CH709617B1

CH709617B1 - Apparatus and method for measuring flux density in magnetic cores.

Info

Publication number: CH709617B1
Application number: CH00718/14A
Authority: CH
Inventors: Ortiz Gabriel; Bortis Dominik
Original assignee: Eth Zürich Eth Transfer
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2017-12-29
Also published as: CH709617A2

Abstract

Eine Einrichtung zur Messung der Flussdichte in einem Magnetkern (1) umfasst einen elektromechanischen Wandler (2), der an einem Magnetkern (1) angebracht werden kann, um ein elektrisches Signal (u P iezo [t]) zu erzeugen, das einer mechanischen Dehnung des Magnetkerns (1) entspricht, und Signalverarbeitungselemente (5, 6), die dazu konfiguriert sind, ein Signal zu extrahieren, das eine Flussdichte in dem Magnetkern (1) angibt.A device for measuring the flux density in a magnetic core (1) comprises an electromechanical transducer (2) which can be attached to a magnetic core (1) in order to generate an electrical signal (u P iezo [t]), which is a mechanical strain of the magnetic core (1), and signal processing elements (5, 6) configured to extract a signal indicative of a flux density in the magnetic core (1).

Description

Beschreibung [0001] Flussdichte in Magnetkernen ist das hauptsächliche zugrunde liegende Prinzip, mit dem eine isolierte Messung von Strömen von Gleichstrom bis zu höheren Frequenzbereichen möglich ist. Hier erzeugt der zu erfassende Strom ein magnetisches Feld, das entweder in dem Luftspalt eines Magnetkerns konzentriert sein kann, oder in anderen Fällen nicht konzentriert ist, und stattdessen direkt vom um den stromtragenden Leiter herum induzierten Magnetfeld gemessen werden kann. In anderen Fällen wird eine Flussdichtemessung dazu verwendet, den Magnetisierungszustand von Netztransformatoren zu überwachen, um sicherzustellen, dass sie innerhalb sicherer Flussdichtewerte betrieben werden.Description [0001] Flux density in magnetic cores is the primary underlying principle with which isolated measurement of currents from DC to higher frequency ranges is possible. Here, the current to be detected generates a magnetic field which may either be concentrated in the air gap of a magnetic core, or is not concentrated in other cases, and instead may be measured directly from the magnetic field induced around the current-carrying conductor. In other cases, a flux density measurement is used to monitor the magnetization state of power transformers to ensure that they operate within safe flux density values.

[0002] Eines der typisch verwendeten Prinzipien zur Messung von magnetischer Flussdichte ist der magnetoresistive Effekt, wie zum Beispiel beschrieben in «G. Laimer, J. W. Kolar, «Design and Experimental Analysis of a DCto 1 MHz Closed Loop Magnetoresistive Current Sensor», Proceedings of the 20th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC 2005), Austin (Texas), USA, Band 2, Seiten 1288-1292, 6. bis 10. März 2005». Dieses Prinzip basiert auf der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit bestimmter Materialien, wenn sie Magnetfeldern ausgesetzt werden. Die recht hohe Empfindlichkeit dieser Materialien ermöglicht es, sie nahe am Strom zu platzieren, der das magnetische Feld erzeugt, das heisst ohne, dass das Magnetfeld durch Verwendung eines Magnetkerns konzentriert werden muss.One of the commonly used principles for measuring magnetic flux density is the magnetoresistive effect, as described, for example, in "G. Laimer, JW Kolar, "Design and Experimental Analysis of a DCM 1 MHz Closed Loop Magnetoresistive Current Sensor", Proceedings of the 20th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposure (APEC 2005), Austin (Texas), USA, Vol 1288-1292, 6th to 10th March 2005 ». This principle is based on the change in the electrical conductivity of certain materials when exposed to magnetic fields. The very high sensitivity of these materials allows them to be placed close to the current that creates the magnetic field, that is, without having to concentrate the magnetic field by using a magnetic core.

Ein weiteres allgemein verwendetes Flussmesskonzept sind die Fluxgatesensoren, «P. Ripka, «Review of Fluxgate Sensors, Sensors and Actuators A>: Physical, Band 33, Nr. 4, Seiten 129-141, 1992». Diese Sensoren basieren auf einer Überlagerung einer Wechselflussdichtekomponente höherer Frequenz mit der gemessenen Flussdichtekomponente in einem Magnetkern. Die Flussdichte höherer Frequenz wird gesteuert, um die gleichen Spitzenwerte unabhängig vom gemessenen Flussdichteniveau zu erreichen, was dadurch erreicht wird, dass die Wellenform des Flochfrequenzsignals angepasst wird. Diese Wellenform wird dann dazu verwendet, den gemessenen Flussdichtewert zu extrahieren. Je nach der Geometrie können mit diesem Prinzip auch hohe Empfindlichkeiten erreicht werden, und daher kann dieser Sensor sowohl in konzentrierten als auch nicht konzentrierten Magnetfeldern eingesetzt werden.Another commonly used flow measurement concept is the fluxgate sensors, "P. Ripka, "Review of Fluxgate Sensors, Sensors and Actuators A>: Physical, Vol. 33, No. 4, pp. 129-141, 1992». These sensors are based on a superposition of a higher frequency AC flux density component with the measured flux density component in a magnetic core. The higher frequency flux density is controlled to achieve the same peak values regardless of the measured flux density level, which is achieved by adjusting the waveform of the flop frequency signal. This waveform is then used to extract the measured flux density value. Depending on the geometry, high sensitivities can also be achieved with this principle, and therefore this sensor can be used in both concentrated and non-concentrated magnetic fields.

[0003] Eines der am meisten verwendeten Flussmesskonzepte ist der Hall-Effekt, «S. Ziegler, R. C. Woodward, H. H.-C. lu, und L. J. Borie, «Current Sensing Techniques: A Review», «Sensors Journal», IEEE, Band 9, Nr. 4, Seiten 354-376, Apr. 2009». Hier ist das Magnetfeld durch einen Magnetkern konzentriert, wobei das Hallelement direkt in den magnetischen Pfad gesetzt wird. Das Hallelement gibt eine Spannung aus, die proportional zum Magnetfeld ist, wobei in der Regel niedrigere Empfindlichkeiten erreicht werden; somit ist die Konzentration des Magnetfelds durch einen Magnetkern unabdingbar.One of the most commonly used flow measurement concepts is the Hall effect, "S. Ziegler, R.C. Woodward, H.H.-C. lu, and L.J. Borie, "Current Sensing Techniques: A Review", "Sensors Journal", IEEE, Vol. 9, No. 4, pp. 354-376, Apr. 2009 ». Here, the magnetic field is concentrated by a magnetic core, with the Hall element being set directly in the magnetic path. The Hall element emits a voltage that is proportional to the magnetic field, typically resulting in lower sensitivities; Thus, the concentration of the magnetic field by a magnetic core is essential.

[0004] Falls die magnetische Flussdichte innerhalb des Kerns gemessen werden soll, muss bei den drei zuvor erwähnten Flussdichtemesskonzepten ein Luftspalt in den magnetischen Pfad eingebracht und der Sensor in diesen Luftspalt gesetzt werden, was den Herstellungsaufwand erhöht und, falls die Messung der Flussdichte innerhalb eines Transformators durchgeführt wird, bedingt, dass die Anordnung des Flussdichtesensors während der Designstufe des Transformators berücksichtigt wird.If the magnetic flux density within the core is to be measured, in the three aforementioned flux density measurement concepts, an air gap must be introduced in the magnetic path and the sensor placed in this air gap, which increases the manufacturing cost and, if the measurement of the flux density within a Transformer is required, that the arrangement of the flux density sensor is taken into account during the design stage of the transformer.

[0005] Ein Ziel der Erfindung ist es, ein nicht invasives Flussdichtemesskonzept für Magnetkerne bereitzustellen, das keine Anforderungen bezüglich einer definierten Form des Kerns oder das Einbringen eines Luftspalts in den magnetischen Pfad bedingt. Mit anderen Worten ist es das Ziel, dass die Form des Kerns und das jeweilige Flussmesskonzept unabhängig ausgewählt werden können.An object of the invention is to provide a non-invasive flux density measurement concept for magnetic cores which does not impose any requirements with respect to a defined shape of the core or the introduction of an air gap into the magnetic path. In other words, the goal is that the shape of the core and the respective flow measurement concept can be selected independently.

[0006] Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Magnetflussdichtesensor bereitzustellen, der eine galvanisch isolierte Messung bietet. Ein weiteres Ziel ist es, zu erreichen, dass Gleichstrom- und Wechselstromsignale gemessen werden können. Ein weiteres Ziel liegt darin, dass die Messung sich nur minimal auf das Design der Magnetkomponenten, deren magnetische Flussdichte erfasst werden soll, auswirkt.Another object of the invention is to provide a magnetic flux density sensor that provides a galvanically isolated measurement. Another goal is to be able to measure DC and AC signals. Another goal is that the measurement has minimal effect on the design of the magnetic components whose magnetic flux density is to be detected.

[0007] Mindestens eine der Aufgaben wird durch eine Einrichtung und ein Verfahren zum Messen der Flussdichte in einem Magnetkern gemäss den Ansprüchen erreicht.At least one of the objects is achieved by a device and a method for measuring the flux density in a magnetic core according to the claims.

[0008] Die Einrichtung zur Messung der Flussdichte in einem Magnetkern umfasst einen elektromechanischen Wandler, der an einem Magnetkern angebracht werden kann, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das einer mechanischen Dehnung des Magnetkerns entspricht, und Signalverarbeitungselemente, die dazu konfiguriert sind, ein Signal, das eine Flussdichte im Magnetkernen angibt, zu extrahieren.The device for measuring the flux density in a magnetic core comprises an electromechanical transducer which can be attached to a magnetic core to generate an electrical signal corresponding to a mechanical strain of the magnetic core, and signal processing elements configured to generate a signal , which indicates a flux density in the magnetic cores, to extract.

[0009] Das Verfahren zur Messung der Flussdichte in einem Magnetkern umfasst die Schritte des Erzeugens eines elektrischen Signals, das einer mechanischen Dehnung des Magnetkerns entspricht, mittels eines elektromechanischen Wandlers, der an einem Magnetkern befestigt ist, und des Extrahierens eines Signals, das die Flussdichte angibt, mittels Signalverarbeitungselementen.The method of measuring the flux density in a magnetic core includes the steps of generating an electrical signal corresponding to a mechanical strain of the magnetic core by means of an electromechanical transducer attached to a magnetic core and extracting a signal indicating the flux density indicates, by means of signal processing elements.

[0010] Die mechanischen Dehnungen werden durch Leitung der magnetischen Flussdichte innerhalb des Magnetkerns verursacht, wobei zwischen der Gesamtlängenänderung und dem aktuellen Wert des magnetischen Flusses innerhalb des Kerns eine quadratische Beziehung besteht.The mechanical strains are caused by conduction of the magnetic flux density within the magnetic core with a quadratic relationship between the total length change and the current value of the magnetic flux within the core.

[0011] Das Phänomen der Längenänderung, d.h. Schwingungen, von magnetischen Materialien mit Bezug auf magnetische Flussdichte ist als Magnetostriktion bekannt.The phenomenon of length change, i. Vibrations of magnetic materials with respect to magnetic flux density is known as magnetostriction.

[0012] Mit anderen Worten kann die Erfassungseinrichtung ein Signal ausgeben, das mit dem aktuellen Wert der magnetischen Flussdichte innerhalb des Magnetkerns in Beziehung steht, indem die Schwingungen an der Oberfläche der magnetischen Komponente erfasst werden.In other words, the detection means may output a signal related to the current value of the magnetic flux density within the magnetic core by detecting the vibrations on the surface of the magnetic component.

[0013] Bei einer Ausführungsform sind die Signalverarbeitungselemente dazu konfiguriert, einen Betrag einer Flussdich-te-DC-Komponente als proportional zu einer Differenz zwischen benachbarten Spitzenwerten des elektrischen Signals zu bestimmen.In one embodiment, the signal processing elements are configured to determine an amount of a flux density DC component as being proportional to a difference between adjacent peaks of the electrical signal.

[0014] Diese Ausführungsform basiert auf der Beobachtung, dass ein mit reiner Wechselstromanregung angeregter Magnetkern mechanische Schwingungen aufweisen wird und somit hörbare Geräusche mit einer Frequenz, die zweimal so gross wie die Magnetflussbetriebsfrequenz ist, erzeugt. Falls in der Flussdichte jedoch eine DC-Komponente vorliegt, beinhalten diese Schwingungen ebenfalls eine Komponente auf genau der Magnetflussbetriebsfrequenz. Diese Komponente kann durch Ausfiltern der anderen Komponenten oder durch Beobachtung der Spitzenwerte, wie beschrieben, de-tektiert werden.This embodiment is based on the observation that a magnetic core excited by pure AC excitation will have mechanical oscillations and thus generate audible noises having a frequency twice the magnetic flux operating frequency. However, if there is a DC component in the flux density, these oscillations also include a component at exactly the magnetic flux operating frequency. This component can be de-tected by filtering out the other components or by observing the peak values as described.

[0015] Bei einer Ausführungsform sind die Signalverarbeitungselemente dazu konfiguriert, ein Vorzeichen einer Fluss-dichte-DC-Komponente gemäss einer Phasenverschiebung zwischen dem elektrischen Signal und einem Anregungssignal, das den magnetischen Fluss verursacht, zu bestimmen.In one embodiment, the signal processing elements are configured to determine a sign of a flux density DC component according to a phase shift between the electrical signal and an excitation signal that causes the magnetic flux.

[0016] Bei einer Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung ein Dehnungsmessstreifen, dessen Widerstandswert sich verändert, wenn der Magnetkern seine mechanischen Abmessungen verändert. Diese Veränderung des Widerstands kann durch eine separate Schaltung in Form zum Beispiel einer Wheatstone-Brücke erfasst werden, um die Intensität des elektrischen Signals zu erhöhen. Trotzdem stellen diese Schaltungen in der Regel eine niedrigere Ausgangssignalstärke dar und sind gegenüber elektromagnetischer Störung empfindlich, was ihre verlässliche Implementierung erheblich kompliziert.In one embodiment, the detection means is a strain gauge whose resistance changes as the magnetic core changes its mechanical dimensions. This change in resistance can be detected by a separate circuit in the form of, for example, a Wheatstone bridge in order to increase the intensity of the electrical signal. Nevertheless, these circuits typically present lower output signal strength and are susceptible to electromagnetic interference, greatly complicating their reliable implementation.

[0017] Bei einer Ausführungsform umfasst die Einrichtung eine Hilfswicklung, die dem Magnetkern hinzugefügt wird, und Mittel zum Anlegen eines Anregungssignals mit einer gewissen Anregungsfrequenz an die Hilfswicklung, wobei die Signalverarbeitungselemente dazu konfiguriert sind, aus dem elektrischen Signal ein amplitudenmoduliertes Signal als Frequenzkomponenten, die um die Anregungsfrequenz oder ein ganzzahliges Mehrfaches der Anregungsfrequenz zentriert sind, zu extrahieren und durch Amplitudendemodulation des amplitudenmodulierten Signals ein Signal zu erzeugen, das proportional zur Flussdichte ist.In one embodiment, the device comprises an auxiliary winding added to the magnetic core and means for applying an excitation signal having a certain excitation frequency to the auxiliary winding, the signal processing elements being configured to derive from the electrical signal an amplitude modulated signal as frequency components to center the excitation frequency or an integer multiple of the excitation frequency, and to generate by amplitude demodulation of the amplitude modulated signal a signal which is proportional to the flux density.

[0018] Der durch diese Hilfswicklung erzeugte magnetische Fluss wird überlagert vom gewünschten zu erfassenden magnetischen Fluss. Aufgrund der quadratischen Beziehung zwischen der Flussdichte und den mechanischen Schwingungen wird das erfasste Flusssignal, das heisst, das Signal, das dem Fluss, den man messen möchte, entspricht, durch das Trägersignal moduliert, das in die Hilfswicklung eingeführt wird. Somit sind in dem Frequenzspektrum der mechanischen Schwingungen die erfassten Flussdichtefrequenzkomponenten um das Trägersignal zentriert, das heisst, das erfasste Flussdichtespektrum wird zu höheren Frequenzwerten verlagert. Zusätzlich werden andere Spektralkomponenten aufgrund der oben erwähnten Überlagerung von Trägersignal und erfasstem Flussdichtesignal erzeugt. Diese Signale sind jedoch nicht relevant und können mittels standardmässiger Filtertechniken verworfen werden.The magnetic flux generated by this auxiliary winding is superimposed by the desired magnetic flux to be detected. Due to the quadratic relationship between the flux density and the mechanical vibrations, the detected flux signal, that is, the signal corresponding to the flux one wishes to measure, is modulated by the carrier signal introduced into the auxiliary winding. Thus, in the frequency spectrum of the mechanical vibrations, the detected flux density frequency components are centered about the carrier signal, that is, the detected flux density spectrum is shifted to higher frequency values. In addition, other spectral components are generated due to the above-mentioned superposition of carrier signal and detected flux density signal. However, these signals are not relevant and can be discarded using standard filtering techniques.

[0019] Bei einer Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung vom piezoelektrischen Typ. Diese elektromechanischen Wandler sind gekennzeichnet durch eine Hochpasscharakteristik und vergleichsweise hohe Empfindlichkeiten. Darüber hinaus weisen diese Wandler aufgrund des Fehlens von magnetischen Komponenten und der Möglichkeit der Realisierung mit einer niedrigen parasitären Induktivität hohe elektromagnetische Störfestigkeit auf.In one embodiment, the detection device is of the piezoelectric type. These electromechanical transducers are characterized by a high-pass characteristic and comparatively high sensitivities. Moreover, due to the lack of magnetic components and the possibility of implementation with a low parasitic inductance, these converters have high electromagnetic immunity.

[0020] Bei einer Ausführungsform werden sowohl die Hilfswicklung, die ein Trägersignal einführt, als auch die piezoelektrische Erfassungseinrichtung auf den Magnetkern gesetzt, dessen Flussdichte es zu erfassen gilt. Die Kombination aus dem eingeführten Trägersignal und dem piezoelektrischen Wandler gestattet es der Erfassungseinrichtung, ein Spannungssignal auszugeben, das proportional zum Trägersignal ist, das von der Amplitude der magnetischen Flussdichte zu erfassenden moduliert ist.In one embodiment, both the auxiliary winding which introduces a carrier signal and the piezoelectric detecting means are set on the magnetic core whose flux density is to be detected. The combination of the inserted carrier signal and the piezoelectric transducer allows the detector to output a voltage signal that is proportional to the carrier signal that is modulated to be detected by the amplitude of the magnetic flux density.

[0021] Bei einer Ausführungsform wird die Ausgabe der Erfassungseinrichtung gefiltert, um die oben erwähnten nicht relevanten Spektralkomponenten zu eliminieren. Das Signal nach dem Filtern kann durch bestehende amplitudenmodulierte Demodulationstechniken demoduliert werden. Auf diese Weise kann der aktuelle Wert der magnetischen Flussdichte im Magnetkern rekonstruiert werden, wodurch es später zur Überwachung oder in einem Regelungssystem verwendet werden kann.In one embodiment, the output of the detector is filtered to eliminate the above-mentioned non-relevant spectral components. The signal after filtering can be demodulated by existing amplitude modulated demodulation techniques. In this way, the current value of the magnetic flux density in the magnetic core can be reconstructed, whereby it can later be used for monitoring or in a control system.

[0022] Weitere Ausführungsformen sind aus den abhängigen Patentansprüchen ersichtlich.Further embodiments can be seen from the dependent claims.

[0023] Der Gegenstand der Erfindung wird im folgenden Text mit Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen, die in den angehängten Zeichnungen dargestellt sind, ausführlicher erklärt, welche zeigen in:The object of the invention will be explained in more detail in the following text with reference to exemplary embodiments which are illustrated in the attached drawings, which show in:

Fig. 1a eine erste Ausführungsform der Erfindung. Ein Magnetkern mit einer zu erfassenden internen Flussdichte Bsense(t), eine befestigte Erfassungseinrichtung und die jeweilige Signalverarbeitungsschaltung zur Flussdichtenrekonstruktion.Fig. 1a shows a first embodiment of the invention. A magnetic core with an internal flux density Bsense (t) to be detected, a fixed detection device and the respective signal processing circuit for flux density reconstruction.

Fig. 1b-1e ein Frequenzspektrum der gesamten internen Flussdichte (1b) im Magnetkern und das Ausgangssignal der jeweiligen Erfassungseinrichtung (1c) und ferner nachverarbeitetes Signal (1d), was zur Rekonstruktion der internen Flussdichte der Kerne führt (1e).Fig. 1b-1e shows a frequency spectrum of the total internal flux density (1b) in the magnetic core and the output signal of the respective detection device (1c) and further processed signal (1d), which leads to the reconstruction of the internal flux density of the cores (1e).

Fig. 2 eine Ausführungsform der Erfindung in Kombination mit einer geregelten Strommessvorrichtung. Ein zu erfassender Strom isense(t) erzeugt in dem Paar Kerne eine Flussdichte. Der Ausgang des elektromechanischen Wandlers wird dazu verwendet, den Kernfluss aktiv zu kompensieren, um die DC- und AC-Kom-ponente des Stroms zu messen. Ein Paar von Kernen wird verwendet, um Kopplung des Trägersignals Ucarrier(t) und des erfassten Stroms isense(t) zu vermeiden.Fig. 2 shows an embodiment of the invention in combination with a regulated current measuring device. A current to be detected, isense (t), generates a flux density in the pair of cores. The output of the electromechanical transducer is used to actively compensate for the core flux to measure the DC and AC components of the current. A pair of cores are used to avoid coupling of the carrier signal Ucarrier (t) and the detected current isense (t).

Fig. 3a eine Ausführungsform der Erfindung in einem DC-Flussdichtekomponenten-Kompensationsnetzwerk für magnetische Komponenten.Fig. 3a shows an embodiment of the invention in a DC flux density component compensation network for magnetic components.

Fig. 3b ein Frequenzspektrum des Erfassungseinrichtungs-Ausgangssignals Upiezo(t), wobei eine DC-Span-nungskomponente ungleich null an den Kern angelegt ist.Fig. 3b shows a frequency spectrum of the detector output signal Upiezo (t), wherein a non-zero DC voltage component is applied to the core.

[0024] Fig. 1a zeigt die Schaltung, die zur Erfassung des magnetischen Flusses verwendet wird. Ein Magnetkern 1 leitet eine magnetische Flussdichte BSense(t), die mit einer Hilfsflussdichte BCamer(t) überlagert ist, die durch eine externe Spannungsquelle 3 und eine jeweilige Hilfswicklung 4 erzeugt wird. Ein elektromechanischer Wandler 2 erfasst Schwingungen, die durch die Überlagerung dieser zwei Flüsse erzeugt werden, und gibt ein Signal Upiezo(t) aus, das durch ein Filter 5 nachverarbeitet wird, wodurch ein amplitudenmoduliertes (AM) Signal Upiezo,AM(t) erhalten wird. Letztlich wird mit einem Demodulator 6 ein Signal uSense(t), das zur Flussdichte BSense(t) proportional ist, erhalten.Fig. 1a shows the circuit used to detect the magnetic flux. A magnetic core 1 conducts a magnetic flux density BSense (t) superimposed with an auxiliary flux density BCamer (t) generated by an external power source 3 and a respective auxiliary winding 4. An electromechanical transducer 2 detects vibrations generated by the superposition of these two flows, and outputs a signal Upiezo (t) which is post-processed by a filter 5, whereby an amplitude modulated (AM) signal Upiezo, AM (t) is obtained , Finally, with a demodulator 6, a signal uSense (t), which is proportional to the flux density BSense (t), is obtained.

[0025] Im Einzelnen wird diese Anordnung und dieses jeweilige Nachverarbeitungsschema wie im Folgenden beschrieben betrieben: die zu erfassende Flussdichte BSense(t) ist im Magnetkern mit einer Hochfrequenzträger-Flussdichtekomponente Bcarrier(t) überlagert. Das Frequenzspektrum des magnetischen Flusses im Magnetkern ist in Fig. 1b dargestellt. Aufgrund der quadratischen Beziehung zwischen der Flussdichte und dem Magnetostriktions-Phänomen führen die Schwingungen, die durch diese zwei überlagerten Flussdichtekomponenten erzeugt werden, zum in Fig. 1c gezeigten Frequenzspektrum, wo die Frequenzkomponenten von BSense nun um die Trägerfrequenz ©carrier zentriert sind. Zusätzlich erscheinen andere Frequenzkomponenten aufgrund des quadratischen Verhaltens des Magnetostriktions-Effekts, wobei zur Vermeidung einer Überlappung dieser Komponenten die Trägerfrequenz vorzugsweise mindestens dreimal höher als die Bandbreite des erfassten Signals BSense(t) ist. Alle anderen Frequenzkomponenten, die nicht um ©carrier zentriert sind, werden mittels standardmässiger Filtertechniken verworfen. Nach diesem Filterprozess wird ein amplitudenmoduliertes (AM) Signal erhalten, das die Informationen aus dem ursprünglichen zu erfassenden Fluss BSense enthält, wie in Fig. 1d gezeigt. Der letzte Schritt ist die Rekonstruktion des Flussdichtesignals mittels gut bekannter AM-Demodulationstechniken, wodurch das Signal Usense(t) erhalten wird, das zur erfassten Flussdichte BSense(t) proportional ist, gezeigt in Fig. 1e.In detail, this arrangement and this respective post-processing scheme is operated as described below: the flux density BSense (t) to be detected is superposed in the magnetic core with a high frequency carrier flux density component Bcarrier (t). The frequency spectrum of the magnetic flux in the magnetic core is shown in Fig. 1b. Due to the quadratic relationship between the flux density and the magnetostriction phenomenon, the oscillations produced by these two superimposed flux density components result in the frequency spectrum shown in Fig. 1c, where the frequency components of BSense are now centered about the carrier frequency © carrier. In addition, other frequency components appear due to the quadratic behavior of the magnetostriction effect, and to avoid overlapping these components, the carrier frequency is preferably at least three times higher than the bandwidth of the detected signal BSense (t). All other frequency components that are not centered around © carrier are discarded using standard filtering techniques. After this filtering process, an amplitude modulated (AM) signal is obtained which contains the information from the original flux BSense to be detected, as shown in Fig. 1d. The final step is the reconstruction of the flux density signal by well-known AM demodulation techniques, thereby obtaining the signal Usense (t) proportional to the detected flux density BSense (t) shown in Figure 1e.

[0026] Die Erfindung kann als Teil einer Stromerfassungseinrichtung verwendet werden, wie in Fig. 2 gezeigt. Hier wird das gemessene Magnetfeld BSense(t) innerhalb des Magnetkerns durch den Strom iSense(t) erzeugt. Zusätzlich wird das Trägersignal uCamer(t) mit entgegengesetzter Orientierung mittels einer ersten Anregungswicklung 4 einem ersten Magnetkern 1 zugeführt und mittels einer zweiten Anregungswicklung 13 einem zweiten Magnetkern 12 zugeführt. Auf diese Weise wird ein Koppeln der Hilfsanregung Ucamer(t) und des erfassten Stroms isense(t) vermieden. Der Ausgang des Demodulators 6 wird als Eingang für einen Regler 7 verwendet, zum Beispiel einen Linearregler. Das Bezugssignal für diesen Linearregler lSense(t) ist in der Regel auf null gesetzt, um einen Mindestmagnetisierungszustand der Magnetkerne 1 und 12 aufrechtzuerhalten. Der Ausgang des Linearreglers 7 wird zur Steuerung einer Stromquelle 9 verwendet, die mit einer ersten Kompensationswicklung 8 und einer zweiten Kompensationswicklung 11 verbunden ist, die um die Kerne 1 bzw. 12 angeordnet sind.The invention may be used as part of a current detection device as shown in FIG. Here, the measured magnetic field BSense (t) within the magnetic core is generated by the current iSense (t). In addition, the carrier signal uCamer (t) is fed in opposite orientation by means of a first excitation winding 4 to a first magnetic core 1 and fed to a second magnetic core 12 by means of a second excitation winding 13. In this way, coupling of the auxiliary excitation Ucamer (t) and the detected current isense (t) is avoided. The output of the demodulator 6 is used as input to a controller 7, for example a linear regulator. The reference signal for this linear regulator lSense (t) is usually set to zero in order to maintain a minimum magnetization state of the magnetic cores 1 and 12. The output of the linear regulator 7 is used to control a current source 9, which is connected to a first compensation winding 8 and a second compensation winding 11, which are arranged around the cores 1 and 12, respectively.

[0027] Mit diesem Rückkopplungsregelkreis werden die magnetischen Flussdichten in Kernen 1 und 12 auf null gehalten, indem der Strom iComp(t) in den Kompensationswicklungen 8 und 11 gesteuert wird. Man beachte, dass diese Kompensation nur erreicht wird, wenn der Strom lComp(t) proportional zum erfassten Strom iSense(t) ist, wobei die Proportionalitätskonstante durch die Anzahl von Windungen in den Kompensationswicklungen 8 und 11 gegeben ist. Das Ausgangssignal des Wandlers wird daraufhin im Bürdenwiderstand Rßurden erfasst, wobei die Spannung davon zum Kompensationsstrom icomp(t) proportional ist und damit zu isense(t) proportional ist.With this feedback control loop, the magnetic flux densities in cores 1 and 12 are kept at zero by controlling the current iComp (t) in the compensating windings 8 and 11. Note that this compensation is achieved only when the current I comp (t) is proportional to the sensed current iSense (t), the proportionality constant being given by the number of turns in the compensating windings 8 and 11. The output signal of the converter is then detected in the load resistance Rsturden, the voltage of which is proportional to the compensation current icomp (t) and thus proportional to isense (t).

[0028] Als natürliches Resultat dieser geregelten Stromerfassungstechnik wird der Niederfrequenzteil des erfassten Stroms durch den Flussdichtekompensationskreis gemessen, wobei die Hochfrequenzkomponenten durch den Stromtransformator erfasst werden, der durch die Kompensationswicklungen 8 und 11 und den den Strom isense(t) tragenden Leiter ausgebildet ist. Diese Nieder- und Hochfrequenzkomponenten werden in dem Bürdenwiderstand Rßurden hinzugefügt, wodurch ein Stromsensor mit einer erheblich grossen Bandbreite implementiert wird.As a natural result of this controlled current detection technique, the low frequency part of the detected current is measured by the flux density compensation circuit, the high frequency components being detected by the current transformer formed by the compensating windings 8 and 11 and the conductor carrying the current (t). These low and high frequency components are added in the burden resistor R, thereby implementing a current sensor with a considerably large bandwidth.

[0029] Bei einer weiteren Anwendung der Erfindung wird der Magnetkern durch eine Spannungsquelle angeregt, die unerwünschte DC-Komponenten enthält, zum Beispiel verursacht durch die Verbindung der Wicklung mit einer Leistungselektronikbrücke mit unangepassten Komponentencharakteristika. In Fig. 3a ist diese Leistungselektronikbrücke durch drei Spannungsquellen dargestellt. Die erste entspricht der reinen AC-Anregungsspannungsquelle 3, eine zweite stellt eineIn another application of the invention, the magnetic core is excited by a voltage source containing unwanted DC components, for example caused by the connection of the winding to a power electronics bridge with unadapted component characteristics. In Fig. 3a, this power electronics bridge is represented by three voltage sources. The first corresponds to the pure AC excitation voltage source 3, a second represents a

Claims

undesired DC biased voltage source 15, and a third is the controlled compensation voltage source 9 which is used to neutralize the DC bias in the voltage applied to the transformer. This last voltage source 9 can be implemented, for example, by independently setting the duty cycle of the positive and negative half-cycles in a power-supplied magnetic core 1. Due to the quadratic relationship between the flux density and the magnetostriction phenomenon, a DC voltage bias in the flux density of the magnetic core 1 causes the output signal Upiezo (t) of the electro-mechanical transducer 2 to have a frequency component at the carrier frequency cocarrier as shown in FIG. 3b. The amplitude of this component is detected in an amplitude detector 14 by demodulating the signal or implementing a peak detection circuit. The amplitude of this signal is then fed to a control loop controller 7 whose reference flux density BRef is set to zero. The output of this controller 7 sets the compensation voltage source 9, which precludes the unwanted voltage source 15. In this way, the total DC component which is applied to the transformer, zero, whereby a non-biased operation of the transformer core 1 is ensured. claims

A device for measuring the flux density in a magnetic core (1), comprising an electromechanical transducer (2), which can be attached to a magnetic core (1) to produce an electrical signal (upieZo [t]), the mechanical strain of the magnetic core (1), and signal processing elements (5, 6, 14) configured to extract a signal indicative of a flux density in the magnetic core (1).

2. The device of claim 1, wherein the signal processing elements are configured to determine an amount of a flux density DC component as being proportional to a difference between adjacent peak values of the electrical signal (μPieZo [t]). The device of claim 1 or claim 2, wherein the signal processing elements are configured to sign a flux density DC component according to a phase shift between the electrical signal (upieZo [t]) and an excitation signal causing the magnetic flux determine.

A device according to claim 1, comprising an auxiliary winding (4) added to the magnetic core (1), and means (3) for applying an excitation signal having a certain excitation frequency to the auxiliary winding (4), the signal processing elements being configured to to extract from the electrical signal (upieZo [t]) an amplitude modulated signal (upiezo, AM [t]) as frequency components centered around the excitation frequency or an integer multiple of the excitation frequency and by amplitude demodulation of the amplitude modulated signal (uPieZo, AM [ t]) to generate a signal (uSense [t]) that is proportional to the flux density (BSense [t]).

5. Device according to one of the preceding claims, wherein the electromechanical transducer (2) is a piezoelectric transducer.

6. Device according to one of the preceding claims, wherein the electromechanical transducer (2) is a strain gauge.

A method of measuring the flux density in a magnetic core (1), comprising the steps of generating an electrical signal (upjezo [t]) corresponding to a mechanical strain of the magnetic core (1) by means of an electromechanical transducer (2) the magnetic core (1) is fixed, and extracting a signal indicative of the flux density by means of signal processing elements (5, 6, 14).

8. The method of claim 7, including the step of determining an amount of a flux density DC component as being proportional to a difference between adjacent peak values of the electrical signal (ir> ieZO [t]) ·

A method according to claim 7 or claim 8, comprising the step of determining a sign of a flux density DC component according to a phase shift between the electrical signal (upiezo [t]) and an excitation signal causing the magnetic flux.

10. The method of claim 7, comprising the steps of • applying an excitation signal with an excitation frequency to an auxiliary winding (4) which is added to the magnetic core (1), • extracting an amplitude modulated signal (upiezo, AM [t]) as frequency components from the electrical signal (UpiezoM), and generating a signal (uSense [t]) which is proportional to the flux density (BSense [t]) by amplitude demodulation of the amplitude modulated signal (FIG. Upjezo, AM [t]) ·