DE102008030334B4

DE102008030334B4 - Method for low-interference non-contact measurement of high currents and associated high-current sensor

Info

Publication number: DE102008030334B4
Application number: DE102008030334.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Rieger Gotthard; Dr. Weiß Roland
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2018-02-01
Anticipated expiration: 2028-07-01
Also published as: DE102008030334A1

Abstract

Verfahren zur berührungslosen Messung hoher Ströme in Stromleitern, mit folgenden Maßnahmen: – Unter Ausnutzung des Durchflutungsgesetzes wird mit mehreren diskreten Spinvalve-basierten GMR-/TMR-Magnetfeldsensoren, deren feldselektive Messrichtungen in definierter Anordnung zum Stromleiter ausgerichtet sind, gemessen, – die Messsignale werden einer der Anordnung der Spinvalve-basierten Magnetfeldsensoren unmittelbar zugeordneten Auswerteeinrichtung zugeführt, – durch eine numerische Auswertung der Signale in der Auswerteeinrichtung wird der durch den Stromleiter fließende Strom bestimmt, dadurch gekennzeichnet, dass – die richtungsselektiven Spinvalve-basierten Magnetfeldsensoren gruppenweise zu einer Halb- oder Vollbrücke zusammengeschaltet und in der Auswerteeinrichtung die Brückensignale ausgewertet werden, wobei – die Auswertung durch gewichtete Summenbildung erfolgt und – bei der Messung und Auswertung der Signale eine hinreichende Störsicherheit gegenüber äußeren Feldern gewährleistet ist.Method for the non-contact measurement of high currents in current conductors, with the following measures: - Utilizing the law of flux measurement with several discrete spinvalve-based GMR / TMR magnetic field sensors whose field-selective measuring directions are aligned in a defined arrangement to the conductor, - the measuring signals become one the arrangement of the spinvalve-based magnetic field sensors directly associated evaluation supplied - by a numerical evaluation of the signals in the evaluation of the current flowing through the current conductor is determined, characterized in that - the direction-selective Spinvalve-based magnetic field sensors connected in groups to form a half or full bridge and in the evaluation device, the bridge signals are evaluated, wherein - the evaluation is carried out by weighted summation and - in the measurement and evaluation of the signals sufficient noise immunity against äu ßeren fields is guaranteed.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur störarmen beührungslosen Messung hoher Ströme gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf einen zugehörigen Hochstromsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 8.The invention relates to a method for low-noise, non-contact measurement of high currents according to the preamble of claim 1. In addition, the invention also relates to an associated high-current sensor according to the preamble of claim 8.

Zur berührungslosen Messung hoher Ströme existieren bereits vom Stand der Technik unterschiedlichste Vorschläge, bei denen Magnetfeldsensoren und weitere Hilfsmittel um den stromführenden Leiter angeordnet sind, um über eine Magnetfelderfassung eine indirekte Messung des Stromes ermöglichen, ohne dass äußere magnetische Störfelder zu einer erheblichen Fehlmessung führen:
Aus der DE 25 43 134 A1 ist ein magnetooptischer Messwandler mit Lichtleitern zur berührungslosen Strommessung an stromführenden Leitern bekannt.For contact-free measurement of high currents, there are already proposals of the prior art in which magnetic field sensors and further aids are arranged around the current-carrying conductor in order to enable an indirect measurement of the current via magnetic field detection, without external magnetic interference fields leading to a significant erroneous measurement:
From the DE 25 43 134 A1 is a magneto-optical transducer with optical fibers for contactless current measurement of current-carrying conductors known.

Mit der DD 255 214 A1 wird vorgeschlagen, magnetfeldabhängige Elemente mit jeweils zugeordneten Permanentmagneten zur Generierung von Hilfsmagneten um den Leiter anzuordnen. Die magnetfeldabhängigen Elemente bilden dabei jeweils eine Brückenschaltung, wobei die Ausgangssignale bereits programmmäßig verknüpft werden. In der DE 35 17 095 werden speziell streifenförmige magnetoresistive Dünnschichtelemente auf einem bandförmigen Träger elektrisch in Reihe geschaltet, wobei der Träger zur Messung den stromführenden Leiter berührungslos umschließt.With the DD 255 214 A1 It is proposed to arrange magnetic field-dependent elements with associated permanent magnets for generating auxiliary magnets around the conductor. The magnetic field-dependent elements each form a bridge circuit, wherein the output signals are already linked in the program. In the DE 35 17 095 In particular, strip-shaped magnetoresistive thin-film elements are electrically connected in series on a strip-shaped carrier, wherein the carrier encloses the current-carrying conductor without contact for measurement purposes.

In der DE 60 026 952 T2 und der DE 60 2004 005 750 T2 werden berührungslos arbeitende Stromsensoren beschrieben, bei den mehrere magnetfeldempfindliche Komponenten auf einem Träger derart angeordnet sind, dass sie um den stromführenden Leiter herum verteilt sind, wobei jeweils ganz spezifische Verarbeitungsschaltungen für die Signale der magnetfeldempfindliche Komponenten vorhanden sind.In the DE 60 026 952 T2 and the DE 60 2004 005 750 T2 describes non-contact current sensors, in which a plurality of magnetic field-sensitive components are arranged on a support so that they are distributed around the current-carrying conductor, each with very specific processing circuits for the signals of the magnetic field-sensitive components are present.

Aus der DE 39 29 452 A1 ist weiterhin eine Messeinrichtung zur potentialfreien Strommessung bekannt, bei der ein Magnetfeld-Ringsensor aus einer Vielzahl einzelner Elementar-Magnetfeldsensoren, die in Serie geschaltet sind, aufgebaut ist. Die Magnetisierung der Elementar-Magnetfeldsensoren ist dabei senkrecht zur Umfangsrichtung eines Stromleiters, d. h. radial oder axial, eingestellt, wobei der Stromleiter durch, eine Öffnung im Substrat für die Ringsensoren senkrecht hindurchgeführt wird.From the DE 39 29 452 A1 Furthermore, a measuring device for potential-free current measurement is known in which a magnetic field-ring sensor from a plurality of individual elementary magnetic field sensors, which are connected in series, is constructed. The magnetization of the elementary magnetic field sensors is set perpendicular to the circumferential direction of a current conductor, ie radially or axially, wherein the current conductor is passed through, an opening in the substrate for the ring sensors vertically.

Die gattungsgemäße Druckschrift US 2005/0156587 A1 beschreibt einen ringförmigen Hochstromsensor mit am Umfang verteilten magnetoresistiven Einzelsensoren. Die Einzelsensoren erfassen das Magnetfeld eines zu messenden Leiters in tangentialer Richtung.The generic document US 2005/0156587 A1 describes an annular high-current sensor with circumferentially distributed magnetoresistive individual sensors. The individual sensors detect the magnetic field of a conductor to be measured in the tangential direction.

Die Druckschrift DE 44 34 417 A1 offenbart eine Messanordnung zur potentialfreien Messung eines Stroms in einem Leiter. Die Messanordnung besitzt zwei Messbrücken, die beiderseits der Stromleitung zu arretieren sind.The publication DE 44 34 417 A1 discloses a measuring arrangement for the potential-free measurement of a current in a conductor. The measuring arrangement has two measuring bridges, which are to be locked on both sides of the power line.

Ferner zeigt die Druckschrift DE 600 26 952 T2 einen Stromsensor mit mehreren magnetsensitiven Komponenten. Signale der Komponenten werden in Abhängigkeit von der geometrischen Position der Komponenten relativ zum Leiter gewichtet.Furthermore, the document shows DE 600 26 952 T2 a current sensor with several magnetically sensitive components. Signals of the components are weighted as a function of the geometric position of the components relative to the conductor.

Schließlich offenbart die Druckschrift DE 10 2006 021 774 A1 einen Stromsensor mit einer Brückenschaltung aus vier magnetoresistiven Sensorelementen. Die Referenzschichtmagnetisierungen aller Sensorelemente ist unidirektional.Finally, the document discloses DE 10 2006 021 774 A1 a current sensor with a bridge circuit of four magnetoresistive sensor elements. The reference layer magnetization of all sensor elements is unidirectional.

Beim Stand der Technik bewirkt das vom Strom im Stromleiter verursachte magnetische Nutzfeld eine ohmsche Widerstandsänderung, die als Strom-Messsignal herangezogen und ausgewertet wird.In the prior art caused by the current in the current conductor magnetic field causes an ohmic resistance change, which is used as a current measurement signal and evaluated.

GMR(Giant Magneto Resistance)- sowie TMR(Tunnel Magneto Resistance)-Sensoren sind in der Anwendung für, die Sensorik vorbekannt. Insbesondere solche Spinvalve-basierte GMR- und/oder TMR-Sensoren stellen in der Magnetfeld basierten Positions-, Geschwindigkeits-, Drehzahl-, Feld- oder auch Stromsensorik eine Alternative zu Hallsensoren dar. Vor allem im Bereich der Positions- und Stromsensorik sind während der letzten Jahre verstärkt MR-basierte Sensoren in den Markt eingeführt worden. Die Hauptvorteile, im Vergleich zu Hall-Sensoren, liegen im einfacheren Systemaufbau, der größeren Störsicherheit bedingt durch die Möglichkeit eines Designs mit stark reduzierter Fremdfeldempfindlichkeit und dem geringeren Rauschen. Es bieten sich bei MR-basierten Sensoren voll integrierte Lösungen an, da die MR-Elemente als Backendprozess (im Rahmen eines CMOS-Prozesses) aufgebracht werden können und damit keine zusätzliche Chipfläche beanspruchen. Für viele Anwendungen vor allem in der Positions-, Drehzahl- und Stromsensorik werden jeweils vier MR-Elemente zu einer so genannten Wheatstone-Brücke verschaltet, um eine genauere, von Temperaturschwankungen, unabhängigere Messung zu erreichen.GMR (Giant Magneto Resistance) and TMR (Tunnel Magneto Resistance) sensors are already in use for the sensor technology. In particular, such Spinvalve-based GMR and / or TMR sensors are in the magnetic field-based position, speed, speed, field or current sensor an alternative to Hall sensors. Especially in the field of position and current sensors are during the In recent years, MR-based sensors have been introduced to the market. The main advantages, compared to Hall sensors, are the simpler system design, the greater interference immunity due to the possibility of a design with greatly reduced external field sensitivity and the lower noise. Fully integrated solutions are available for MR-based sensors because the MR elements can be applied as a back-end process (as part of a CMOS process) and thus do not require additional chip area. For many applications, especially in the position, speed and current sensors are respectively Four MR elements are connected to form a so-called Wheatstone bridge in order to achieve a more accurate measurement of temperature fluctuations and more independent measurement.

Bisher sind für die galvanisch getrennte DC-Strommessung vor allem zwei Grundprinzipien bekannt. Das erste gebräuchlichste Prinzip besteht aus einem Flusskonzentrator, der den stromdurchflossenen Leiter umgibt und einem Hallsensor, der sich in einem Luftspalt des Flusskreises befindet (sog. LEM-Wandler). Das zweite Prinzip besteht aus einem MR-Sensor (häufig Vollbrücke), der das Magnetfeld eines Stromes, der über einen U-förmigen Leiter fließt, auswertet.So far, two basic principles have been known for galvanically isolated DC current measurement. The first most common principle consists of a flux concentrator, which surrounds the current-carrying conductor and a Hall sensor, which is located in an air gap of the flow circuit (so-called LEM converter). The second principle consists of an MR sensor (often full bridge), which evaluates the magnetic field of a current flowing through a U-shaped conductor.

Das erste Prinzip erfordert einen sehr großen Materialaufwand für den Flusskreis und ist im „open loop”-Betrieb sehr ungenau. Der „closed loop”-Betrieb ist vor allem bei hohen Strömen > 500 A mit sehr viel Verlustleistung auf der DC-Seite (Signalseite) von bis zu 50 W bei 10 kA Primärstrom verbunden.The first principle requires a very large amount of material for the flow circuit and is very inaccurate in "open loop" operation. The "closed loop" operation is mainly connected at high currents> 500 A with very high power loss on the DC side (signal side) of up to 50 W at 10 kA primary current.

Das zweite Prinzip ist nach bisherigem Kenntnisstand dagegen nur für Ströme bis maximal 400 A geeignet, da Selbsterwärmungseffekte, Störfelder oder dgl. auftreten. Eine hohe Genauigkeit kann auch beim zweiten Prinzip (bei MR-Sensoren) bisher nur mit den Mitteln einer sog. „closed loop”-Schaltung erreicht werden. Durch den „closed loop”-Betrieb steigt aber die Verlustleistung des Sensors quadratisch mit dem Strom an. Deshalb gestaltet sich bei allen „closed loop”-Sensoren bei Strömen größer 1 kA die Versorgung der Signalseite sehr aufwändig und teuer. Da bisher auf dem Gebiet der hochgenauen GMR-Stromsensorik, aber auch bei „open loop”-Sensoren sehr große Fortschritte erzielt wurden, insbesondere bezüglich des Hystereseeinflusses und des Temperaturganges, werden neue Sensorkonzepte möglich, die eine genaue robuste und zugleich Ressourcen schonende Messung von Strömen zwischen 400 A und 10 kA ermöglicht.By contrast, the second principle is suitable only for currents up to a maximum of 400 A, since self-heating effects, interference fields or the like occur. High accuracy can be achieved even with the second principle (in MR sensors) so far only with the means of a so-called "closed loop" circuit. Due to the "closed loop" operation, however, the power loss of the sensor increases quadratically with the current. Therefore, for all "closed loop" sensors at currents greater than 1 kA, the supply of the signal side is very complex and expensive. Since so far in the field of high-precision GMR current sensors, but also in "open loop" sensors very great progress has been made, especially with regard to the hysteresis and the temperature response, new sensor concepts are possible, the exact robust and resource-saving measurement of currents between 400 A and 10 kA.

Angestrebt werden MR-Sensoranordnungen mit zugehörigen Auswerteverfahren, die eine energieeffiziente Messung von Strömen zwischen 400 A und 10 kA ohne Flusskonzentrator (Flusskreises) ermöglicht. Prinzipiell ist sowohl ein „open-loop” als auch ein „closed-loop”-Betrieb möglich, jedoch sollte der Schwerpunkt auf dem „open loop”-Berieb liegen. Auch sind die MR-Sensoren vorteilhafterweise GMR-Sensoren, um eine hohe Genauigkeit und Robustheit zu gewährleisten.The aim is to have MR sensor arrangements with associated evaluation methods that enable an energy-efficient measurement of currents between 400 A and 10 kA without flux concentrator (flux circuit). In principle, both an "open-loop" and a "closed-loop" operation is possible, but the emphasis should be on the "open loop" operation. Also, the MR sensors are advantageously GMR sensors to ensure high accuracy and robustness.

Solche Stromsensoren können in Umrichtern für Mittelspannung oder zur Batterieüberwachung für Hybridantriebe oder Elektroantrieben im Kfz Anwendung finden. Auch Umrichter für Schiffe, Bahnantriebe oder Windkraftanlagen bewegen sich in diesem Strombereich.Such current sensors can be used in converters for medium voltage or for battery monitoring for hybrid drives or electric drives in motor vehicles. Inverters for ships, railway drives or wind turbines also operate in this electricity sector.

Bisher gibt es kommerziell nur MR-Sensoren mit U-Leiteranordnung zur Differenzfelderzeugung, die mit hoher Genauigkeit (±1% Fehler bei Raumtemperatur) Ströme bis maximal 150 A messen. Die technisch sinnvolle Obergrenze für das U-Turn-Prinzip liegt bei ca. 400 A nach (FEM-Simulation). Eine hohe Genauigkeit kann auch hier bei MR-Sensoren nur mit den Mitteln einer sog. „closed loop”-Schaltung erreicht werden, weshalb bei Sensoren für Ströme größer 1 kA die Versorgung der Signalseite sehr aufwändig und teuer ist. Bisher wurden die hohen Kosten für Erzeugung der DC-Leistung und für Entwärmung hingenommen. Auch fiel wegen der niedrigen Rohstoff- und Energiepreise der hohe Materialbedarf bis zu 10 kg NiFe bisher bei den Kosten nicht ins Gewicht.So far, there are only commercial MR sensors with U-conductor arrangement for differential field generation, which measure currents with a high accuracy (± 1% error at room temperature) up to a maximum of 150 A. The technically reasonable upper limit for the U-turn principle is approx. 400 A after (FEM simulation). High accuracy can also be achieved here with MR sensors only by means of a so-called "closed loop" circuit, which is why for sensors for currents greater than 1 kA, the supply of the signal side is very complex and expensive. So far, the high cost of generating DC power and cooling has been accepted. Also, due to the low raw material and energy prices, the high material requirement of up to 10 kg NiFe has so far been negligible in terms of costs.

Von Letzterem ausgehend und unter Berücksichtigung des eingangs genannten Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes Verfahre zur Messung hoher Ströme bei hoher Störunterdrückung anzugeben und einen zugehörigen Hochstromsensor zu schaffen.From the latter, and taking into account the prior art mentioned above, it is an object of the invention to provide a simplified method for measuring high currents at high interference suppression and to provide an associated high-current sensor.

Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 und bezüglich der Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruches 8 gelöst. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.The object is achieved with respect to the method by the measures of claim 1 and with respect to the device by the features of claim 8. Further developments of the method and the associated device are specified in the respective dependent claims.

Gegenstand der Erfindung ist es, das Durchflutungsgesetz in geeigneter Weise zur Strommessung zu nutzen und den Strom in Näherung speziell durch eine Diskretisierung mit wenigen einzelnen GMR-/TMR-Magnetfeldelementen mit uniaxialer Anisotropie zu messen. Dabei können derartige Spinvalve-basierte Magnetfeldselemente gruppenweise als Voll- oder als Halbbrücken geschaltet sein. Vorteilhafterweise ergeben sich dadurch beachtliche Verbesserungen insbesondere bezüglich der Störunabhängigkeit von Fremdfeldern und der Temperaturabhängigkeit des neuen erfindungsgemäß beanspruchten Hochstromsensors, wobei Ströme von etwa 400 A bis ca. 10 kA ohne weiteres messbar sind.The object of the invention is to use the law of fluxing in a suitable manner for current measurement and to measure the current in approximation, in particular by discretization with a few individual GMR / TMR magnetic field elements with uniaxial anisotropy. In this case, such Spinvalve-based magnetic field elements may be connected in groups as full or half bridges. Advantageously, this results in considerable improvements, in particular with regard to the interference independence of external fields and the temperature dependence of the novel high-current sensor claimed according to the invention, currents of approximately 400 A to approximately 10 kA being readily measurable.

Mit der Erfindung werden die Kosten gegenüber vom Stand der Technik bekannten Einrichtungen vermindert, da nur eine begrenzte Anzahl gleicher Spinvalve-basierter Magnetfeldelemente benötigt wird. Insgesamt wird der gesamte Systemaufbau des Hochstromsensors vereinfacht und es ergeben sich auch zusätzliche Vereinfachungen im numerischen Auswertungsverfahren.The invention reduces the cost over prior art devices by requiring only a limited number of equal spinvalve-based magnetic field elements. Overall, the entire system structure of the high current sensor is simplified and there are also additional simplifications in the numerical evaluation process.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.Further details and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing in conjunction with the claims.

Es zeigen jeweils in schematischer DarstellungEach show in a schematic representation

1 das Prinzip der Durchflutung eines begrenzten Bereiches mit einem Strom und die zugehörige Randkurve, 1 the principle of flooding a limited area with a current and the associated boundary curve,

2/3 einen Hochstromsensor aus zwölf GMR-Halbbrücken oder GMR-Vollbrücken zur Messung an einem runden Primärleiter in Draufsicht und Seitenansicht, 2 / 3 a high-current sensor consisting of twelve GMR half bridges or GMR full bridges for measurement on a round primary conductor in plan view and side view,

4 den Aufbau einer GMR-Vollbrücke, 4 the construction of a GMR full bridge,

5 eine Skizze der Leiter-/Sensor-Anordnung zur Berechnung des Einflusses von Störfeldern, 5 a sketch of the conductor / sensor arrangement for calculating the influence of interference fields,

6/7 einen Hochstromsensor entsprechend 2 zur Messung an einem rechteckigen Primärleiter, 6 / 7 a high current sensor accordingly 2 for measurement on a rectangular primary conductor,

8 die Empfindlichkeit eines Hochstromsensors gemäß 2/3 oder 6/7 in Abhängigkeit von der Anzahl der jeweils verwendeten GMR-Brücken, und 8th the sensitivity of a high current sensor according to 2 / 3 or 6 / 7 depending on the number of GMR bridges used, and

9 die Berechnung des durch eine parallel laufende Phase hervorgerufenen Messfehlers in Abhängigkeit vom Störstrom. 9 the calculation of the measurement error caused by a phase in parallel as a function of the disturbance current.

In den Figuren werden gleiche Teile mit gleichen oder sich entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Die Figuren werden nachfolgend teilweise gemeinsam beschrieben.In the figures, like parts are designated by like or corresponding reference numerals. The figures will be described below partially together.

Zunächst wird auf allgemeine Grundlagen eingegangen: Es gilt das allgemeine Durchflutungsgesetz:First of all, general principles are discussed: The general Flood Law applies:

Bei hoher Leitfähigkeit des verwendeten Leitermaterials und einer Dynamik, die maximal im MHz Bereich liegt, gilt für die Leiteranordnung der weiter unten im Einzelnen beschriebenen 2 und 5 in sehr guter Nährung, dass die dielektrische Verschiebungsdichte der Nullvektor ist.With high conductivity of the conductor material used and a maximum dynamic range in the MHz range applies to the conductor arrangement described in detail below 2 and 5 very well, that the dielectric shift density is the zero vector.

Damit gilt in Integraler Form mit Satz von Stokes:
wobei die Symbole folgende Bedeutung haben:

J:: Stromdichte
D:: Dielektrische Verschiebungsdichte
H:: magnetische Feldstärke
F:: Allgemeine Flache
K:: Die Fläche F berandete geschlossene Kurve
n:: Anzahl der Messpunkte
H_i ^T:: Tangentialkomponente des magnetischen Feldes an die Kurve K
Δs_i:: exakter oder angenäherter Streckenabschnitt im i-ten Intervall auf der Kurve K
U_i ^B:: Brückenspannung des i-ten MR-Elements im i-ten Intervall auf der Kurve K.

Thus, in the integral form with the theorem of Stokes:
where the symbols have the following meaning:

J:: current density
D:: Dielectric shift density
H:: magnetic field strength
F:: General area
K:: The surface F bounded closed curve
n:: Number of measuring points
H _i ^T :: Tangential component of the magnetic field to the curve K
Δs _i :: exact or approximate stretch in the i-th interval on the curve K
U _i ^B :: Bridge voltage of the i-th MR element in the i-th interval on the curve K.

Aus Gl. (1) und Gl. (2) ergeben sich folgende Schlussfolgerungen: Zur Strommessung muss entsprechend 1 die Randkurve nur geschlossen sein. Ansonsten kann die Geometrie der Randkurve beliebig ausgebildet sein. Durch eine lokale, d. h. punktweise Messung der Tangentialkomponente des magnetischen Feldes und einfache Summenbildung entsprechend Gleichung 2 kann das Linienintegral aus Gleichung 2 über möglichst wenige Stützstellen möglichst exakt angenähert werden. Die Tangentialkomponente ist erforderlich, damit das Skalarprodukt intrinsisch realisiert wird. Damit dieses Ziel erreicht werden kann, bieten sich solche Geometrien für die Randkurve an, auf der die Messung erfolgt, welche die räumliche Anordnung des Messstromes und der Störströme gut berücksichtigen. Damit kommen als Randkurven insbesondere Kreise, Ellipsen oder gleichseitige Vielecke, z. B. ein Pentagon, ein Hexagon o. dgl., in Frage. From Eq. (1) and Eq. (2) the following conclusions arise: For current measurement must be accordingly 1 the boundary curve should only be closed. Otherwise, the geometry of the edge curve can be configured as desired. By a local, ie point-by-point measurement of the tangential component of the magnetic field and simple summation according to equation 2, the line integral from equation 2 can be approximated as precisely as possible via as few support points as possible. The tangential component is required for the scalar product to be realized intrinsically. To achieve this goal, such geometries are available for the edge curve on which the measurement takes place, which take into account the spatial arrangement of the measuring current and the interference currents well. This comes as edge curves in particular circles, ellipses or equilateral polygons, z. As a pentagon, a hexagon o. The like., In question.

Wichtig für die Festlegung der Kurvenform ist insbesondere, dass unter allen erdenklichen Betriebszuständen möglichst alle Sensoren in ihrer sensitiven Richtung immer eine ähnliche magnetische Feldstärke sehen und dass keine punktuelle Übersteuerung von Einzelelementen, d. h. außerhalb ihres linearen Bereiches, z. B. in Sättigung, das Ergebnis verfälscht.In particular, it is important for the definition of the curve shape that, under all imaginable operating states, as far as possible all sensors in their sensitive direction always see a similar magnetic field strength and that no punctual overloading of individual elements, ie. H. outside its linear range, e.g. B. in saturation, the result falsified.

Bei einer einfachen Zylindersymmetrie eines geraden langgestreckten Leiters entsprechend 2/3 mit kreisförmigem Querschnitt ist die kreisförmige Anordnung der Sensoren mit dem stromführenden Leiter im Mittelpunkt eine für eine praktische Umsetzung sicherlich bevorzugte Variante. Bei der Diskretisierung der Randkurve bieten sich äquidistante Varianten oder solche Varianten, bei welchen der Ortsvektor im flachen Schwerpunktsystem innerhalb eines jeden Segmentes immer die gleiche Fläche überstreicht, an. Wichtig ist dabei, dass Bereiche der Randkurve mit hoher Krümmung oder hohem Störeinfluss bei der Diskretisierung höher aufgelöst werden. Auch bietet es sich an, in der Summe aus Gl. 2 immer das exakte Bogensegment zu wählen, damit der Faktor e möglichst gleich 1 ist. Die Summe über das magnetische Feld aus Gl. 2 kann im einfachsten Fall auf eine Summe = oder Doppelsumme über die Brückenspannung zurückgeführt werden.In a simple cylindrical symmetry of a straight elongated conductor accordingly 2 / 3 with a circular cross-section, the circular arrangement of the sensors with the current-carrying conductor in the center is certainly a preferred variant for practical implementation. When discretizing the boundary curve, equidistant variants or variants in which the position vector in the flat center of gravity system always covers the same area within each segment are available. It is important that areas of the boundary curve with high curvature or high interference are resolved higher in the discretization. It also makes sense, in the sum of Eq. 2 always choose the exact arc segment, so that the factor e is equal to 1 as possible. The sum over the magnetic field from Eq. 2 can be returned in the simplest case to a sum = or double sum on the bridge voltage.

Aus 1 ergibt sich also insgesamt, dass der zu messende Strom, der eine berandete Fläche F durchflutet, anhand der Tangentialkomponente H_i ^T bestimmt werden kann. Nebenbedingung ist dabei nur, dass die Randkurve geschlossen ist.Out 1 Thus, the overall result is that the current to be measured, which flows through a bounded surface F, can be determined on the basis of the tangential component H _i ^T. Secondary condition is only that the boundary curve is closed.

In 2/3 ist ein Stromleiter mit rundem Querschnitt mit 1 bezeichnet. Der Leiter ist durch eine senkrecht orientierte Ebene 3 geführt, wobei Mittel 5, 6, 7 zur Auswertung vorhanden sind. Die Auswertung erfolgt üblicherweise softwaregestützt, wobei vorteilhafterweise eine gewichtete Summenbildung der einzelnen Messergebnisse durchgeführt wird.In 2 / 3 is a conductor with a round cross-section with 1 designated. The conductor is through a vertically oriented plane 3 led, whereby means 5 . 6 . 7 are available for evaluation. The evaluation is usually carried out by software, whereby advantageously a weighted summation of the individual measurement results is carried out.

Im Falle des Leiters 1 mit rundem Querschnitt gemäß 2/3 ergibt sich eine einfache Zylindersymmetrie, bei der zum Umfang der Radius R und in der Papierrichtung die Z-Komponente wirksam sind. Im Falle eines Rundleiters sind beispielsweise 12 identische Halbbrücken oder auch Vollbrücken 10 aus jeweils einzelnen identischen Spinvalve-Magnetfeldsensoren kreisförmig angeordnet. Bei der vorhandenen Radialsymmetrie (bzw. Zylindersymmetrie) um den runden Primärleiter 1 ergibt sich eine feldempfindliche Richtung jedes einzelnen Magnetfeld-Elementes senkrecht zur Radialkomponente des Zylinderkoordinatensystems.In the case of the leader 1 with round cross-section according to 2 / 3 This results in a simple cylinder symmetry, in which the circumference of the radius R and in the paper direction, the Z-component are effective. In the case of a round conductor, for example, 12 identical half bridges or full bridges 10 from each individual identical spinvalve magnetic field sensors arranged in a circle. With the existing radial symmetry (or cylinder symmetry) around the round primary conductor 1 results in a field-sensitive direction of each magnetic field element perpendicular to the radial component of the cylindrical coordinate system.

Die Magnetfeld-Elemente sind sog. Spinvalve-basierte Magnetfeldelemente, insbesondere sog. GMRs (Giant Magneto Resistantance), die sich durch eine hohe Richtungsselektivität der Magnetfeldmessung auszeichnen.The magnetic field elements are so-called spinvalve-based magnetic field elements, in particular so-called GMRs (Giant Magneto Resistantance), which are distinguished by a high directional selectivity of the magnetic field measurement.

In 4 ist der schematische Aufbau einer einzelnen GMR-Vollbrücke 10, 10', ... dargestellt. Die Vollbrücke ist aus vier einzelnen Spinvalve-basierte Magnetfeldsensoren 11 bis 14 gebildet, die miteinander so verschaltet sind, dass sich ein richtungsselektiver Feldsensor ergibt. In der 3 ist mit den senkrechten Pfeilen in den Magnetfeldelementen 11 bis 14 die Richtung der unidirektionalen Anisotropie der „Free Layer”, d. h. der Messschicht, der einzelnen Magnetfeldsensoren verdeutlicht und kennzeichnet RR die radiale Richtung am Ort der GMR-Brücke.In 4 is the schematic structure of a single GMR full bridge 10 . 10 ' , ... shown. The full bridge is made up of four individual Spinvalve-based magnetic field sensors 11 to 14 formed, which are interconnected so that there is a direction-selective field sensor. In the 3 is with the vertical arrows in the magnetic field elements 11 to 14 the direction of the unidirectional anisotropy of the "free layer", ie the measuring layer, of the individual magnetic field sensors clarifies and RR indicates the radial direction at the location of the GMR bridge.

Bei der in 4 dargestellten Ausführung einer gegensinnigen Richtung der Magnetisierung der Messschichten wird eine hohe Störfeldunabhängigkeit bereits im Einzelelement erreicht. Mit den horizontalen Doppelpfeilen R_EF ist die Referenzrichtung der jeweiligen GMR-Elemente angedeutet. Diese muss für die Verschaltung zur Vollbrücke gegensinnig aufgebaut werden. Es sind weiterhin Einheiten 15 bis 17 zur Spannungsversorgung U_V, zur Erdung GND und zur Auswertung des Messsignales U_I ^B vorhanden.At the in 4 illustrated embodiment of an opposite direction of the magnetization of the measuring layers high interference field independence is already achieved in the individual element. With the horizontal double arrows R _E F, the reference direction of the respective GMR elements is indicated. This must be set up in opposite directions for the connection to the full bridge. They are still units 15 to 17 to the voltage supply U _V , ground GND and the evaluation of the measurement signal U _I ^B available.

In 5 zeigt die schematische Skizze der Leiter-/Sensor-Anordnung einen Ansatz zur Bestimmung die Berechnung des Einflusses von Störfeldern, d. h. Störströmen, auf das Ergebnis der Strommessung. Die GMR-Brücken sind am Radius R entsprechend 2 angeordnet. Der Strom I₁ ist der Messstrom, der Strom I₂ ist der Störstrom. Über die Parameter b sowie c können eine Fehljustage und über die Parameter I₂ sowie a der Einfluss von Störungen, beispielsweise durch parallel laufende Phasen, berücksichtigt werden.In 5 The schematic sketch of the conductor / sensor arrangement shows an approach for determining the calculation of the influence of interference fields, ie interference currents, on the result of the current measurement. The GMR bridges are at the radius R accordingly 2 arranged. The current I ₁ is the measuring current, the current I ₂ is the interference current. By means of the parameters b and c, a misalignment can be taken into account and, via the parameters I ₂ and a, the influence of disturbances, for example due to parallel phases, can be taken into account.

In 6/7 ist eine zu 2/3 entsprechende Anordnung zur Hochstrommessung dargestellt, bei der wiederum zwölf Halb- oder Vollbrücken 10, 10', ... aus GMR-/TMR-Magnetfeldsensoren vorhanden sind. In diesem Fall liegt ein rechteckiger Primärleiter 2 senkrecht zur Ebene 4 vor, wobei die Vollbrücken 10, 10', ... so um den rechteckigen Primärleiter 2 angeordnet sind, dass die empfindliche Richtung der einzelnen Sensoren parallel zum magnetischen Feld des Leiters am Ort des einzelnen Sensorelementes ist. Dabei ist der Betrag des magnetischen Feldes am Ort aller Einzelsensoren jeweils etwa gleich groß. Es ist ersichtlich, dass für die in 4 dargestellte Anordnung im Wesentlichen die gleichen Randbedingungen wie in 2 gelten. Durch die Anordnung der einzelnen Brücken aus den Spin-valve-basierten Magnetfeldsensoren entsprechend 3 auf einer Ellipse wird durch die spezifische Signalauswertung in den Einheiten 5 bis 7 Rechnung getragen.In 6 / 7 is one too 2 / 3 corresponding arrangement shown for high current measurement, in turn, twelve half or full bridges 10 . 10 ' , ... are made of GMR / TMR magnetic field sensors. In this case, there is a rectangular primary conductor 2 perpendicular to the plane 4 before, with the full bridges 10 . 10 ' , ... around the rectangular primary conductor 2 are arranged so that the sensitive direction of the individual sensors is parallel to the magnetic field of the conductor at the location of the individual sensor element. In this case, the amount of the magnetic field at the location of all the individual sensors is about the same size. It can be seen that for the in 4 arrangement shown essentially the same boundary conditions as in 2 be valid. Due to the arrangement of the individual bridges from the spin-valve-based magnetic field sensors accordingly 3 on an ellipse is determined by the specific signal evaluation in the units 5 to 7 Taken into account.

In 8 ist das Ergebnis einer Berechnung des durch die Diskretisierung der Ringintegralbildung hervorgerufenen Fehlers graphisch dargestellt. Aufgetragen ist auf der Abszisse die Anzahl N der einzelnen Segmente, d. h. beispielsweise der GMR-Brücken, und auf der Ordinate der Fehler in Prozent, wobei die Fehlerangabe logarithmisch dargestellt ist. Der Graph 51 zeigt also die Änderung des Fehlers mit der Anzahl der GMR-Brücken.In 8th the result of a calculation of the error caused by the discretization of the ring integral formation is shown graphically. Plotted on the abscissa is the number N of the individual segments, ie, for example, the GMR bridges, and on the ordinate of the error in percent, the error indication is shown in logarithmic. The graph 51 So shows the change of the error with the number of GMR bridges.

Aus 8 ist deutlich erkennbar, dass der Fehler stark mit der Anzahl der verwendeten Sensoren 10, 10', ... bzw. zugehörigen Messbrücken abfällt und dass sich ab sechs Messbrücken ein hinreichend niedriger Fehler und insbesondere bei zwölf Messbrücken ein Fehler von etwa 1·10^–4% ergibt. Damit ist ein gutes Ergebnis erreicht.Out 8th It is clear that the error is strong with the number of sensors used 10 . 10 ' , ... or associated measuring bridges and that results from six measuring bridges a sufficiently low error and in particular with twelve measuring bridges an error of about 1 · 10 ^-4 % results. This achieves a good result.

Neben der relativ geringen Zahl notwendiger Einzelsensoren ist die Empfindlichkeit bezüglich Störfelder von benachbarten Leiterbahnen durch die richtungsselektive Feldmessung stark herabgesetzt. 9 zeigt die Abhängigkeit bei einem typischen Abstand a und signifikanten Störströmen.In addition to the relatively small number of necessary individual sensors, the sensitivity to interference fields of adjacent tracks is greatly reduced by the direction-selective field measurement. 9 shows the dependence at a typical distance a and significant noise currents.

In 9 ist auf der Abszisse der Störstrom in Ampere und auf der Ordinate der Fehler in % aufgetragen, wobei hier die Fehlerangabe linear ist. Der Abstand zwischen Messstrom I₁ und Störstrom I₂ beträgt in Anlehnung an 5 a = 300 mm und das GMR-Array mit 12 Segmenten hat einen Radius von a = 100 mm. In Abhängigkeit vom Störstrom ergibt sich der Graph 52 für den Fehlerverlauf.In 9 the error in% is plotted on the abscissa and the error in% on the ordinate, whereby the error specification is linear here. The distance between measuring current I ₁ and interference current I ₂ is based on 5 a = 300 mm and the GMR array with 12 segments has a radius of a = 100 mm. Depending on the interference current, the graph results 52 for the error history.

Aus 9 ist ersichtlich, dass der Fehler durch den Störstrom gegenüber dem Messfehler gemäß Graph 51 aus 8 zu vernachlässigen ist.Out 9 It can be seen that the error due to the interference current compared to the measurement error according to graph 51 out 8th is negligible.

Claims

Method for the non-contact measurement of high currents in current conductors, with the following measures: - Utilizing the law of flux measurement with several discrete spinvalve-based GMR / TMR magnetic field sensors whose field-selective measuring directions are aligned in a defined arrangement to the conductor, - the measuring signals become one the arrangement of the spinvalve-based magnetic field sensors directly associated evaluation supplied - by a numerical evaluation of the signals in the evaluation of the current flowing through the current conductor is determined, characterized in that - the direction-selective Spinvalve-based magnetic field sensors connected in groups to form a half or full bridge and in the evaluation device, the bridge signals are evaluated, wherein - the evaluation is carried out by weighted summation and - in the measurement and evaluation of the signals sufficient noise immunity against äu ßeren fields is guaranteed.

A method according to claim 1, characterized in that currents are measured in current conductors with a round cross-section.

A method according to claim 1, characterized in that currents are measured in conductors with rectangular cross-section.

A method according to claim 1, characterized in that currents are measured in conductors with any cross-section.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the azimuthal distance (a, c) of a disturbance current (I ₂ ) is detected.

A method according to claim 5, characterized in that the amount of interference current (I ₂ ) is taken into account.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that multi-phase currents are detected, wherein in addition to the measuring current (I ₁ ) by the one phase as interference current (I ₂ ) the currents are detected by the other phases.

High-current sensor in which the following features are realized by utilizing the law of flooding: a predetermined number of spinvalve-based magnetic field sensors (US Pat. 11 to 14 ), which at a given radial distance symmetrically around the conductor ( 1 ) are arranged and each having the same sensitivity, - an evaluation device ( 15 to 17 ) for evaluating the signals of the individual Spinvalve-based magnetic field sensors ( 11 to 14 ), characterized in that - individual spinvalve-based magnetic field sensors ( 11 to 14 ) a measuring bridge ( 10 . 10 ' , ...) and the spinvalve-based magnetic field sensors ( 11 to 14 ) each measuring bridge ( 10 . 10 ' , ...) defined reference layers and measuring layers, wherein - at least six half or full bridges ( 10 . 10 ' , ...) that are symmetrical around the conductor ( 1 . 2 ), wherein two spinvalve-based magnetic field sensors ( 11 to 14 ) one half-bridge or four spinvalve-based magnetic field sensors ( 11 to 14 ) form a full bridge and - the measuring bridges ( 10 . 10 ' , ...) are constructed in such a way that the unidirectional orientations of the reference layers and of the measuring layers of the measuring bridges ( 10 . 10 ' , ...) are oriented essentially in pairs opposite to each other - the reference and the measuring layers have an angle of 90 ° with a tolerance of + -10 °, and - the unidirectional orientations of the measuring layers of the Spinvalve-based magnetic field sensors ( 11 to 14 ) are aligned substantially radially.

High current sensor according to claim 8, characterized in that the spinvalve-based magnetic field sensors ( 11 to 14 ) GMR elements are.

High current sensor according to claim 8, characterized in that the spinvalve-based magnetic field sensors TMR elements ( 11 to 14 ) are.

High-current sensor according to one of claims 8 to 10, characterized in that twelve half or full bridges ( 10 . 10 ' , ...) that are symmetrical around the conductor ( 1 . 2 ) are arranged.