-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur kontaktlosen
Messung eines Stroms.
-
Die
Strommessung mittels eines von einem stromdurchflossenen Leiter
verursachten, diesen umgebenden Magnetfeldes ist hinreichend bekannt.
Dabei wird der zu messende Strom kontaktlos mit einem Magnetfeldsensor,
beispielsweise einem Hall-Element oder einer Feldplatte, erfaßt. Bei
dieser Methode ist es nicht erforderlich, den Stromkreis zur Messung
zu öffnen.
Somit entfallen Kontaktierungsprobleme. Da der Meßkreis vom
zu messenden Strom galvanisch getrennt ist, können auch Messungen an hohen
Spannungen gefahrlos durchgeführt
werden. Weiterhin ist die Strommessung mit dieser Methode praktisch
verlustleistungs- und rückwirkungsfrei.
-
Die
Vorteile der kontaktlosen Strommessung sind jedoch auch mit Nachteilen
verbunden. Insbesondere bei kleinen und mittleren Stromstärken ist
das den stromdurchflossenen Leiter umgebende Magnetfeld verhältnismäßig klein.
Ein Strom von 10 A durch einen kreisrunden Leiter beispielsweise
bewirkt ein Feld in der Größe von 1
mT in 2 mm Abstand von der Leiterachse. Daraus ergibt sich die Forderung,
daß ein
Magnetfeldsensor möglichst
nahe am Leiter anzuordnen ist.
-
Meßfehler
können
in praktischen Anwendungen beispielsweise dadurch entstehen, daß die relative Position
des Sensors zum Leiter, genauer zur Leiterachse, variiert. Denn
das Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter ist proportional
zum Kehrwert des Abstands des Sensors zur Leiterachse. So führt eine Lageabweichung
in radialer Richtung vom Leiter von 0,1 mm im obigen Zahlenbeispiel
bereits zu einem relativen Meßfehler
von 4,8 %. Neben fertigungsbedingten, verhältnismäßig einfach herauskalibrierbaren
Fehlern können
weitere Meßfehler durch
thermische Effekte, Verdunstungen von Weichmachern in Plastomeren
sowie Aufquellen durch Absorption von Wasserdampf auftreten. Eine
weitere Fehlerquelle der beschriebenen Strommeß-Methode sind Hintergrundfelder,
beispielsweise das Erdfeld, remanente Felder nahe gelegener Eisenteile sowie
transiente Störimpulse
bedingt durch Zündspulen,
Bürstenfeuer
et cetera.
-
Es
ist bekannt, durch Hintergrundfelder bedingte Meßfehler beispielsweise durch
Mumetall-Schirme oder durch differentielle Messungen mittels einer
S-förmigen
Leiterschleife zu vermeiden. Weiterhin können zur Vermeidung von Positionstoleranzfehlern
mit Trafoblechen oder Magnetkeramiken ein konzentrierter magnetischer
Fluß sowie
ein Luftspalt erzeugt werden, in dem das Feld nahezu homogen ist.
Praktische Realisierungen dieser beschriebenen Meßvorrichtungen
haben jedoch den Nachteil, daß sie
von Temperaturkennlinien der Magnetwerkstoffe abhängen sowie
mit hohem Gewicht und hohen Kosten verbunden sind.
-
In
dem Dokument
DE 199
08 652 C1 ist eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines
einen elektrischen Leiter durchfließenden Stromes angegeben. Zwei
Magnetfeld empfindliche Sensoren sind in einem Bereich zwischen
zwei quer zur Stromrichtung voneinander beabstandeten Leiterzweigen
angeordnet. In einer Ausführung
dieses Dokuments sind die Sensoren beidseits einer durch die Längsmittelachse
der Leiterzweige aufgespannten Mittelebene angeordnet, wobei die
Sensoren insbesondere entlang einer Normalen auf dieser Mittelebene
angeordnet sind.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sensoranordnung zur kontaktlosen
Messung eines Stroms anzugeben, die die beschriebenen Probleme vermeidet.
-
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Sensoranordnung zur kontaktlosen Messung eines Stroms
gelöst,
mit den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und
2.
-
Die
beschriebene Sensoranordnung arbeitet differentiell, das heißt sie erfaßt die Differenz
der von den beiden Leiterzweigen verursachten Teil-Magnetfelder.
Da die beiden Leiterzweige gleichsinnig stromdurchflossen sind,
erfaßt
jeder Sensor jeweils die Differenz der Teil-Magnetfelder. Dabei
ist jeweils ein Sensor jeweils einem Leiterzweig durch entsprechende
feldmäßige Anordnung
zugeordnet. Die beiden Sensoren sind auf einem gemeinsamen integrierten
Schaltkreis angeordnet, so daß sie
eine gute Paarung (Matching) aufweisen. Der integrierte Schaltkreis
kann dabei ein senkrecht zu seiner Oberfläche stehendes Magnetfeld erfassen.
Die Anordnung des integrierten Schaltkreises mit den Sensoren im
zwischen den parallelen Leiterzweigen gebildeten Zwischenraum ermöglicht eine
raumsparende Sensoranordnung, bei der zusätzlich der integrierte Schaltkreis
mechanisch geschützt
ist. Zudem ist die Sensoranordnung mechanisch belastbar und kostengünstig herstellbar.
-
Bevorzugt
ist die Sensoranordnung so ausgestaltet, daß die Leiterzweige zueinander
symmetrische Formen aufweisen, wodurch die Teilströme durch
die Leiterzweige gleich sind. Die beschriebene Sensoranordnung ist
nicht nur unempfindlich gegenüber
homogenen magnetischen Hintergrundfeldern, sondern es ergibt sich
zudem eine weitgehende Unabhängigkeit
der exakten Position des integrierten Schaltkreises beziehungsweise
der Sensoren bezüglich
der Leiterzweige.
-
Bevorzugt
liegen die beiden Sensoren symmetrisch zu einer von den beiden Leiterzweigen
gebildeten Symmetrieachse.
-
Vorteilhafterweise
weisen die Sensoren gleiche Empfindlichkeiten auf.
-
Der
integrierte Schaltkreis kann eine elektronische Schaltung zur Verarbeitung
der Differenz von zwei Ausgangsspannungen der Sensoren aufweisen.
Diese Differenzspannung ist linear proportional zur Summe der beiden
Teilströme
und wird nicht von einem gegebenenfalls superponierten homogenen
Hintergrund-Magnetfeld beeinflußt.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegen die Sensoren in einer Ebene, welche
parallel zu einer von den Leiterzweigen gebildeten Ebene angeordnet
ist. Insbesondere kann die Oberfläche des integrierten Schaltkreises
parallel zur Leiterebene sein. Es kann besonders vorteilhaft sein,
die Sensoren exakt in der von den Achsen der Leiterzweige gebildeten
Ebene anzuordnen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Sensoren
innerhalb der beschriebenen Ebene auf einer gemeinsamen Geraden
anzuordnen, welche orthogonal zur Stromrichtung der Teilströme in den
Leiterzweigen ist.
-
Jeweils
ein Sensor ist vorteilhafterweise möglichst nahe am ihm zugeordneten
Leiterzweig angeordnet.
-
Die
Sensoren sind dabei bevorzugt in größtmöglichem Abstand voneinander
auf dem integrierten Schaltkreis angeordnet.
-
Die
Sensoren erfassen diejenige Magnetfeldkomponente, welche orthogonal
zur Oberfläche
des integrierten Schaltkreises ist.
-
Wenn
die Sensoren an der Oberfläche
des Siliziumplättchens
des integrierten Schaltkreises angeordnet sind, ist es vorteilhaft,
daß die
Oberfläche
des Siliziumplättchens
in der von den Achsen der Leiterzweige beschriebenen Ebene angeordnet
ist.
-
In
einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung weisen die parallelen Leiterzweige einen Abstand von 5,5
mm zueinander auf. Diese Zwischenraumbreite ermöglicht das parallele Einbringen üblicher
Chipgehäuse.
Je nach Abmessungen des zu verwendenden integrierten Schaltkreises
sind andere Abstände
vorzusehen.
-
In
einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung liegen die Sensoren in einer Ebene, welche orthogonal
zu einer von den Leiterzweigen gebildeten Ebene angeordnet ist.
Dabei ist die vom integrierten Schaltkreis aufgespannte Ebene derart
angeordnet, daß sie
eine Richtungskomponente senkrecht zur Ebene der Leiterzweige aufweist
und eine weitere, dazu orthogonale Komponente, welche parallel zu
den Achsen der parallelen Leiterzweige angeordnet ist. Die Sensoren
können
dabei vorteilhafterweise weiterhin in einer Ebene angeordnet sein,
welche zwei orthogonale Komponenten hat, welche beide senkrecht auf
Symmetrieachsen der Leiterzweige stehen. Die Magnetfeldsensoren
können
dabei vorteilhafterweise aus dem Zwischenraum herausragen, derart,
daß die
Sensoren parallel zur Stromrichtung und senkrecht zu den Leiterzweigen
stehen.
-
Der
integrierte Schaltkreis kann mit Gehäuse oder gehäuselos,
falls erforderlich mit isolierenden Zwischenschichten, in den Zwischenraum
eingeklebt sein.
-
Die
Sensoranordnung mit Leiterabschnitt und integriertem Schaltkreis
kann von einem Gehäuse
umgeben sein, welches beispielsweise durch Umspritzen der Sensoranordnung
mit einem Kunststoff gebildet ist.
-
Zumindest
einer der beiden Leiterzweige kann in einer besonders kostengünstigen
Ausgestaltung der Sensoranordnung als Teil eines Leadframes ausgeführt sein.
-
Falls
mehrere Sensoranordnungen zueinander benachbart vorgesehen sind,
kann es vorteilhaft sein, die integrierten Schaltkreise der Sensoranordnungen
jeweils parallel zueinander und senkrecht auf einer von den Leitern
gebildeten Ebene anzuordnen. In diesem Fall stehen die Magnetfelder
eines Leiters tangential zu den Sensoren der anderen Leiter, so
daß ein Übersprechen
vermieden wird.
-
In
einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung weisen die parallelen Leiterzweige zueinander einen Abstand
von 1 mm auf. Ein Abstand von 1 mm ist geeignet, um typische, flache Sensorchips
orthogonal zu und zwischen den beiden Leiterzweigen aufzunehmen.
-
In
einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist der Leiterabschnitt des Leiters mit den Leiterzweigen
als Stanzteil ausgeführt,
derart, daß die
Leiterzweige jeweils einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen.
Die Ausführung
des Leiterabschnitts mit den Leiterzweigen als Stanzteil ermöglicht eine
symmetrische Gestaltung des Leiterabschnitts in der Weise, daß der erste
gleich dem zweiten Teilstrom ist. Zudem ergibt sich eine gute Kontaktierung
der beiden Leiterzweige mit dem Leiter. Stanzteile weisen üblicherweise
eine homogene Stromverteilung auf. Gegenüber Leiterzweigen mit kreisförmigem Querschnitt hat
der rechteckförmige
Querschnitt, welcher üblicherweise
bei einem Stanzteil vorkommt, den Vorteil, daß das Feld, welches jeweils
von Teilströmen
in den Leiterzweigen hervorgerufen wird, linearer ist. Der Zwischenraum,
welcher zwischen den beiden Leiterzweigen gebildet ist, kann am
Anfang und am Ende der Leiterzweige abgerundet sein, so daß sich ein
ovaler Zwischenraum ergibt.
-
In
einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist der integrierte Schaltkreis als ASIC (Application
Specific Integrated Circuit) ausgeführt. Dieses ASIC kann Mittel
zur Differenzspannungsbildung der Ausgangsspannungen der Sensoren
aufweisen. Dieses ASIC kann weiterhin Mittel zum Kalibrieren der
Sensoranordnung aufweisen.
-
In
einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung weist der integrierte Schaltkreis Mittel zum Bereitstellen
eines Meßsignals
durch Auswerten von von den Sensoren bereitgestellten Teilmeßsignalen
auf. Das Meßsignal
enthält
Informationen über
die Stärke
des in Teilströme
zer legten Stroms. Die Teilmeßsignale
können
jeweils von den Sensoren zur Erfassung der von den Leiterzweigen
hervorgerufenen Magnetfelder bereitgestellt sein.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden externe Felder wie das Erdmagnetfeld
mit permeablen Folien abgeschirmt, welche um die Leiterzweige herum
so angeordnet sind, daß sie
tangential zu von den stromdurchflossenen Leiterzweigen verursachten
Magnetfeldlinien stehen. Dadurch werden ohne Verfälschung
der Magnetfelder der Leiterzweige äußere Feldeinflüsse abgeschirmt.
-
Weitere
Einzelheiten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
-
1 eine
Ausführungsform
der Erfindung mit einem parallel zu den Leiterzweigen angeordneten
integrierten Schaltkreis in einem Querschnitt und in einer Draufsicht,
-
2 eine
Weiterbildung der Sensoranordnung nach 1 in einer
Ausführung
der Leiterzweige als Stanzteil,
-
3 die
Sensoranordnung gemäß 1 ergänzt für eine Fehlerabschätzung,
-
4 eine
Worst-Case-Fehlerabschätzung
gemäß 3 in
Abhängigkeit
von einer Fehlpositionierung,
-
5 ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit orthogonal zu den Leiterzweigen angeordnetem integrierten
Schaltkreis in einem Querschnitt und einer Draufsicht,
-
6 eine
Weiterbildung der Sensoranordnung gemäß 5 mit einem
Stanzteil im Querschnitt, Draufsicht und Seitenansicht,
-
7A ein
Anwendungsbeispiel der Sensoranordnung an Anschlußklemmen
einer Kraftfahrzeugbatterie in einer Seitenansicht,
-
7B das
Anwendungsbeispiel von 7A in einer Draufsicht,
-
8 bis 10 Parameterstudien
der senkrecht auf der Oberfläche
des integrierten Schaltkreises stehenden B-Feld-Komponente.
-
1 zeigt
in der unteren Bildhälfte
die beiden Leiterzweige L1, L2, welche von den Teilströmen I1,
I2 durchflossen sind. Zwischen den Leiterzweigen L1, L2 ist ein
integrierter Schaltkreis IC mit einem ersten Sensor S1 und einem
zweiten Sensor S2 angeordnet, wobei beide Sensoren S1, S2 Magnetfeldkomponenten
in z-Richtung messen. Der integrierte Schaltkreis IC ist quaderförmig, während die
Leiterzweige L1, L2 zylindrisch sind. In der oberen Bildhälfte der 1 ist
ein Schnitt durch die in der unteren Bildhälfte von 1 dargestellte
Anordnung gezeichnet, ebenfalls in einem karthesischen Koordinatensystem
mit den Achsen x, y, z. In dieser Schnittdarstellung sind die Leiterzweige
L1, L2, die gleichsinnig die Leiterzweige L1, L2 durchfließenden Teilströme I1, I2
sowie der integrierte Schaltkreis IC mit den Sensoren S1, S2 eingezeichnet.
Die Mittelachsen der Leiterzweige L1, L2 weisen zueinander einen
Abstand von 2·A
auf. Die Sensoren S1, S2 weisen zueinander einen Abstand von 2·a auf.
Die y-Achse ist
die Symmetrieachse der Anordnung, in der sowohl die Symmetrieachse
der Leiterzweige L1, L2 sowie die Symmetrieachse des integrierten
Schaltkreises IC mit den Sensoren S1, S2 liegt.
-
Orthogonal
zur Symmetrieachse, der y-Achse, sind zueinander orthogonale Achsen
x, z eingezeichnet. Die Sensoren S1, 52, an der Oberfläche. des
integrierten Schaltkreises IC angeordnet, sind in der xy-Ebene der
Sensoranordnung vorgesehen. In der xy-Ebene ergibt sich folgende
Abhängigkeit
der z-Komponente der
magnetischen Induktion B
z von der lateralen
Position in x-Richtung:
mit μ
0 =
Permeabilität
des freien Raumes = 4·Pi·10
–7 Vs/Am
unter der Annahme, daß die
Querschnitte der Leiterzweige L1, L2 kreisförmig sind, so daß das elektromagnetische
Feld im Außenraum
der Leiter L1, L2 mit einfachen, bekannten Formeln beschrieben werden
kann. Falls die Teilströme
I1, I2 bei exakter Stromaufteilung des Stroms I einander gleichen,
so daß gilt
I1 = I2, gilt für
das B-Feld in Ursprungsnähe,
daß es
linear proportional zur lateralen Koordinate x ist. Da somit die
beschriebene z-Komponente der magnetischen Induktion B
z eine
ungerade Funktion von x ist, bei der gilt B
z (–x) = –B
z (x), ermöglicht die in
1 dargestellte
Feldmessung mit zwei Magnetfeldsensoren S1, S2, welche symmetrisch
zur Symmetrieachse y angeordnet sind, eine Differenzmessung des
Stroms I, bei dem sich Hintergrundfelder wegheben. Eine Auswertung
der Ausgangssignale der Sensoren S1, S2 durch Differenzbildung der
Ausgangssignale bildet ein Resultat eines Meßsignals, welches linear proportional
zum Strom I = I1 + I2 ist.
-
In 2 ist
eine Weiterbildung der Sensoranordnung zur kontaktlosen Messung
eines Stroms I angegeben, bei der der Leiterabschnitt mit den parallelen,
voneinander beabstandeten Leiterzweigen L1, L2 als Stanzteil ausgeführt ist.
Im unteren Teil der 2 ist die Sensoranordnung in
einer Draufsicht, im oberen Teil ist ein Querschnitt der Sensoranordnung
dargestellt. Der zwischen den beiden parallelen Leiterzweigen L1,
L2 gebildete Zwischenraum ist abgerundet, so daß sich ein ovaler Zwischenraum
ergibt, in den der integrierte Schaltkreis IC mit den Sensoren S1,
S2 eingebracht ist. Aufgrund der Ausführung des Leiterabschnitts
des Leiters L als Stanzteil sind die Leiterabschnitte L1, L2 rechteckförmig ausgebildet.
Diese rechteckförmige
Ausbildung ergibt eine bessere Linearität des Magnetfeldes an den Magnetfeldsensoren
S1, S2 als bei der zylindrischen Ausführung der Leiterzweige wie
in 1.
-
3 zeigt
eine Sensoranordnung anhand eines Ausführungsbeispiels, welche von
der Sensoranordnung gemäß
1 dahingehend
abweicht, daß der
integrierte Schaltkreis IC und damit auch die Sensoren S1, S2 eine
Fehlpositionierung gegenüber
den Leiterzweigen L1, L2 aufweist, dahingehend, daß die Symmetrieachse
des integrierten Schaltkreises IC um einen Abstand eps in x-Richtung
bezüglich
der Symmetrieachse y der Leiter L1, L2 verschoben ist. Diese Positionstoleranzen
des Chips können
fertigungsbedingt auftreten. Fertigungsbedingte Positionstoleranzen
können
zwar bei der Inbetriebnahme der Sensoranordnung herauskalibriert
werden, im Laufe des Betriebs beziehungsweise der Alterung der Sensoranordnung
können
jedoch beispielsweise durch Temperatureffekte weitere Positionstoleranzen
auftreten. Weitere Fehlerquellen, welche die Meßgenauigkeit der Sensoranordnung
beeinträchtigen
können,
sind zum einen ein homogenes Hintergrundfeld B0 sowie zum anderen
eine ungleiche Stromaufteilung, I1 ≠ I2. Diese asymmetrische Stromaufteilung
wird mit je einem Widerstand R1, R2 der Leiterzweige L1, L2 elektrisch
erfaßt.
Schließlich
kann eine Fehlerquelle darin begründet sein, daß trotz
Anordnung der Sensoren S1, S2 auf einem gemeinsamen integrierten
Schaltkreis IC eine ungleiche Empfindlichkeit der Sensoren besteht.
Mit diesen Fehlerbetrachtungen ergibt sich als Differenzspannung
der Sensoren:
wobei gilt
mit B0 gleich z-Komponente
eines homogenen Hintergrundmagnetfeldes; U1, U2 gleich Ausgangsspannungen
der Sensoren S1, S2; E1, E2 gleich Empfindlichkeiten der Sensoren
S1, S2, 2·a
gleich Abstand der Sensoren 51, S2 voneinander; 2·A gleich
Abstand der Symmetrieachsen der Leiter L1, L2 voneinander; R1 gleich Widerstand
des Leiters L1 und R2 gleich Widerstandswert des Leiterzweigs L2.
-
4 zeigt
eine Worst-Case-Fehlerabschätzung
der Sensoranordnung in Abhängigkeit
von der Fehlpositionierung des integrierten Schaltkreises IC in
x-Richtung eps in mm, wobei Fehler als relative Fehler (in Prozent)
zwischen einer idealen Sensoranordnung und einer fehlerbehafteten
Sensoranordnung definiert sind. Dabei wurden für die fehlerbehaftete Sensoranordnung
folgende Parameter gewählt:
A = 2,5 mm, a = 0,5 mm, Unsymmetrie der Stromaufteilung: 5 %, das
heißt
R1 = 1,05·R2,
Fehlanpassung (Mismatch) der Magnetfeldsensoren S1, S2 von 3 % bezüglich ihrer
Empfindlichkeiten E1, E2, das heißt E2 = 1,03·E1, zu
messender Strom I = 20 A, homogenes Hintergrundmagnetfeld B0 = –1 mT. Bei
symmetrischer Anordnung des integrierten Schaltkreises IC, eps =
0, ergibt sich ein Fehler von 4,6 %, welcher hauptsächlich durch
das Hintergrundfeld B0 und den Mismatch der Sensor-Empfindlichkeiten
E1, E2 bedingt ist. Ein Hintergrundfeld von der Größe 1 mT
ist demnach equivalent zu einem Offsetfehler von 0,92 A bei der
Strommessung, was gegenüber
bekannten Meßprinzipien
einer Verbesserung um den Faktor 10 entspricht. Die laterale Fehlpositionierung
des integrierten Schaltkreises IC zu den Leiterzweigen L1, L2 hat
bei der beschriebenen Erfindung einen verhältnismäßig geringen Einfluß, da in
einem Bereich von –0,19
bis +0,08 mm Positionsabweichung von der Sollposition die Meßgenauigkeit
lediglich um +/– 0,5
% abweicht.
-
Die
mit 3 und 4 dargelegten Worst-Case-Fehlerabschätzungen,
bei denen die möglicherweise
auftretenden Fehler so angenommen wurden, daß sich die Einzelfehler aufaddieren
und nicht gegeneinander wegheben, zeigen, daß die Sensoranordnung gemäß 1 und 2 sowohl
bezüglich
Hintergrundmagnetfeldeinflüssen,
als auch bezüglich
Abweichungen der Sensorempfindlichkeiten, unsymmetrischen Stromaufteilungen
sowie Positionsabweichungen des integrierten Schaltkreises IC gegenüber den
Leiterzweigen L1, L2 deutlich verbessert sind.
-
5 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der Sensoranordnung zur kontaktlosen Messung eines Stroms I, bei
der der integrierte Schaltkreis IC mit den Sensoren S1, S2 orthogonal
zu einer von den Leiterzweigen L1, L2 gebildeten Ebene angeordnet
ist. Wie in 3 beschrieben, trägt Leiterzweig
L1 einen Teilstrom I1, während
Leiterzweig L2 einen Teilstrom I2 trägt. Die Abstände der
Sensoren S1, S2 voneinander betragen wieder 2·a. Die Abstände der
Achsen der Leiterzweige L1, L2 zur xy-Ebene sind mit A1 beziehungsweise
A2 bezeichnet. Die Summe aus den Abständen der Leiterachsen der Leiter
L1, L2 zur xy-Ebene
gemäß 5 ist
gegenüber
den Ausführungen
gemäß 1 bis 3 vorteilhafterweise
stark verringert. Die Abweichung der Symmetrieebene des integrierten
Schaltkreises IC von der Symmetrieebene der Leiterzweige L1, L2
ist wiederum mit eps bezeichnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil,
daß die
relative Position des integrierten Schaltkreises mit den Sensoren
S1, S2 bezüglich
der Leiterzweige L1, L2 unempfindlicher gegen Abweichungen von einer symmetrischen
Soll-Position ist.
-
6 zeigt
eine Weiterbildung der Sensoranordnung gemäß 5 in Draufsicht,
Seitenansicht und einer Schnittdarstellung. Der als Langloch in
einem Stanzteil ausgeführte
Zwischenraum zwischen den Leiterzweigen L1, L2 ist dabei deutlich
schmaler als bei der Ausführung
gemäß 2.
Der Abstand der Sensoren S1, S2 voneinander beträgt 2·a. Die Dicke des als Stanzteil
ausgeführten
Leiters L beträgt
b. Die Ausdehnung des Langloches in z-Richtung beträgt g1 +
g2, die Ausdehnung der Leiterzweige L1, L2 in z-Richtung beträgt h1 beziehungsweise
h2. Die Länge
des als Langloch ausgeführten
Zwischenraums zwischen den Leiterzweigen L1, L2 beträgt y1 +
y2. Die Breite des Langloches kann beispielsweise lediglich g1 +
g2 = 1 mm betragen, um einen integrierten Schaltkreis IC aufnehmen
zu können.
-
Das
Langloch zwischen den Leiterzweigen L1, L2 führt zu einer Feldinhomogenität in dessen
unmittelbarer Nähe.
Der Abstand der Sensoren S1, S2 von der z-Achse, der mit a bezeichnet
ist, muß demnach
so weit von der Oberfläche
des Leiters L entfernt sein, daß durch
das Langloch verursachte Feldstörungen
einen geringen Einfluß auf
die Sensoren S1, S2 haben. Aus der Bedingung für ein in x-, y- und z-Richtung
homogenes Magnetfeld: dBz/dx, dBz/dy und dBz/dz sehr
klein ergibt sich die Forderung, daß 2·a > b + g1 + g2 gilt. Andererseits dürfen die
Sensoren S1, S2 nicht zu weit von den Leiterzweigen L1, L2 entfernt
sein, da andernfalls das zu messende Magnetfeld bereits zu gering
ist. Hier ergibt sich die zweite Forderung 2·a < g1 + g2 + h1 + h2. Dabei ist zu beachten,
daß mit
zunehmenden Leiterzweig-Querschnitten die Flächenschwerpunkte der Teilströme I1, I2
immer weiter nach außen
wandern, so daß die
Meßempfindlichkeit
der Sensoranordnung abnimmt.
-
Die
Sensoranordnung gemäß 6 hat
den Vorteil, daß das
Magnetfeld im Zwischenraum zwischen den Leiterzweigen L1, L2 durch
deren geringeren Abstand g1 + g2 voneinander im Vergleich zur Gesamtbreite h1
+ h2 eine deutlich größere Homogenität aufweist.
-
5 mit
seiner zylindrischen Geometrie der Leiterzweige L1, L2 ist bezüglich der
z-Komponente des Magnetfelds B mit geschlossenen Formeln beschreibbar.
Es gilt:
-
Die
Differenz der Magnetfelder an den Sensoren S1, S2 voneinander ergibt
sich dabei zu Bz(eps + a) – Bz(eps – a)
unter der Annahme, daß der
integrierte Schaltkreis IC eine Fehlpositionierung um den Abstand eps
in x-Richtung aufweist. Dabei läßt sich
zeigen, daß diese
Differenz der Magnetfelder im Falle A1 = A2 und I1 = I2 für A1 = a
ein Maximum annimmt, das heißt,
daß die
Sensoranordnung dann die größte Empfindlichkeit aufweist,
wenn der Abstand der Leiterachsen voneinander gleich dem Abstand
der Sensoren voneinander ist. Weiterhin ergibt sich bei der Anordnung
gemäß 5 dann
eine minimale Fehlerempfindlichkeit bezüglich Positionsfehlern in x-Richtung beschrieben
durch den Abstand eps, wenn gilt d(B2 – B1)/d(eps) = 0 oder a = √3·A1. Die
Strommessung mit der. Sensoranordnung gemäß 5 hat demnach
dann die geringste Empfindlichkeit bezüglich Positionsabweichungen
des integrierten Schaltkreises bezüglich der Leiter, wenn der
Abstand der Sensoren S1, S2 voneinander dem √3-fachen des Abstandes der
Leiterzweige L1, L2 voneinander ist. Bei diesem √3-fachen Abstand ist jedoch
die Empfindlichkeit der Meßanordnung
auf 87 % der oben berechneten maximal möglichen Empfindlichkeit reduziert.
-
7a zeigt
eine Seitenansicht eines Anwendungsbeispiels der Sensoranordnung
zur kontaktlosen Messung eines Stroms, angewendet auf eine Kraftfahrzeug-Batterie
AB in einer Seitenansicht.
-
7b zeigt
die Anordnung gemäß 7a in
einer Draufsicht. Dabei sind mehrere Leiter L vorgesehen, welche
jeweils in einem Leiterabschnitt in Leiterzweige L1, L2, welche
von einander beabstandet sind, aufgeteilt sind, und in deren Zwischenraum
jeweils ein integrierter Schaltkreis IC1, IC2, IC3 orthogonal zum
Leiter L angeordnet ist. Wie in 7a erkennbar
ist, liegen die Leiter L in einer Ebene, so daß das Magnetfeld eines Leiters,
beispielsweise des mittleren Leiters, tangential zu den Oberflächen der
integrierten Schaltkreise IC1, IC3 der benachbarten Leiter liegt.
Demnach ist ein Übersprechen
und hierdurch bedingte Fehlmessungen eines Leiters in die Sensoranordnungen
der anderen Leiter praktisch ausgeschlossen beziehungsweise stark verringert.
Die Kraftfahrzeug-Batterie AB gemäß 7a und 7b weist
dabei jeweils Sensoranordnungen auf, wie sie in 6 gezeigt
sind.
-
8 bis 10 zeigen
anhand von Diagrammen Parameterstudien des Magnetfeldes B, welches senkrecht
auf der Oberfläche
des integrierten Schaltkreises IC steht. Dabei handelt es sich um
die z-Komponente des B-Feldes aus 6. In 8 ist
die z-Komponente des B-Feldes in Tesla über dem Abstand 2·a der
Sensoren S1, S2 voneinander aufgetragen, mit folgenden Randbedingungen:
Die Summe der Teilströme I1
+ I2 beträgt
1500 A, der Querschnitt des Leiters beträgt 16 mm2 und
die Breite des als Langloch ausgeführten Zwischenraums g1 + g2
beträgt
1 mm. Die Dicke b des Leiters L wurde in 8 variiert,
derart, daß Kurven für b = 0,5
mm, b = 1 mm und b = 2 mm aufgetragen sind. Um einen konstanten
Querschnitt von 16 mm2 zu behalten, werden
die Parameter h1 und h2 entsprechend angepaßt. Man erkennt, daß mit zunehmender
Leiterbreite h1, h2 die Homogenität der z-Komponente des B-Feldes
zunimmt. Damit geht jedoch eine Abnahme der Empfindlichkeit einher.
-
Das
in 9 gezeigte Diagramm zeigt die z-Komponente des
Differenzfeldes B1z – B2z in
Abhängigkeit
von der Abweichung eps, wobei B1z die z-Komponente
am Ort des Sensors 51 und B2z die z-Komponente der
magnetischen Induktion am Ort des Sensors S2 ist. Dabei wird der
Abstand a der Sensoren S1, S2 von der Symmetrieachse des integrierten
Schaltkreises IC variiert. Konstant sind dabei der Strom I von 1500
A, die Dicke b = 2 mm, die Breiten der Leiterzweige h1 = h2 = 4
mm sowie die Breite des Langloches g1 + g2 = 1 mm. Es ist deutlich
zu erkennen, daß die
Kurve für
a = 3 mm bei kleinen Werten eps die größte Steigung hat. Liegen die
Sensoren S1, S2 jedoch weiter auseinander, siehe Kurve a = 5 mm,
ist für
Werte eps zwischen 0 und 1 mm praktisch keine Veränderung
der Sensorempfindlichkeit zu beobachten.
-
10 schließlich zeigt
wie 9 die z-Komponente des Differenz-Magnetfeldes
B1z – B2z über
der Abweichung eps in mm, wieder mit 3 Kurven für a = 3 mm, a = 4 mm und a
= 5 mm. 10 hat bezüglich der konstanten Parameter
jedoch gegenüber 9 den
Unterschied, daß die
Breite des Langlochs g1 + g2 nur 0,2 mm anstelle 1 mm beträgt. Hier
ist demnach bereits für
kleine Sensorabstände
von a = 3 mm eine Unempfindlichkeit der Sensoranordnung gegenüber kleinen
Abweichungen eps im Bereich von 0 bis 0,5 mm bei höherer Gesamtempfindlichkeit
der Anordnung zu erkennen. Derartige, große Empfindlichkeiten bei praktisch vernachlässigbaren
Fehlern durch Positionstoleranzen eps können dadurch erreicht werden,
daß der
Chip des integrierten Schaltkreises IC gehäuselos im Zwischenraum zwischen
den Leiterzweigen befestigt, beispielsweise geklebt wird. Bei einer
Chip-Dicke von 150 μm
kann die Langlochbreite g1 + g2 = 0,2 mm gewählt werden. Die Anschluß-Pads des Chips können in
dessen Ecken angeordnet sein, da diese aus dem Zwischenraum herausragen
und frei zugänglich
sind. Die Langlochbreite g1 + g2 hängt dann neben der Chip-Dicke nur noch von
der zu erreichenden Isolationsspannung ab. Eine weitere Leistungssteigerung
bei einer Sensoranordnung gemäß 6 läßt sich
dadurch erreichen, daß eine
unsymmetrische Langlochbreite gewählt wird mit g1 < g2. Hierdurch wird
die gesamte Breite g1 + g2 des Langloches reduziert, während die
gewünschte
homogene Feldverteilung auf der Oberfläche des integrierten Schaltkreises
durch unsymmetrische Wahl der Leiterzweigbreiten h1 ≠ h2 angepaßt werden
kann. Hierdurch ergibt sich dann eine unsymmetrische Stromverteilung
I1 ≠ I2.
-
Die
Sensoranordnung gemäß 2 und 6 hat
weiter den Vorteil, daß große Teile
des integrierten Schaltkreises IC vom Leiter L beziehungsweise den
Leiterzweigen L1, L2 umgeben sind, wodurch die EMV (Elektromagnetische
Verträglichkeit)-Festigkeit gesteigert
ist. Schirmfolien, welche nicht unbedingt erforderlich sind, können in
einfacher Weise um die Sensoranordnung mit Leiter L und integriertem
Schaltkreis IC gewickelt werden, wobei vorteilhafterweise Schirmfolien
derart angebracht werden können,
daß diese
tangential an den Magnetfeldlinien liegen. Wenn die Schirmfolien
aus permeablen Materialien bestehen, führt eine derartige Anordnung
nicht zu einer Verzerrung des Magnetfelds um den Leiter. Somit kann
die Strommessung linear, hysteresefrei und unabhängig vom Temperaturverhalten
der Permeabilität
der Schirmmaterialien sein.
-
Alternativ
zu permeablen Schirmfolien können
konduktive Schirmmaterialien verwendet werden.
-
In
Analogie zur Sensoranordnung gemäß 3 kann
auch in den 5 und 6 die Differenzspannung
U1 – U2
der Sensoren S1, 52 ausgedrückt
werden als: U1 – U2 = const.·E1 f(eps)
(I1 + I2) + B0 (E1 – E2)
-
Bei
gleichen Sensorempfindlichkeiten E1 = E2 wird die beschriebene Anordnung
dann besonders unempfindlich gegen Positionsabweichungen eps des
integrierten Schaltkreises IC relativ zu den Leiterzweigen L1, L2,
wenn die Bedingung d f(eps)/d eps = 0 eingehalten wird. Dabei kann
man für
eine beliebige Stromaufteilung I1:I2 durch Lösen obiger Gleichung einen
Parameter eps finden, der eine Robustheit der Anordnung bezüglich Positionstoleranzen
gewährleistet.
Dabei gilt für
Gleichheit der Teilströme,
I1 = I2, der Spezialfall eps = 0.
-
Die
Sensoranordnung ist besonders gut für Anwendungen geeignet, bei
denen mehrere Stromkreise von einer Quelle mit mehreren, dicht beieinanderliegenden
Klemmen abzweigen.
-
Dabei
funktioniert die Sensoranordnung für beide Stromrichtungen, solange
die Leiterzweige L1, L2 gleichsinnig durchflossen sind.
-
Die
beschriebene Sensoranordnung ermöglicht
neben der Messung des Strombetrages zusätzlich eine Erkennung der Stromrichtung.
Dies ist beispielsweise bei Ladezustandsüberwachungen von Akkumulatoren
vorteilhaft.
