DE102016217168A1 - Apparatus and method for measuring the current strength of a single conductor of a multi-conductor system - Google Patents

Apparatus and method for measuring the current strength of a single conductor of a multi-conductor system Download PDF

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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum Messen einer Stromstärke in einem Stromleiter eines Mehrleitersystems mit wenigstens zwei Stromleitern mit wenigstens zwei Feldsensoren, wobei jeder Feldsensor geeignet ist, ein Magnetfeld resultierend aus einer Linearkombination der Magnetfelder der einzelnen Stromleiter zu messen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Ein Feldsensor ist dabei auf einem ersten Radius um das Mehrleitersystem angeordnet und ein Feldsensor ist auf einem zweiten Radius um das Mehrleitersystem angeordnet, wobei der erste Radius größer als der zweite Radius ist. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Signalauswertevorrichtung, welche geeignet ist, die Stromstärke in dem Stromleiter mittels der Differenz der Signale der wenigstens zwei Feldsensoren und mittels wenigstens eines ersten Abstands oder eines zweiten Abstands des Stromleiters zu einem der Feldsensoren zu ermitteln. Apparatus and method for measuring a current in a conductor of a multi-conductor system having at least two conductors with at least two field sensors, each field sensor is adapted to measure a magnetic field resulting from a linear combination of the magnetic fields of the individual conductors and convert it into an electrical signal. A field sensor is arranged on a first radius about the multi-conductor system and a field sensor is arranged on a second radius around the multi-conductor system, wherein the first radius is greater than the second radius. Furthermore, the device comprises a signal evaluation device which is suitable for determining the current intensity in the current conductor by means of the difference of the signals of the at least two field sensors and by means of at least one first distance or a second distance of the current conductor to one of the field sensors.

Figure DE102016217168A1_0001
Figure DE102016217168A1_0001

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Stromstärke eines einzelnen Leiters eines Mehrleitersystems. The invention relates to an apparatus and a method for measuring the current intensity of a single conductor of a multi-conductor system.

Zur Übertragung von Wechselstrom, seltener auch von Gleichstrom, werden Mehrleiterkabel umfassend wenigstens zwei Leiter verwendet. Bei Mehrleiterkabeln wird jeder Leiter für sich der Spannung entsprechend isoliert. Alle Leiter werden dann typischerweise miteinander verseilt und nochmals mit einem gemeinsamen Isolationsmaterial umkleidet. For the transmission of alternating current, more often also of direct current, multi-conductor cables comprising at least two conductors are used. With multi-conductor cables, each conductor is isolated according to the voltage. All conductors are then typically stranded together and again covered with a common insulation material.

Das Messen des Stromflusses in einem einzelnen Leiter eines solchen Mehrleitersystems kann mittels Shuntwiderständen, Ringkernwandlern, Rogowskispulen oder mit einem auf einer Feldsonde basierenden Sensorsystem erfolgen. Nachteiligerweise muss allerdings der zu messende Leiter einzeln für eine Messung zugänglich sein, was häufig bedeutet, dass das Mehrleiterkabel aufgetrennt werden muss. The measurement of the current flow in a single conductor of such a multi-conductor system can be effected by means of shunt resistors, toroidal transformers, Rogowski coils or with a field-probe-based sensor system. Disadvantageously, however, the conductor to be measured must be individually accessible for a measurement, which often means that the multi-conductor cable must be separated.

In der deutschen Patentanmeldung DE 102016210970.7 wird ein Mess-System vorgeschlagen, mit welchem der Stromfluss in einem einzelnen nicht direkt zugänglichen Leiter eines Mehrleitersystems gemessen werden kann ohne das Mehrleitersystem zu beschädigen. Das Mess-System umfasst wenigstens zwei Feldsensoren, die auf einer Leiterplatte um das Mehrleitersystem herum angeordnet sind. Die Feldsensoren sind geeignet, ein Magnetfeld resultierend aus einer Linearkombination der Magnetfelder der einzelnen Stromleiter zu messen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Das Mess-System umfasst auch eine Signalauswertevorrichtung, mittels der die Stromstärke in dem Stromleiter mittels der Signale der wenigstens zwei Feldsensoren und mittels wenigstens eines Abstands des Stromleiters zu einem der Feldsensoren ermittelt wird. Nachteiligerweise ist dieses Mess-System empfindlich gegenüber Fremdfeldern, wodurch die Messung des Stromflusses im Leiter verfälscht werden kann. In the German patent application DE 102016210970.7 A measuring system is proposed with which the current flow in a single non-directly accessible conductor of a multi-conductor system can be measured without damaging the multi-conductor system. The measuring system comprises at least two field sensors which are arranged on a printed circuit board around the multi-conductor system. The field sensors are suitable for measuring a magnetic field resulting from a linear combination of the magnetic fields of the individual current conductors and converting them into an electrical signal. The measuring system also comprises a signal evaluation device, by means of which the current intensity in the current conductor is determined by means of the signals of the at least two field sensors and by means of at least one distance of the current conductor to one of the field sensors. Disadvantageously, this measuring system is sensitive to external fields, whereby the measurement of the current flow in the conductor can be falsified.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit welchem der Stromfluss in einem nicht direkt zugänglichen Mehrleitersystem gemessen werden kann und das dabei unempfindlich gegenüber Fremdfeldern ist. It is therefore an object of the present invention to provide a device and a method with which the current flow in a not directly accessible multi-conductor system can be measured and which is insensitive to external fields.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. The object is achieved with a device according to claim 1 and a method according to claim 10.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen einer Stromstärke in einem Stromleiter eines Mehrleitersystems mit wenigstens zwei Stromleitern umfasst wenigstens zwei Feldsensoren. Jeder Feldsensor ist geeignet, ein Magnetfeld resultierend aus einer Linearkombination der Magnetfelder der einzelnen Stromleiter zu messen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Ein erster Feldsensor ist auf einem ersten Radius kreissegmentartig um den Stromleiter angeordnet und ein zweiter Feldsensor ist auf einem zweiten Radius kreissegmentartig um den Stromleiter angeordnet, wobei der erste Radius größer als der zweite Radius ist. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Signalauswertevorrichtung, welche geeignet ist, die Stromstärke in dem Stromleiter mittels der Differenz der Signale der wenigstens zwei Feldsensoren und mittels wenigstens eines ersten Abstands des Stromleiters zu dem ersten Feldsensoren oder mittels eines zweiten Abstands des Stromleiters zu dem zweiten Feldsensor zu ermitteln. The device according to the invention for measuring a current intensity in a conductor of a multi-conductor system with at least two conductors comprises at least two field sensors. Each field sensor is adapted to measure a magnetic field resulting from a linear combination of the magnetic fields of the individual conductors and to convert it into an electrical signal. A first field sensor is arranged on a first radius in a circle segment around the conductor and a second field sensor is arranged on a second radius in a circle segment around the conductor, wherein the first radius is greater than the second radius. The apparatus further comprises a signal evaluation device which is suitable for determining the current intensity in the current conductor by means of the difference of the signals of the at least two field sensors and by means of at least a first distance of the current conductor to the first field sensor or by means of a second distance of the current conductor to the second field sensor ,

Durch die Zuordnung der Sensorsignale der zwei Feldsensoren in unterschiedlichem Abstand zu dem Stromleiter und durch Bilden der Differenz der Signale, wird der störende Einfluss von Fremdfeldern, insbesondere von homogenen Fremdmagnetfeldern, auf das Ergebnis der Ermittlung der Stromstärke in dem Stromleiter deutlich reduziert. Das Auftrennen der Mehrleitersysteme derart, dass einzelne Stromleiter direkt zugänglich sind, wird vorteilhaft vermieden. Weiterhin kann vorteilhaft eine Messbereichserweiterung erreicht werden. By assigning the sensor signals of the two field sensors at different distances from the conductor and by forming the difference of the signals, the disturbing influence of extraneous fields, in particular of homogeneous external magnetic fields, on the result of determining the current in the conductor is significantly reduced. The separation of the multi-conductor systems such that individual conductors are directly accessible, is advantageously avoided. Furthermore, advantageously, a measuring range extension can be achieved.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind der erste und der zweite Feldsensor auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet. Alle Feldsensoren, das bedeutet sowohl die Feldsensoren auf dem ersten Radius als auch die Feldsensoren auf dem zweiten Radius, sind auf der gemeinsamen Leiterplatte angeordnet und können um das Mehrleitersystem gelegt und fixiert werden. Somit sind die relative Lage und der Abstand der Feldsensoren untereinander und zu dem zu messenden Stromleiter während der Messung konstant. Dies ermöglicht vorteilhaft konstante Messungen. In an advantageous embodiment and development of the invention, the first and the second field sensor are arranged on a common printed circuit board. All field sensors, which means both the field sensors on the first radius and the field sensors on the second radius, are arranged on the common circuit board and can be placed and fixed around the multi-conductor system. Thus, the relative position and the distance of the field sensors to each other and to the current conductor to be measured during the measurement are constant. This advantageously allows constant measurements.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind der erste Feldsensor auf einer ersten Leiterplatte und der zweite Feldsensor auf einer zweiten Leiterplatte angeordnet. Vorteilhaft können so der erste und der zweite Radius unabhängig voneinander gewählt werden. In a further advantageous embodiment and development of the invention, the first field sensor on a first circuit board and the second field sensor are arranged on a second circuit board. Advantageously, the first and the second radius can be selected independently of each other.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die gemeinsame Leiterplatte, die erste und/oder die zweite Leiterplatte als flexible Leiterplatte ausgestaltet. Vorteilhaft kann somit die Leiterplatte mit den Feldsensoren variabel um das Mehrleitersystem gelegt werden. Das Mehrleitersystem kann dabei unterschiedliche Formen haben, insbesondere kreis- oder ovalförmig. Weiterhin müssen der Umfang des Mehrleitersystems und die Länge der ersten und/oder zweiten Leiterplatte nicht genau aufeinander abgestimmt sein. Es ist vorteilhaft ausreichend, wenn die Leiterplatten jeweils teilweise um das Mehrleitersystem herum gelegt werden können. Durch ein Fixieren der flexiblen Leiterplatte um das Mehrleitersystem herum, ist gewährleistet, dass der Abstand der Feldsensoren zu dem jeweiligen einzelnen Stromleiter, der zu messen ist, konstant gehalten wird. Vorteilhaft kann die flexible Leiterplatte sowohl an neuen Mehrleitersystemen, wie auch an bereits verbauten Altanlagen eingebaut werden. Die Fixierung kann beispielsweise durch flexible Klemmen, eine Verschraubung oder durch einen auf Passung gefertigten Adapter erfolgen. In an advantageous embodiment and development of the invention, the common circuit board, the first and / or the second circuit board configured as a flexible circuit board. Advantageously, the printed circuit board with the field sensors can thus be placed variably around the multi-conductor system. The multi-conductor system can have different shapes, in particular circular or oval-shaped. Furthermore, the scope of the multi-conductor system and the length of the first and / or second circuit board need not be exactly matched. It is advantageously sufficient if the circuit boards can each be partially placed around the multi-conductor system. By fixing the flexible circuit board around the multi-conductor system, it is ensured that the distance of the field sensors to the respective individual conductor to be measured is kept constant. Advantageously, the flexible circuit board can be installed both on new multi-conductor systems, as well as already installed old systems. The fixation can be done for example by flexible terminals, a screw or by an adapter made to fit.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Anzahl der Feldsensoren auf einer Leiterplatte gleich oder größer als die Anzahl der Stromleiter. Vorteilhaft ist es dann möglich, für jeden einzelnen Stromleiter des Mehrleitersystems die Stromstärke zu bestimmen. Die Feldsensoren weisen unterschiedliche Abstände zum zu messenden Stromleiter auf. Da das Magnetfeld eines geraden stromdurchflossenen Stromleiters reziprok mit dem Abstand abnimmt, kann dann mit Hilfe einer Linearkombinationen der Magnetfelder der einzelnen Stromleiter auf die Stromstärke in einem bestimmten einzelnen Stromleiter zurückgeschlossen werden. In a further advantageous embodiment and development of the invention, the number of field sensors on a printed circuit board is equal to or greater than the number of current conductors. Advantageously, it is then possible to determine the current intensity for each individual conductor of the multi-conductor system. The field sensors have different distances to the current conductor to be measured. Since the magnetic field of a straight current-carrying conductor decreases reciprocally with the distance, it is then possible with the aid of a linear combination of the magnetic fields of the individual conductors to deduce the current intensity in a specific individual current conductor.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Anzahl der Feldsensoren auf der ersten und zweiten Leiterplatte gleich. Vorteilhafterweise sind dann jeweils ein erster und ein zweiter Feldsensor einander paarweise zugeordnet. Die beiden Sensoren können dann vorteilhaft Signale erzeugen, welche zur Ermittlung des Stromflusses in dem zu messenden Stromleiter herangezogen werden. Die Differenz dieser beiden Signale ermöglicht vorteilhaft, den Einfluss von Fremdfeldern, insbesondere von homogenen Fremdmagnetfeldern, zu minimieren. In a further advantageous embodiment and development of the invention, the number of field sensors on the first and second circuit board is the same. Advantageously, a first and a second field sensor are then assigned to each other in pairs. The two sensors can then advantageously generate signals which are used to determine the current flow in the current conductor to be measured. The difference between these two signals advantageously makes it possible to minimize the influence of extraneous fields, in particular of homogeneous external magnetic fields.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung liegt das Verhältnis des ersten Radius zu dem zweiten Radius in einem Bereich zwischen 1,1 und 3. In diesem Bereich sind die Messsignale des ersten und zweiten Feldsensor einerseits ausreichend unterschiedlich, um Fremdfelder von der Messung ausschließen zu können, und andererseits noch in derselben Größenordnung, um die Stromstärke berechnen zu können. In a further advantageous embodiment and development of the invention, the ratio of the first radius to the second radius is in a range between 1.1 and 3. On the one hand, the measuring signals of the first and second field sensors are sufficiently different in this area to exclude extraneous fields from the measurement and on the other hand still of the same order of magnitude in order to be able to calculate the current intensity.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind der erste Feldsensor und der zweite Feldsensor radial fluchtend, das heißt von einem Mittelpunkt des Mehrleitersystems aus auf einer Linie, angeordnet. Die empfindliche Richtung der Feldsensoren ist dabei im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet. Vorteilhaft kann durch diese Anordnung der Feldsensoren der Einfluss von homogenen Fremdfeldern auf die Ermittlung des Stromflusses in dem Stromleiter weiter minimiert werden. In a further advantageous embodiment and development of the invention, the first field sensor and the second field sensor are radially aligned, that is, arranged from a center of the multi-conductor system on a line. The sensitive direction of the field sensors is aligned substantially parallel to each other. Advantageously, the influence of homogeneous external fields on the determination of the current flow in the current conductor can be further minimized by this arrangement of the field sensors.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens einer der Feldsensoren ein Fluxgate-Sensor oder ein Hall-Sensor. Unter einem Fluxgate-Sensor wird ein Sensor verstanden, welche ein Magnetometer zur vektoriellen Bestimmung eines Magnetfelds darstellt. Der Fluxgate-Sensor wird auch Förstersonde genannt. Mit Fluxgate-Sensoren ist es möglich, Magnetfelder von 0,1 nT bis 5 mT zu messen. Ein Hall-Sensor nutzt vorteilhaft den Halleffekt zur Messung von Magnetfeldern. Vorteilhaft verändert ein Hall-Sensor das zu messende Magnetfeld nicht, da keine magnetisch aktiven Materialien in Hall-Sensoren verbaut werden müssen. In a further advantageous embodiment and development of the invention, at least one of the field sensors is a fluxgate sensor or a Hall sensor. A fluxgate sensor is understood to mean a sensor which represents a magnetometer for the vectorial determination of a magnetic field. The fluxgate sensor is also called a forester probe. With fluxgate sensors it is possible to measure magnetic fields from 0.1 nT to 5 mT. A Hall sensor advantageously uses the Hall effect to measure magnetic fields. Advantageously, a Hall sensor does not change the magnetic field to be measured, since no magnetically active materials have to be installed in Hall sensors.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind der erste und der zweite Feldsensor im Wesentlichen planar zueinander angeordnet. Die erste und die zweite Leiterplatte sind dann auch im Wesentlichen zueinander planar angeordnet. Die empfindliche Richtung der jeweiligen Feldsensoren ist dabei parallel zueinander ausgerichtet. In a further advantageous embodiment and development of the invention, the first and the second field sensor are arranged substantially planar to one another. The first and the second circuit board are then also arranged substantially planar to each other. The sensitive direction of the respective field sensors is aligned parallel to each other.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind die Leiterplatten derart um das Mehrleitersystem angeordnet, dass die Leiterplatten bezüglich ihrer Flächennormalen parallel zur axialen Richtung des Mehrleiterkabels angeordnet ist. Bei dieser Anordnung ist der Abstand des ersten und zweiten Feldsensors zueinander und zum Mittelpunkt des Mehrleitersystems in radialer Richtung konstant. Weiterhin kann der Abstand der Feldsensoren zum Mittelpunkt des Systems leicht über den Umfang ermittelt werden, sodass dieser Abstand bekannt ist. Diese Anordnung kann damit vorteilhaft die notwendige Flexibilität während der Montagephase der Leiterplatte gewährleisten und weiterhin vorteilhaft die räumlich feste radiale Anordnung der Feldsensoren zueinander und zu den zu messenden Stromleitern während der Mess-Phase gewährleisten. In a further advantageous embodiment and development of the invention, the printed circuit boards are arranged around the multi-conductor system such that the printed circuit boards are arranged with respect to their surface normal parallel to the axial direction of the multi-conductor cable. In this arrangement, the distance of the first and second field sensors to each other and to the center of the multi-conductor system in the radial direction is constant. Furthermore, the distance of the field sensors to the center of the system can be easily determined over the circumference, so that this distance is known. This arrangement can thus advantageously ensure the necessary flexibility during the assembly phase of the circuit board and also advantageously the spatially fixed radial Ensure arrangement of the field sensors to each other and to the current conductors to be measured during the measurement phase.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Länge der Leiterplatte derart wählbar, dass das Mehrleitersystem kreissegmentartig wenigstens 180° um das Mehrleitersystem herum angeordnet ist. Vorteilhafterweise kann die Leiterplatte unterschiedliche Mehrleitersysteme mit unterschiedlichen Umfangslängen und Umfangsformen herum angeordnet werden. In a further advantageous embodiment and development of the invention, the length of the circuit board is selected such that the multi-conductor system is arranged in a circle segment at least 180 ° around the multi-conductor system. Advantageously, the circuit board can be arranged different multi-conductor systems with different circumferential lengths and peripheral shapes around.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Signalauswertevorrichtung auf der Leiterplatte angeordnet. Vorteilhaft ist zum Messen der Stromstärke in einem Stromleiter dann lediglich das Anbringen der gesamten Vorrichtung nötig und das zusätzliche Anbringen von Signalauswertevorrichtungen kann vorteilhaft vermieden werden. In a further advantageous embodiment and development of the invention, the signal evaluation device is arranged on the circuit board. Advantageously, to measure the current in a conductor then only the attachment of the entire device is necessary and the additional attachment of Signalauswertevorrichtungen can be advantageously avoided.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Stromstärke eines Stromleiters in einem Mehrleitersystem mittels des Auswertens wenigstens zweier elektrischer Signale aus wenigstens zwei Feldsensoren in einer Signalauswertevorrichtung bestimmt. Aus einem ersten Signal wird eine erste magnetische Feldstärke ermittelt und aus einem zweiten Signal wird eine zweite magnetische Feldstärke ermittelt. Weiterhin ist ein erster Abstand zwischen dem ersten Feldsensor und dem Stromleiter bekannt oder es ist ein zweiter Abstand zwischen dem zweiten Feldsensor und dem Stromleiter bekannt. Unter Verwendung des Gesetzes von Biot-Savart wird dann aus der Differenz der ersten und zweiten magnetischen Feldstärke und aus dem ersten oder dem zweiten Abstand die Stromstärke des Stromleiters ermittelt. In the method according to the invention, a current strength of a current conductor in a multi-conductor system is determined by evaluating at least two electrical signals from at least two field sensors in a signal evaluation device. From a first signal, a first magnetic field strength is determined and from a second signal, a second magnetic field strength is determined. Furthermore, a first distance between the first field sensor and the current conductor is known, or a second distance between the second field sensor and the current conductor is known. Using the law of Biot-Savart, the current strength of the conductor is then determined from the difference between the first and second magnetic field strengths and from the first or the second distance.

Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: Further embodiments and further features of the invention will be explained in more detail with reference to the following figures. Showing:

1 einen Querschnitt einer Messvorrichtung mit Mehrleitersystem; 1 a cross section of a measuring device with multi-conductor system;

2 eine Draufsicht einer Messvorrichtung mit Mehrleitersystem; 2 a plan view of a measuring device with multi-conductor system;

3 ein Mehrleitersystem mit einem zu seiner Flächennormalen parallel zur Achse des Mehrleitersystems laufendem Feldsensorband. 3 a multi-conductor system having a field sensor band running parallel to the axis of the multi-conductor system relative to its surface normal.

1 zeigt eine Messvorrichtung 1 und ein Mehrleiterkabel 14 im Querschnitt. Das Mehrleiterkabel 14 umfasst drei Stromleiter 7. Diese Stromleiter 7 sind in diesem Ausführungsbeispiel symmetrisch um eine gedachte Mitte des Mehrleiterkabels 14 angeordnet. Es ist aber ebenso denkbar, dass die Stromleiter 7 nicht symmetrisch in dem Mehrleiterkabel 14 angeordnet sind. 1 shows a measuring device 1 and a multi-conductor cable 14 in cross section. The multi-conductor cable 14 includes three conductors 7 , This conductor 7 are symmetrical about an imaginary center of the multi-conductor cable in this embodiment 14 arranged. However, it is also conceivable that the current conductors 7 not symmetrical in the multi-conductor cable 14 are arranged.

Um das Mehrleiterkabel 14 ist die Messvorrichtung 1 zum Messen der Stromstärke in wenigstens einem Stromleiter 7 angeordnet. Die Messvorrichtung 1 umfasst eine flexible Leiterplatte 2. Es ist auch möglich (nicht in Figur gezeigt), dass auf der flexiblen Leiterplatte 2, zwei Bänder auf jeweils dem ersten und zweiten Radius angeordnet sind, welche die Feldsensoren umfassen. Auf der flexiblen Leiterplatte 2 in diesem Beispiel sind ein erster Feldsensor 3 in einem ersten Radius R1 und ein zweiter Feldsensor 4 in einem zweiten Radius R2 um die Mitte des Mehrleitersystems 14 herum angeordnet. Der erste Radius R1 beschreibt dabei einen größeren Radius um die Mitte des Mehrleitersystems herum als der zweite Radius R2. To the multi-conductor cable 14 is the measuring device 1 for measuring the current in at least one conductor 7 arranged. The measuring device 1 includes a flexible circuit board 2 , It is also possible (not shown in figure) that on the flexible circuit board 2 , two bands are arranged on each of the first and second radius, which comprise the field sensors. On the flexible circuit board 2 in this example are a first field sensor 3 in a first radius R1 and a second field sensor 4 in a second radius R2 around the center of the multi-conductor system 14 arranged around. The first radius R1 describes a larger radius around the center of the multi-conductor system than the second radius R2.

Auf jedem dieser beiden Radien R1, R2 um die Mitte des Mehrleiterkabels 14 befinden sich wenigstens so viele Feldsensoren 3, 4 wie Stromleiter 7 in dem Mehrleitersystem 14 vorhanden sind. Von der Mitte des Mehrleiterkabels 14 aus gesehen sind der erste und der zweite Feldsensor 3, 4 auf einer Linie 10 fluchtend angeordnet. Das bedeutet auch, dass die empfindliche Richtung 11 der beiden Feldsensoren 3, 4 parallel zueinander angeordnet ist. Ein Sensorpaar 16 zeigt 1. Die empfindliche Richtung 11 der ersten Feldsensoren 3 und der zweiten Feldsensoren 4 ist parallel zum Umfang der flexiblen Leiterplatte 2 angeordnet. Die flexible Leiterplatte 2 ist bezüglich ihrer Flächennormalen 17 parallel zur axialen Richtung des Mehrleitersystems 2 angeordnet. Der erste Radius R1 und der zweite Radius R2 hängen von den Anforderungen an die Isolation, die Geometrie der Leiteranordnung, der Stromstärke und der Art der verwendeten Feldsensoren ab. Der erste Radius R1 der ersten Feldsensoren 3 beträgt in diesem Beispiel R1 = 70mm und der zweite Radius R2 = 54mm. Dadurch, dass die empfindliche Richtung 11 der Feldsensoren parallel angeordnet ist, ist die magnetempfindliche Richtung der Feldsensoren 3, 4 unter dem gleichen Winkel αS zu dem zu messenden Stromleiter 7 angeordnet. Einer der beiden paarweise einander zugeordneten Feldsensoren 3, 4 befindet sich dabei auf dem äußeren Radius R1 mit einem ersten Abstand 5 zum dem Stromleiter 7 und der andere auf einem inneren Radius R2 mit einem zweiten Abstand 6 zu dem Stromleiter 7 des Mehrleitersystems 14. Basierend auf der Felddifferenz zwischen dem inneren und dem äußeren Feldsensor, also dem ersten Feldsensor 3 und dem zweiten Feldsensor 4, des Sensorpaares, und dem ersten Abstand 5 oder dem zweiten Abstand 6 kann der Stromfluss in dem Stromleiter 7 ermittelt werden. On each of these two radii R1, R2 around the middle of the multi-conductor cable 14 There are at least as many field sensors 3 . 4 like current conductors 7 in the multi-conductor system 14 available. From the middle of the multi-conductor cable 14 seen from the first and the second field sensor 3 . 4 on a line 10 arranged in alignment. That also means that the sensitive direction 11 the two field sensors 3 . 4 is arranged parallel to each other. A sensor pair 16 shows 1 , The sensitive direction 11 the first field sensors 3 and the second field sensors 4 is parallel to the circumference of the flexible circuit board 2 arranged. The flexible circuit board 2 is with respect to their surface normals 17 parallel to the axial direction of the multi-conductor system 2 arranged. The first radius R1 and the second radius R2 depend on the requirements of the insulation, the geometry of the conductor arrangement, the current intensity and the type of field sensors used. The first radius R1 of the first field sensors 3 is in this example R1 = 70mm and the second radius R2 = 54mm. By doing that the sensitive direction 11 the field sensors is arranged in parallel, is the magnetic sensitive direction of the field sensors 3 . 4 at the same angle α S to the current conductor to be measured 7 arranged. One of the two paired field sensors 3 . 4 is located on the outer radius R1 with a first distance 5 to the conductor 7 and the other on an inner radius R2 at a second distance 6 to the conductor 7 of the multi-conductor system 14 , Based on the Field difference between the inner and the outer field sensor, ie the first field sensor 3 and the second field sensor 4 , the sensor pair, and the first distance 5 or the second distance 6 can the flow of current in the conductor 7 be determined.

In diesem Beispiel sind den drei zu messenden Stromleitern 7 jeweils sechs Feldsensoren auf dem ersten Radius R1 und sechs Feldsensoren auf dem zweiten Radius R2 angeordnet. Die beiden Feldsensoren 3, 4 sind in diesem Beispiel Fluxgate-Sensoren. Es ist alternativ möglich, Hallsensoren einzusetzen. In this example, the three conductors to be measured 7 in each case six field sensors are arranged on the first radius R1 and six field sensors on the second radius R2. The two field sensors 3 . 4 are in this example fluxgate sensors. It is alternatively possible to use Hall sensors.

Zum Auswerten der Signale der Feldsensoren 3, 4 ist eine Signalauswertevorrichtung 8 elektrisch mit der flexiblen Leiterplatte 2 verbunden. Die Signalauswertevorrichtung 8 ist geeignet, aus wenigstens zwei Signalen von wenigstens zwei Feldsensoren 3, 4 mit zwei unterschiedlichen Radien R1, R2, insbesondere aus einem Feldsensorpaar 16, eine Stromstärke in einem einzelnen Leiter 7 eines Mehrleitersystems 14 zu ermitteln. Durch die Verwendung von zwei konzentrisch ringförmig um den Stromleiter 7 angeordneten Feldsensoren 3, 4 und der parallele Ausrichtung bezüglich der empfindlichen Richtung 11, kann unter Verwendung magnetischer Felddifferenzen der störende Einfluss von Fremdfeldern auf das Ergebnis deutlich verringert werden. For evaluating the signals of the field sensors 3 . 4 is a signal evaluation device 8th electrically with the flexible circuit board 2 connected. The signal evaluation device 8th is suitable, from at least two signals of at least two field sensors 3 . 4 with two different radii R1, R2, in particular from a field sensor pair 16 , a current in a single conductor 7 a multi-conductor system 14 to investigate. By using two concentric rings around the conductor 7 arranged field sensors 3 . 4 and the parallel orientation with respect to the sensitive direction 11 , using magnetic field differences, the disturbing influence of external fields on the result can be significantly reduced.

Die flexible Leiterplatte 2 ist kürzer als der Umfang des Mehrleiterkabels 14, sodass eine erste Öffnung 15 zum Mehrleiterkabel 14 hin frei bleibt. The flexible circuit board 2 is shorter than the circumference of the multi-conductor cable 14 making a first opening 15 to the multi-conductor cable 14 remains free.

Zum Ermitteln der Stromstärke in dem Stromleiter 7, muss wenigstens der erste 5 oder der zweite Abstand 6 bekannt sein. In diesem Beispiel ist die Geometrie des Mehrleiterkabels 14 bekannt, sodass die Abstände des Stromleiters 7 zu den beiden Feldsensoren 3, 4 bekannt sind. Im Falle, dass die Geometrie des Mehrleiterkabels 14 unbekannt ist, können Skalierungsfaktoren ermittelt werden. Zum Ermitteln eines Skalierungsfaktors wird eine definierte Stromstärke durch den Stromleiter 7 geschickt, und anschließend wird mittels des ersten und zweiten Feldsensors 3, 4 das Magnetfeld gemessen. Daraus lassen sich Skalierungsfaktoren berechnen, welche wiederum beim Durchströmen einer unbekannten Stromstärke durch den Stromleiter 7 herangezogen werden können. To determine the current in the conductor 7 , at least the first one has to 5 or the second distance 6 be known. In this example, the geometry of the multi-conductor cable is 14 known, so the distances of the conductor 7 to the two field sensors 3 . 4 are known. In the case of the geometry of the multi-conductor cable 14 is unknown, scaling factors can be determined. To determine a scaling factor, a defined current through the conductor 7 sent, and then by means of the first and second field sensor 3 . 4 measured the magnetic field. From this, it is possible to calculate scaling factors which, in turn, flow through an unknown current through the current conductor 7 can be used.

2 zeigt eine Draufsicht des Mehrleiterkabels 14 und der Messvorrichtung 1. In dieser Ansicht ist gut zu sehen, dass die flexible Leiterplatte 2 mit ihrer Flächennormalen 17 parallel zum stromführenden Stromleiter 7 im Mehrleiterkabel 14 angeordnet ist. Weiterhin ist die Öffnung 15 zu sehen, da die flexible Leiterplatte 2 kürzer ist als der Umfang des Mehrleiterkabels 14. Weiterhin ist die Signalauswertevorrichtung 8 auf der flexiblen Leiterplatte 2 angeordnet. 2 shows a plan view of the multi-conductor cable 14 and the measuring device 1 , In this view is good to see that the flexible circuit board 2 with their surface normals 17 parallel to the current-carrying conductor 7 in the multi-conductor cable 14 is arranged. Furthermore, the opening 15 to see, because the flexible circuit board 2 shorter than the circumference of the multi-conductor cable 14 , Furthermore, the signal evaluation device 8th on the flexible circuit board 2 arranged.

Das Ermitteln der Stromstärke erfolgt basierend auf dem Gesetz von Biot-Savart:

Figure DE102016217168A1_0002
The determination of the current strength is based on the law of Biot-Savart:
Figure DE102016217168A1_0002

Das Gesetz von Bio-Savart sagt aus, das ein Stromleiter der infinitesimalen Länge dl am Ort r´, der von einem Strom I durchflossen wird an einem Ort r die magnetische Feldstärke dH aufweist. The law of Bio-Savart states that a current conductor of infinitesimal length dl at location r ', which is traversed by a current I at a location r has the magnetic field strength dH.

Nach Gleichung 2 bis 7 können dann eine Anzahl M Ströme aus einer Anzahl von N Sensorsignalen mittels der Methode der kleinsten Quadrate ermittelt werden. Dabei ist Hμ1 die magnetische Feldstärke, die vom ersten Feldsensor 3, in den Formeln µ1, an der Stelle (xμ1yμ1) gemessen wird. Hμ2 ist die magnetische Feldstärke, die vom zweiten Feldsensor 4, in den Formeln mit µ2 bezeichnet, an der Stelle (xμ2yμ2) gemessen wird. Iϑ ist der Strom an der Stelle (xϑyϑ), also in dem Stromleiter 7.

Figure DE102016217168A1_0003
Figure DE102016217168A1_0004
According to Equations 2 to 7, a number M of currents from a number of N sensor signals can then be determined by means of the least squares method. H μ1 is the magnetic field strength of the first field sensor 3 , in the formulas μ1, at the position (x μ1 y μ1 ) is measured. H μ2 is the magnetic field strength of the second field sensor 4 , denoted by μ2 in the formulas, is measured at the position (x μ2 y μ2 ). I θ is the current at the point (x θ y θ ), ie in the current conductor 7 ,
Figure DE102016217168A1_0003
Figure DE102016217168A1_0004

Der Winkel αSµ1 ist der Winkel zischen der magnetischen Feld empfindlichen Richtung des Sensors µ1 und der x-Achse des Koordinatensystems 9 in 1. Der Winkel αSµ2 ist der Winkel zischen der magnetischen Feld empfindlichen Richtung des Sensors µ2 und der X-Achse Das Koordinatensystem 9 bezieht sich auf Gleichungen 2 bis 7. The angle α Sμ1 is the angle hiss of the magnetic field sensitive direction of the sensor μ1 and the x-axis of the coordinate system 9 in 1 , The angle α Sμ2 is the angle hiss of the magnetic field sensitive direction of the sensor μ2 and the X axis The coordinate system 9 refers to equations 2 through 7.

3 zeigt ein Mehrleitersystem 14 mit einer Messvorrichtung 1, wobei die ersten Feldsensoren 3 auf einem ersten Band 12 und die zweiten Feldsensoren 4 auf einem zweiten Band 13 mit ihrer Flächennormalen 17 parallel zur axialen Richtung des Mehrleitersystems 14 angeordnet sind. Das erste Band 12 und das zweite Band 13 sind fest miteinander verbunden, so dass die räumlich feste radiale Anordnung der Feldsensoren 3, 4 um den Stromleiter 7 während der Betriebs- bzw. Messphase gewährleistet werden kann. Das flexible Bandsystem, umfassend das erste und zweite Band 12, 13 hat vorteilhaft wenigstens die eine Öffnung 15, damit die mechanische Flexibilität während der Montage der Messvorrichtung 1 gewährleistet werden kann. 3 shows a multi-conductor system 14 with a measuring device 1 , wherein the first field sensors 3 on a first volume 12 and the second field sensors 4 on a second volume 13 with their surface normals 17 parallel to the axial direction of the multi-conductor system 14 are arranged. The first volume 12 and the second volume 13 are firmly connected, so that the spatially fixed radial arrangement of the field sensors 3 . 4 around the conductor 7 during the operating or measuring phase can be guaranteed. The flexible tape system comprising the first and second tape 12 . 13 advantageously has at least one opening 15 , so that the mechanical flexibility during assembly of the measuring device 1 can be guaranteed.

Sowohl das Montieren des ersten und zweiten Bands 12, 13 als auch das Montieren der einen flexiblen Leiterplatte 2 ermöglicht ein einfaches Nachrüsten an bestehenden Anlagen mit der Messvorrichtung 1 ohne größere Modifikationen oder es ermöglicht temporäre Messungen, insbesondere bei der Inbetriebnahme einer Anlage. Both the mounting of the first and second bands 12 . 13 as well as mounting the one flexible circuit board 2 enables easy retrofitting to existing systems with the measuring device 1 without major modifications or it allows temporary measurements, especially when commissioning a system.

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Claims (15)

Vorrichtung (1) zum Messen einer Stromstärke in einem Stromleiter (7) eines Mehrleitersystems (14) mit wenigstens zwei Stromleitern (7) umfassend: – wenigstens zwei Feldsensoren (3, 4), wobei jeder Feldsensor (3, 4) geeignet ist, ein Magnetfeld resultierend aus einer Linearkombination der Magnetfelder der einzelnen Stromleiter (7) zu messen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln, – wobei ein erster Feldsensor (3) auf einem ersten Radius (R1) kreissegmentartig um den Stromleiter (7) angeordnet ist und ein zweiter Feldsensor (4) auf einem zweiten Radius (R2) kreissegmentartig um den Stromleiter (7) angeordnet ist, und der erste Radius (R1) größer als der zweite Radius (R2) ist, – eine Signalauswertevorrichtung (8), welche geeignet ist, die Stromstärke in dem Stromleiter (7) mittels der Differenz der Signale der wenigstens zwei Feldsensoren (3, 4) und mittels wenigstens eines ersten Abstands (5) des ersten Feldsensors (3) zu dem Stromleiter (7) oder eines zweiten Abstands (6) des Stromleiters (7) zu dem zweiten Feldsensor (4) zu ermitteln. Contraption ( 1 ) for measuring a current in a conductor ( 7 ) of a multi-conductor system ( 14 ) with at least two conductors ( 7 ) comprising: - at least two field sensors ( 3 . 4 ), each field sensor ( 3 . 4 ) is suitable, a magnetic field resulting from a linear combination of the magnetic fields of the individual conductors ( 7 ) and to convert it into an electrical signal, - wherein a first field sensor ( 3 ) on a first radius (R1) like a circle around the conductor ( 7 ) and a second field sensor ( 4 ) on a second radius (R2) like a circle around the conductor ( 7 ), and the first radius (R1) is greater than the second radius (R2), - a signal evaluation device ( 8th ), which is suitable, the current in the conductor ( 7 ) by means of the difference of the signals of the at least two field sensors ( 3 . 4 ) and by means of at least a first distance ( 5 ) of the first field sensor ( 3 ) to the conductor ( 7 ) or a second distance ( 6 ) of the conductor ( 7 ) to the second field sensor ( 4 ) to investigate. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Feldsensor (3, 4) auf einer gemeinsamen Leiterplatte (2) angeordnet sind. Contraption ( 1 ) according to claim 1, wherein the first and second field sensors ( 3 . 4 ) on a common printed circuit board ( 2 ) are arranged. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der erste Feldsensor (3) auf einer ersten Leiterplatte und der zweite Feldsensor (4) auf einer zweiten Leiterplatte angeordnet ist. Contraption ( 1 ) according to claim 1, wherein the first field sensor ( 3 ) on a first circuit board and the second field sensor ( 4 ) is arranged on a second circuit board. Vorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Leiterplatte als flexible Leiterplatte ausgestaltet ist. Contraption ( 1 ) according to claim 2 or 3, wherein the circuit board is designed as a flexible circuit board. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Feldsensoren (3, 4) auf dem ersten Radius (R1) und auf dem zweiten Radius (R2) jeweils gleich oder größer als die Anzahl der Stromleiter (7) ist. Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the number of field sensors ( 3 . 4 ) on the first radius (R1) and on the second radius (R2) in each case equal to or greater than the number of current conductors ( 7 ). Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Feldsensoren (3, 4) auf dem ersten und zweiten Radius (R1, R2) gleich ist. Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the number of field sensors ( 3 . 4 ) on the first and second radius (R1, R2) is the same. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die empfindliche Richtung (11) des ersten und zweiten Feldsensors (3, 4) parallel zueinander ausgerichtet ist. Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the sensitive direction ( 11 ) of the first and second field sensors ( 3 . 4 ) is aligned parallel to each other. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis des ersten Radius (R1) zu dem zweiten Radius (R2) in einem Bereich zwischen 1,1 und 3 liegt. Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the ratio of the first radius (R1) to the second radius (R2) is in a range between 1.1 and 3. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Feldsensor (3) und der zweite Feldsensor (4) radial fluchtend (10) zueinander angeordnet sind. Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the first field sensor ( 3 ) and the second field sensor ( 4 ) radially aligned ( 10 ) are arranged to each other. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste (3) und der zweite Feldsensor (4) im Wesentlichen planar zueinander angeordnet sind. Contraption ( 1 ) according to any one of the preceding claims, wherein the first ( 3 ) and the second field sensor ( 4 ) are arranged substantially planar to each other. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens einer der Feldsensoren (3, 4) ein Fluxgate-Sensor oder ein Hall-Sensor Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein at least one of the field sensors ( 3 . 4 ) a fluxgate sensor or a Hall sensor Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die Leiterplatte (2) derart um das Mehrleitersystem (2) angeordnet ist, dass die Leiterplatte (2) bezüglich ihrer Flächennormalen (16) parallel zur axialen Richtung des Mehrleitersystems (2) angeordnet ist. Contraption ( 1 ) according to one of claims 2 to 11, wherein the printed circuit board ( 2 ) in such a way around the multi-conductor system ( 2 ) is arranged that the circuit board ( 2 ) with respect to their surface normals ( 16 ) parallel to the axial direction of the multi-conductor system ( 2 ) is arranged. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei eine Länge der Leiterplatte (2) derart wählbar ist, dass das Mehrleitersystem (14) kreissegmentartig wenigstens 180° um das Mehrleitersystem (14) herum angeordnet ist. Contraption ( 1 ) according to one of claims 2 to 12, wherein a length of the printed circuit board ( 2 ) is selectable such that the multi-conductor system ( 14 ) at least 180 ° around the multi-conductor system ( 14 ) is arranged around. Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 13, wobei die Signalauswertevorrichtung (8) auf der Leiterplatte (2) angeordnet ist. Contraption ( 1 ) according to one of claims 2 to 13, wherein the signal evaluation device ( 8th ) on the printed circuit board ( 2 ) is arranged. Verfahren zum Auswerten wenigstens zweier elektrischer Signale aus wenigstens zwei Feldsensoren (3, 4) in einer Signalauswertevorrichtung (8) zum Bestimmen einer Stromstärke eines Stromleiters (7) in einem Mehrleitersystem (14), wobei die Feldsensoren auf zwei unterschiedlichen Radien (R1, R2) um die Mitte des Mehrleitersystems (14) angeordnet sind, und: – aus einem ersten Signal eine erste magnetische Feldstärke (H1) und aus einem zweiten Signal eine zweite magnetische Feldstärke (H2) ermittelt wird und – unter Verwendung des Gesetzes von Biot-Savart aus der Differenz der ersten und zweiten magnetischen Feldstärke (H1, H2) und aus einem ersten Abstand (5) zwischen dem ersten Feldsensor (3) und dem Stromleiter (7) oder aus einem zweiten Abstand (6) zwischen dem zweiten Feldsensor und dem Stromleiter (3) die Stromstärke des Stromleiters (3) ermittelt wird. Method for evaluating at least two electrical signals from at least two field sensors ( 3 . 4 ) in a signal evaluation device ( 8th ) for determining a current strength of a conductor ( 7 ) in a multi-conductor system ( 14 ), wherein the field sensors on two different radii (R1, R2) around the middle of the multi-conductor system ( 14 ), and: - a first magnetic field strength of a first signal (H 1) and a second magnetic field strength of a second signal (H 2) is determined and - (using the law of Biot-Savart the difference between the first and second magnetic field strength H 1 , H 2 ) and from a first distance ( 5 ) between the first field sensor ( 3 ) and the conductor ( 7 ) or from a second distance ( 6 ) between the second field sensor and the conductor ( 3 ) the current of the conductor ( 3 ) is determined.
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