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Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte und bezieht sich somit auf die Messung von Strömen.
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Die Messung elektrischer Ströme ist in vielen Fällen von fundamentaler Bedeutung, etwa um das einwandfreie Funktionieren eines elektrischen Verbrauchers sicherzustellen.
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Es ist bereits bekannt, die fließenden elektrischen Ströme anhand der von ihnen erzeugten Magnetfelder zu bestimmen, was eine berührungsfreie Messung ermöglicht. Dabei werden die vom fließenden elektrischen Strom erzeugten Magnetfelder mittels Magnetfeldsensoren bestimmt, um daraus auf den fließenden elektrischen Strom zurückzuschließen. Dass dabei regelmäßig eine hohe Messgenauigkeit, geringes Rauschen usw gefordert werden, sei erwähnt.
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Bevorzugt ist dabei die Gestaltung des Messgeräts als berührungslos arbeitende Zange, die überdies nur geringen Platzbedarf bei trotzdem hoher Genauigkeit aufweisen soll. Die Verwendung berührungslos arbeitender Stromsensoren mit Magnetsensoren hat jedoch nach herkömmlicher Auffassung Nachteile, weil herkömmlich mit einem Messungsoffset zu rechnen ist, der sich zudem über die Zeit verändern kann, insbesondere bei stark einseitiger Belastung, wie sie in Gleichstrommessungen auftritt. Dies kann, etwa wenn weichmagnetische Kerne oder Flusskonzentratoren verwendet werden, durch Speichereffekte, variierende Betriebstemperaturen und nicht-lineare Kennlinien von Halbleitersensoren bedingt sein. Die per se anwendbare Kompensation solcher Effekte ist dabei nur so begrenzt möglich, dass große Ströme nicht ohne weiteres gemessen werden können. So ist, falls Halbleitersensoren mit weichmagnetischem Kern und Kompensationsreglern eingesetzt werden, für entsprechende Stromstärken eine Auftrennung der flusskonzentrierenden Kerne an mehreren Stellen erforderlich, um die Sensoren unterzubringen. Dies wiederum verhindert oder erschwert es schon bei niedrigen Frequenzen, eine konstante Übertragungsfunktion zu realisieren und führt bei höheren Frequenzen zu Schwingungsneigung durch parasitäre Elemente.
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Ungeachtet dieser Schwierigkeiten gibt es nun eine Reihe von Anwendungen, bei denen sehr hohe Ströme zu messen sind, wie bei elektromotorischen Antrieben, wo Ströme jenseits von 500 A auftreten können. Zugleich ist es oft erforderlich, nicht nur derart hohe Ströme zu messen, sondern dabei sowohl konstante Stromkomponenten als auch kurze Stromimpulse mit entsprechend hohem Frequenzgehalt zu erfassen. Wenn die zu messenden Ströme auf einem hohen elektrischen Potential fließen, ist es zudem wünschenswert, die Ströme berührungsfrei messen zu können.
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Wünschenswert ist es insbesondere, bevorzugt berührungsfreie Strommessgeräte, bevorzugt in Zangenausführung für höhere Ströme bei niedrigen Frequenzen von Gleichstrom bis zu einigen wenigen Kilohertz bereitstellen zu können, wobei Spitzenströme von über 500 A, bevorzugt mehr als beispielsweise 800 bis 1000 A messbar sein sollen, um einen Einsatz in Verbindung mit einem elektrischen Automobilantriebsmotor zu ermöglichen.
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Mit bekannten Ansätzen ist es nur sehr bedingt möglich, diesen Forderungen zu genügen. So sind kompensierende Stromsensoren, die die vom zu messenden Strom erzeugten Magnetfelder mittels Halbleitersensoren in einem weichmagnetischen Kern oder nach dem Fluxgate-Prinzip erfassen. Die Stromsensoren nach dem Fluxgate-Prinzip können hohe Ströme zwar vergleichsweise präzise messen, sind aber auf Grund des von ihnen benötigten Platzes und der Verwendung von mehreren Kernen nur schwer als Zangensensoren einsetzbar. Verwiesen sei auf die
EP 1 687 645 B1 .
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Andere Sensortypen sind beispielsweise beschrieben in N. Karrer und P. Hofer-Noser: „PCB ROGOWSKI COILS FOR HIGH DI/DT CURRENT MEASUREMENT" in Power Electronics Specialists Conference 2000, PESC 00.2000 IEEE 31st Annual, Band 3, 2000, Seiten 1296–1301.
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Verwiesen sei auch auf den Aufsatz „A NEW CURRENT MEASURING PRINCIPLE FOR POWER ELECTRONIC APPLICATIONS" in Power Semi-Conductor Devices and IC's, 1999, ISPSD 99 Proceedings, the 11th International Symposium 1999, Seiten 270–282, sowie P. Ripka: „ALTERNATING CURRENT-EXCITED MAGNETORESISTIVE SENSOR" in Journal of Applied Physics, Band 79, Nr. 8, Seiten 5211–5213, 1996. Ripka schlägt vor, einen magnetoresistiven Sensor hinsichtlich seiner Charakteristik mittels einer Spule zu stabilisieren, wobei der Sensor dem Spulenfeld ausgesetzt wird, die Spule mit alternierenden Rechteckimpulsen in ihrer Richtung wechselnde Felder erzeugt und der Sensor zwischen den Rechteckimpulsen der Spulenerregung ausgelesen wird. Der mit derartigen Sensoren erzielbare Messbereich muss aber für eine Vielzahl von Anwendungen als ungenügend angesehen werden.
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Aus der
EP 1 314 993 A2 ist eine Vorrichtung zur Messung eines Magnetfeldes mit einem zweiten Mittel zur Sensierung des Magnetfeldes und mit einem ersten Mittel zur Erzeugung eines einstellbaren Kompensationsmagnetfeldes am Ort des zweiten Mittels bekannt, wobei zur Messung des Magnetfeldes das Kompensationsmagnetfeld derart eingestellt vorgesehen ist, dass vom zweiten Mittel ein (im Vergleich zur Stärke des Magnetfeldes insbesondere kleines) resultierendes Magnetfeld sensiert wird, und wobei das zweite Mittel und das erste Mittel auf einem Substrat monolithisch integriert vorgesehen werden.
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Bekannt ist zudem aus der
DE 42 02 296 B4 ein magnetisch kompensierter Stromwandler, mit einem schleifenartigen Kern, der aus ferromagnetischem Material in der Form eines völlig geschlossenen magnetischen Kreises gebildet ist und mindestens zwei den Kern nicht vollständig unterbrechende Spalte aufweist, einem durch den Kern geführten, von einem zu messenden Primärstrom durchflossenen Primärleiter, mindestens einem in mindestens einem der Spalte angeordneten Messfühler, der ein dem magnetischen Fluss im Kern entsprechendes elektrisches Ausgangssignal abgibt, und mindestens zwei um den Kern gewickelten Sekundärwicklungen, die von einem vom Ausgangssignal des Messfühlers abhängigen Sekundärstrom derart gespeist werden, dass der vom Primärstrom hervorgerufene magnetische Fluss kompensiert wird, wobei der Kern eine Form aufweist, die sich in einer Ebene erstreckt, der magnetische Kreis in dieser Ebene befindlich ist, die Form des Kerns wenigstens eine Symmetrieachse in dieser Ebene aufweist, und die Spalte symmetrisch zu der Symmetrieachse und die Sekundärwicklungen symmetrisch zu der Symmetrieachse angeordnet sind.
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Aus der
EP 1 012 609 B1 ist bereits eine Messvorrichtung zur Erfassung des in einem Leiter fließenden Stroms bekannt, welche einerseits eine in sich geschlossene, den Leiter zumindest teilweise umschließende Messspule ohne magnetisierbaren Kern aufweist, welcher so angeordnet ist, dass sie ein erstes Messsignal liefert, und andererseits mindestens einen Messwiderstand aufweist, welcher vom zu messenden Strom durchsetzt wird, oder mindestens einen Magnetfelddetektor, der in der Nähe des Leiters angebracht ist, aufweist und so angeordnet ist, dass sie ein zweites Messsignal liefert, wobei die Messvorrichtung eine Schaltung zur Verarbeitung des ersten und zweiten Messsignals aufweist, um ein Ausgangssignal zu liefern, welches ein Abbild des zu messenden Stromes ist.
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Es ist wünschenswert, zumindest einige der oben erwähnten Probleme zumindest partiell zu lindern. Bevorzugt soll ein Stromsensor angegeben werden, der auch für hohe Ströme einsetzbar ist.
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Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird in unabhängiger Form beansprucht. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
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Die vorliegende Erfindung schlägt somit einen Stromsensor vor, mit einer Auswerteschaltung zur Strommessung, die mit einem magnetfeldindikative Signale erzeugenden Element erfasste Signale auswertet, und mit einer magnetfelderzeugenden Spule, der eine Quelle für nichtkonstante Erregungsströme zugeordnet ist, um die magnetfeldindikative Signale bei wechselnden Spulenfeldern erfassen zu können, wobei die Auswerteschaltung die Ströme anhand jener Signale bestimmt, die während der Änderung der nichtkonstante Erregungsströme erfasst werden.
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Dies bietet eine Reihe von Vorteilen. Indem während der Änderung der nichtkonstanten Erregungsströme gemessen wird, wird es zunächst möglich, während praktisch eines vollständigen Erregungsstromzyklus zu messen beziehungsweise zumindest auf Haltephasen zu verzichten. Anders als bei nach dem Stand der Technik verwendeten Rechteckimpulsen, bei denen nur während der Haltephasen die Messsignale bestimmt werden sollen, ergibt sich so eine gute Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Messzeit.
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Weiter ist mit der beschriebenen Anordnung erfindungsgemäß außerhalb der um den Nullpunkt des magnetfeldindikative Signale erzeugenden Elementes herum liegenden Bereiche zu messen. Dies trägt dazu bei, in Bereichen zu messen, in denen ein von Rauschen weniger beeinflusstes und gut lineares Verhalten vorliegt. Zur Bestimmung des zu erfassenden Stromes können dabei einerseits die Signale aus dem magnetfeldindikative Signale erzeugenden Element und andererseits die Spulenströme berücksichtigt werden. Es können dabei Signale entweder nur an bestimmten Punkten erfasst werden, etwa im Bereich der Scheitelpunkte und/oder Nulldurchtrittspunkte des Spulenerregungsstromes; bevorzugt ist aber eine Auswertung beziehungsweise Abtastung an mehreren Stellen, was durch Analog-Digital-Wandlung und nachfolgende Verarbeitung der digitalen Signale ebenso möglich ist wie auf analoge Weise.
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Es ist möglich und bevorzugt, die Spulenströme so anzupassen, dass das magnetfeldindikative Signale erzeugende Element in einem linearen Bereich betrieben wird. Lineare Fehler werden so besonders effektiv vermieden. Indem mit den Spulenströmen auch das Gesamt-Magnetfeld, dem das magnetfeldindikative Signale erzeugende Element ausgesetzt ist, schnell geändert wird, ist es möglich, die Kennlinie des magnetfeldindikative Signale erzeugenden Elementes abzufahren und dabei ein Überschreiten des linearen Bereiches zu bemerken. So kann leicht festgestellt werden, wenn das Gesamtmagnetfeld aus veränderlichem Spulenerregungsstrom und zu erfassendem (zu messendem) Strom eines stromdurchflossenen Leiters zu groß wird. Es ist dann ohne weiteres möglich und im Übrigen auch bevorzugt, die Spulenstromstärke so anzupassen, dass das magnetfeldindikative Signale erzeugende Element wieder im linearen Bereich betrieben wird und dieser lineare Bereich nicht mehr überschritten wird. Zudem erlaubt das schnelle Abfahren eine Erfassung auch hoher Frequenzen vom zu messenden Signal. Es ist demnach möglich und bevorzugt, wenn das magnetfeldindikative Signale erzeugende Element einen (stärker) nichtlinearen Bereich bei starken Magnetfeldern aufweist, und die Quelle dazu ausgebildet ist, die Spule mit so geringen Strömen zu erregen, dass das Element magnetfeldindikative Signale im linearen Bereich erzeugt. Zugleich kann die Auswertung auch so ausgebildet sein, dass die Signale um den Nullpunkt womöglich ignoriert oder geringer gewichtet werden.
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Es ist möglich und bevorzugt, wenn der Spulenstrom oszillierend variiert wird und insbesondere einen sinusförmigen Verlauf aufweist; dabei kann entweder nur eine sinusförmige (Wechselstrom-)Komponente als Spulenstrom verwendet werden oder es kann zusätzlich eine Gleichstromkomponente auf die Spule aufgeprägt werden. Es ist also möglich und bevorzugt, wenn die Quelle für nichtkonstante Erregungsströme dazu ausgebildet ist, (auch) sinusförmige Erregungsströme beziehungsweise Erregungsstromkomponenten vorzusehen. Dass dies nicht zwingend ist, sei aber erwähnt. Die Verwendbarkeit anderer variierender Stromverläufe, etwa Sägezahn- oder Dreieckskurvenverläufe, sei explizit erwähnt. Dabei ist es aber bevorzugt, wenn die Haltezeiten, bei welchen die Spulenerregungsstromstärke konstant ist, insgesamt kurz gegen jene Zeiten im Spulenerregungsstromstärkezyklus sind, in welchen die Spulenerregungsstromstärke sich ändert. Es sei im Übrigen nur der Vollständigkeit halber erwähnt, dass zwar typisch die Spulenerregungsstromstärke zyklisch beziehungsweise periodisch variiert, dass aber gleichwohl gegebenenfalls auch stochastisch variierende Spulenerregungsstromstärken gewählt werden könnten.
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Bei nur einer rein sinusförmigen Wechselstromkomponente kann aus der Lage des Schwerpunktes der magnetfeldindikativen Signale auf die zu messende Stromstärke geschlossen werden. Bei zusätzlicher Aufprägung einer (das zu messende Feld partiell oder ganz kompensierende) Gleichstromkomponente kann die überlagerte (zum Beispiel sinusförmige) Wechselstromkomponente größer gehalten werden, was vorteilhaft ist. Dass die Gleichstromkomponente des Spulenerregungsstromes und/oder die Wechselstromkomponente des Spulenerregungsstromes an den jeweils zu messenden Strom durch den Leiter ganz oder partiell angepasst werden kann, sei im Übrigen erwähnt. Dazu kann ein Regelkreis verwendet werden. Es ist demnach möglich und bevorzugt, wenn eine Rückkopplungsschleife zur Bestimmung des durch die Spule fließenden Stromes vorgesehen ist.
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Prinzipiell ist durch die Kompensationswicklung ein unbegrenzter Strommessbereich vorstellbar, der seine praktischen Grenzen erst in der Belastbarkeit der (Bias-)Spule hat. Die Skalierbarkeit für verschiedene Messbereiche ist damit hoch. Die Anordnung funktioniert frei von ferromagnetischen Materialien und damit ohne Beeinträchtigung durch damit typisch einhergehende Nichtlinearitäten. Vielmehr ist es abzusehen, dass Linearitätsfehler erfindungsgemäß minimiert werden können, weil das magnetfeldindikative Signale erzeugende Element nicht an seinem Nullpunkt betrieben wird, sondern deutlich entfernt davon erzeugte Signale (mit-)ausgewertet werden können, die insbesondere dicht unterhalb des Überschreiten des Linearitätsbereiches erzeugt werden.
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Es ist möglich und bevorzugt, wenn die magnetfelderzeugende Spule den Sensor umgibt und dazu ausgebildet ist, ein Magnetfeld parallel oder antiparallel jenem eines zu messenden Stromes zu erzeugen. Die Spule kann das magnetfeldindikative Signale erzeugende Element insbesondere umgeben, so dass die Gesamtanordnung klein gebildet werden kann und vergleichsweise geringe Spulenströme erforderlich sind. Dies erlaubt eine baulich kleine Ausgestaltung von Strommessgeräten nach der Erfindung. Es ist möglich, die Spulen kernfrei auszubilden, was die vorerwähnten Vorteile bietet; dies ist jedoch nicht zwingend. Vielmehr kann unter Umständen auch die Verwendung eines Kerns vorteilhaft sein. Bevorzugt wird dabei ein einzelner Kern genommen, der bei Ausbildung des Gesamtgerätes als Zange in zwei Teile aufgetrennt ist, die bei Benutzung des Messgerätes den von der Zange umgriffenen Leiter gemeinsam umgeben. Die magnetfeldindikativen Elemente werden entweder in den Kern eingearbeitet sein, oder, was aufgrund der baulich einfacheren Ausbildung bevorzugt ist, in unmittelbarer Nähe des Kerns angeordnet sein. Wenn, wie für die Zange beschrieben, der Kern als geteilter, den einen zu messenden Strom leitenden Leiter umgebender Ring gestaltet ist, wird es bevorzugt, die magnetfeldindikativen Elemente nahe am Ring sowie zwischen Ring und Leiter anzuordnen.
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Es ist möglich und bevorzugt, wenn das magnetfeldindikative Signale erzeugende Element ein Halbleitersensor ist, insbesondere ein GMR-Element. Derartige Elemente sind ohne weiteres verfügbar und besitzen eine Ausgangsspannung-Magnetfeldstärken-Kennlinie, die über eine einen weiten Bereich sehr linear ist und außerhalb dieses linearen Bereiches schnell und gut erkennbar in einen nichtlinearen Bereich übergeht, was für Zwecke der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft ist. Schnell in einen nichtlinearen Bereich übergehend bedeutet hier, dass sich auch bei starken Änderungen des Magnetfeldes, welchem das magnetfeldindikative Element ausgesetzt ist, nur noch geringe Änderungen der Ausgangsspannung ergeben. Mit anderen Worten wird sich die Ausgangsspannung des magnetfeldindikativen Elementes auch bei großen Änderungen des Spulenstromes nur wenig ändern.
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Es ist bevorzugt, wenn eine Vielzahl magnetfeldindikative Signale erzeugender Elemente mit zugeordneten magnetfelderzeugenden Spulen vorgesehen ist, die paarweise diametral um ein Zentrum herum angeordnet sind, insbesondere äquidistant. So kann vermeiden werden, dass sich durch die Entfernung des magnetfeldindikative Signale erzeugenden Elementes vom zu erfassenden Leiter Messfehler ergeben; es wird nämlich möglich, eine größere Entfernung eines ersten Elementes vom zu erfassenden Leiter durch simultane Bezugnahme auf ein zweites, dem ersten diametral gegenüberliegendes Element zu kompensieren.
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Es ist daher bevorzugt, wenn eine Auswerteschaltung zur Bestimmung eines Stromes unter Berücksichtigung der magnetfeldindikativen Signale einer Mehrzahl der magnetfeldindikativen Elemente vorgesehen ist.
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Es ist bei Vorliegen mehrerer magnetfeldindikativer Signale erzeugender Elemente bevorzugt, wenn Strom für eine erste Anzahl von Spulen unabhängig von jenem durch eine zweite Anzahl von Spulen bestimmbar ist und insbesondere der Strom durch jede Spule unabhängig bestimmbar ist.
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Es ist möglich und bevorzugt, wenn der Stromsensor als Zange ausbildet ist. Hierzu können um den Zangenrand herum mehrere magnetfeldindikative Signale erzeugende Elemente vorgesehen werden. Die Auswerteschaltung kann dabei bevorzugt durch hochintegrierte Schaltkreise realisiert werden und wird bevorzugt in der Zange selbst untergebracht werden, erforderlichenfalls mit allen Schaltungsanordnungen, Regelkreisen usw. für die Bestimmung der Spulenströme usw.
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Schutz wird auch beansprucht für ein Verfahren zur Bestimmung eines Stromes, bei welchem ein magnetfeldindikative Signale erzeugendes Element in die Nähe eines von dem Strom durchflossenen Leiter gebracht wird, mit einer magnetfelderzeugenden Spule durch Erregung mit einem Wechselstrom ein wechselndes Magnetfeld am magnetfeldindikativen Element erzeugt wird und der Strom anhand jener magnetfeldindikative Signale ermittelt wird, die während der Änderung der Spulenströme erfasst werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden nur beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser ist dargestellt durch:
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1 eine Schnittansicht durch eine Stromzange der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Schnittansicht durch ein magnetfeldindikative Signale erzeugendes Element mit zugeordneter Spule der vorliegenden Erfindung;
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3 die Ausgangsspannungs-Magnetfeldstärken-Kennlinie eines für die Erfindung bevorzugt eingesetzten Elementes;
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4 die Ausgangssignale des magnetfeldindikative Signale erzeugenden Elementes von 3 für unterschiedlichen Spulen-Erregungsstrombedingungen und unterschiedliche, von zu messenden Strömen erzeugten Magnetfelder;
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5 ein Signalweg eines Messkanales in einem Strommessgerät der vorliegenden Erfindung.
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Die Figuren erläutern einen Stromsensor mit einer Auswerteschaltung zur Strommessung, um die mit einem magnetfeldindikative Signale erzeugenden Element erfassten Signale auszuwerten und mit einer magnetfelderzeugenden Spule, der eine Quelle für nichtkonstante Erregungsströme zugeordnet ist, um magnetfeldindikative Signale bei wechselnden Spulenfeldern erfassen zu können, wobei die Auswerteschaltung dazu ausgebildet ist, die bei Änderung der nichtkonstanten Erregungsströme erfassten Signale zur Strommessung auszuwerten. Dass eine solche Änderung erfindungsgemäß eventuell auch die Änderung einer Gleichstromkomponente umfassen und betreffen kann, welche geändert wird, um ein Messsignal im linearen Bereich des Elements zu halten, sei erwähnt.
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Nach 1 umgreift der Stromsensor 1 dabei als Zange mit zwei Teilen 1a, 1b einen zentralen Leiter 2, durch welchen ein Strom i_prim fließt, was ein Magnetfeld B_prim erzeugt. Der Stromsensor 1 erfasst, wie beschrieben wird, i_prim durch Messen des Magnetfeldes B_prim.
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Dazu sind die Zangenteile 1a, 1b im dargestellten Querschnitt halbkreisförmig gebildet und mit – hier jeweils drei – magnetfeldindikative Signale erzeugenden Halbleiterelementen 3a1, 3a2, 3a3 sowie 3b1, 3b2, 3b3 versehen. Diese sind, wie bevorzugt und möglich, paarweise diametral gegenüberliegend. Sie sind auch, was ebenfalls bevorzugt ist, äquidistant.
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Jedes der magnetfeldindikative Signale erzeugenden Halbleiterelemente ist innerhalb einer stromdurchflossenen Biasspule 4a1–4b3 angeordnet, welche am magnetfeldindikative Signale erzeugenden Halbleiterelement ein Magnetfeld erzeugt, das jenem des zentralen Leiters 2 entweder parallel oder antiparallel ist.
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Wie aus 2 ersichtlich, treten dazu die Spulenwicklungen der Biasspulen senkrecht durch die Papierebene. Die Biasspule kann ohne ferromagnetische Materialien gebildet sein, so dass durch ferromagnetische Materialien verursachte Nichtlinearitäten vermieden werden. 2 zeigt zudem bereits schematisch, dass der Biasspule eine Spulenerregungsstromquelle für Wechselstrom zugeordnet ist und dem magnetfeldindikative Signale erzeugenden Halbleiterelement eine Signalkonditionierungsschaltung (hier veranschaulicht als OPAMP). Es sei erwähnt, dass es bevorzugt ist, wenn nicht nur jedem magnetfeldindikative Signale erzeugenden Halbleiterelement eine eigene Biasspule zugeordnet ist, sondern dieser wiederum jeweils eine eigene Bias-Stromquelle. 2 zeigt, dass die Biasspule den Sensor eng umgibt, was die für ein bestimmtes Magnetfeld erforderlichen Ströme gering halt.
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3 zeigt nun die Ausgangsspannungs-Biasspulenstrom-Kennlinie. Dargestellt ist die Ausgangsspannung des magnetfeldindikative Signale erzeugenden Halbleiterelementes gegen den Erregungsstrom der Biasspule für wechselnde Polaritäten bei vernachlässigbarem äußeren Magnetfeld. Es ist zunächst zu erkennen, dass die Hysterese gering ist. Weiter ist zu erkennen, dass es einen weiten Bereich gibt, in dem die Kurve linear verläuft und dass die Kurve oberhalb dieses Bereiches relativ schnell abflacht. Zudem ist die Kurve symmetrisch, d. h. die Kurve für negative Biasspulenströme entspricht jener für positive Biasspulenströme.
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4 zeigt, von links nach rechts, wie sich die Biasspulenstromstärke-Ausgangsspannung-Kennlinie sich verändert, wenn zunächst die Biasspulen-Stromstärke soweit verringert wird, dass das magnetfeldindikative Signale erzeugende Halbleiterelement unterhalb seiner Sättigung betrieben wird und dann ein Offset zu dem durch den alternierenden Biasspulen-Wechselstrom erzeugten Magnetfeld hinzukommt. Es sei erwähnt, dass dieser Offset sowohl durch eine von Null verschiedene Gleichstromkomponente erzeugt werden kann als auch durch ein von Null verschiedenes externes Magnetfeld, also insbesondere ein Magnetfeld, das der zu messende, durch den Leiter 2 fließende Strom erzeugt. Es ist ersichtlich, dass das Minimum der Kennlinie jetzt nicht mehr symmetrisch zu den Maxima liegt; aus der erfindungsgemäßen Auswertung dieser Asymmetrie kann demnach auf das externe Magnetfeld geschlossen werden. Wenn dabei eine asymmetrische Lage der Kennlinie partiell durch das Aufprägen einer Biasstrom-Gleichstromkomponente kompensiert wird, so ist dies vorteilhaft, weil damit die Kennlinie weiterhin weit ausgefahren werden kann; die eigentliche Messung kann ohne weiteres durchgeführt werden, weil die Biasstrom-Gleichstromkomponente ohne weiteres bei der Bestimmung des durch den Leiter fließenden, zu messenden Stroms berücksichtigt werden kann.
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Vor diesem Hintergrund kann eine Beschaltung für die magnetfeldindikative Signale erzeugenden Halbleiterelemente beispielsweise aussehen wie in 5 dargestellt.
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Nach 5 umfasst die der magnetfelderzeugenden Biasspule zugeordnete Quelle für nichtkonstante Erregungsströme einen Sinusgenerator und einen Leistungsverstärker, der Gleich- und Wechselströme an die Biasspule speisen kann.
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Dem in 5 entsprechend seiner (bevorzugten) Bauweise als GMR (Giant Magneto-Resistor) bezeichneten, magnetfeldindikative Signale erzeugenden Halbleiterbauelement ist eine Auswerteschaltung nachgeordnet, welche die Differenz des Ausgangsspannungsbetrages im Umkehrpunkt der Kennlinien erfasst und an ein übliches Regel-Rechen-Gerät speist, mit dem zum Beispiel eine Proportional-Integral-Funktionalität, eine Proportional-Integral-Differential-Funktionalität, eine Dead-Beat-Filtercharakteristik, eine Kalman-Filtercharakteristik und/oder eine Luenberger-Filtercharakteristik implementierbar ist. Das vom Regel-Rechen-Gerät erzeugte Ausgangssignal wird einerseits als Regelsignal an den Leistungsverstärker gespeist und dort am Eingang zu dem Wechselspannungssignal aus dem Sinusgenerator mit einer solchen Polarität addiert, dass der Differenz des Ausgangsspannungsbetrages im Umkehrpunkt der Kennlinien entgegengewirkt wird. Dies ändert erfindungsgemäß die Erregungsströme, so dass diese nichtkonstant sind. Die Bestimmung des Umkehrpunktes ist auch mit Analogschaltkreisen ohne weiteres möglich; es sei aber erwähnt, dass eine Signaldigitalisierung und digitale Signalverarbeitung ohne weiteres möglich ist.
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Das Ausgangssignal des Regel-Rechen-Gerät wird überdies an einen Auswerteschaltkreis gespeist, der ein dem erfassten Magnetfeld des Leiters proportionales Signal erzeugt und als UDC ausgibt.
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Die Anordnung der vorliegenden Erfindung wird verwendet wie folgt: Zunächst wird eine Kalibrierung der einzelnen Sensorelemente vorgenommen, um eine Beziehung zwischen der Ausgangsspannung jedes magnetfeldindikative Signale erzeugenden Elementes und dem Strom durch einen genau durch das Zentrum der Zange tretenden Leiter zu bestimmen und erforderlichenfalls die Charakteristik der jeweiligen Biasstromquellen einstellen zu können, d. h. zu bestimmen, wie groß ein jeweiliger Biasstrom ohne Magnetfeld sein soll, wie stark eine Offsetspannung am Eingang des Biasstrom-Leistungsverstärkers bei gegebenem Ausgang des Regel-Rechen-Geräts sein soll usw.
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Danach ist die Anordnung messbereit.
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Wenn nun ein unbekannter Strom durch den Leiter fließt, kann dieser ohne weiteres durch die Bestimmung der Differenz der Ausgangsspannungen der Kennlinie bzw. anhand des asymmetrischen Kennlinienverlaufs bestimmt werden.
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Indem bei der Auswertung die diametral gegenüberliegenden magnetfeldindikative Signale erzeugenden Elemente gemeinsam ausgewertet werden, ist die Anordnung zudem praktisch unabhängig von der Lage des stromdurchflossenen Leiters innerhalb der aufgespannten Messfläche. Zudem wird mit einer erhöhten Anzahl an magnetfeldindikative Signale erzeugende Elemente auch der Einfluss von Störfeldern, die außerhalb der aufgespannten Messfläche liegen, minimiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1687645 B1 [0007]
- EP 1314993 A2 [0010]
- DE 4202296 B4 [0011]
- EP 1012609 B1 [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- N. Karrer und P. Hofer-Noser: „PCB ROGOWSKI COILS FOR HIGH DI/DT CURRENT MEASUREMENT” in Power Electronics Specialists Conference 2000, PESC 00.2000 IEEE 31st Annual, Band 3, 2000, Seiten 1296–1301 [0008]
- „A NEW CURRENT MEASURING PRINCIPLE FOR POWER ELECTRONIC APPLICATIONS” in Power Semi-Conductor Devices and IC's, 1999, ISPSD 99 Proceedings, the 11th International Symposium 1999, Seiten 270–282 [0009]
- P. Ripka: „ALTERNATING CURRENT-EXCITED MAGNETORESISTIVE SENSOR” in Journal of Applied Physics, Band 79, Nr. 8, Seiten 5211–5213, 1996 [0009]
