CN112105936A

CN112105936A - 电流传感器

Info

Publication number: CN112105936A
Application number: CN201980025493.5A
Authority: CN
Inventors: 丹尼尔·迈耶·祖·海利根; 斯特凡·阿尔布莱希特; 克里斯汀·桑德
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2018-05-04
Filing date: 2019-05-03
Publication date: 2020-12-18
Also published as: BE1026245A1; BE1026245B1; WO2019211425A1; DE112019002295A5

Abstract

本发明涉及一种电流传感器（S1），具有载体（PCB），在所述载体上或其内具有平面导体的第一平面（E1），在所述载体上或其内布置具有平面导体的第二（E2），所述第一平面的第一平面导体段（L1）借助电气接触与所述第二平面的第二平面导体段（L2）相连接，从而构成环路（S），电导体（M）平行于所述载体并垂直于所述环路布置，电导体（M）的电流变化在环路内引起感应电压。

Description

电流传感器

技术领域

本发明涉及一种电流传感器。

背景技术

电流传感器是已知的现有技术。电流传感器可作为分流器测量电流、但或者也可通过测量围绕电流的磁场进行测量。

基于电阻的电流测量要求要介入运行着的***，而与此同时，也可加装通过周围磁场的间接测量。

这些间接测量装置经常是基于空心线圈的原理。所述空心线圈可例如在电路板上或者作为分立元件（例如罗格夫斯基线圈）实现。

罗格夫斯基线圈由空心线圈构成，在其中，所述传感器的导体被卷绕到圆环形的结构上，待测导体被引导着通过所述圆环形结构。这中布局具有对于引导电流的导体的位置改变的反应非常不敏感的优点，因此可不依赖于所述引导电流的导体的定位而加以使用。但不足的是由此所需要的较大空间需求和有必要要很精确地卷绕所述传感器的导体。在浪涌电流的情况下，常见的罗格夫斯基线圈正好会给出极大的信号，对于许多应用情况而言，这并不合适。

目前可获得具有不同直径和不同实施方式的、分立的空心线圈。作为传感器，这些分立构造的空心线圈需要很大的结构空间。所述引导电流的导体必须要么在中心被穿线，但要么紧邻所述空心线圈来引导。

由DE 11 2010 004 351 T5已知一种具有集成式电流监测装置的电气电路。所述电流监测装置可被实施为单层电路板。

此外，由DE 10 2009 004 673 A1已知一种过压保护装置作为电流监测装置，包括围绕导体的线圈。

这些装置对于许多区域而言很不便使用，在这些区域中需要加装电流传感器或者是安装空间极其受限，和/或组装极其耗时间。

因此需要提供一种成本有利的和/或易于加装的电流传感器。

发明内容

所述目的的解决方案是根据权利要求1所述的电流传感器得出的。本发明的更多有利构型由从属权利要求、说明书以及附图中得出。

具体实施方式

下面更深入地参照附图说明本发明。在此要注意的是，所说明的不同方面可分别单独地或者相互组合地加以应用。也就是说，每个方面均可结合本发明的不同实施方式来使用，只要没有明确地说明作为纯粹的替选方案。

此外，下面为简便起见，通常仅借助一个实体。但只要没有明确附注，本发明也可分别具有更多个相关实体。就这方面而言，使用语词“一”、“一个”和“一种”仅应被理解为是指，在一种简单的实施方式中使用至少一个实体。

只要下面说到流程，流程的各个步骤即可以任意顺序来排列和/或组合，除非上下文另有明确说明。此外，所述流程-（只要没有明确地另作标明）-均可相互之间进行组合。

带有数值的说明通常并不应被理解为是确切的值，而是还包含+/-1%至+/-10%的公差。

对于标准或规格或规范的参考应被理解为，参考的是在本发明申请的时间点和/或-（只要要求优先权）-在优先权申请的时间点适行的标准或规格或规范。但以此并不应理解为是整体排除了后续或替代性的标准或规格或规范的适用性。

“附近”在下面明确地包括了紧靠的相邻，但并非仅限于此。“之间”在下面明确地包含了这样一种位置，即：位于其间的部件与周围的部件处于紧靠相邻。

一种根据本发明的电流传感器S1具有载体PCB。这一载体可例如被实施为刚性或柔性的印刷电路板。

在载体PCB上或其内布置结构化平面导体的第一平面E1。同样，在载体PCB上或其内布置结构化平面导体的第二平面E2。具有两个具有结构化平面导体的平面E1和E2处于两个相互平行且相间隔的平面上。

每个所述平面中均具有结构化的线段。例如可在所述结构化平面导体的第一平面E1内设置结构化平面导体的第一平面导体线段L1-如图1所示，而在所述结构化的第二平面E2内则设置结构化平面导体的第二平面导体线段L2-如图2所示。

那么，所述结构化平面导体的第一平面E1的第一平面导体线段L1就可借助一个（或多个）电接触点与所述结构化平面导体的第二平面E2的第二平面导体线段L2相连接，从而构成环路S。这例如在图3中以剖面图来标示。也就是说，所述第一平面E1的平面导体线段在图1中在所述示出为圆形的终端上与所述第二平面E2的相邻的平面导体线段相连接，因此，借助载体实现一种线圈，所述线圈中的线圈轴沿所述载体PCB内延伸。所述电接触点可例如在电路板技术中借助通孔接触点（例如金属化通孔）来实现。

通过这种结构可以实现平行于所述载体PCB且垂直于环路S布置的电导体M内变化的电流在所述这样构成的环路/线圈内引起感应电压。

由于围绕载流电导体M周围空间分布有磁场，所述电流传感器S1的线圈轴向为垂直于所述载流电导体M。

其中，多个导体线形成空心线圈的绕组优选的平行于载流电导体M设置，使得围绕载流电导体M呈圆周分布的磁场可穿过所述空心线圈。因此，将印刷电路板直接放置或者说以一定的间隔距离放置在所述载流电导体M上。

为了实现最佳的感应所述磁场，所述印刷电路板厚度以及还包括金属通孔的长度具有决定性作用。空心线圈是通过所述金属通孔连接构成环路S（串联）形成的，例如通过所述PCB上层的导体电路通过金属通孔连接到PCB下层的导体电路上。通过所述金属通孔的连接形成空心线圈。因此，所述空心线圈并不是在一层以内，而是通过至少两层来实现的。

所述电流传感器S1可例如设有扭绞线或同轴线，用以消除或降低所述电流传感器S1处于所述引导电流的电导体M附近的电感耦合。

所述电流传感器可用塑料壳体来封装，该塑料壳体可具有用于固定所述载流电导体M的装置。

所述电流传感器的灵敏度可通过以下关联性来调节或者说校准：

所述电流传感器S1与所述载流电导体M的间隔距离；

所述电流传感器S1与所述载流电导体M的方向；

所述载体PCB上的导体线的数量和尺寸；

所述载体PCB的厚度；

为了获得良好的测量值，重要的是要能了解所述载流电导体M相对于所述电流传感器S1的准确布置。因为，所述磁场会随着与所述载流电导体M的间隔距离呈反比地减小。因此，所述载流电导体的中心点与所述传感器之间的间隔距离对于识别和所述测量值的品质有着直接的影响。

例如所述电流传感器S1可以用于套管传感器。

所述载流电导体M例如居中，居中可通过套管传感器（管式传感器）内的阶梯接头实现。上述的电流传感器被定位且被固定在套管传感器内限定的位置上。所述电流传感器可被粘贴或者说注入到内部。电流传感器S1与载流电导体M之间限定的间隔距离提供了能产生非常准确测量信号的优点。所述电流传感器S1与所述载流电导体M中点之间的环绕间隔距离优选相等。

此外，所述套管传感器提供了非常准确地固定所述载流电导体M的可能，以便实现所述磁场的定向环绕。

所述电流传感器S1也可作为插接式传感器加以使用。

在不限制普遍性的条件下，所述电流传感器可具有用于所述电导体M的间隔件。所述间隔件可被成型在所述电流传感器的壳体上或者可与其相连接，对此详见图4和图5。其中，可通过相应成型的间隔件来提供导电体的不同形状以及半径的A1和A2，。所述间隔件可例如具有至少一个用于容置所述电导体M的第一凹形缺口A1。替选方案或补充方案是，所述间隔件可具有另一个用于容置所述电导体M的第二凹形缺口A2。所述缺口A1和A2可具有不同的半径和/或不同的形状。尤其是所述第一凹形缺口A1可在半径和/或与电路板的间隔上与所述第二凹形缺口A2有所不同。尤其是所述间隔件的A1/A2、或者说所述间隔件的A1和A2可被实施为具有中心孔的圆柱体。

在所述电流传感器的塑料部件的顶部和底部，可例如提供两个具有不同辅助固定装置的区域，用于引导所要置入的载流电导体M。但是，在测量时，由于不同的导体截面，可能会出现测量误差。

可以使用两个不同形状的塑料间隔件对所述传感器进行优化导体截面来提高测量值的精度。在导体直径/导体截面有所差异的情况下，可形成测量误差。

因此，替选方案是，电流传感器S1具有这样的优化，即：可不费力地通过所述电流传感器壳体的两侧不同间隔距离，实现所述电流传感器的不同灵敏度。因此，电流传感器壳体的一个侧面可例如是针对大电流设置的，而另一个侧面则可针对较低的电流设置。也就是说，用户根据需要实现精确的测量或者实现不同的灵敏度。

通常与所述载流电导体M所被使用的的电线截面相关联。与所述套管传感器相比，本实施例电流传感器的尺寸更小，因此，所述电流传感器也很好地适用于较小的电线截面。在这种情况下，所述电流传感器可例如借助束线带来固定，为此，可在塑料部件上设置导向元件，例如外缘上的导向开口或者缺口/侧面凸出。

所述电流传感器相对于导体M定位在空间限定的位置。所述导体可在这种情况下成为任意一个载流部件。同时，为了上述布置，在载流电导体M与电流传感器之间形成一定的间隔。由于磁性耦合是已知的，因此，可以更准确且更精确地获取测量值。

对电流传感器S1、S2、S3的信号的分析需要时间积分，以便获得与电流成正比的信号。

所述积分可通过模拟或数字的方式实现。相应的电路可在所述载体PCB上进行或者与此交错地进行。

此外，所述电流传感器装置也容许作为不依赖于方向的传感器来使用。

另一种可行方案是在传感器上使用多个同轴的空心线圈，以便测量同一方向磁场。

不依赖于磁场方向的传感器具有至少两个不同轴的单个传感器。这些传感器的组合容许测定磁场矢量，进而也包括测定磁场的大小，由此能够实现一种不依赖于磁场方向的传感器。

这对于确定并补偿多条彼此相邻的线路的影响很重要。这里适用一种多层载体PCB，所述线圈可彼此相叠/相邻地上下多层布置。

之前所提到的电流传感器S1容许在电导体M在中进行电流测量。但可能有的测量例如可能出现影响测量结果的其他因素。为此，所述上面所提到的一维电流传感器可增加另一维，就像下面所指出的那样。

二维的电流传感器具有至少一个如上所述的第一电流传感器S1，以及另一个第二电流传感器S2。所述第二电流传感器S2在此首先被假定为与所述第一电流传感器S1电气独立。下面仅关于相互之间的相对位置或者说相对于电导体M的相关位置进行说明。

所述第二电流传感器S2同样具有载体PCB。这一载体PCB可以与所述第一电流传感器S1的所述载体PCB相同的方式来实施。尤其可行的是，将所述第二电流传感器S2和所述第一电流传感器S1布置在同一个载体PCB上。其中，所述各个元件可被布置在独立的和/或相同的平面上。

取决于所述第二传感器S2的定向，在其中可涉及一种如上所述的传感器，或者是涉及在载体上的平面线圈。

在所述第二电流传感器S2上，在所述载体PCB上或其内布置结构化平面导体的第一平面E1，或者在所述载体上或其内布置结构化平面导体的第二平面E2，第一平面与第二平面不在载体的同一层面，。

所述结构化平面导体的第一平面的第一导体线段L1通过电气接触与所述结构化平面导体的第二平面的第二导体线L2相连接，从而构成环路S。

所述第二电流传感器S2垂直于所述第一电流传感器S1布置，所述第一电流传感器S1的载体PCB和所述第二电流传感器S2的载体PCB被布置在同一个平面或者相互平行的平面内。

其中，所述第二电流传感器S2可被实施为平面线圈。

通过这样一种布置，可在平行于电导体M的平面内但在所述电导体M的方向上，通过所述第二电流传感器S2，来识别磁场分量，详见图6。

当然，这种概念还可进一步扩展。

上面所述的二维电流传感器容许在电导体M内以及在另一个方向上的电流测量。但可能还要进一步测量将可能影响测量结果的其他因素。为此，所述上面所提到的二维电流传感器可增加另一维，就像下面所指出的那样。

那么，三维电流传感器可具有如上所述的二维电流传感器。此外，所述三维电流传感器具有第三电流传感器S3，其中，所述第三电流传感器同样具有载体PCB。这一载体PCB可以与所述第一电流传感器S1或所述第二电流传感器S2的载体PCB相同的方式来实施。尤其可行的是，将所述第三电流传感器S3和所述第一电流传感器S1以及所述第二电流传感器S2布置在同一个载体PCB上。其中，所述各个元件可被布置在独立的和/或相同的平面上。

所述第三电流传感器（S3）被实施为平面线圈，当然，这可以是在如果S2没有已经被实施为平面线圈的条件下实施。

这在如图7中示出，其中示出了在一个平面内的布置（与图1类似）。

使用这样一种布局，可在所有空间轴上对磁场分量进行测量。

在本发明的另一种实施方式中，所述电流传感器被用来检测浪涌电流。

此外，电流传感器装置也容许应用在过压保护元件内。在这种情况下，电流传感器可与所述载流导体之间具有一定间隔距离的情况下被定位在所述基底元件或者可能存在的插接器内。

标注说明

S1、S2、S3 电流传感器；

PCB 载体；

E1 第一平面；

E2 第二平面；

L1 第一导体线段；

L2 第二导体线段；

S 环路；

M 电导体；

A1、A2 间隔件第一、二凹形缺口。

Claims

1.一种电流传感器（S1），包括载体（PCB），其特征在于，在所述载体上或其内设置具有平面导体的第一平面（E1），在所述载体上或其内设置具有平面导体的第二平面（E2），第一平面与第二平面不在载体的同一层面，所述第一平面的第一平面导体线段（L1）与所述第二平面的第二平面导体线段（L2）连接形成环路（S），电导体（M）平行于所述载体并垂直于所述环路设置，电导体（M）内变化的电流在环路内引起感应电压。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，在所述第一平面内以及在所述第二平面内分别具有多条平面导体线段，所述多条平面导体线段相互平行布置。

3.根据权利要求2所述的电流传感器，其特征在于，所述多条平面导体线段环形连接形成线圈。

4.根据上述权利要求中任一项所述的电流传感器，其特征在于，所述载体至少是印刷电路板。

5.根据上述权利要求中任一项所述的电流传感器，其特征在于，所述载体是印刷电路板，不同层面线段通过金属化通孔连接。

6.根据上述权利要求中任一项所述的电流传感器，其特征在于，所述载体是刚性载体。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的电流传感器，其特征在于，所述载体是柔性载体。

8.根据上述权利要求中任一项所述的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器用于检测浪涌电流。

9.根据上述权利要求中任一项所述的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器与所述电导体（M）通过间隔件间隔设置。

10.根据权利要求9所述的电流传感器，其特征在于，所述间隔件作为定位部件被固定在所述电流传感器上。

11.根据权利要求9或10所述的电流传感器，其特征在于，所述间隔件具有至少一个用于容置所述电导体（M）的凹形缺口（A1）。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器通过间隔件与两个电导体（M1，M2）间隔设置，所述间隔件具有用于容置第一电导体（M1）的第一凹形缺口（A1）和用于容置第二电导体（M2）的第二凹形缺口（A2）。

13.根据权利要求12所述的电流传感器，其特征在于，所述第一凹形缺口和第二凹形缺口在印刷电路板载体的两侧相对等距离或不等距离设置。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的电流传感器，其特征在于，所述间隔件是具有中心孔的圆柱体。

15.一种二维电流传感器，具有至少一个根据上述权利要求中任一项所述的第一电流传感器（S1），其特征在于，所述二维电流传感器还具有第二电流传感器（S2），其中，所述第二电流传感器具有与第一电流传感器（S1）结构相同的载体（PCB），在所述载体上或其内设置具有平面导体的第一平面（E1），在所述载体上或其内设置具有平面导体的第二平面（E2），第一平面与第二平面不在载体的同一层面，所述第一平面的第一平面导体线段（L1）与所述第二平面的第二平面导体线段（L2）连接形成环路（S），所述第二电流传感器垂直于所述第一电流传感器设置，所述第一电流传感器载体和所述第二电流传感器载体处于同一平面或者处于相互平行的平面内。

16.根据权利要求15所述的二维电流传感器，其特征在于，所述第二电流传感器是平面线圈传感器。

17.一种三维电流传感器，具有根据权利要求15所述的二维电流传感器，其特征在于，还具有第三电流传感器（S3），所述第三电流传感器具有载体（PCB），所述第三电流传感器（S3）垂直于所述第一电流传感器（S1）和所述第二电流传感器（S2），并且，所述第三电流传感器（S3）是平面线圈传感器。