DE102016123229A1

DE102016123229A1 - Stromsensoranordnung

Info

Publication number: DE102016123229A1
Application number: DE102016123229.7A
Authority: DE
Inventors: Lutz Tröger
Original assignee: Harting AG and Co KG
Current assignee: Harting Stiftung and Co KG
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2018-06-07

Abstract

Um ein Steckverbindermodul mit einer Strommessanordnung auszustatten wird vorgeschlagen, dass in oder an dem dazugehörigen Isolierkörper (2), in welchem die elektrischen Kontakte (1) angeordnet sind, für jeden der elektrischen Kontakte (1) mindestens drei Magnetfeldsensoren (3) angeordnet sind. Dadurch können die Magnetfelder der von den Magnetfeldsensoren umschlossenen elektrischen Kontakte (1) gemäß einem entsprechenden mathematischen Model von denen eventueller externer Störfelder getrennt werden, ohne dass dazu eine äußerst schwierig zu realisierende magnetische Schirmung benötigt wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Stromsensoranordnung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
Derartige Stromsensoranordnung werden benötigt, um in engem Bauraum den jeweiligen Stromfluss durch mehrere elektrische Leiter zu bestimmen.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind Stromsensoren auf der Basis von Hallelementen bekannt.
Die Druckschrift EP 3 044 598 A1 offenbart, einen Stromsensor in einem Steckverbinder anzuordnen.
Weiterhin wurden Steckverbindermodularsysteme unter Verwendung eines Modulrahmens, auch als Halterahmen oder Modularrahmen bekannt, in zahlreichen Druckschriften und Veröffentlichungen offenbart, auf Messen gezeigt und befinden sich insbesondere im industriellen Umfeld in Form von Schwerlaststeckverbindern im Einsatz. Beispielsweise werden sie in den Druckschriften DE 10 2013 106 279 A1 , DE 10 2012 110 907 A1 , DE 10 2012 107 270 A1 , DE 20 2013 103 611 U1 , EP 2 510 590 A1 , EP 2 510 589 A1 , DE 20 2011 050 643 U1 , EP 860 906 A2 , DE 29 601 998 U1 , EP 1 353 412 A2 , DE 10 2015 104 562 A1 , EP 3 067 993 A1 , EP 1 026 788 A1 , EP 2 979 326 A1 , EP 2 917 974 A1 beschrieben. Dabei werden mehrere gleiche oder verschiedene Steckverbindermodule gemeinsam in einem Modulrahmen gehalten und in ein Steckverbindergehäuse eingebaut. Die Funktion eines dadurch gebildeten Steckverbinders ist also sehr flexibel. Es können z.B. pneumatische Module, optische Module, Module zur Übertragung elektrischer Energie und/oder elektrischer analoger und/oder digitaler Signale im Modularsystem Verwendung finden. Zunehmend übernehmen Steckverbindermodule auch mit mess- und datentechnische Aufgaben.
Im Stand der Technik besteht demnach ein Bedürfnis, auch in einem Steckverbindermodul Stromsensoren einzusetzen, um jeweils einen durch einzelne Kontakte des Steckverbindermoduls fließenden Strom zu messen.
Eine große Schwierigkeit besteht dabei darin, dass der geometrische Bauraum innerhalb eines solchen Steckverbindermoduls äußerst begrenzt ist. Dadurch liegen die elektrischen Kontakte nah beieinander und ihre Magnetfelder sind somit messtechnisch schwer zu trennen. Eine konventionelle Schirmung der Kontakte ist zudem dadurch erschwert, dass magnetisch schirmende Materialien teuer sind und weiterhin in hohen Materialstärken verarbeitet werden müssen, um eine ausreichende Trennung zu gewährleisten.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Stromsensoranordnung anzugeben, die der vorgenannten Problematik Rechnung trägt und mit der insbesondere auch die Ströme mehrerer elektrischer Kontakte eines solchen Steckverbindermoduls separat voneinander und insbesondere auch unter Einfluss äußerer Störfelder möglichst genau gemessen werden können.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei der Erfindung handelt es sich um eine Stromsensoranordnung zur Messung des jeweiligen Stromflusses durch mehrere elektrische Kontakte, wobei die Stromsensoranordnung in einem Steckverbindermodul angeordnet ist, wobei das Steckverbindermodul einen Isolierkörper besitzt, in dem die elektrischen Kontakte angeordnet sind, wobei die Stromsensoranordnung für jeden der elektrischen Kontakte mindestens drei Magnetfeldsensoren aufweist.
Insbesondere kann es sich bei den Magnetfeldsensoren um 3D-Magnetfeldsensoren handeln, die Magnetfelder in allen drei Raumrichtungen messen können.
Weiterhin kann es sich bei den Magnetfeldsensoren um Hallelemente handeln.
Die Erfindung sieht in einer bevorzugten Ausgestaltung die Anordnung der Magnetfeldsensoren vor, die z.B. um jeden einzelnen elektrischen Kontakt herum angeordnet sein können.
Die genaue Anordnung der Magnetfeldsensoren ergibt sich allgemein aus der geometrischen Anordnung der elektrischen Leiter, deren Durchgangsstrom zu messen ist, also im vorliegenden Fall aus der Anordnung der elektrischen Kontakte im Isolierkörper des Moduls. Die Anzahl der Sensoren ergibt sich insbesondere sich aus der Zahl der Freiheitsgrade, die das System hat. Diese betragen mindestens das Dreifache der Anzahl der elektrischen Leiter, d.h. in diesem Fall der elektrischen Kontakte. Besitzt das Modul beispielsweise nur einen einzigen elektrischen Kontakt, so beträgt die Anzahl der Magnetfeldsensoren mindestens drei. Diese können bevorzugt auf einer konzentrischen Kreisbahn um den Kontakt herum angeordnet sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zusätzlich dazu in oder an dem Isolierkörper für jede äußere Störungsquelle noch mindestens drei weitere Sensoren vorgesehen.
Da die äußeren Störquellen in der Praxis meist unbekannt sind, kann in erster Näherung eine Störung für jede Raumrichtung angenommen werden, so dass sich die Zahl der Sensoren pro Kontakt verdoppelt. Im vorgenannten Beispiel können somit drei Magnetfeldsensoren für den elektrischen Kontakt vorgesehen sein und drei weitere zur Eliminierung äußerer Störfelder.
Für den Fall, dass mehrere Leiter, insbesondere elektrische Kontakte, vermessen werden sollen, können die Sensoren auch außen um alle Leiter herum angeordnet werden. Die optimale Positionierung und Ausrichtung ergibt sich aus dem Anordnungsmuster der Leiter im Isolierkörper.
Erfindungsgemäß kann so der Stromfluss durch die einzelnen Kontakte errechnet werden.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft, weil Magnetfelder, im Gegensatz zu elektrischen Feldern, nur sehr schwer abschirmbar sind. Eine solche magnetische Abschirmung ist nämlich nur mit speziellen Materialien möglich, welche sehr teuer sind und in hohen Materialstärken verarbeitet werden müssen.
Als Grundlage für das erfindungsgemäße Verfahren dient ein mathematisches Modell, nach dem die jeweiligen äußeren Störungen nicht abgeschirmt, sondern stattdessen aus dem Gesamtsignal herausgerechnet werden, um so das Nutzsignal zu erhalten.
Somit kann vorteilhafterweise darauf verzichtet werden, die äußeren Magnetfelder abzuschirmen. Im Gegenteil kann es sogar als besonders vorteilhaft angesehen werden, wenn die äußeren Felder möglichst ungestört an die dafür vorgesehenen Magnetfeldsensoren gelangen, um sie gezielt bestimmen zu können.
Dafür ist es besonders vorteilhaft, wenn das, den stromdurchflossenen Leiter, insbesondere den elektrischen Kontakt, umgebende Magnetfeld konzentrisch ist und ausgehend von der Oberfläche des Leiters radial mit 1/r abnimmt, wobei r den Radis, d.h. z.B. den Abstand zwischen dem elektrischen Kontakt und dem Magnetfeldsensor, bezeichnet. Schließlich ist es unmöglich, dass eine äußere Störung einen Feldverlauf mit einer derartigen Geometrie imitiert.
Von besonderem Vorteil ist es weiterhin, wenn, z.B. aufgrund der Gehäuseabmessungen, der Mindestabstand einer externen Störquelle vom jeweiligen Leiter, insbesondere dem jeweiligen Kontakt, bekannt ist, was wiederum eine untere Grenze für geometrische Annahmen in Bezug auf Krümmungsradien magnetischer Feldlinien darstellt.
Werden ausreichend viele Magnetfeldsensoren um die Leiter herum angeordnet, lässt sich jede äußere Störquelle aus dem gemeinsamen Datensatz der Sensoren herausrechnen. Dafür können jedoch recht aufwändige Rechnungen vor dem Hintergrund vorsimulierter Modelle notwendig sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann ein Steckverbinder beispielsweise durch ein Rechenmodul, welches in seinem Modulsystem aufgenommen ist, zur Durchführung derartiger Rechenoperationen befähigt sein und diese dezentral durchführen. Da in diesem Fall die Rechenleistung begrenzt ist, empfiehlt es sich, die o.g. Minimalvariante zu verwenden, bei der zur Ermittlung des Stromflusses durch einen Kontakt lediglich drei Magnetfeldsensoren Anwendung finden.
Alternativ dazu können die Daten, z.B. über eine Netzwerkschnittstelle eines solchen Modularsystems, an ein übergeordnetes Rechensystem übertragen und von diesem ausgewertet werden. Bei diesem übergeordneten Rechensystem kann es sich beispielsweise um einen zentralen Prozessrechner, aber auch um ein intelligentes Netzwerk handeln, in dem z.B. das Rechenmodul eines benachbarten Steckverbinders diese Rechenoperation durchführt. Aufgrund der so erhöhten Rechenleistung kann die Anzahl von Sensoren auch mehr als drei pro Kontakt betragen. Die Netzwerkschnittstelle kann beispielsweise Bestandteil eines weiteren Steckverbindermoduls sein, das ebenfalls im Modularsystem angeordnet ist und das mit dem Steckverbindermodul und seiner Stromsensoranordnung über ein Bussystem verbunden ist.
Ein typischer Ablauf dazu enthält die folgenden Verfahrensschritte:

1. Messen der Daten vor Ort
2. Auslagern der Analyseaufgabe auf einen leistungsstarken Rechner
3. Rücksenden des Ergebnisses an den Sensor
4. Kommunikation der Ergebnisinformation an entsprechende übergeordnete Systeme

Wie bereits erwähnt, kann es sich bei den Magnetfeldsensoren um Hallelemente handeln. Die größten technischen Vorteile bei der Verwendung solcher Hallelementen im Vergleich zu Systemen, basierend auf Spulen oder Shunts, sind die Miniaturisierung und die Minimalinvasivität, da es ausreichend ist, die Sensoren außen am Isolierkörper anzubringen.
Figurenliste
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:

1 einen elektrischen Leiter mit mehreren Hallelementen in einem Isolierkörper;
2 mehrere elektrische Leiter mit mehreren Hallelementen in einem Isolierkörper;
3 einen elektrischen Leiter mit einem dazugehörigen Magnetfeld und einem weiteren Magnetfeld einer externen Quelle.

Die Figuren enthalten teilweise vereinfachte, schematische Darstellungen. Zum Teil werden für gleiche, aber gegebenenfalls nicht identische Elemente identische Bezugszeichen verwendet. Verschiedene Ansichten gleicher Elemente könnten unterschiedlich skaliert sein.
Die 1 zeigt einen Isolierkörper 2 mit einem hindurchgeführten elektrischen Kontakt 1 und mehreren um diesen Kontakt 1 herum angeordneten Stromsensoren 3. Fließt durch den Kontakt 1 ein elektrischer Strom, so kann dieser Kontakt 1 als elektrischer Leiter aufgefasst werden. Um diesen stromdurchflossenen elektrischen Leiter bildet sich ein entsprechendes konzentrisches magnetisches Feld, das von den Sensoren 3 erfasst wird. Da die Sensoren symmetrisch um den Kontakt 1 herum angeordnet sind, misst jeder Sensor 3 den gleichen Wert. Bei den Sensoren 3 handelt es sich um 3D-Magnetfeldsensoren, die als Hallelemente ausgeführt sind.
Die 2 zeigt den Isolierkörper 2 mit einer Gruppe hindurchgeführter elektrischer Kontakte 1 und den um dieser Gruppe herum angeordneten Stromsensoren 3. Die Sensoren 3 messen unterschiedliche Werte, aus denen mittels eines mathematischen Models dennoch ermittelbar ist, dass die Kontakte von den Sensoren umgeben sind.
Die 3 zeigt einen stromdurchflossenen elektrischen Leiter in Form eines Kontaktes 1 mit einem dazugehörigen Magnetfeld 4 und einem weiteren Magnetfeld 5 einer externen Störquelle, die nicht in der Zeichnung dargestellt ist. Die Magnetfelder 4,5 werden dabei durch entsprechende Magnetfeldlinien dargestellt. Es ist leicht erkennbar, dass sich die Magnetfelder des elektrischen Leiters und der externen Quelle aus Sicht einer Gruppe um den elektrischen Leiter gruppierten Magnetfeldsensoren signifikant unterscheiden.
Bezugszeichenliste

1: elektrischer Kontakt / elektrischer Leiter
2: Isolierkörper
3: 3D-Magnetfeldsensoren/Hallsensoren
4: Magnetfeld des elektrischen Leiters
5: Magnetfeld einer externen Quelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 3044598 A1 [0004]
DE 102013106279 A1 [0005]
DE 102012110907 A1 [0005]
DE 102012107270 A1 [0005]
DE 202013103611 U1 [0005]
EP 2510590 A1 [0005]
EP 2510589 A1 [0005]
DE 202011050643 U1 [0005]
EP 860906 A2 [0005]
DE 29601998 U1 [0005]
EP 1353412 A2 [0005]
DE 102015104562 A1 [0005]
EP 3067993 A1 [0005]
EP 1026788 A1 [0005]
EP 2979326 A1 [0005]
EP 2917974 A1 [0005]

Claims

Stromsensoranordnung zur Messung des jeweiligen Stromflusses durch mehrere elektrische Kontakte (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsensoranordnung in einem Steckverbindermodul angeordnet ist, wobei das Steckverbindermodul einen Isolierkörper (2) besitzt, in dem die elektrischen Kontakte (1) angeordnet sind, wobei die Stromsensoranordnung für jeden der elektrischen Kontakte (1) mindestens drei Magnetfeldsensoren (3) aufweist.
Stromsensoranordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Magnetfeldsensoren (3) konzentrisch um den von ihnen zu messenden Kontakt (1) herum angeordnet sind.
Stromsensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Magnetfeldsensoren (3) so im Isolierkörper (2) angeordnet sind, dass sie gemeinsam sämtliche elektrische Leiter (1) einschließen.
Stromsensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsensoranordnung zusätzlich zur Eliminierung externer Störungsquellen mindestens drei weitere Magnetfeldsensoren aufweist.
Strommessanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Magnetfeldsensoren (3) um Hallelemente handelt.
Stromsensoranordnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Hallelemente (3) an der Oberfläche des Isolierkörpers (2) angebracht sind.