JPH11508996A - Shunt assembly for current measurement - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 端部に接続された平坦なストリップ(10,11)という形の一対の電流接続部を有するＺＴＣ材料からなる実質的に円筒形状の分路要素(12)からなる、電流測定用の分路アセンブリ。好適には、同じＺＴＣ材料からなる検知用接続部(13,14)が、前記電流接続部(10,11)の孔を介して前記分路要素の端部に接続される。前記検知用接続部は、前記分路要素(12)を通る軸方向孔を通る連続的なワイヤの一部を形成することができる。代替的には、前記検知用接続部は、前記分路要素の一体的な延長部として形成することができる。 Abstract: A current flow comprising a substantially cylindrical shunt element (12) of ZTC material having a pair of current connections in the form of flat strips (10, 11) connected at the ends. Shunt assembly for measurement. Preferably, sensing connections (13, 14) of the same ZTC material are connected to the ends of the shunt element via holes in the current connections (10, 11). The sensing connection may form part of a continuous wire passing through an axial hole through the shunt element (12). Alternatively, the sensing connection can be formed as an integral extension of the shunt element.

Description

【発明の詳細な説明】 電流測定用の分路アセンブリ 本発明は、電流測定に関し、特に電流分路に関する。 電流を測定するための標準的な技術として、既知の小さな抵抗に電流を通して 該抵抗にわたる電圧降下を測定する、というものがある。したがって、電流は、 実際には、抵抗により分路された電圧測定装置又は回路によって測定され、それ 故、該抵抗は分路と呼ばれる。該分路は、４つの端子又は接続部を有し、２つの 端の接続部を介して測定すべき電流が流れ、該電流が流れる結果として生じる電 圧を、別の２つの接続部（通常は電流接続部に近接して配置される）でピックア ップする。後者の２つの端子は、検知端子又はケルビン端子と呼ばれる。 分路に対する検知端子への接続は熱電効果を伴うものとなる(接続部が分路と 異なる材料からなるものと仮定する)。分路の温度は変動し易いものとなる。こ れは、周囲温度の変動及び測定される電流の加熱効果（電流が大きいものと仮定 する）によるものであり、勿論、該電流による加熱は、分路の熱容量に起因する 遅延を受けるものとなる。温度に対する感応性を回避するために、該２つの接続 部は、通常は同一の材料から作成される。 精確な電流測定のために、分路は既知の値を有するものでなければならない。 目的によっては、分路の値は精確に調整されなければならない。しかしながら、 多くの場合には、分路の値 の精確な測定にとって、適当な計算により電圧の測定値を電流値に変換するだけ で十分である。 また、分路は安定していなければならない。適当な低い抵抗を達成するために 、分路は通常は、良導体よりも高いが十分に低い抵抗を有する金属合金から作成 される。かかる分路における不安定性の主な原因は温度変化である。これを克服 するために、実質的にゼロの抵抗温度係数を有するＺＴＣ（ゼロ温度係数）合金 が開発された。 温度に対してプロットされた材料の抵抗は、多項式の温度関数として表すこと ができる。その１次項は通常は支配的なものであってその係数は材料の抵抗値の 温度係数であり、一層高次の項は（温度範囲が大きい場合にのみ顕著となるよう に）漸進的に小さくなる係数を有する。しかしながら、１次項の係数が実質的に ゼロである材料が開発された。かかる合金で最も公知のものがマンガニン(manga nin)と呼ばれるものであり、これは、83〜85％Cu、10〜13％Mn、及び４％Niから 構成され、この場合、その抵抗関数における先頭の項は２次式となり、これは抵 抗値が実質的に一定となる温度範囲を与えるものとなる。これと同等の、抵抗値 が実質的に一定となる大きな温度範囲を提供する、ゼラニン(zeranin)といった 他の材料もまた利用可能であり、該ゼラニンの場合、その抵抗関数の１次項及び ２次項が両方とも実質的にゼロであり、このため、その抵抗関数の先頭の項が３ 次となる。 精度に関する更なる要件として、分路が「電圧」対「電流」 の線形特性を有しているべきことがある。分路の本体を通る電流の分布が電流の 大きさと共に僅かに変動する傾向にあるため、オームの法則は典型的な分路にし か近似されない。この現象は、「電流群化(current crowding)」と呼ばれる。こ の影響を克服するための既知の技術として、曲がりくねった又はジグザグの形状 を有する分路要素を作成すること、及びそれに多数の検知用接点を作成して電流 群化に起因する電圧変動を平均化することが挙げられる。 また、分路の物理的サイズは、所定の要件を課すものとなる。大電流を検知す る場合、分路への電流接続部は大きくなり、その断面は数mm²というオーダーと なり、分路もこれに大体匹敵する大きさの断面を有することが望ましい。分路は また、数mmの長さを有することが望ましい。それよりも短いと精度の制御及びケ ルビン接続(Kelvin connection)の形成が困難となり、また、それよりも長いと 不都合に大きな分路となる可能性がある。 本発明の一般的な目的は、改善された分路を提供することにある。 本発明によれば、実質的に円筒形状を有すると共に、平坦なストリップという 形の一対の電流接続部が端部に取り付けられたＺＴＣ材料からなる、分路要素に より構成されることを特徴とする、電流測定用の分路アセンブリが提供される。 好適には、同じＺＴＣ材料からなる検知用接続部が、該接続部の貫通孔を介して 分路要素の端部に接続される。 電流分路の特定の用途は、多数の出力ケーブルが多数の入力ケーブルから供給 される分電ボックス(electricity distribution box)におけるものである。該分 電ボックスは、典型的には、通常は銅からなる平坦なストリップという形の多数 の接続部又はバス帯(busbar)を備えており、該接続部は、入力端子を出力端子に 接続し、この接続は、角度が付けられ又はジグザグにされた経路に沿って行われ る場合が多い。バス帯に電流分路を包含させることにより、該バス帯を通る電流 を監視することが可能となる。 従来の分路要素は通常は銅ストリップと同一の断面を有しており、該ストリッ プは通常は同一平面内にある。分路要素と銅ストリップとの間に良好な（即ち安 定した）接続部を有することが重要であり、かかる接続部は通常は電子ビーム溶 接により形成されるのが通例である。これにより、分路要素の長さについて（２ mmの領域内で）実際上の下限が定められる。これにより、分路の抵抗値について 実際上の下限が定められる。用途によっては、極めて低い抵抗値（例えば70μΩ の範囲内）が望ましいものとなるが、この技術では達成することができない。 更に、銅ストリップが互いに直角をなしている場合には、それらの接合部に分 路を（該ストリップの内の１つの端における延長部であって他のストリップの側 縁に端で接続された延長部という形で）配置することが望ましい。しかしながら 、該分路要素を通した電流分布は歪み、該分路要素の内側部分は同要素の外側部 分よりも電流密度が高くなる。したがって、従来の構 成は、電流群化、及び電流に伴う抵抗値の変化といった悪影響を被るものとなる 。 本発明では、バス帯を形成するストリップは、勿論、分路要素の長さ分だけオ フセットされた平面内にある。このため、２つのストリップが共通平面へと戻る べきことが必須である場合には、一方のストリップにクランクが必要となる。し かしながら、２つのストリップが異なる平面内にあることが望ましい場合が多数 存在する。本発明は、２つのストリップ間の平面の変更を自動的に案内するもの であり、このため、かかる状況に特に適したものとなる。平面間の距離は、分路 要素の寸法を適当に選択することにより幅広い限界内で調節することができる。 更に、分路要素の端部に対する２つのストリップの取り付けは独立したものであ り、このため、該２つのストリップを互いに対して任意の角度で（例えば直列に 又は直角に）配設することが可能となる。 本発明の分路は、製造が容易で低コストであり、高い精度を有するものとなる 。 本発明の更なる特徴については、本発明の一例として添付図面を参照して説明 する本発明を実施した分路アセンブリに関する以下の記述より明らかとなろう。 図１は、分路アセンブリを示す斜視図である。 図２は、図１の分路アセンブリの断面図である。 図３は、修正された分路要素を示す斜視図である。 ここで図１を参照する。該分路アセンブリは、一対のストリ ップ10,11と、それらの間に接続されたＺＴＣ分路要素12とを備えている。図示 のように、ストリップ10,11は、互いに異なるが平行な平面内にあり、分路要素1 2の軸はそれら平面と直交している。該２つのストリップ間の角度は90°として 図示されているが、該２つのストリップ間の角度は明らかに任意の値（０°及び 直列を含む）を有することができるものである。所望の分路抵抗のために、分路 要素の直径を適当に選択することにより、該２つの平面間の距離を妥当な限界内 で調節することができる。（抵抗値を一定に保つために、分路要素の直径は、そ の長さの２乗根として増大させるべきである。） 該分路要素にわたる電圧は、２つの検知用接続部12,13によって検知される。 これら２つの接続部は、分路要素の端部との接触を行うことを必要とする。これ らの接触部は、分路要素12の端部とストリップ10,11との間に保持された（突出 するタブを有する）ディスクを用いることにより形成することができる。しかし 、これらの接触部は、分路要素の端部の中央への接続部によって形成することが 好ましい。したがって、検知用接続部は、ストリップ10,11を通る貫通孔15,16（ 図２参照）を介して分路要素12の端部に接続される。 検知用接続部は、任意の適当な材料から作成可能であり、分路要素の端部に取 り付けることができる。しかしながら、分路要素の端部に形成された穴にそれら を挿入するのが好ましい。また、それらは、マンガニン（即ち分路要素と同じ材 料）から形成するのが好ましく、及び、図２に示すように、分路要素の 長さ全体を通る軸方向の穴を通る単一長さのマンガニンワイヤから形成するのが 好ましい。実際、分路要素内部のワイヤ部分は、分路要素の一部となる。分路要 素と同じ材料を検知用接続部に使用することはまた、熱電効果を最小限にする。 図３は、代替的な形態の分路要素を示しており、該分路要素は、端部から突出 する一体型の接続部13',14'を有するシリンダ12'として形成されている。 分路アセンブリの様々な構成要素は、単に半田及び加熱により(例えば適当な 領域に半田ペーストを延ばして該アセンブリを加熱することにより)、共に半田 付けを行うことができる。その結果として、該アセンブリが高度に安定した電気 的特性を有することになる、ということが分かった。共に半田付けを行うことを 必要とする表面は、分路要素の端部とバス帯を形成するストリップの対面領域、 及び分路要素を通る孔と該孔内の接続ワイヤ部分である。また、ストリップの孔 15,16が半田で満たされているか否かは問題とはならず、該構成は、半田の欠如 といった製造品質上の問題に対して極めて寛容なものとなる、ということも分か った。 かかる分路アセンブリは、典型的には200mA〜100Aといった電流範囲にわたり 高度に安定した電気的特性を有することが分かった。マンガニンロッドの直径は 、通常は、測定されるべき電流の範囲と一致するように選択されることになる。 該直径が小さい場合には、極めて低い電流を測定することができ、限界では、同 じマンガニンロッド又はワイヤを分路抵抗及び検知用 接続部の両方に使用することが可能である。極めて大きい電流については、多数 のロッドを並列で使用することができ、そのいずれか１つに検知用接続部を設け ることが可能であり、又は、それらロッドの全てに検知用接続部を設けて該接続 部を互いに接続する（又は該接続部がそれらの平均化された出力を有する）こと が可能である。 分路要素の中央（赤道(equatorial)）部分を通る電流分布は恐らくはかなり均 一なものとなるが、分路要素の端部及びバス帯の隣接部分を通る電流分布はかな り複雑なパターンを有することが予想される。しかしながら、重大な電流群化は 存在せず、また、電流群化が存在することによる影響はほぼ平衡化される。 上述のように、本発明の目的は、精密に決定された特性ではなく安定した特性 を達成することにある。所蔵のマンガニンロッドから適当な長さに分路要素を切 断することにより、１〜５％の精度を達成することができる(マンガニンロッド は通常は押出成形(extrution)により作製され、該ロッドの直径は押出成形用の ダイが消耗するにつれて増大する傾向にあるので、良好な精度に関する公称値を 用いるのではなくマンガニンロッドの直径を測定するのが望ましい)。しかしな がら、マンガニンロッドの直径が精確に調整される場合には、遙かに高い精度を 達成することができる。マンガニンロッドの直径は公差10μmまで調整すること が可能であり、これにより0.1％前後の抵抗値の精度が与えられる。 半田付け等による変動は、該精度に僅かな影響しか与えない。 必要であれば、分路要素は、その製造後に研磨等により細くすることによりそ の値を調整することができる。しかしながら、通常は、その値が精確に測定され 、該分路にわたり測定された電圧から精確な電流値を得るために使用されること になる。The present invention relates to current measurement, and more particularly, to current shunts. One standard technique for measuring current is to measure the voltage drop across a known small resistor through the current. Thus, the current is actually measured by a voltage measuring device or circuit shunted by a resistor, which is therefore called a shunt. The shunt has four terminals or connections, through which the current to be measured flows through the connections at the two ends and the resulting voltage through which the current flows through another two connections (usually (Disposed close to the current connection). The latter two terminals are called sensing terminals or Kelvin terminals. The connection of the shunt to the sensing terminal involves a thermoelectric effect (assuming that the connection is made of a different material than the shunt). The shunt temperature is likely to fluctuate. This is due to ambient temperature fluctuations and the heating effect of the measured current (assuming the current is large), of course, the heating due to the current will be delayed due to the heat capacity of the shunt. . To avoid temperature sensitivity, the two connections are usually made of the same material. For accurate current measurement, the shunt must have a known value. For some purposes, the value of the shunt must be adjusted precisely. However, in many cases, it is sufficient for the accurate measurement of the value of the shunt to convert the measured value of the voltage into a current value by means of a suitable calculation. Also, the shunt must be stable. In order to achieve a suitably low resistance, the shunt is usually made from a metal alloy that has a higher than good conductor but a sufficiently low resistance. A major source of instability in such shunts is temperature changes. To overcome this, ZTC (zero temperature coefficient) alloys having a substantially zero resistance temperature coefficient have been developed. The resistance of a material plotted against temperature can be expressed as a polynomial temperature function. The first order term is usually dominant, the coefficient being the temperature coefficient of the resistance of the material, the higher order terms being progressively smaller (so that they only become significant over a large temperature range). Have the following coefficients: However, materials have been developed in which the first order coefficient is substantially zero. The best known of these alloys is called manganin, which is composed of 83-85% Cu, 10-13% Mn, and 4% Ni, where the top of the resistance function is Is a quadratic equation, which gives a temperature range in which the resistance value is substantially constant. Other materials, such as zeranin, which provide a comparable, large temperature range where the resistance is substantially constant are also available, in which case the first and second order terms of the resistance function. Are both substantially zero, so that the first term in the resistance function is cubic. A further requirement on accuracy is that the shunt should have a linear "voltage" versus "current" characteristic. Ohm's law is only approximated to a typical shunt because the distribution of current through the body of the shunt tends to vary slightly with the magnitude of the current. This phenomenon is called "current crowding". Known techniques for overcoming this effect include creating a shunt element having a serpentine or zigzag shape, and creating multiple sensing contacts on it to average out voltage fluctuations due to current grouping. It is mentioned. Also, the physical size of the shunt imposes certain requirements. When detecting large currents, the current connection to the shunt is large and its cross section is of the order of a few mm ² , and it is desirable for the shunt to also have a cross section approximately the size of this. The shunt also preferably has a length of a few mm. If it is shorter than this, it is difficult to control the accuracy and form a Kelvin connection, and if it is longer than that, it may be disadvantageously a large shunt. It is a general object of the present invention to provide an improved shunt. According to the invention, a pair of current connections, having a substantially cylindrical shape and in the form of a flat strip, are constituted by shunt elements made of ZTC material attached at the ends. , A shunt assembly for current measurement is provided. Preferably, a sensing connection made of the same ZTC material is connected to the end of the shunt element via a through hole in the connection. A particular use of current shunts is in an electricity distribution box where multiple output cables are supplied from multiple input cables. The distribution box typically comprises a number of connections or busbars, typically in the form of flat strips of copper, which connect the input terminals to the output terminals. This connection is often made along an angled or zig-zag path. By including the current shunt in the bus band, the current flowing through the bus band can be monitored. Conventional shunt elements usually have the same cross section as copper strips, which are usually in the same plane. It is important to have a good (i.e., stable) connection between the shunt element and the copper strip, and such a connection is usually formed by electron beam welding. This sets a practical lower limit (within a region of 2 mm) on the length of the shunt element. This establishes a practical lower limit for the shunt resistance. For some applications, very low resistance values (eg, in the range of 70 μΩ) may be desirable, but cannot be achieved with this technique. In addition, if the copper strips are at right angles to each other, a shunt at their junction (an extension at one end of the strip and end connected to the side edge of the other strip) (In the form of an extension). However, the current distribution through the shunt element is distorted and the inner part of the shunt element has a higher current density than the outer part of the element. Therefore, the conventional configuration suffers from adverse effects such as current grouping and a change in resistance value due to current. In the present invention, the strips forming the bus strip are, of course, in a plane offset by the length of the shunt element. Thus, if it is essential that the two strips return to a common plane, one strip will require a crank. However, there are many cases where it is desirable for the two strips to be in different planes. The present invention automatically guides the change of plane between the two strips, which makes it particularly suitable for such situations. The distance between the planes can be adjusted within wide limits by a suitable choice of the dimensions of the shunt element. Furthermore, the attachment of the two strips to the end of the shunt element is independent, so that the two strips can be arranged at any angle with respect to each other (for example, in series or at right angles). Becomes The shunt of the present invention is easy to manufacture, low cost, and has high accuracy. Further features of the present invention will become apparent from the following description of a shunt assembly embodying the present invention, described by way of example with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a shunt assembly. FIG. 2 is a cross-sectional view of the shunt assembly of FIG. FIG. 3 is a perspective view showing a modified shunt element. Reference is now made to FIG. The shunt assembly comprises a pair of strips 10, 11 and a ZTC shunt element 12 connected therebetween. As shown, the strips 10, 11 are in different but parallel planes, and the axis of the shunt element 12 is orthogonal to those planes. Although the angle between the two strips is shown as 90 °, the angle between the two strips can obviously have any value (including 0 ° and series). By appropriately choosing the diameter of the shunt element for the desired shunt resistance, the distance between the two planes can be adjusted within reasonable limits. (To keep the resistance constant, the diameter of the shunt element should be increased as the square root of its length.) The voltage across the shunt element is increased by the two sensing connections 12,13 Is detected. These two connections need to make contact with the ends of the shunt element. These contacts can be formed by using a disc (with a protruding tab) held between the end of the shunt element 12 and the strips 10,11. However, these contacts are preferably formed by a connection to the center of the end of the shunt element. Thus, the sensing connection is connected to the end of the shunt element 12 via the through holes 15, 16 (see FIG. 2) passing through the strips 10, 11. The sensing connection can be made from any suitable material and can be attached to the end of the shunt element. However, it is preferable to insert them into holes formed at the ends of the shunt elements. Also, they are preferably formed from manganin (ie, the same material as the shunt element) and, as shown in FIG. 2, a single length through an axial hole through the entire length of the shunt element. Of manganin wire. In fact, the wire portion inside the shunt element becomes part of the shunt element. Using the same material for the sensing connection as the shunt element also minimizes thermoelectric effects. FIG. 3 shows an alternative form of shunt element, which is formed as a cylinder 12 'with integral connections 13', 14 'projecting from the ends. The various components of the shunt assembly can be soldered together simply by soldering and heating (e.g., by spreading solder paste in the appropriate area and heating the assembly). As a result, it has been found that the assembly has highly stable electrical properties. The surfaces that need to be soldered together are the end of the shunt element and the facing area of the strip forming the bus strip, as well as the hole through the shunt element and the portion of the connecting wire in the hole. Also, it does not matter whether the holes 15, 16 of the strip are filled with solder, and the configuration is extremely tolerant of manufacturing quality problems such as lack of solder. Do you get it. Such shunt assemblies have been found to have highly stable electrical properties over a current range typically between 200 mA and 100 A. The diameter of the manganin rod will usually be selected to correspond to the range of current to be measured. If the diameter is small, very low currents can be measured, and at the limit it is possible to use the same manganin rod or wire for both the shunt resistance and the sensing connection. For very large currents, multiple rods can be used in parallel, any one of which can be provided with a sensing connection, or all of the rods can be provided with a sensing connection. It is possible to connect the connections together (or the connections have their averaged output). The current distribution through the middle (equatorial) part of the shunt element will probably be fairly uniform, but the current distribution through the ends of the shunt element and adjacent parts of the bus strip will have a rather complex pattern. Is expected. However, there is no significant current grouping, and the effects of the presence of the current grouping are nearly balanced. As mentioned above, it is an object of the present invention to achieve stable characteristics, rather than precisely determined characteristics. Accuracy of 1-5% can be achieved by cutting the shunt element to a suitable length from a collection of manganin rods (manganin rods are usually made by extrusion, the diameter of the rod being It is desirable to measure the diameter of the manganin rod instead of using the nominal value for good accuracy, since the は tends to increase as the extrusion die wears out). However, if the diameter of the manganin rod is precisely adjusted, much higher accuracy can be achieved. The diameter of the manganin rod can be adjusted to a tolerance of 10 μm, which gives a resistance value accuracy of around 0.1%. Fluctuation due to soldering or the like has only a slight effect on the accuracy. If necessary, the value of the shunt element can be adjusted by making it thinner by polishing or the like after its manufacture. However, typically, that value will be accurately measured and will be used to obtain a precise current value from the voltage measured over the shunt.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブラッディ，デイヴィッド イギリス国グウィネド・エルエル57・３イ ーエス，バンゴー，ランレチド，サレン・ パレス・４ (72)発明者 ムーア，ポール，マーティン イギリス国ダービィ・ディーイー３・５ア ールジェイ，ミックルオーバー，パークス トーン・コート・39────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (72) Inventor Bloody, David             Gwynedd Eluel 57.3 in the UK             -S, Bangor, Run Retid, Salen             Palace 4 (72) Moore, Paul, Martin             Darby Dee 3.5, UK             Le Jay, Mickleover, Parks             Tone coat 39

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １．端部に接続された平坦なストリップ(10,11)という形の一対の電流接続部を 有するＺＴＣ材料からなる実質的に円筒形状の分路要素(12)を備えていることを 特徴とする、電流測定用の分路アセンブリ。 ２．同じＺＴＣ材料からなる検知用接続部(13,14)が、前記電流接続部(10,11)の 孔を介して前記分路要素の端部に接続されていることを特徴とする、請求項１に 記載の分路アセンブリ。 ３．前記検知用接続部(14,15)が、前記分路要素(12)を通る軸方向孔(17)を通る 連続的なワイヤの一部を形成することを特徴とする、請求項２に記載の分路アセ ンブリ。 ４．前記検知用接続部(14,15)が、前記分路要素の一体的な延長部として形成さ れていることを特徴とする、請求項２に記載の分路アセンブリ。 ５．本書で詳細に説明した新規性及び進歩性を有する１つの特徴又は複数の特徴 の組み合わせであって、国際条約（パリ条約）第４Ｈ条の趣意に含まれるもの。[Claims] 1. A pair of current connections in the form of flat strips (10, 11) connected to the ends Having a substantially cylindrical shunt element (12) of ZTC material having A shunt assembly for current measurement, characterized by: 2. The detection connection portions (13, 14) made of the same ZTC material are connected to the current connection portions (10, 11). 2. The shunt element according to claim 1, wherein the shunt element is connected to an end of the shunt element via a hole. The shunt assembly as described. 3. The sensing connection (14, 15) passes through an axial hole (17) passing through the shunt element (12) 3. A shunt assembly according to claim 2, wherein said shunt assembly forms part of a continuous wire. Assembly. 4. The sensing connection (14, 15) is formed as an integral extension of the shunt element. 3. The shunt assembly of claim 2, wherein 5. One or more novel and inventive features described in detail in this document Combinations included in the meaning of Article 4H of the International Treaty (Paris Convention).