CN101484813A

CN101484813A - 测量装置

Info

Publication number: CN101484813A
Application number: CNA2006800552852A
Authority: CN
Inventors: 彼得·卡卢察; 理查德·施密特; 克里斯蒂安·威德曼
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-07-26
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2009-07-15
Also published as: EP2044447A1; WO2008011843A1; US20100007335A1; DE112006004042A5

Abstract

本发明提供一种特定而言用于电流测量的测量装置(10)，其具有传感器(40)和与所述传感器耦合或可与所述传感器耦合的分析设备(42)，其中，所述耦合以非接触方式进行，特定而言通过转发器接口(44，46)而实现，借此一方面可实现无反作用的电流测量，另一方面，组件之间的相对活动性和转发器接口(44，46)的两个部分之间相对较大的可能距离使测量装置(10)具有特别灵活、广泛的应用性。

Description

测量装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的测量装置，特定而言用于对直流电和/或交流电进行电隔离测量，尤其为一种用于在绝缘电阻较大的情况下检测直流电的测量装置。这类测量装置已广为人知。

背景技术

对交流电的电隔离测量存在多种实现方式，且相对较为简单。在这方面，现有技术使用的是借助测量用互感器而实现的变压器装置，即所谓的罗氏线圈等。对直流电的电隔离测量则复杂得多。据本申请人所知，目前这方面基本上仅使用两种方法，其中，一种方法建立在将串联电阻(分流器)插入电流路径、对与电流相关的电压降进行测量这一基础上，另一种方法建立在通过磁场传感器(即例如霍尔传感器或所谓的AMR/GMR传感器)对与电流相关的磁场进行测量的基础上。

在分流电阻上进行测量时，很难在测量点与通电导线的电位之间建立直接的电连接。这需要使用既具有隔离电源、又具有用于传输测量值的隔离信号路径的电子分析设备。

用磁场传感器进行电流检测具有无交互作用这一优点，也就是说，测量电流时无需在电流路径内插入串联电阻，这样就可避免线路断开、分流电阻上产生功耗和线路阻抗发生变化所引起的不利情况。

此外，通过使用磁场传感器还具有用变压器进行电气隔离时所产生的优点。

但磁场测量的问题在于这些磁场传感器对外场和干扰场较为灵敏。这种效应须通过相应的屏蔽措施或场集中器来加以处理。结果表明，必须将磁场传感器尽可能靠近通电导线布置，因为众所周知，通电导线的磁场强度会随着距离的增大而大幅减小(H～1/(2πr))。

发明内容

相应地，本发明的目的是提供一种测量装置，这种测量装置一方面可以尽可能以无交互作用的方式加以操作，另一方面基本不受外场和干扰场的影响。

根据本发明，这个目的通过权利要求1的特征而达成。为达到所述目的，本发明提供了一种测量装置，尤其是用于电流测量的测量装置，该装置具有一个传感器和一个分析设备，所述分析设备与所述传感器耦合或者可与所述传感器耦合，此外，所述传感器与所述分析设备之间的耦合以非接触方式进行。

本发明的优点在于，通过这种耦合可以非接触方式对能量和/或数据(例如电子信号形式的测量值)进行传输。

为实现这种耦合，传感器具有第一转发器接口，分析设备具有第二转发器接口。在此情况下，所述耦合按转发器原理进行；所述耦合是一种转发器耦合，尤其是基于电感或电磁(无线电)的耦合。

如果分配给传感器的第一转发器接口为被动式转发器接口，这个第一转发器接口和/或传感器整体而言就不具有自有电源，这样就可在最大程度上避免与待测电量值产生交互作用。第一转发器接口通过分析设备的第二转发器接口接收进行测量所需的能量。

传感器优选包括一个差分放大器，根据一种有利实施方式，所述差分放大器通过一个分流电阻与一个线路耦合或可与该线路耦合。在此情况下，本发明的测量装置也可用于通过分流电阻而实现的测量，由于不可避免地会对待测电量值产生交互作用，其他情况下一般不考虑使用分流电阻来实现无交互作用测量或低交互作用测量。

作为分流电阻的替代方案，也可使用一个磁场传感器，所述磁场传感器与导线耦合或可与该导线耦合。借助这样一种特定而言实施为GMR传感器的磁场传感器，可对流过导线的电流进行测量，而不会使导线和待测电量值产生交互作用，或者使其仅受到可以忽略不计的交互作用。

根据一种特别优选的实施方式，传感器和分析设备分别实施为独立结构单元。这样就可以一方面通过磁场传感器将传感器分配给导线，另一方面通过相应定位将传感器分配给分析设备。

总体而言，本发明及其实施方式的优点主要在于，根据转发器原理而实现的耦合具有较大间距，这使得允许将传感器和分析设备采用封装及防震的形式来加以实施。此外，这种转发器耦合还在一定程度上允许传感器与线路之间的机械运动。在采用特殊实施方式的情况下，还可实现旋转运动(旋转)或位置变动。

在传感器具有分流电阻的情况下，所述传感器可与这个分流电阻一起构成一个结构单元，其中，在分析单元与测量过程所检测的导线的通电区域之间无需设置电缆连接。

此外，传感器还与其转发器接口一起构成一个可用移动设备读取的安全测点。分配给传感器的电子线路可具有附加的非易失识别信息，这种识别信息在各种转发器应用领域内是已知技术。通过这种方式，上级系统(例如相应的分析设备)可从一组测点中明确识别出某个单个测点。这在更换组件或在组件或测点具有可动性的情况下特别有利。

通过磁场传感器(尤其是GMR传感器)进行电流检测时，电流传感器可以有利地尽可能靠近通电导线或用于载流的导线布置，其中，所述导线为线路、印制导线、母线或诸如此类的导体。此外，作为传感器与导线之间的绝缘层，只需设置一个介电强度极低的纯功能性隔离层。导线还可进行单极接触，因为安全功能由转发器接口承担。最后，相对于使用分流电阻的替代性实施方式而言，磁场传感器完全没有交互作用。使用磁场传感器时不会产生使用分流电阻时所无法避免的附加输出电阻及其所引起的功耗。此外，这种磁场传感器可以简单的方式布置在相应导线的区域内，在将母线用作导线的情况下，甚至无需拆下母线就可实现对磁场传感器的加装。

最后，将磁场传感器实施为GMR传感器的实施方式建立在与场方向有关的工作原理基础上(梯度场传感器)，这种磁场传感器可以有利地用作电流传感器，因为一方面其对大磁场极为稳定，另一方面，通过以某种方式将多个单个传感器布置成桥接电路，可利用磁场方向相关性这一工作原理来实现不受外干扰场的影响。

随本申请一起递交的权利要求书明确表达了所提出的本发明，而不是有损进一步得到专利保护。本申请人保留至今仅公开在说明书和/或附图内的其他特征组合申请专利的权利。

任何实施例都不构成对本发明的限制。在本申请范围内可进行多种修改和改进，尤其是本领域技术人员针对解决方案通过对说明书概述部分和详述部分所说明的以及包含在权利要求和/或附图内的特征(或者说要素)或处理步骤进行组合或更改而可获得的变体、要素和组合，通过这些变体、要素和组合以及借助于可组合特征，可以获得新的标的或新的处理步骤(或者说处理工序)，这也包括制备方法在内。从属权利要求中所使用的回溯引用诣在通过相应从属权利要求的特征对主权利要求的主题进行进一步限定；其并非是对被回溯引用的从属权利要求的特征组合放弃获得独立保护。此外，在权利要求的解释方面，在后续权利要求中对某个特征进行进一步限定时，之前的各项权利要求中并不存在这种限制。

由于各项从属权利要求的主题在优先权日相对于现有技术而言可以构成单个、独立的发明，因此，本申请人保留将其变为独立权利要求的主题的权利或者声明分割的主题的权利。此外，各项从属权利要求的主题也可包含独立发明，这些发明具有独立于前述从属权利要求的主题的设计。

附图说明

下面借助附图对本发明的实施例进行详细说明，相同标的或要素在各附图中用相同参考符号表示，其中：

图1为现有技术中用于测量电流的已知测量装置；

图2为用于借助磁场传感器进行非接触式电流测量的装置；

图3为本发明的测量装置的第一实施方式，在所述测量装置中，用作传感器的部分与用作分析设备的部分之间存在非接触式耦合；

图4为图3所示的实施方式的替代性实施方式，所述替代性实施方式通过GMR传感器或磁场传感器而实现；以及

图5为图4所示的实施方式的简化示意图，其中，传感器和分析设备分别实施为独立结构单元。

具体实施方式

图1显示的是现有技术中的已知测量装置10，其用于测量从导线12中流过的电流I(电流测量)。这种已知测量装置的基础是存在于导线12上的分流电阻14，对所述分流电阻上的电压降进行测量，再通过差分放大器16将其传输到模/数转换器18上，从此处以序列形式(例如通过光波导20)将测得电流强度的编码数据传输到数/模转换器22上，再从此处将所述编码数据传输至电压-电流互感器24。此外，装置10还包括振荡器26、稳压器28、正弦波发生器30和由所述正弦波发生器馈电的整流器/滤波器32，所述整流器/滤波器用于供电。测量装置10整体而言分成第一部分34和第二部分36，其中，第一部分34起到传感器的作用，在空间上被分配给导线12，第二部分36起到分析设备的作用，可与用作传感器的第一部分34远程布置。

图2显示的是使用磁场传感器38来进行电流测量的简化示意图，所述磁场传感器的输出连接到差分放大器16、伺服电路或诸如此类的组件。磁场传感器38实施为具有多个单个磁场传感器(梯度场传感器)的测量电桥，其对导线12周围的磁场H进行测量。根据已知关系可从磁场强度推断出电流强度I，由此实现预期的电流测量。

图3和图4显示的是本发明的测量装置实施方式，在这个整体用10表示的测量装置中，用作传感器40的第一部分与用作分析设备42的第二部分非接触式耦合。实现这种非接触式耦合的方式是，用作传感器40的部分具有第一转发器接口44，用作分析设备42的部分具有第二转发器接口46。分配给传感器40的第一转发器接口44优选实施为被动式转发器接口，在此情况下，传感器40通过分析设备42及其转发器组件46获得能量。

图3所示的实施方式以借助分流电阻14对流过导线12的电流I进行测量为起点。传感器40包括差分放大器16，视需要还包括图1中的其他元件(此处未作图示)，以便对分流电阻14上的电压降进行分析。

图4所示的实施方式是通过对电流I所引起的磁场H进行检测来实现电流测量。为此，传感器40(参见图2)包括磁场传感器38和差分放大器16，磁场传感器38视需要实施为具有多个单个磁场传感器的测量电桥，差分放大器16视需要可包括图1中的其他元件(类似于上文中如图3所示的实施方式)。

在图5所示的实施方式中，传感器40和分析设备42实施为独立结构单元，传感器40包括用作磁场传感器38的GMR传感器，传感器40被分配给以母线、印制导线或类似导体形式的导线12。磁场传感器38与导线12之间设置有绝缘层50，其在导线12与磁场传感器38之间起到功能性隔离的作用。传感器40和分析设备42分别建构在一个分离的电路板52、54上，其中，如图5所示，电路板52、54的图示也包括了相应转发器天线的图示。电路板52、54与这两者所构成(至少部分由这两者构成)的转发器天线之间形成转发器接口，在图5中用垂直双向箭头表示。传感器40的电路板52上安装有例如ASIC形式的传感器40和传感器及转发器电路56。用作磁场传感器38的GMR层可直接覆在这个电路56上。分析设备侧转发器电路(即第二转发器接口46)安装在分析设备42的电路板54上，特定而言实现为ASIC58。

综上所述，本发明可概括为：本发明提供一种特定而言用于电流测量的测量装置10，其具有传感器40和与所述传感器耦合或可与所述传感器耦合的分析设备42，其中，所述耦合以非接触方式进行，特定而言通过转发器接口44、46而实现，借此一方面可实现无交互作用的电流测量，另一方面，组件之间的相对活动性和转发器接口44、46的两个部分之间相对较大的可能距离使测量装置10具有特别灵活、广泛的应用性。

Claims

1.一种测量装置，尤其用于电流测量，具有一个传感器(40)和一个分析设备(42)，所述分析设备与所述传感器耦合或者可与所述传感器耦合，

其特征在于，

所述耦合以非接触方式进行。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其中，为实现所述耦合，所述传感器(40)具有第一转发器接口(44)，所述分析设备(42)具有第二转发器接口(46)。

3.根据权利要求2所述的测量装置，其中，分配给所述传感器(40)的第一转发器接口(44)为被动式转发器接口(44)。

4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的测量装置，其中，所述传感器(40)包括一个差分放大器(16)。

5.根据权利要求4所述的测量装置，其中，所述差分放大器(16)通过一个分流电阻(14)与一个导线(12)耦合或可与所述导线(12)耦合。

6.根据权利要求4所述的测量装置，其中，所述差分放大器(16)通过一个磁场传感器(38)与一个导线(12)耦合或可与所述导线(12)耦合。

7.根据权利要求6所述的测量装置，其中，所述磁场传感器(38)实施为一个GMR传感器。

8.根据权利要求6或7所述的测量装置，其中，所述传感器(40)和所述分析设备(42)分别实施为独立结构单元，具有所述磁场传感器(38)的所述传感器(40)被分配给所述导线(12)，并且所述传感器(40)通过相应定位被分配给所述分析设备(42)。