[0001] Die Erfindung betrifft einen Stromsensor zur berührungslosen Strommessung nach dem Prinzip der Messung des von einem stromführenden Leiter erzeugten Magnetfeldes gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
[0002] Stromsensoren der genannten Art arbeiten mit einem Magnetfeldsensor, der das von einem elektrischen Leiter erzeugte magnetische Feld misst und daraus den im Leiter fliessenden Strom ermittelt. Als Magnetfeldsensoren werden insbesondere Hall-Sensoren, Magneto-Transistoren, magnetoresistive Widerstände etc. verwendet.
[0003] Eine aus dem Stand der Technik bekannte Messanordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Fig. 1 zeigt einen zentralen stromdurchflossenen Leiter 1, der von einem Magnetfeldkonzentrator 2 umgeben ist, der das vom Leiter 1 erzeugte Magnetfeld B konzentriert und für die Messung verstärkt.
Die Messanordnung umfasst ferner einen Magnetfeldsensor 3, der in einem Luftspalt 4 angeordnet ist und vom Magnetfeld des Magnetfeldkonzentrators 2 durchflutet wird.
[0004] Magnetische Materialien, wie sie für den Magnetfeldkonzentrator 2 eingesetzt werden, i.A. Ferrite oder nickel- und kobalthaltige Verbindungen, besitzen ein Hysterese-Verhalten, auf Grund dessen auch bei fehlendem Stromfluss durch den Leiter ein remanentes Magnetfeld zurückbleibt, das vom Magnetfeldsensor 3 gemessen wird.
Aus dem Fachbuch "Das Techniker Handbuch" von 1979 (ISBN 3-528-24 053-9), Seite 678-679, ist bekannt, dass ferromagnetische Materialien wie Ferrite oder nickel- und kobalthaltige Verbindungen eine hohe Permeabilität >>1 aufweisen.
[0005] Gerade bei der Messung kleiner Magnetfelder verursacht diese Remanenz erhebliche Messfehler.
[0006] Eine aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit zur Verbesserung der Messgenauigkeit eines solchen Stromsensors ist z.B. das Closed-Loop-Verfahren, bei dem das vom Leiter 1 erzeugte magnetische Feld nicht direkt gemessen, sondern mittels einer Spule 8 ein Gegenfeld am Ort des Magnetfeldsensors 3 erzeugt wird, welches so stark ist, dass sich die beiden Felder gegeneinander aufheben.
Aus der Kenntnis des von der Spule 8 erzeugten Gegenfeldes kann unmittelbar auf das zu messende Magnetfeld zurück geschlossen werden.
[0007] Vorteil dieser bekannten Kompensationsmethode liegt darin, dass nur sehr kleine Feldstärken im Flusskonzentrator erreicht werden und somit keine bzw. nur geringe Remanenz auftritt. Da der Magnetfeldsensor 3 nur den Nullabgleich des Magnetfeldes messen muss, kann ein sehr sensitiver Sensor verwendet werden. Der Magnetfeldsensor 3 wird ausserdem nie in Sättigung gehen, da er stets nur in der Nähe des Nullabgleichs arbeitet.
[0008] Der Nachteil des genannten Verfahrens ist jedoch ein eingeschränkter Messbereich, da durch die Kompensationsspule 8 nicht beliebig viel Strom getrieben werden kann, d.h. das Kompensationsfeld ist auf einen bestimmten maximalen Betrag begrenzt.
Hinzu kommt, dass die Kompensationsspule ein zusätzliches Bauteil darstellt, welches darüber hinaus eine aufwendige Beschaltung und zusätzlichen Bauraum benötigt.
[0009] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hochgenauen Stromsensor zu schaffen, der wesentlich einfacher und kleiner aufgebaut und darüber hinaus kostengünstiger ist.
[0010] Gelöst wird diese Aufgabe gemäss der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.
[0011] Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, einen Stromsensor zur Messung des auf einem Leiter geführten Stromes, der einen den Leiter wenigstens teilweise umgebenden Magnetfeldkonzentrator aufweist, mit mindestens zwei Magnetfeldsensoren auszustatten, von denen der erste in dem vom Magnetfeldkonzentrator verstärkten Magnetfeld und der zweite ausserhalb des vom Magnetfeldkonzentrator verstärkten Magnetfeldes angeordnet ist. Eine solche Anordnung ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar.
[0012] Der Stromsensor wird vorzugsweise derart betrieben, dass der erste, im verstärkten Magnetfeld angeordnete Magnetfeldsensor schwache Magnetfelder misst, während stärkere Magnetfelder mit dem zweiten Sensor erfasst werden. Für das Umschalten der Messbereiche bzw.
Sensoren sind vorzugsweise Schwellenwerte vorgegeben, wobei z.B. eine automatische Umschaltung der Messbereiche erfolgt, wenn eine vorgegebene Feldstärke überschritten wird. Auf diese Weise kann ein weitaus grösserer Messbereich abgedeckt werden als bei Verwendung nur eines einzelnen Magnetfeldsensors, wobei nur sehr geringe Mehrkosten durch den zweiten Sensor entstehen.
[0013] Gemäss einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden, insbesondere in einem Messbereich mit geringen Feldstärken, die Messsignale beider Magnetfeldsensoren ausgewertet, um die Remanenz im Magnetfeldkonzentrator zu bestimmen (dies funktioniert nur bis zu einer Empfindlichkeitsuntergrenze des zweiten Sensors oder wenn das zu messende Feld Null ist).
Zur Bestimmung der Remanenz im hochpermeablen Material des Magnetfeldkonzentrators können die Messsignale der beiden Magnetfeldsensoren beispielsweise ins Verhältnis gesetzt werden. Die Abweichung des Verhältnisses von einem physikalisch vorgegebenen Wert bildet dabei ein Mass für die im Magnetfeldkonzentrator vorhandene Remanenz, die dann bei der Messung mit dem ersten, im verstärkten Magnetfeld angeordneten, Sensor berücksichtigt und aus dem Messergebnis herausgerechnet werden kann.
[0014] Wahlweise kann die ermittelte Remanenz auch dazu verwendet werden, den Magnetfeldkonzentrator z.B. mit Hilfe einer Spule wieder zu entmagnetisieren.
Hierzu wird an der Spule z.B. ein oszillierendes Entmagnetisierfeld angelegt, mit dem im Material des Magnetfeldkonzentrators eine hinreichend hohe Feldstärke erzeugt wird, um das Remanenzfeld zu reduzieren und im Idealfall zu Null werden zu lassen.
[0015] Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zweite Magnetfeldsensor innerhalb eines vom Magnetfeldkonzentrator umschlossenen Gebiets positioniert, in dem im Wesentlichen nur die unverstärkte Feldstärke des vom Leiter erzeugten Magnetfelds herrscht.
Wegen der zusätzlich abschirmenden Wirkung des Magnetfeldkonzentrators vor externen Störfeldern kann hierdurch die Störfestigkeit des Stromsensors wesentlich erhöht werden.
[0016] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können magnetische Linsen vorgesehen sein, die das vom Magnetfeldkonzentrator verstärkte Magnetfeld nochmals verstärken und auf den ersten Magnetfeldsensor fokussieren. Der Abstand der beiden Magnetfeldsensoren kann somit reduziert und Störeinflüsse minimiert werden.
[0017] Der Magnetfeldkonzentrator besteht vorzugsweise aus einer Vergussmasse mit hoher magnetischer Permeabilität, in der der Leiter und der Magnetfeldsensor eingebettet sind.
Die Vergussmasse ist besonders vorteilhaft, da sie einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.
[0018] Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst drei Magnetfeldsensoren, von denen der erste und zweite wie vorstehend beschrieben positioniert und der dritte Magnetfeldsensor ausserhalb des vom Magnetfeldkonzentrator umschlossenen Bereichs angeordnet ist. Eine Auswertung des Messsignals des zweiten und dritten Magnetfeldsensors liefert somit zusätzliche Information über externe Störfelder, die bei der Messauswertung berücksichtigt werden können.
Das Messergebnis des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors kann somit entsprechend korrigiert werden.
[0019] Der Stromsensor mit zwei oder mehr Magnetfeldsensoren kann selbstverständlich auch in Verbindung mit der eingangs beschriebenen Kompensationsmethode verwendet werden.
[0020] Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine Messanordnung zur Strommessung mit einem Magnetfeldsensor gemäss dem Stand der Technik;
<tb>Fig. 2<sep>einen Stromsensor mit zwei Magnetfeldsensoren gemäss der Erfindung in perspektivischer Ansicht;
<tb>Fig. 3<sep>eine Seitenansicht eines Stromsensors mit einer speziellen Anordnung von zwei bzw. drei Magnetfeldsensoren; und
<tb>Fig. 4<sep>eine vergrösserte Teilansicht eines Stromsensors mit magnetischen Linsen.
[0021] Bezüglich der Erläuterung von Fig. 1 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
[0022] Fig. 2 zeigt einen Stromsensor, der das von einem elektrischen Leiter 1 erzeugte Magnetfeld der Flussdichte B misst. Der Stromsensor umfasst einen um den Leiter 1 herum angeordneten Magnetfeldkonzentrator 2 sowie zwei Magnetfeldsensoren 3a, 3b, von denen der erste 3a in der vom Magnetfeldkonzentrator 2 verstärkten magnetischen Flussdichte BI und der zweite Magnetfeldsensor 3b in der unverstärkten äusseren Flussdichte BA angeordnet ist.
[0023] Die Magnetfeldsensoren 3a, 3b sind mit einer Auswerteeinheit 5 verbunden, die in der Lage ist, aus den Messsignalen der beiden Magnetfeldsensoren 3a, 3b das im Magnetfeldkonzentrator 2 vorhandene Remanenzfeld zu ermitteln.
Dieses wird insbesondere bei der Messung kleiner Magnetfelder mit dem ersten Magnetfeldsensor 3a berücksichtigt und aus dem Messergebnis herausgerechnet.
[0024] Zur Ermittlung des Remanenzfeldes kann beispielsweise das Messergebnis der beiden Magnetfeldsensoren 3a, 3b ins Verhältnis gesetzt werden. Die Abweichung des Verhältnissses von einem physikalisch vorgegebenen Wert bildet dabei ein Mass für die im Magnetfeldkonzentrator 2 vorhandene Remanenz, die dann bei der Messung mit dem ersten Sensor 3a berücksichtigt und aus dem Messergebnis herausgerechnet werden kann.
[0025] Der Stromsensor wird derart betrieben, dass der erste, im verstärkten Magnetfeld angeordnete Magnetfeldsensor 3a schwache Magnetfelder B misst, während stärkere Magnetfelder B mit dem zweiten Sensor 3b erfasst werden.
Die Messung erfolgt hierbei alternativ entweder durch den ersten oder zweiten Magnetfeldsensor. Bei Überschreiten einer vorgegebenen Feldstärke wird das Magnetfeld vorzugsweise ausschliesslich vom zweiten Magnetfeldsensor 3b gemessen.
[0026] Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht eines Stromsensors mit einem ringförmig ausgebildeten Magnetfeldkonzentrator 2, der um einen Leiter 1 mit rechteckigem Leiterquerschnitt angeordnet ist.
Wie zu erkennen ist, wird die magnetische Flussdichte BI durch das Material des Magnetfeldkonzentrators 2 verstärkt, wogegen im Bereich zwischen Magnetfeldkonzentrator 2 und Leiter 1 nur die vom Stromfluss I erzeugte Flussdichte BA vorherrscht.
[0027] Der dargestellte Stromsensor umfasst ebenfalls zwei Magnetfeldsensoren 3a, 3b, wobei der erste Magnetfeldsensor 3a im Bereich verstärkter magnetischer Flussdichte BA, und der zweite Magnetfeldsensor 3b im Bereich unverstärkter Flussdichte BI angeordnet ist.
[0028] Im Gegensatz zur Anordnung von Fig. 2 ist der zweite Magnetfeldsensor 3b hier in einem Bereich angeordnet, der vom Magnetfeldkonzentrator 2 umschlossen wird.
Externe Felder und Störeinflüsse werden somit weitestgehend durch den Magnetfeldkonzentrator 2 abgeschirmt.
[0029] Wie gestrichelt dargestellt ist, kann der Stromsensor noch einen dritten Magnetfeldsensor 3c aufweisen, der ausserhalb des vom Magnetfeldkonzentrator 2 umschlossenen Bereichs angeordnet ist. Eine Auswertung des Messsignals des zweiten und dritten Magnetfeldsensors 3b, 3c liefert somit zusätzliche Information über externe Störfelder, die bei der Messung berücksichtigt werden können. Das Messergebnis des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors 3a, 3b kann somit entsprechend korrigiert werden.
[0030] Fig. 4 zeigt eine vergrösserte Teilansicht eines Stromsensors, bei dem der Magnetfeldkonzentrator 2 zusätzlich magnetische Linsen 6 aufweist, die die magnetische Flussdichte BI nochmals verstärken und auf den ersten Magnetfeldsensor 3a fokussieren.
Der Magnetfeldkonzentrator 2 ist ferner im Bereich des Magnetfeldsensors 3a verjüngt gebildet.
[0031] Die Magnetfeldsensoren 3a, 3b sind zusammen mit einer Auswertelogik (nicht gezeigt) auf einem Sensorchip 7 monolithisch integriert.
Bezugszeichenliste
[0032]
1 : elektrischer Leiter
2 : Magnetfeldkonzentrator
3a, 3b, 3c : Magnetfeldsensoren
4 : Luftspalt
5 : Auswerteeinheit
6 : Magnetische Linsen
7 : Sensorchip
BI : verstärkte magnetische Flussdichte
BA : unverstärkte Flussdichte
The invention relates to a current sensor for non-contact current measurement according to the principle of measuring the magnetic field generated by a current-carrying conductor according to the preamble of patent claim 1.
Current sensors of the type mentioned work with a magnetic field sensor, which measures the magnetic field generated by an electrical conductor and determines therefrom the current flowing in the conductor. Hall sensors, magneto-transistors, magnetoresistive resistors, etc. are used in particular as magnetic field sensors.
A known from the prior art measuring arrangement is shown in Fig. 1. Fig. 1 shows a central current-carrying conductor 1, which is surrounded by a magnetic field concentrator 2, which concentrates the magnetic field B generated by the conductor 1 and amplified for the measurement.
The measuring arrangement further comprises a magnetic field sensor 3, which is arranged in an air gap 4 and is flooded by the magnetic field of the magnetic field concentrator 2.
Magnetic materials, as used for the magnetic field concentrator 2, i.A. Ferrite or nickel- and cobalt-containing compounds have a hysteresis behavior, as a result of which, even in the absence of current flow through the conductor, a remanent magnetic field remains, which is measured by the magnetic field sensor 3.
From the textbook "The Technician Manual" of 1979 (ISBN 3-528-24 053-9), page 678-679, it is known that ferromagnetic materials such as ferrites or nickel- and cobalt-containing compounds have a high permeability >> 1.
Especially in the measurement of small magnetic fields, this remanence causes considerable measurement errors.
A possibility known from the prior art for improving the measuring accuracy of such a current sensor is e.g. the closed-loop method in which the magnetic field generated by the conductor 1 is not measured directly, but by means of a coil 8 an opposing field is generated at the location of the magnetic field sensor 3, which is so strong that cancel the two fields against each other.
From the knowledge of the opposing field generated by the coil 8 can be closed directly back to the magnetic field to be measured.
Advantage of this known compensation method is that only very small field strengths are achieved in the flux concentrator and thus no or only small remanence occurs. Since the magnetic field sensor 3 only needs to measure the zero balance of the magnetic field, a very sensitive sensor can be used. The magnetic field sensor 3 will also never go into saturation, as it always works only in the vicinity of the zero balance.
However, the disadvantage of said method is a limited measuring range, since the compensation coil 8 can not drive any amount of current, i. E. the compensation field is limited to a certain maximum amount.
In addition, the compensation coil is an additional component, which also requires a complicated wiring and additional space.
It is therefore an object of the present invention to provide a high-precision current sensor, which is much simpler and smaller and, moreover, less expensive.
This object is achieved according to the invention by the features specified in claim 1.
Further embodiments of the invention are the subject of dependent claims.
The essential idea of the invention is to provide a current sensor for measuring the current conducted on a conductor, which has a conductor at least partially surrounding magnetic field concentrator, with at least two magnetic field sensors, of which the first in the magnetic field concentrator from the amplified magnetic field and the second outside of the magnetic field concentrator amplified magnetic field is arranged. Such an arrangement is particularly simple and inexpensive to implement.
The current sensor is preferably operated such that the first, arranged in the amplified magnetic field magnetic field sensor measures weak magnetic fields, while stronger magnetic fields are detected with the second sensor. For switching the measuring ranges or
Sensors are preferably given thresholds, e.g. An automatic switching of the measuring ranges takes place when a predetermined field strength is exceeded. In this way, a much larger measurement range can be covered than when using only a single magnetic field sensor, with only very small additional costs incurred by the second sensor.
According to another embodiment of the invention, in particular in a measuring range with low field strengths, the measuring signals of both magnetic field sensors evaluated to determine the remanence in the magnetic field concentrator (this only works up to a lower sensitivity limit of the second sensor or if the field to be measured zero is).
To determine the remanence in the high-permeability material of the magnetic field concentrator, the measurement signals of the two magnetic field sensors can be set in relation, for example. The deviation of the ratio from a physically predetermined value forms a measure of the remanence present in the magnetic field concentrator, which can then be taken into account in the measurement with the first sensor arranged in the amplified magnetic field and calculated out of the measurement result.
Optionally, the determined remanence can also be used to determine the magnetic field concentrator, e.g. to demagnetize again with the help of a coil.
For this purpose, on the coil, e.g. an oscillating Entmagnetisierfeld applied, with the material of the magnetic field concentrator, a sufficiently high field strength is generated in order to reduce the remanence field and to be zero in the ideal case.
According to a preferred embodiment of the invention, the second magnetic field sensor is positioned within a region enclosed by the magnetic field concentrator, in which essentially only the unamplified field strength of the magnetic field generated by the conductor prevails.
Because of the additional shielding effect of the magnetic field concentrator against external interference fields, the immunity of the current sensor can be significantly increased thereby.
According to a further embodiment of the invention, magnetic lenses may be provided which reinforce the magnetic field concentrator amplified magnetic field again and focus on the first magnetic field sensor. The distance between the two magnetic field sensors can thus be reduced and interference can be minimized.
The magnetic field concentrator preferably consists of a potting compound with high magnetic permeability, in which the conductor and the magnetic field sensor are embedded.
The potting compound is particularly advantageous because it can be easily and inexpensively manufactured.
A further embodiment of the invention comprises three magnetic field sensors, of which the first and second positioned as described above and the third magnetic field sensor is arranged outside the area enclosed by the magnetic field concentrator. An evaluation of the measurement signal of the second and third magnetic field sensor thus provides additional information about external interference fields, which can be taken into account in the measurement evaluation.
The measurement result of the first or second magnetic field sensor can thus be corrected accordingly.
The current sensor with two or more magnetic field sensors can of course also be used in conjunction with the compensation method described above.
The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
<Tb> FIG. 1 <sep> a measuring device for current measurement with a magnetic field sensor according to the prior art;
<Tb> FIG. 2 <sep> a current sensor with two magnetic field sensors according to the invention in a perspective view;
<Tb> FIG. 3 is a side view of a current sensor with a particular arrangement of two or three magnetic field sensors; and
<Tb> FIG. 4 <sep> An enlarged partial view of a current sensor with magnetic lenses.
With regard to the explanation of Fig. 1, reference is made to the introduction to the description.
FIG. 2 shows a current sensor which measures the magnetic field of the flux density B generated by an electrical conductor 1. The current sensor comprises a magnetic field concentrator 2 arranged around the conductor 1 and two magnetic field sensors 3a, 3b, of which the first 3a in the magnetic flux density BI amplified by the magnetic field concentrator 2 and the second magnetic field sensor 3b in the unamplified external flux density BA.
The magnetic field sensors 3a, 3b are connected to an evaluation unit 5, which is able to determine from the measurement signals of the two magnetic field sensors 3a, 3b present in the magnetic field concentrator 2 remanence field.
This is considered in particular in the measurement of small magnetic fields with the first magnetic field sensor 3a and excluded from the measurement result.
To determine the remanence field, for example, the measurement result of the two magnetic field sensors 3a, 3b are set in proportion. The deviation of the ratio of a physically predetermined value forms a measure of the remanence present in the magnetic field concentrator 2, which can then be taken into account in the measurement with the first sensor 3a and calculated out of the measurement result.
The current sensor is operated such that the first magnetic field sensor 3a arranged in the amplified magnetic field measures weak magnetic fields B, while stronger magnetic fields B are detected with the second sensor 3b.
The measurement takes place alternatively either by the first or second magnetic field sensor. When a predetermined field strength is exceeded, the magnetic field is preferably measured exclusively by the second magnetic field sensor 3b.
Fig. 3 shows a side view of a current sensor with a ring-shaped magnetic field concentrator 2, which is arranged around a conductor 1 with a rectangular conductor cross-section.
As can be seen, the magnetic flux density BI is amplified by the material of the magnetic field concentrator 2, whereas in the area between the magnetic field concentrator 2 and conductor 1, only the flux density BA generated by the current flow I prevails.
The current sensor shown also comprises two magnetic field sensors 3a, 3b, wherein the first magnetic field sensor 3a in the region of increased magnetic flux density BA, and the second magnetic field sensor 3b in the region of unreinforced flux density BI is arranged.
In contrast to the arrangement of Fig. 2, the second magnetic field sensor 3b is arranged here in a region which is enclosed by the magnetic field concentrator 2.
External fields and interference are thus largely shielded by the magnetic field concentrator 2.
As shown in dashed lines, the current sensor may also have a third magnetic field sensor 3c, which is arranged outside the area enclosed by the magnetic field concentrator 2. An evaluation of the measurement signal of the second and third magnetic field sensor 3b, 3c thus provides additional information about external interference fields, which can be taken into account in the measurement. The measurement result of the first or second magnetic field sensor 3a, 3b can thus be corrected accordingly.
4 shows an enlarged partial view of a current sensor, in which the magnetic field concentrator 2 additionally has magnetic lenses 6, which reinforce the magnetic flux density BI and focus on the first magnetic field sensor 3a.
The magnetic field concentrator 2 is also formed in the region of the magnetic field sensor 3 a tapered.
The magnetic field sensors 3a, 3b are monolithically integrated on a sensor chip 7 together with an evaluation logic (not shown).
LIST OF REFERENCE NUMBERS
[0032]
1: electrical conductor
2: magnetic field concentrator
3a, 3b, 3c: magnetic field sensors
4: air gap
5: evaluation unit
6: Magnetic lenses
7: sensor chip
BI: enhanced magnetic flux density
BA: unreinforced flux density