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Man
kennt bereits als Strom-Messvorrichtung eine Stromzange, mit der
das von einem elektrischen Wechselstrom erzeugte Magnetfeld induktiv erfasst
und daraus indirekt die Stromstärke
ermittelt wird. Ein Nachteil dieser Stromzange besteht vor allem
darin, dass sie nicht zum Messen von Gleichströmen geeignet ist. Außerdem ist
sie, insbesondere wegen der zur induktiven Kopplung benötigten Spule,
vergleichsweise aufwendig und teuer.
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Aus
der DE-OS 44 10 180 A1 ist eine Messvorrichtung bekannt, bei der
ein magnetischer Sensor in einem IC-Gehäuse auf einem Halbleitersubstrat
angeordnet ist. Das IC-Gehäuse
weist zwei äußere Anschlussstellen
für den
zu messenden Strom auf, die innerhalb des IC-Gehäuses über einen Leiter elektrisch
miteinander verbunden sind. Der Leiter ist im Bereich des Sensors
geführt,
so dass der Sensor das durch den, den Leiter durchfließenden Strom
erzeugte Magnetfeld erfassen kann. Dabei ist jedoch nachteilig,
dass der Sensor bei der Herstellung der Messvorrichtung sehr genau
ausgerichtet werden muss, um Messungenauigkeiten durch Lagetoleranzen
des Sensors im magnetischen Feld zu vermeiden.
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Aus
DE 199 98 652.4 ist eine
Messvorrichtung bekannt, die sowohl Gleich- als auch Wechselströme messen
kann, indem in einem geschlitzten Leiter einer oder vorzugsweise
zwei Sensoren zur Differenzbildung positioniert werden. Vorteilig
ist bei der Differenzanordnung die minimale Störanfälligkeit gegen externe Störfelder,
wie sie zum Beispiel durch benachbarte Leiter hervorgerufen werden
sowie die großen
Positioniertoleranzen der Sensoren. Nachteilig ist jedoch der Sachverhalt,
dass, um genügend hohe
Flussdichten zu erzeugen, sehr große Ströme erforderlich sind, so dass
die Messvorrichtung zur Messung von kleineren Strömen nicht
geeignet ist. Zudem besitzt die Messvorrichtung einen geometrieabhängigen Frequenzgang.
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Ziel und Realisierung
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines
einen elektrischen Leiter durchfließenden Stromes mit einem magnetischen
Sensor zur Messung des magnetischen Feldes, das durch den den Leiter
durchfließenden
Strom erzeugt wird. Es besteht hierbei insbesondere die Aufgabe,
eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die
einfach und kostengünstig
herzustellen ist und demzufolge mechanisch einfach zu implementieren
ist, bei der die Messungenauigkeiten durch Lagetoleranzen des Sensors
vermieden werden, die einfache Leitergeometrien benötigt und
keinen geometrieabhängigen
Frequenzgang bei der Messung von Wechselströmen besitzt.
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Die
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe besteht insbesondere darin, dass in den Stromleiter ein
mechanischer Durchbruch angebracht wird. Zur Feldhomogenisierung
und Flusskonzentration wird der Durchbruch mit ferromagnetischen
Material gefüllt
(das ferromagnetische Material wird nachfolgend Flusskonzentrator
genannt). Der magnetfeldempfindliche Sensor wird an den nicht vom
Leitermaterial umhüllten
Teil bzw. Teilen des Flusskonzentrators positioniert. Der Flusskonzentrator
sammelt das den Leiter umhüllende
Strom-proportionale magnetische Feld und leitet es durch den Durchbruch.
Hierbei entsteht quer zur Stromflussrichtung ein Feldgradient, der
sowohl durch ein einzelnes Sensorelement als auch durch eine störunempfindliche
Differenzanordnung mit zwei Sensorelementen ausgewertet werden kann.
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Bei
einem Stromfluss in einem Leiter, der mit einem Durchbruch versehen
ist und somit den einen Leiter in zwei Teilleiter aufteilt, bildet
sich gemäß Patent
DE 199 98 652.4 durch Überlagerung
der die beiden Leiterzweige umgebenden Magnetfelder ein resultierendes
Magnetfeld aus, das in zwei Messfeldebenen jeweils homogen ist,
in Richtung einer Normalen auf die Messfeldebenen bei Gleichstrom
und niedrigen Frequenzen im wesentlichen linear verläuft und
eine Vorzeichenumkehr erfährt.
Wird der Durchbruch mit einem ferromagnetischen Flusskonzentrator
gefüllt,
so wird der Fluss verstärkt.
Skineffekte, die zu geometrisch bedingten Frequenzabhängigkeiten führen, werden
weitgehend eleminiert. Zudem können
durch den orthogonalen Ein- und Austrittswinkel der magnetischen
Feldlinien in den Flusskonzentrator die hohen Toleranzanforderungen
hinsichtlich Sensorpositionierung, wie Sie aus Patent DE-OS 44 10
180 A1 bekannt sind, vermieden werden.
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Die
Detektionsrichtung eines Sensors ist jeweils die Richtung, in die
ein Sensor innerhalb eines Magnetfeldes ausgerichtet ist, um bei
einer jeweiligen magnetischen Feldstärke ein größtmögliches Messsignal zu erhalten.
Diese Position ist vorzugsweise orthogonal zur Stromflussrichtung.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass bei störfeldkritischen
Applikationen je zwei Sensorelemente, orthogonal zur Stromflussrichtung,
umittelbar an einem oder beiden Enden des nicht durch Leitermaterial
umhüllten
Flusskonzentrators positioniert sind, so dass der Feldgradient durch
die subtraktiv verknüpften
Ausgangssignale der beiden Sensorelemente ausgewertet wird. Der
Feldgradient ist proportional zu dem den Leiter durchfließenden Strom.
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Der
Flusskonzentrator ist bevorzugt in der Art und Weise zu gestalten,
dass der Teil bzw. die Teile des Flusskonzentrators, an dem die
Sensorelemente positioniert werden, parallel zum Stromfluss sind.
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Es
kann zweckmäßig sein,
die Sensoren nachträglich
an einem bereits vorhandenen Leiter zu positionieren. Zu diesem
Zweck wird in den Leiter eine Bohrung bzw. Fräsung vorgenommen, so dass der
gewünschte
Durchbruch entsteht. Kostenintensive Baulemente zur Bildung des
Messaufbaus erübrigen
sich hierdurch.
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Eine
besonders einfach zu implementierende Bauform sieht vor, dass Flusskonzentrator
zusammen mit den Sensoren in einem Gehäuse zu einem Sensor-Subassembly
integriert wird. Dieses Sensorsubassembly kann dann auf einfache
Art und Weise in einem vorhandenen Leiter durch nachträgliche Anbringung
des notwendigen Durchbruchs integriert werden.
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Eine
Ausführungsform
sieht vor, dass der Durchbruch symmetrisch im Leiter sitzt. Die
hierbei entstehenden Teilleiter besitzen den gleichen Querschnitt
und daher in etwa den gleichen ohmschen Widerstand und werden deshalb
von etwa gleich großen
Teilströmen
durchflossen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass die Sensoren Hallelemente sind. Die Ausgangsspannung
ist proportional zu dem zu messenden Strom. Anhand der Polarität kann zudem
die Richtung des den Leiter durchfließenden Stromes ermittelt werden.
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Es
kann vorteilhaft sein, digitale Sensoren zu verwenden, um den Messwert
mit einem Referenzwert zu vergleichen. Bei Überschreitung des Messwertes
wird der Stromfluss durch den Leiter unterbrochen, wodurch ein Stromschwellenschalter
nachgebildet werden kann.
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Nachfolgend
sind Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
anhand von Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigt die schematische Darstellung:
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1:
Eine Messvorrichtung auf Basis eines quadratischen Leiters mit einem
symmetrischen Durchbruch und einem Feldgradientensensor mit zugehörigem Koordinatenkreuz
der Feldkomponenten, mit graphischer Darstellung des Magnetfeldverlaufes quer
zur Stromflussrichtung.
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2:
Eine Messvorrichtung auf Basis eines quadratischen Leiters mit einem
asymmetrischen Durchbruch und einem Feldgradientensensor mit zugehörigem Koordinatenkreuz
der Feldkomponenten, mit graphischer Darstellung des Magnetfeldverlaufes quer
zur Stromflussrichtung.
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3:
Eine Messvorrichtung auf Basis eines runden Leiters mit einem symmetrischen
Durchbruch und einem Feldgradientensensor mit zugehörigem Koordinatenkreuz
der Feldkomponenten, mit graphischer Darstellung des Magnetfeldverlaufes
quer zur Stromflussrichtung.
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4:
Eine Messvorrichtung auf Basis eines runden Leiters mit einem symmetrischen
Durchbruch und einem Feldsensor mit zugehörigem Koordinatenkreuz der
Feldkomponenten, mit graphischer Darstellung des Magnetfeldverlaufes
quer zur Stromflussrichtung.
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5:
Ein Stromsensor-Messassembly zum nachträglichen Einbau in einen Leiter,
der mit einem entsprechenden Durchbruch zu versehen ist.
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6:
Auswerteschaltung für
Gradientenmessung.
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Der
in 1 im Ganzen mit 1 bezeichnete Leiter
mit dem Durchbruch 2 wird von einem Strom 3 in
Z-Richtung durchflossen und teilt sich im Bereich 4 und 5 in
zwei Teilströme
auf, die um die beiden Teilleiter ein zum Teilstromfluss proportionales
Magnetfeld erzeugen. Das aus den beiden Teilfeldern durch Feldüberlagerung
resultierende Feld, wird durch den Flusskonzentrator (μr >> 1) 11 geleitet und von den Sensorelementen 6 und 7 gemessen.
Der im Ganzen mit 8 bezeichnete Graph zeigt das entstehende
Feld 9 in X-Richtung. Die Sensorelemente 6 und 7 sind hierbei
so angeordnet, dass der nahezu lineare Teil der Kennlinie 10 eine
hohe Positionstoleranz des Sensors in X-Richtung ermöglicht.
Aufgrund der senkrecht in den Flusskonzentrator eintretenden Feldlinien,
ist in Y-Richtung ebenfalls eine hohe Positionstoleranz gegeben.
Bei großen
Abständen
zwischen Sensorelementen und Flusskonzentratoroberfläche ist
die Verwendung von Sensitivitätsprogrammierbaren
Sensoren vorteilhaft, um positionsbedingte Abweichungen auszugleichen.
Die Ausgangssignale der Sensorelemente 6 und 7 werden
subtraktiv ausgewertet, wie es beispielsweise in der 6 gezeigt
wird.
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Der
in 2 im Ganzen mit 1 bezeichnete Leiter
mit dem Durchbruch 2 wird von einem Strom 3 in
Z-Richtung durchflossen und teilt sich im Bereich 4 und 5 in
zwei Teilströme
auf, die um die beiden Teilleiter ein zum Teilstromfluss proportionales
Magnetfeld erzeugen. Das aus den beiden Teilfeldern durch Feldüberlagerung
resultierende Feld, wird durch den Flusskonzentrator (μr >> 1) 11 geleitet und von den Sensorelementen 6 und 7 gemessen.
Der im Ganzen mit 8 bezeichnete Graph zeigt das entstehende
Feld 9 in X-Richtung. Die Sensorelemente 6 und 7 sind hierbei
so angeordnet, dass der nahezu lineare Teil der Kennlinie 10 eine
hohe Positionstoleranz des Sensors in X-Richtung ermöglicht.
Aufgrund der senkrecht in den Flusskonzentrator eintretenden Feldlinien,
ist in Y-Richtung ebenfalls eine hohe Positionstoleranz gegeben.
Bei großen
Abständen
zwischen Sensorelementen und Flusskonzentratoroberfläche ist
die Verwendung von Sensitivitäts-programmierbaren
Sensoren vorteilhaft, um positionsbedingte Abweichungen auszugleichen.
Die Ausgangssignale der Sensorelemente 6 und 7 werden
subtraktiv ausgewertet wie es beispielsweise in der 6 gezeigt
wird.
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Der
in 3 im Ganzen mit 1 bezeichnete Leiter
mit dem quadratischen Durchbruch 2 wird von einem Strom 3 in
Z-Richtung durchflossen und teilt sich im Bereich 4 und 5 in
zwei Teilströme
auf, die um die beiden Teilleiter ein zum Teilstromfluss proportionales
Magnetfeld erzeugen. Das aus den beiden Teilfeldern durch Feldüberlagerung
resultierende Feld, wird durch den Flusskonzentrator (μr >> 1) 11 geleitet und von den Sensorelementen 6 und 7 gemessen. Der
im ganzen mit 8 bezeichnete Graph zeigt das entstehende
Feld 9 in X-Richtung. Die Sensorelemente 6 und 7 sind
hierbei so angeordnet, dass der nahezu lineare Teil der Kennlinie 10 eine
hohe Positionstoleranz des Sensors in X-Richtung ermöglicht. Aufgrund
der senkrecht in den Flusskonzentrator eintretenden Feldlinien,
ist in Y-Richtung ebenfalls eine hohe Positionstoleranz gegeben.
Bei großen
Abständen
zwischen Sensorelementen und Flusskonzentratoroberfläche ist
die Verwendung von hinsichtlich Sensitivität programmierbaren Sensoren
vorteilhaft, um positionsbedingte Abweichungen auszugleichen. Durch
den quadratischen Durchbruch werden auch erhöhte Positionstoleranzen in
Z-Richtung erzielt. Die Ausgangssignale der Sensorelemente 6 und 7 werden
subtraktiv ausgewertet wie es beispielsweise in der 6 gezeigt
wird.
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Der
in 4 im Ganzen mit 1 bezeichnete Leiter
mit dem Durchbruch 2 wird von einem Strom 3 in
Z-Richtung durchflossen und teilt sich im Bereich 4 und 5 in
zwei Teilströme
auf, die um die beiden Teilleiter ein zum Teilstromfluss proportionales
Magnetfeld erzeugen. Das aus den beiden Teilfeldern durch Feldüberlagerung
resultierende Feld wird durch den Flusskonzentrator 2 geleitet
und von dem Sensorelement 6 gemessen. Der im Ganzen mit 8 bezeichnete Graph
zeigt das entstehende Feld 9 in X-Richtung. Das Sensorelement 6 wird
hierbei vorteilhaft so angeordnet, dass die maximale bzw. minimale
Feldamplitude gemessen wird, was sich vorteilhaft auf die Positionstoleranz
in X-Richtung auswirkt. Aufgrund der senkrecht in den Flusskonzentrator
eintretenden Feldlinien, ist in Y-Richtung ebenfalls eine hohe Positionstoleranz
gegeben. Bei großen
Abständen
zwischen Sensorelement und Flusskonzentratoroberfläche ist
die Verwendung von einem Sensitivitäts-programmierbarem Sensor
vorteilhaft, um positionsbedingte Abweichungen auszugleichen.
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In
den in 5 im Ganzen mit 1 bezeichnete Leiter
wird zur Applizierung der Strommessung ein Loch 2 gebohrt,
das hinsichtlich des Durchmessers dem Durchmesser des ferromagnetischen
Flusskonzentrators 11 entspricht oder größer ist.
Der ferromagnetische Flusskonzentrator 11 ist Bestandteil
des Sensorsubassemblies 12, das außer den beiden Sensorelementen 6 und 7 auch
noch die mechanische Adaptionsmöglichkeit 13 und
den Anschluss 14 in Form eines Kabels oder eines Steckkontaktes
beinhaltet. Auf diese Art und Weise entsteht die Möglichkeit,
nachträglich
ohne Auftrennung des Leiters die Strommessung zu implementieren.
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In
dem in 6 im Ganzen dargestellten Blockdiagramm, sind
die beiden Einzelelemente 6 und 7, die zugehörige Offsetkompensation
der Sensoren 16 und 17, die subtraktive Verknüpfung 18 sowie
die Ausgangsstufe 19 dargestellt. Die Blöcke werden über die
Spannungsversorgung, die an den Anschlüssen VCC 20 und Ground 21 anliegt,
versorgt.