EP3069150A1 - Vorrichtung, anordnung und verfahren zur messung einer stromstärke in einem stromdurchflossenen primärleiter - Google Patents

Vorrichtung, anordnung und verfahren zur messung einer stromstärke in einem stromdurchflossenen primärleiter

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EP3069150A1
EP3069150A1 EP14793072.1A EP14793072A EP3069150A1 EP 3069150 A1 EP3069150 A1 EP 3069150A1 EP 14793072 A EP14793072 A EP 14793072A EP 3069150 A1 EP3069150 A1 EP 3069150A1
Authority
EP
European Patent Office
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magnetic field
current
primary
primary conductor
sensitive element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14793072.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Ostrick
Carsten DEHOFF
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TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP3069150A1 publication Critical patent/EP3069150A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G01R15/207—Constructional details independent of the type of device used
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0092—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof measuring current only

Definitions

  • Resistive, inductive and magnetic solutions are known. Resistive solutions are characterized by a large measuring range combined with a high measuring range
  • Rogowski coils or current transformers, and thus are only capable of ac current without complex integrating circuit.
  • Magnetic current sensors measure the strength of a magnetic field generated by a current-carrying conductor.
  • AMR sensors As a magnetic field probes in particular Hall sensors, AMR sensors (AMR, "anisotropic magnetoresistance" or
  • Fluxgate probes are used.
  • ferromagnetic cores are usually used, but due to their hysteresis, they are used in so-called open-loop circuits. Procedure to limit the measurement accuracy at low currents because of the residual magnetization in the material.
  • closed-loop methods the magnetic probe is used to keep the magnetization in the core at zero by means of a control loop and an additional coil around the core.
  • field strength-sensitive AMR or GMR elements would be in an open-loop setup only a measurement in a restricted current range possible because the sensors do not have a large dynamic range due to the saturation of the elements.
  • Embodiments an apparatus for measuring a
  • Amperage to specify in a current-carrying primary conductor which is characterized by a high current measurement accuracy over a wide measuring range. Further objects of at least some embodiments are to specify an arrangement and a method for measuring a current intensity
  • a device for measuring a current intensity in a current-carrying primary conductor according to at least one
  • Embodiment comprises a magnetic field generating element that generates a reference magnetic field, and a magnetic field angle sensitive element.
  • the magnetic field angle-sensitive Element measures the orientation of a total magnetic field in space, which is created by a superimposition of the reference magnetic field and a primary magnetic field, which is generated by the current-carrying primary conductor.
  • the primary magnetic field and the reference magnetic field are at the location of
  • the current of the current flowing through the primary conductor current can be determined.
  • the magnetic field angle-sensitive element which
  • the magnetic field angle-sensitive element is not for measuring the amount of magnetic field strength or
  • the magnetic field-giving element is preferably arranged so that at the place of the
  • Magnetic field angle-sensitive element, the primary magnetic field and the reference magnetic field are at an angle to each other, so that the magnetic field angle-sensitive element measures the orientation of the total magnetic field resulting from the
  • Reference magnetic field results. If the magnitude of the reference magnetic field is known, the measured field angle is a measure of the field strength of the field
  • magnetic angle measurements are made possible with very high accuracy, so that the device has a high current measuring accuracy over a wide measuring range.
  • Magnetic field angle sensitive element on at least two Hall elements According to a particularly preferred
  • the magnetic field angle sensitive element exactly two Hall elements. Furthermore, it is possible that the magnetic field angle-sensitive element consists of two Hall elements.
  • the two Hall elements each have a sensor axis, wherein the two Hall elements in a plane and with their sensor axes
  • Magnetic field angle-sensitive element may also comprise three Hall elements, which are each arranged with their sensor axes orthogonal to each other. According to a further embodiment, the
  • Magnetic field angle-sensitive element comprises one or more AMR bridges (AMR, "anisotropic magnetoresistance") or consists of one or more AMR bridges
  • AMR anisotropic magnetoresistance
  • the AMR bridge may comprise a plurality of AMR strips which may form resistors of one or more Wheatstone bridges.
  • Magnetic field angle-sensitive element comprises or consists of one or more GMR bridges (GMR, giant magnetoresistance) and / or one or more TMR bridges (TMR, tunnel magnetoresistance).
  • GMR GMR
  • TMR tunnel magnetoresistance
  • the magnetic field angle sensitive element can consist of one or more spin valve GMR bridges and / or one or more spin valve TMR bridges.
  • the magnetic field element on a permanent magnet.
  • the permanent magnet may have a rod shape, ring shape or other geometric shape as required. It is also possible that the magnetic field-generating element consists of a permanent magnet.
  • the magnetic field element on a coil or consists of a coil For example, the magnetic field angle sensitive element within the magnetic field generating element,
  • the primary and reference magnetic field at the location of the magnetic field-sensitive element are not parallel to each other.
  • the primary and reference magnetic field at the location of the magnetic field-sensitive element are not parallel to each other.
  • Primary magnetic field at maximum current I max corresponds and is arranged in its direction perpendicular to the primary magnetic field. This is the angle range to be measured for
  • Amperage in a current-carrying primary conductor has a number of advantages. Such are, for example
  • the device has a hard magnetic element which at least partially surrounds the primary conductor and / or the magnetic field-giving element.
  • the hard magnetic element may be, for example, a magnetic core of a hard magnetic material and serves the magnetic shield of the
  • the hard magnetic element is formed as a ring core opened by an air gap.
  • the toroidal encloses the
  • the magnetic field angle-sensitive element can be arranged for example in the air gap of the open toroidal core.
  • this encloses
  • Hard magnetic element, the magnetic field-giving element and the magnetic field angle-sensitive element for shielding external magnetic fields at least partially.
  • the hard magnetic element may be U-shaped and arranged in such a way to the primary conductor that the hard magnetic element and the primary conductor completely enclose the magnetic field-generating element and the magnetic field angle-sensitive element.
  • the device comprises a device having one or more features of the aforementioned embodiments and is arranged to a current-carrying primary conductor, that of a determination of the orientation of the total magnetic field in space, which a superposition of a through the
  • a measurement of the current of the current flowing through the primary conductor current takes place. Furthermore, a method for measuring a current in a current-carrying primary conductor is specified. In this case, for example, a device with one or more
  • Apparatus for measuring a current as well as the method for measuring the current.
  • a device having a magnetic field generating element generating a reference magnetic field and a magnetic field angle sensitive element is provided.
  • the device is arranged in such a way to the primary conductor, that the magnetic field angle-sensitive element, the orientation of a total magnetic field by a
  • Superposition of the primary magnetic field and reference magnetic field is generated, measures in space. Preferably, this is the
  • the field strength of the reference magnetic field is selected from the amount such that it corresponds to the field strength of the primary magnetic field at maximum current
  • Figure 1 is a schematic view of an apparatus for
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a device for measuring a current intensity according to a further exemplary embodiment
  • Figures 3 and 4 are schematic views of an apparatus for measuring a current in one
  • FIG. 5 shows a method for measuring a current intensity in FIG
  • FIG. 1 shows a schematic view of a device 100 for measuring a current intensity in accordance with FIG. 1
  • the device 100 includes
  • Magnetfeldstagedes element 2 which is a schematic
  • Magnetic element 2 is formed in this embodiment as a coil 5.
  • the coil 5 is formed in this embodiment as a coil 5.
  • magnetic field element 2 for example, as
  • the device 100 further comprises a magnetic field angle sensitive element 3.
  • the magnetic field angle sensitive element 3 is shown in FIG.
  • Embodiment arranged within the coil 5.
  • a current I P flows in the current direction 9 denoted by the reference numeral 9 and which thereby generates a schematically indicated primary magnetic field 10
  • the Device 100 is arranged such that the primary magnetic field 10 and the reference magnetic field 20 at the location of the magnetic field sensitive element 3 are not parallel to each other.
  • the magnetic field angle-sensitive element 3 measures the orientation of a total magnetic field caused by a superposition of the primary magnetic field 10 and the reference magnetic field 20
  • the field angle of the total magnetic field measured by means of the magnetic field angle-sensitive element 3 is a measure of the field strength of the primary magnetic field 10 and thus of the current flowing through the primary conductor 1
  • the device has a galvanically separated structure and is suitable for the measurement of alternating and direct current. It is characterized in particular by a high
  • Figure 2 shows a schematic sectional view of a
  • the magnetic field generating element 2 is designed as a coil 5.
  • the magnetic field angle-sensitive element 3 has in this embodiment, two Hall elements 4, which are arranged within the coil 5.
  • the Hall elements 4 each have a sensor axis 41, which are arranged orthogonal to each other. Furthermore, it is possible that for each sensor axis 41 a plurality of parallel to each other
  • arranged Hall elements 4 are provided and that the measurement signals of these Hall elements 4 are averaged.
  • the magnetic field angle sensitive element 3 may also comprise or consist of an AMR bridge, a GMR bridge, a TMR bridge, a spin valve GMR bridge and / or a spin valve TMR bridge.
  • FIG. 3 shows a device 100 for measuring a
  • the device 100 comprises a magnetic field generating element 2, which generates a reference magnetic field 20, a magnetic field angle sensitive element 3, which is designed as a coil, and a hard magnetic element 6, which encloses the primary conductor 1.
  • the hard magnetic element 6 is as
  • Toroidal core 7 is formed, which has an air gap 8, in which the magnetic field generating element 2 and the
  • Magnetic field angle-sensitive element 3 are arranged.
  • the hard magnetic element 7 serves to shield external magnetic fields. By the hard magnetic element 6 can be achieved that magnetic fields on the
  • Magnetic field angle sensitive element 3 and / or the
  • magnetic field generating element 2 would act, at least
  • FIG. 4 shows a device 100 for measuring a
  • a current-carrying primary conductor 1 which has a magnetic field-generating element 2, a magnetic field angle sensitive element 3 and a hard magnetic element 6.
  • the hard magnetic element 6 is U-shaped
  • the hard magnetic element 6 is arranged on the primary conductor 1 such that the exposed ends of the opposing legs of the hard magnetic
  • Elements 6 are arranged directly adjacent to the primary conductor 1, and that the magnetic field generating element 2 and the Magnetic field angle sensitive element 3 within this
  • FIG. 5 shows a method for measuring a current intensity in a primary conductor 1 through which current flows according to a
  • Embodiment It will be in a first
  • Process step A is a current-carrying primary conductor 1, which generates a primary magnetic field 10, and a device 100, the magnetic field-generating element 2 and a
  • step B the device 100 becomes the primary conductor 1
  • Reference magnetic field 20 is created, measures in space.
  • the primary magnetic field 10 and the reference magnetic field 20 are not parallel to one another at the location of the magnetic field-sensitive element 3.
  • the current intensity of the current flowing through the primary conductor 1 is determined from the orientation of the total magnetic field in the room.
  • Embodiments limited to these, but includes each new feature and any combination of features. This includes in particular any combination of features in the claims, even if this feature or these

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung (100) zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter (1), der ein Primärmagnetfeld (10) erzeugt,angegeben.Die Vorrichtung (100)umfasst ein magnetfeldgebendes Element (2), das ein Referenzmagnetfeld (20) erzeugt, und ein Magnetfeldwinkel- sensitives Element (3), das die Ausrichtung eines Gesamtmagnetfeldes im Raum misst,welchesdurch eine Überlagerung des Primärmagnetfeldes (10) und des Referenzmagnetfeldes (20) entsteht. Das Primärmagnetfeld (10) und das Referenzmagnetfeld (20) sind am Ort des Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements (3) nicht parallel zueinander.Aus der Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes im Raum ist die Stromstärke des durch den Primärleiter (1) fließenden Stroms ermittelbar.Weiterhin werden eine Anordnung einer Vorrichtung (100) zur Messung einer Stromstärke sowieein Verfahrenzur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter (1) angegeben.

Description

Beschreibung
Vorrichtung, Anordnung und Verfahren zur Messung einer
Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter
Es wird eine Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter angegeben. Weiterhin werden eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Messung einer Stromstärke angegeben.
Zur Strommessung sind resistive, induktive und magnetische Lösungen bekannt. Resistive Lösungen zeichnen sich durch einen großen Messbereich kombiniert mit einer hohen
Messgenauigkeit bei kleinen Strömen aus, können aber nur durch eine aufwändige Signalverarbeitung galvanisch getrennt werden und stören unter Umständen aufgrund eines
Spannungsabfalls bei Spitzenlasten. Induktive Verfahren nutzen das Induktionsgesetz aus, beispielsweise in
sogenannten Rogowskispulen oder Stromtransformatoren, und sind somit ohne aufwändige integrierende Schaltung nur wechselstromfähig. Bei magnetischen Stromsensoren wird die Stärke eines von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugten Magnetfeldes gemessen. Diese Lösungen sind somit
Wechselstrom- und gleichstromfähig.
Als magnetische Feldsonden kommen insbesondere Hallsensoren, AMR-Sensoren (AMR, „anisotropic magnetoresistance" bzw.
„anisotroper Magnetowiderstand") , GMR-Sensoren (GMR, „giant magnetoresistance" bzw. „Riesenmagnetowiderstand" ) und
Fluxgate-Sonden zum Einsatz. Zur Verstärkung des magnetischen Feldes am Messort und zur Abschirmung von externen Feldern werden dabei in der Regel ferromagnetische Kerne eingesetzt, die aber aufgrund ihrer Hysterese bei sogenannten Open-Loop- Verfahren die Messgenauigkeit bei kleinen Strömen wegen der Restmagnetisierung im Material begrenzen. In sogenannten Closed-Loop-Verfahren wird die Magnetsonde dazu verwendet, mittels eines Regelkreises und einer zusätzlichen Spule um den Kern die Magnetisierung im Kern auf null zu halten.
Dadurch verbessert sich die Messgenauigkeit bei kleinen
Strömen. Bei der Verwendung von empfindlichen
feldstärkesensitiven AMR- oder GMR-Elementen wäre in einem Open-Loop-Aufbau nur eine Messung in einem eingeschränkten Strombereich möglich, da die Sensoren aufgrund der Sättigung der Elemente nicht über einen großen dynamischen Bereich verfügen .
Es ist eine zu lösende Aufgabe zumindest einiger
Ausführungsformen, eine Vorrichtung zur Messung einer
Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter anzugeben, welche sich durch eine hohe Strommessgenauigkeit über einen weiten Messbereich auszeichnet. Weitere Aufgaben zumindest einiger Ausführungsformen sind es, eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Messung einer Stromstärke anzugeben
Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand, eine Anordnung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Gegenstände gehen weiterhin aus den abhängigen
Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor.
Eine Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter gemäß zumindest einer
Ausführungsform weist ein magnetfeldgebendes Element, das ein Referenzmagnetfeld erzeugt, und ein Magnetfeldwinkel- sensitives Element auf. Das Magnetfeldwinkel-sensitive Element misst die Ausrichtung eines Gesamtmagnetfeldes im Raum, das durch eine Überlagerung des Referenzmagnetfeldes und eines Primärmagnetfeldes, das vom stromdurchflossenen Primärleiter erzeugt wird, entsteht. Vorzugsweise sind das Primärmagnetfeld und das Referenzmagnetfeld am Ort des
Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements nicht parallel
zueinander. In anderen Worten sind die magnetischen
Feldlinien des Primärmagnetfeldes an der Position des
Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements vorzugsweise nicht parallel zu den magnetischen Feldlinien des
Referenzmagnetfeldes. Aus der Ausrichtung des
Gesamtmagnetfeldes im Raum ist die Stromstärke des durch den Primärleiter fließenden Stroms ermittelbar. Insbesondere kann das Magnetfeldwinkel-sensitive Element, welches
beispielsweise mit einer Auswertevorrichtung verbunden sein kann, die Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes im Raum messen, wodurch sich die Stromstärke des durch den Primärleiter fließenden Stroms bestimmen lässt. Das Magnetfeldwinkel-sensitive Element ist dabei nicht zur Messung des Betrages der magnetischen Feldstärke oder
Flussdichte, sondern zur Messung der Richtung der
magnetischen Feldstärke und/oder Flussdichte des
Gesamtmagnetfeldes ausgelegt. Das magnetfeldgebende Element ist dabei vorzugsweise so angeordnet, dass am Ort des
Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements das Primärmagnetfeld und das Referenzmagnetfeld in einem Winkel zueinander stehen, sodass das Magnetfeldwinkel-sensitive Element die Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes misst, welches sich aus der
Überlagerung des Primärmagnetfeldes und des
Referenzmagnetfeldes ergibt. Ist der Betrag des Referenzmagnetfeldes bekannt, so ist der gemessene Feldwinkel ein Maß für die Feldstärke des
Primärmagnetfeldes und somit für den durch den
stromdurchflossenen Primärleiter fließenden Strom.
Vorteilhafterweise werden magnetische Winkelmessungen mit sehr hoher Genauigkeit ermöglicht, so dass die Vorrichtung eine hohe Strommessgenauigkeit über einen weiten Messbereich aufweist. Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen
Vorrichtung ergibt sich daraus, dass der Messbereich der
Vorrichtung in einfacher Art und Weise durch ein Ändern der Feldstärke des vom magnetfeldgebenden Element erzeugten Referenzmagnetfeldes an die gestellten Anforderungen
angepasst werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das
Magnetfeldwinkel-sensitive Element zumindest zwei Hall- Elemente auf. Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform weist das Magnetfeldwinkel-sensitive Element genau zwei Hall-Elemente auf. Weiterhin ist es möglich, dass das Magnetfeldwinkel-sensitive Element aus zwei Hall- Elementen besteht. Vorteilhafterweise weisen die zwei Hall- Elemente jeweils eine Sensorachse auf, wobei die zwei Hall- Elemente in einer Ebene und mit ihren Sensorachsen
rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Das
Magnetfeldwinkel-sensitive Element kann auch drei Hall- Elemente umfassen, welche mit ihren Sensorachsen jeweils orthogonal zueinander angeordnet sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das
Magnetfeldwinkel-sensitive Element eine oder mehrere AMR- Brücken (AMR, „anisotropic magnetoresistance" ) auf oder besteht aus einer oder mehreren AMR-Brücken. Beispielsweise kann die AMR-Brücke eine Vielzahl von AMR-Streifen umfassen, welche Widerstände einer oder mehrerer Wheatstone-Brücken bilden können. Weiterhin ist es möglich, dass das
Magnetfeldwinkel-sensitive Element eine oder mehrere GMR- Brücken (GMR, „giant magnetoresistance" ) und/oder eine oder mehrere TMR-Brücken (TMR, „tunnel magnetoresistance" ) aufweist oder daraus besteht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das
Magnetfeldwinkel-sensitive Element eine oder mehrere
Spinventil-GMR-Brücken und/oder eine oder mehrere Spinventil- TMR-Brücken auf. Weiterhin kann das Magnetfeldwinkel- sensitive Element aus einer oder mehreren Spinventil-GMR- Brücken und/oder aus einer oder mehreren Spinventil-TMR- Brücken bestehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das
magnetfeldgebende Element einen Permanentmagneten auf. Der Permanentmagnet kann je nach Anforderung eine Stabform, Ringform oder eine andere geometrische Form aufweisen. Es ist auch möglich, dass das magnetfeldgebende Element aus einem Permanentmagneten besteht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das
magnetfeldgebende Element eine Spule auf oder besteht aus einer Spule. Zum Beispiel kann das Magnetfeldwinkel-sensitive Element innerhalb des magnetfeldgebenden Elements,
beispielsweise innerhalb der Spule, angeordnet sein. Damit kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass Primär- und Referenzmagnetfeld am Ort des Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements nicht parallel zueinander sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das
Referenzmagnetfeld so gewählt, dass es im Betrag dem
Primärmagnetfeld bei Maximalstrom Imax entspricht und in seiner Richtung senkrecht zum Primärmagnetfeld angeordnet ist. Dadurch liegt der zu messende Winkelbereich für
Primärströme zwischen I = -Imax und I = Imax zwischen -45° bis 45.
Die hier beschriebene Vorrichtung zur Messung einer
Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter weist eine Reihe von Vorteilen auf. So sind beispielsweise
Winkelmessungen mit modernen Spinventil basierten,
magnetoresistiven Brücken auf 0,1° Winkelgenauigkeit möglich. Somit kann der Strom, unter Vernachlässigung anderer
Störgrößen, mit einer Messungenauigkeit von unter
0,25 % ' Imax gemessen werden. Die beschriebene Vorrichtung zeichnet sich insbesondere durch die Nutzung der hohen
Genauigkeit von Magnetwinkelmessungen zur Strommessung aus. Weiterhin erfolgt vorteilhafterweise eine Erhöhung des dynamischen Bereichs insbesondere bei Verwendung von AMR-, GMR- oder TMR-Magnetfeldwinkel-sensitiven Elementen. Darüber hinaus ist eine Umschaltung des Messbereichs durch eine
Variation des magnetfeldgebenden Elements möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung ein hartmagnetisches Element auf, das den Primärleiter und/oder das magnetfeldgebende Element zumindest teilweise umschließt. Das hartmagnetische Element kann beispielsweise ein magnetischer Kern aus einem hartmagnetischen Material sein und dient der magnetischen Abschirmung des
Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements. Durch die magnetische Abschirmung kann erreicht werden, dass Magnetfelder, die auf das Magnetfeldwinkel-sensitive Element und/oder das magnetfeldgebende Element wirken würden, zumindest teilweise abgeschirmt beziehungsweise zumindest abgeschwächt werden können . Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das hartmagnetische Element als ein durch ein Luftspalt geöffneter Ringkern ausgebildet. Vorzugsweise umschließt der Ringkern den
Primärleiter zumindest teilweise. Das Magnetfeldwinkel- sensitive Element kann beispielsweise im Luftspalt des geöffneten Ringkerns angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umschließt das
hartmagnetische Element das magnetfeldgebende Element und das Magnetfeldwinkel-sensitive Element zur Abschirmung äußerer Magnetfelder zumindest teilweise. Beispielsweise kann das hartmagnetische Element U-förmig ausgebildet sein und derart zum Primärleiter angeordnet sein, dass das hartmagnetische Element und der Primärleiter das magnetfeldgebende Element und das Magnetfeldwinkel-sensitive Element vollständig umschließen.
Es wird des Weiteren eine Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke angegeben, wobei die Vorrichtung eine Vorrichtung mit einem oder mehreren Merkmalen der vorgenannten Ausführungsformen umfasst und derart zu einem stromdurchflossenen Primärleiter angeordnet wird, dass aus einer Ermittlung der Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes im Raum, welches durch eine Überlagerung eines durch den
Primärleiter erzeugten Primärmagnetfeldes mit einem
Referenzmagnetfeld entsteht, eine Messung der Stromstärke des durch den Primärleiter fließenden Stroms erfolgt. Weiterhin wird ein Verfahren zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter angegeben. Dabei kann beispielsweise eine Vorrichtung mit einem oder mehreren
Merkmalen der vorgenannten Ausführungsformen zum Einsatz kommen. Die vorher und im Folgenden beschriebenen
Ausführungsformen gelten somit gleichermaßen für die
Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke wie auch für das Verfahren zur Messung der Stromstärke.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein
stromdurchflossener Primärleiter, der ein Primärmagnetfeld erzeugt, bereitgestellt. Weiterhin wird eine Vorrichtung, die ein Referenzmagnetfeld erzeugendes magnetfeldgebendes Element sowie ein Magnetfeldwinkel-sensitives Element aufweist, bereitgestellt. Die Vorrichtung wird derart zum Primärleiter angeordnet, dass das Magnetfeldwinkel-sensitive Element die Ausrichtung eines Gesamtmagnetfeldes, das durch eine
Überlagerung des Primärmagnetfeldes und Referenzmagnetfeldes entsteht, im Raum misst. Vorzugsweise sind dabei das
Primärmagnetfeld und das Referenzmagnetfeld am Ort des
Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements nicht parallel
zueinander. Aus der Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes im Raum wird die Stromstärke des durch den Primärleiter
fließenden Stroms ermittelt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Feldstärke des Referenzmagnetfeldes zur Anpassung des Messbereichs der
Vorrichtung variiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das
Referenzmagnetfeld mit einer Elektronik nachgeführt, um die gemessene Ausrichtung eines Gesamtmagnetfelds konstant zu halten . Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Feldstärke des Referenzmagnetfeldes vom Betrag derart gewählt, dass es der Feldstärke des Primärmagnetfeldes bei Maximalstrom
entspricht .
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke in einem
stromdurchflossenen Primärleiter ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsformen .
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur
Messung einer Stromstärke in einem
stromdurchflossenen Primärleiter gemäß einem
Ausführungsbeispiel ,
Figur 2 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ,
Figuren 3 und 4 schematische Ansichten einer Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke in einem
stromdurchflossenen Primärleiter mit einem der Abschirmung dienenden hartmagnetischen Element gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, und
Figur 5 ein Verfahren zur Messung einer Stromstärke in
einem stromdurchflossenen Primärleiter gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen
Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Bauteile und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein. Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 100 zur Messung einer Stromstärke gemäß einem
Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 weist ein
magnetfeldgebendes Element 2 auf, das ein schematisch
angedeutetes Referenzmagnetfeld 20 erzeugt. Das
magnetfeldgebende Element 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Spule 5 ausgebildet. Alternativ kann das
magnetfeldgebende Element 2 beispielsweise als
Permanentmagnet ausgeführt sein. Die Vorrichtung 100 weist weiterhin ein Magnetfeldwinkel-sensitives Element 3 auf. Das Magnetfeldwinkel-sensitive Element 3 ist im gezeigten
Ausführungsbeispiel innerhalb der Spule 5 angeordnet. Zur Messung der Stromstärke in einem Primärleiter 1, durch den ein Strom IP in der mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichneten Stromrichtung 9 fließt und der dadurch ein schematisch angedeutetes Primärmagnetfeld 10 erzeugt, wird die
Vorrichtung 100 derart angeordnet, dass das Primärmagnetfeld 10 und das Referenzmagnetfeld 20 am Ort des Magnetfeldwinkel- sensitiven Elements 3 nicht parallel zueinander sind. Das Magnetfeldwinkel-sensitive Element 3 misst die Ausrichtung eines Gesamtmagnetfeldes, das durch eine Überlagerung des Primärmagnetfeldes 10 und des Referenzmagnetfeldes 20
entsteht. Aus der Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes im Raum ist die Stromstärke des durch den Primärleiter 1 fließenden Stroms I p ermittelbar.
Insbesondere ist der mittels des Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements 3 gemessene Feldwinkel des Gesamtmagnetfeldes ein Maß für die Feldstärke des Primärmagnetfeldes 10 und somit für den durch den stromdurchflossenen Primärleiter 1
fließenden Strom IP. Die Vorrichtung weist einen galvanisch getrennten Aufbau auf und eignet sich für die Messung von Wechsel- und Gleichstrom. Sie zeichnet sich insbesondere durch eine hohe
Strommessgenauigkeit über einen weiten Messbereich aus, da magnetische Winkelmessungen mit sehr hoher Genauigkeit möglich sind.
Figur 2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer
Vorrichtung 100. Das magnetfeldgebende Element 2 ist als Spule 5 ausgeführt. Das Magnetfeldwinkel-sensitive Element 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Hall-Elemente 4 auf, die innerhalb der Spule 5 angeordnet sind. Die Hall-Elemente 4 weisen jeweils eine Sensorachse 41 auf, welche orthogonal zueinander angeordnet sind. Weiterhin ist es möglich, dass für jede Sensorachse 41 mehrere parallel zueinander
angeordnete Hall-Elemente 4 vorgesehen sind und dass die Messsignale dieser Hall-Elemente 4 gemittelt werden.
Alternativ zu den Hall-Elementen 4 kann das Magnetfeldwinkel- sensitive Element 3 auch eine AMR-Brücke, eine GMR-Brücke, eine TMR-Brücke, eine Spinventil-GMR-Brücke und/oder eine Spinventil-TMR-Brücke aufweisen oder daraus bestehen.
In Figur 3 ist eine Vorrichtung 100 zur Messung einer
Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Vorrichtung 100 umfasst ein magnetfeldgebendes Element 2, das ein Referenzmagnetfeld 20 erzeugt, ein Magnetfeldwinkel- sensitives Element 3, das als Spule ausgebildet ist, sowie ein hartmagnetisches Element 6, das den Primärleiter 1 umschließt. Das hartmagnetische Element 6 ist dabei als
Ringkern 7 ausgebildet, welcher einen Luftspalt 8 aufweist, in dem das magnetfeldgebende Element 2 und das
Magnetfeldwinkel-sensitive Element 3 angeordnet sind. Das hartmagnetische Element 7 dient dabei zur Abschirmung äußerer Magnetfelder. Durch das hartmagnetische Element 6 kann erreicht werden, dass Magnetfelder, die auf das
Magnetfeldwinkel-sensitive Element 3 und/oder das
magnetfeldgebende Element 2 wirken würden, zumindest
teilweise abgeschirmt werden können.
Figur 4 zeigt eine Vorrichtung 100 zur Messung einer
Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter 1, die ein magnetfeldgebendes Element 2, ein Magnetfeldwinkel- sensitives Element 3 und ein hartmagnetisches Element 6 aufweist. Das hartmagnetische Element 6 ist U-förmig
ausgebildet und weist zwei gegenüberliegende Schenkel sowie einen die zwei Schenkel verbindenden Teil auf. Sie ist derart zum Primärleiter 1 angeordnet, dass das hartmagnetische
Element 6 und der Primärleiter 1 das magnetfeldgebende
Element 2 und das Magnetfeldwinkel-sensitive Element 3 umschließen, so dass äußere Felder abgeschirmt werden können. In anderen Worten ist das hartmagnetische Element 6 derart am Primärleiter 1 angeordnet, dass die freiliegenden Enden der sich gegenüberliegenden Schenkel des hartmagnetischen
Elements 6 direkt benachbart zum Primärleiter 1 angeordnet sind, und dass sich das magnetfeldgebende Element 2 und das Magnetfeldwinkel-sensitive Element 3 innerhalb dieser
Anordnung befinden.
Figur 5 zeigt ein Verfahren zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter 1 gemäß einem
Ausführungsbeispiel. Dabei werden in einem ersten
Verfahrensschritt A ein stromdurchflossener Primärleiter 1, der ein Primärmagnetfeld 10 erzeugt, sowie eine Vorrichtung 100, die ein magnetfeldgebendes Element 2 und ein
Magnetfeldwinkel-sensitives Element 3 aufweist,
bereitgestellt. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt B wird die Vorrichtung 100 derart zum Primärleiter 1
angeordnet, dass das Magnetfeldwinkel-sensitive Element 3 die Ausrichtung eines Gesamtmagnetfeldes, das durch eine
Überlagerung des Primärmagnetfeldes 10 und des
Referenzmagnetfeldes 20 entsteht, im Raum misst. Das
Primärmagnetfeld 10 und das Referenzmagnetfeld 20 sind dabei am Ort des Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements 3 nicht parallel zueinander. In einem weiteren Verfahrensschritt C wird die Stromstärke des durch den Primärleiter 1 fließenden Stroms aus der Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes im Raum ermittelt .
Die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele können alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß den
Ausführungsformen der allgemeinen Beschreibung aufweisen. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der
Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese
Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist. Bezugs zeichenliste
1 Primärleiter
2 magnetfeldgebendes Element
3 Magnetfeldwinkel-sensitives Element
4 Hall-Element
5 Spule
6 hartmagnetisches Element
7 Ringkern
8 Luftspalt
9 Stromrichtung des durch den Primärleiter fließenden Stroms I p
10 Primärmagnetfeld
20 Referenzmagnetfeld
41 Sensorachse
100 Vorrichtung
A, B, C Verfahrensschritt

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (100) zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter (1), der ein
Primärmagnetfeld (10) erzeugt, aufweisend
- ein magnetfeldgebendes Element (2), das ein
Referenzmagnetfeld (20) erzeugt, und
- ein Magnetfeldwinkel-sensitives Element (3) , das die
Ausrichtung eines Gesamtmagnetfeldes, das durch eine
Überlagerung des Primärmagnetfeldes (10) und des
Referenzmagnetfeldes (20) entsteht, im Raum misst,
- wobei das Primärmagnetfeld (10) und das Referenzmagnetfeld (20) am Ort des Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements (3) nicht parallel zueinander sind, und
- wobei aus der Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes im Raum die Stromstärke des durch den Primärleiter (1) fließenden Stroms ermittelbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Magnetfeldwinkel- sensitive Element (3) zwei Hall-Elemente (4) aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Magnetfeldwinkel- sensitive Element (3) eine AMR-Brücke, GMR-Brücke und/oder TMR-Brücke aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Magnetfeldwinkel- sensitive Element (3) eine Spinventil-GMR-Brücke und/oder eine Spinventil-TMR-Brücke aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das magnetfeldgebende Element (3) einen
Permanentmagneten aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das magnetfeldgebende Element eine Spule (5) aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend ein hartmagnetisches Element (6), das den
Primärleiter (1) und/oder das magnetfeldgebende Element (2) zumindest teilweise umschließt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das hartmagnetische Element (6) als ein durch einen Luftspalt (8) geöffneter
Ringkern (7) ausgebildet ist,
- wobei der Ringkern (7) den Primärleiter (1) zumindest teilweise umschließt, und
- wobei das Magnetfeldwinkel-sensitive Element (3) im
Luftspalt (8) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das hartmagnetische Element (6) das magnetfeldgebende Element (2) und das
Magnetfeldwinkel-sensitive Element (3) zur Abschirmung äußerer Magnetfelder zumindest teilweise umschließt.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Magnetfeldwinkel-sensitive Element (3) innerhalb des magnetfeldgebenden Elements (2) angeordnet ist.
11. Anordnung einer Vorrichtung (100) zur Messung einer Stromstärke gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 derart zum Primärleiter (1), dass aus einer Ermittlung der Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes im Raum eine Messung der Stromstärke des durch den Primärleiter (1) fließenden Stroms erfolgt.
12. Verfahren zur Messung einer Stromstärke in einem
stromdurchflossenen Primärleiter (1) mit den folgenden
Schritten :
- Bereitstellen eines stromdurchflossenen Primärleiters (1), der ein Primärmagnetfeld (10) erzeugt,
- Bereitstellen einer Vorrichtung (100) gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 10,
- Anordnen der Vorrichtung (100) derart zum Primärleiter (1), dass das Magnetfeldwinkel-sensitive Element (3) die
Ausrichtung eines Gesamtmagnetfeldes, das durch eine
Überlagerung des Primärmagnetfeldes (10) und des
Referenzmagnetfeldes (20) entsteht, im Raum misst, wobei das Primärmagnetfeld (10) und das Referenzmagnetfeld (20) am Ort des Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements (3) nicht parallel zueinander sind, und
- Ermittlung der Stromstärke des durch den Primärleiter (1) fließenden Stroms aus der Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes im Raum.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Feldstärke des
Referenzmagnetfeldes (20) zur Anpassung des Messbereichs der Vorrichtung (100) variiert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei das Referenzmagnetfeld (20) mit einer Elektronik nachgeführt wird, um die gemessene Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes konstant zu halten.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Feldstärke des Referenzmagnetfelds (20) vom Betrag derart gewählt wird, dass es der Feldstärke des Primärmagnetfeldes (10) bei Maximalstrom entspricht.
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