据权利要求1或2所述的传感器设备（1），其中该传感器设备（1）具有用于评估这些磁场传感器（4）的测量值的评估电子器件。
6.根据权利要求5所述的传感器设备（1），其中该评估电子器件具有低通滤波器（9）。
7.根据权利要求5所述的传感器设备（1），其中该评估电子器件针对每个磁场传感器（4）具有前置放大器（7），其中该评估电子器件具有放大器（10）。
8.根据权利要求5所述的传感器设备（1），其中该评估电子器件具有用于共用地放大所有磁场传感器（4）的前置放大器（7），其中该评估电子器件具有放大器（10）。
9.根据权利要求5所述的传感器设备（1），其中该评估电子器件被配置为用于产生校正值。
10.根据权利要求3所述的传感器设备（1），其中该导体（2）被布置在该环形面的中心点。
11.根据权利要求3所述的传感器设备（1），其中沿着该环形面的相邻的磁场传感器（4）之间的间距是相等的。
12.根据权利要求5所述的传感器设备（1），其中该评估电子器件是模拟评估电子器件。
13.根据权利要求7所述的传感器设备（1），其中这些前置放大器（7）被配置为用于各自以前置放大系数进行前置放大，其中这些前置放大系数与相应的磁场传感器（4）至其最相邻的磁场传感器（4）的间距成比例。
14.根据权利要求9所述的传感器设备（1），其中该评估电子器件被配置为：用于产生这些磁场传感器（4）的测量值的平均值；用于产生相应的磁场传感器（4）的差值，其中该差值为相应的磁场传感器（4）的测量值与该平均值之差；并且用于从这些差值产生该校正值。
15.一种借助根据权利要求1-14中任一项所述的传感器设备（1）来测量流动通过导体（2）的直流电流和交流电流的方法，其中借助该罗氏线圈（3）来测量交流电流并且借助这些磁场传感器（4）来测量直流电流。
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