CN101772706B - 用于测量在电导体中流动的电流的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种装置，用于测量在电导体(1)中流动的电流，具有用于与电导体(1)耦联的带有气隙(3)的磁环(2)。用于测量电导体(1)所产生磁场的磁场感应的部件(4)位于磁环(2)的臂之间。在磁环(2)的气隙(3)中设有两个控制铁心(5a、5b)，其中控制铁心(5a、5b)分别具有用于使得相应的控制铁心(5a、5b)磁饱和的控制绕组(6)，并在设置在电导体(1)的两侧。

Description

用于测量在电导体中流动的电流的装置和方法
由出版文献DE 10 2005 024 075B4已知一种用于测量在电导体中流动的电流的装置。 
要实现的目的在于，提出用于测量在电导体中流动的电流的装置和方法，该装置和该方法能够独立于外部磁影响进行正确测量。 
该目的通过一种用于测量在电导体中流动的电流的装置得以实现。此外，该目的通过一种用于测量在电导体中流动的电流的方法得以实现。 
该装置具有用于与电导体耦合的设有气隙的磁环。用于测量电导体所产生磁场的磁场感应的部件就位于该磁环中。磁场感应的部件优选直接装入到磁环中。在磁环的气隙中设有两个控制铁心，其中这些控制铁心分别具有用于使得相应的控制铁心磁饱和的控制绕组，且分别设置在电导体的两侧。 
根据一种优选的实施方式，磁环由U形的软磁的铁心构成，磁场感应的部件直接装入到该铁心中。磁场感应的部件优选位于U形铁心的两个臂之间的中间处。 
可以利用控制电流，通过安装于两个控制铁心上的绕组，相互独立地使得这些控制铁心饱和。 
根据一种优选的实施方式，第一控制铁心位于电导体的第一侧，第二控制铁心位于电导体的第二侧。 
第二控制铁心优选平行于在优选U形的磁环的两个臂之间的磁场感应的部件。 
根据一种实施方式，磁环具有附加的绕组。 
根据一种优选的实施方式，两个控制铁心位于共同的平面上。两个控制铁心优选在U形铁心的两个臂之间设置在电导体的两侧。 
优选电导体被磁环包夹。 
根据一种优选的实施方式，这些控制铁心是铁氧体铁心。在这里，这些铁氧体铁心特别优选呈矩形框状，该矩形框在其至少一边上具有用于使得铁氧体铁心饱和的控制绕组。根据一种特别有效的方案，这些控制绕组设置在框的两个对置的边上。由于控制铁心呈矩形框状， 可以实现使得控制铁心有效地饱和。 
在磁环中，两个控制铁心并非前后布置，而是相互平行地布置，即布置在电导体的两侧，由此就使得这些控制铁心上的绕组要比按照上下地布置两个控制铁心的构造方式多两倍。因而在控制绕组线径相同的情况下，有两倍数量的绕组可供使用。这可以实现对非常大的电流进行测量，而不会出现一次电流使得控制铁心退出饱和的情况。对于约1000A范围内的很大的电流而言，一次电流会反作用于在控制铁心的边腿之一中的控制电流，进而使得所述控制铁心退出饱和。 
磁场感应的部件优选是霍尔传感器。 
如果霍尔传感器流有电流且垂直于磁场，它就会输出电压，输出的电压与磁场强度和电流的乘积成比例。 
为了确定在电导体中流动的电流，使用霍尔传感器进行多次不同的测量。 
用于测量在电导体中流动的电流的方法将利用如上所述的装置来实施。 
根据该方法，首先在控制铁心不饱和情况下，测量穿过磁场感应的部件的磁感应强度。 
在第二次测量时，使得第一控制铁心饱和，第二控制铁心保持不饱和，在这种情况下测量穿过磁场感应的部件的磁感应强度。 
在第三次测量时，使得第二控制铁心饱和，第一控制铁心不饱和。穿过磁场感应的部件的磁感应强度给出第三测量值。 
在第四次和最后一次测量时，在两个控制铁心都饱和的情况下，测量穿过磁场感应的部件的磁感应强度。 
根据通过前述测量求得的四个值，计算出流经电导体的电流。 
当电流小于50A时，第一次和第三次测量具有大致相同的电流灵敏度。在第一次测量时，第二控制铁心不饱和，而在第三次测量时饱和。因而在这两次测量中，在磁场感应的部件上有相同的磁场强度。磁场强度因而与施加电压类似地作用到磁场感应的部件上。磁环的和控制铁心的磁阻的作用类似于电阻。 
因而得到如下三个方程： 
I.r4＝n+s4*IDC+SB4*BS
II.r3＝n+s3*IDC+SB3*BS
III.r2＝n+S2*IDC+SB2*BS
在测量时，物理参量通常被转换为模拟的电参量。在量化情况下，模拟参量的测量范围被划分成有限数量的相互邻接的子范围(区间)，其中的每个子范围都与一个有限长度字符串的值(例如一个整数)对应。所使用的模拟参量子范围的数量称为分辨率，对于二进制的字符串来说，其二的幂也称为分辨率(分辨率为位)，而当区间大小相等时，则区间本身的大小也称为分辨率。 
量化步骤以离散形式体现了测量信号的值。 
在上述方程中，r2表示在测量时在第一控制铁心饱和情况下量化步骤的数量。r3表示在第二控制铁心饱和情况下量化步骤的数量。r4表示在两个控制铁心都饱和情况下量化步骤的数量。变量s2、s3和s4表示霍尔传感器对流经电导体的电流的相应的灵敏度4变量n表示在量化步骤中磁场感应的部件的零点，在零点时，电导体中电流为0A，磁场感应的部件上施加的磁感应强度为0特斯拉。变量SB2、SB3和SB4表示在第一控制铁心饱和时、在第二控制铁心饱和时或者在两个控制铁心都饱和时磁场感应的部件的感应度。变量BS表示外部干扰磁场的磁感应强度。变量IDC表示流经导体的电流，该电流应在测量时求得。 
全部灵敏度都应在该装置的生产期间确定，并永久地存储在分析单元中。 
接下来说明消除n的方法： 
I-II     r4-r3＝(s4-s3)*IDC+(SB4-SB3)*BS
I-III    r4-r2＝(s4-s2)*IDC+(SB4-SB2)*BS
根据I-II和I-III这两个方程求得IDC的解，然后等量代换，再求得BS的解： 
BS＝(r3*(s2-s4)+r4*(s3-s2)+r2*(s4-s3))/ 
    (SB4*(s3-s2)+SB3*(s2-s4)+SB2*(s4-s3)) 
为了确定IDC和n，可以将BS代入到方程I-II或I-III中，然后将IDC和BS代入到方程I至III之一中来求解。根据方程III进行求解可确定n，求解方程II可确定IDC。方程I最适合用于确定BS。 
作为替代方案，也可以消去方程II或III中的BS。如果需要的话，在求取BS时，可以考虑利用不太精确地确定的一次电流IDC。 
已知的是，霍尔传感器由于多种原因会发生漂移，下面将详细说 明其中的一些原因。 
在一体式构造情况下，霍尔元件优选是在硅衬底或Epi层中低掺杂的扩散区。导电的板优选装在所述霍尔元件的上面，以便减小散弹噪声。低掺杂的扩散区形成一定要反向偏压的寄生二极管。这就产生了所谓的“反向偏置效应”，空间电荷区漂移运动(类似于变容二极管)。对空间电荷区的厚度调节直接影响到霍尔元件的灵敏度(约+3...5％V)。霍尔元件上面的导电板多数情况下也被施加偏置电压。该偏置电压也引起对低掺杂的扩散区的空间电荷区的厚度调节(0.01％/V)。如果偏压例如因为老化而漂移，则霍尔元件的灵敏度也漂移。 
此外，霍尔元件对压阻(piezoresistiv)效应非常敏感。由外部压力或吸水引起的机械变形会改变霍尔元件的灵敏度。如果在注塑壳体之前给硅芯片敷上一层软塑料，则可以使得灵敏度的持续漂移降低至0.25％。如果在少许工作小时(10...100h)之后就已经出现了机械变形，则在有些情况下可恢复，但多数情况下大部分会持续漂移。 
污物例如弱键合的氢的间隙扩散对于半导体中扩散电阻的电阻漂移来说是已知的。持续漂移可以为1％/100000小时。 
130nm BICMOS-工艺的n+掺杂的扩散区的温度系数约为1500...2000ppm/K。通过测量阻挡层温度并计算温度补偿的测量值，现代的霍尔传感器就能补偿温度漂移。 
该装置中所使用的霍尔传感器的灵敏度会老化。那些方程中所使用的霍尔传感器敏感度(SB2、SB3和SB4)仅仅取决于机械结构。如果例如通过密封组装使得机械结构不会改变，则只有当随着时间推移磁场传感器本身变得敏感或不敏感时，敏感度才会改变。由此可以根据由总共四个方程构成的方程组求得霍尔传感器的灵敏度的解，这样就能确定磁场传感器的敏感度老化。为了实现精确的测量，可以将霍尔传感器的敏感度作为所有敏感度的共同的因素，霍尔传感器的敏感度s霍尔可以根据如下方程来计算。 
rx＝n+s霍尔(I*sx+B*sBx) 
在上述方程中，rx表示相应状态下量化步骤的数量。变量x表示四种情况之一(x＝1...4)。在第一种情况下，两个控制铁心都不饱和，在第二种情况下，只有第一控制铁心饱和，在第三种情况下，只有第二控制铁心饱和，在第四种情况下，两个控制铁心都饱和。变量n表 示在量化步骤中磁场感应的部件的零点，在零点时，电导体中电流为0A，磁场感应的部件上施加的磁感应强度为0特斯拉。变量sBx表示在相应状态下磁场感应的部件的灵敏度。变量B表示外部干扰磁场的磁感应强度。 
由此可以根据事先得到的测量值计算出磁场感应的部件的灵敏度s霍尔。 
下面借助实施例和相关附图详细说明该装置。 
下述附图并不符合比例。更确切地说，为便于说明，各个尺寸被放大、缩小或者变形。 
相同的构件或具有相同功能的构件标有相同的附图标记。 
图1示出一种用于测量在电导体中流动的电流的示例性的装置； 
图2示出用于测量在控制铁心不饱和情况下在电导体中流动的电流的第一种结构； 
图3示出用于测量在第一控制铁心饱和情况下在电导体中流动的电流的第二种结构； 
图4示出用于测量在第二控制铁心饱和情况下在电导体中流动的电流的第三种结构； 
图5示出用于测量在两个控制铁心饱和情况下在电导体中流动的电流的第四种结构。 
图1中示出一种用于测量在电导体1中流动的电流的示例性的装置的一种可能的方案，据此方案，可由铁氧体构成的磁环2包夹着电导体1。磁环2在一侧具有气隙3，两个控制铁心5a、5b就位于该气隙中。控制铁心5a、5b优选设置在电导体1的两侧。在这里，第二控制铁心5b设置在磁场感应的部件4的附近，优选与该磁场感应的部件平行地设置。在U形磁环2中，优选在磁环2的臂之间，设有用于测量在电导体1中流动的电流的磁场感应的部件4。控制铁心5a、5b分别具有用于使得控制铁心5a、5b饱和的控制绕组6。这些控制绕组6优选位于控制铁心5a、5b的框的一个或多个优选对置的边上。 
图2示出用于测量流经电导体1的电流的第一种测量结构。控制铁心5a、5b优选设置在电导体1的两侧。在第一次测量时，两个控制铁心5a、5b不饱和。设置在U形磁环2的臂之间的磁场感应的部件4测量流经电导体1的电流。 
由流经电导体1的电流引起的磁场强度(H-Fe1d)在U形磁环2的两个臂中和在控制铁心5a、5b中产生磁感应强度(B-Feld)。如果第一控制铁心5a的磁阻并不明显小于磁环2的和第二控制铁心5b的磁阻，则穿过(durchfluten)磁场感应的部件4的磁感应强度与在第二控制铁心5b不存在或饱和时相比几乎大小相等。这种结构的电流灵敏度因此很高。整个磁环2通过控制铁心5a、5b而闭合，由此使得对外部干扰磁场的敏感度较小。 
为了在零点已知且外部干扰磁场已知的情况下精确地测量小电流，控制铁心5a、5b一定不能流有电流。在这种情况下，磁场感应的部件4能够测量磁感应强度。 
在图3中示出用于测量流经电导体1的电流的第二种结构。在第二次测量流经磁场感应的部件4的电流时，使得第一控制铁心5a饱和。第二控制铁心5b保持不饱和。 
第一控制铁心5a的磁阻明显提高，使得在磁场感应的部件4中几乎不会记录有磁通(磁感应强度)，因为在这种情况下第二控制铁心5b的磁阻明显小于在磁环2中起作用的磁阻。对外部干扰磁场的敏感度较小，因为流经该结构的大部分磁力线都流经导磁性良好的第二控制铁心5b。 
在图4所示的第三种结构中，使用磁场感应的部件4来测量流经电导体1的电流。在第三次测量时，使得第二控制铁心5b饱和。第一控制铁心5a不饱和。 
在该结构中，第一控制铁心5a的磁阻较小，而第二控制铁心5b的磁阻较大，从而该结构同样磁闭合。相比于图2中所示的第一次测量，穿过磁场感应的部件4的磁力线略微增加。 
图5中示出用于测量流经电导体1的电流的第四种结构。在第四次测量时，使得两个控制铁心5a、5b都饱和。在该结构中，磁环有开口。几乎所有磁力线都穿过U形磁环2中的气隙3，磁场感应的部件4就位于该气隙中。外部干扰磁场以及由流经电导体1的电流所产生的磁场，都被高灵敏度的磁场感应的部件4检测到。相比于图2和4中所示的测量，对流经电导体1的电流的敏感度大约减小十倍，而相比于图3所示的测量，则大约增大十倍。然而，对外部干扰磁场的敏感度却比其它三次测量大十倍以上。 
尽管在这些实施例中只说明了本发明的有限数量的可行的改进方案，但本发明并不局限于这些实施例。原则上也可以针对该装置使用其它数量的控制绕组或另一种形式的磁环。本发明并不局限于示意性地示出的构件的数量。 
对此处所述装置和方法的说明并不局限于各个具体实施方式。更确切地说，各个实施方式的特征-只要在技术上具有积极意义-可以任意相互组合。 
附图标记列表 
1     电导体 
2     磁环 
3     气隙 
4     磁场感应的部件 
5a    第一控制铁心 
5b    第二控制铁心 
6     控制绕组 

Claims (13)

1.一种用于测量在电导体(1)中流动的电流的装置，具有：
-用于与电导体(1)耦联的带有气隙(3)的磁环(2)；
-设置在磁环(2)中的磁场感应的部件(4)，所述磁场感应的部件用于测量电导体(1)所产生的磁场，其中，所述磁场感应的部件在所述气隙之外布置在所述磁环的臂之间；
-两个控制铁心(5a、5b)，
其中控制铁心(5a、5b)分别具有用于使得相应的控制铁心(5a、5b)磁饱和的控制绕组(6)并在气隙(3)中设置在位于所述控制铁心之间的电导体(1)的两侧，并且其中，第一控制铁心(5a)、第二控制铁心(5b)以及所述磁场感应的部件(4)彼此并联布置，并且所述控制铁心能够相互独立地饱和。
2.如权利要求1所述的装置，其中第一控制铁心(5a)设置在电导体(1)的第一侧，第二控制铁心(5b)设置在电导体(1)的第二侧。
3.如权利要求1所述的装置，其中磁环(2)具有附加绕组。
4.如权利要求1所述的装置，其中两个控制铁心(5a、5b)位于共同的平面上。
5.如权利要求1所述的装置，其中磁环(2)包夹电导体(1)。
6.如权利要求1所述的装置，其中控制铁心(5a、5b)是铁氧体铁心。
7.如权利要求1所述的装置，其中控制铁心(5a、5b)呈矩形框状，且在该框的至少一边上具有用于使得控制铁心(5a、5b)饱和的控制绕组(6)。
8.如权利要求1所述的装置，其中控制铁心(5a、5b)分别在两个对置的边上具有控制绕组(6)。
9.如权利要求1所述的装置，其中控制铁心(5a、5b)在很大电流情况下也会饱和。
10.如权利要求1所述的装置，其中磁场感应的部件(4)是霍尔传感器。
11.一种用于测量在电导体(1)中流动的电流的方法，其中在控制铁心(5a、5b)不饱和的情况下，使用根据前述权利要求中任一项的用于测量在电导体(1)中流动的电流的装置，来测量穿过磁场感应的部件(4)的磁感应强度，然后在第一控制铁心(5a)饱和的情况下，测量穿过磁场感应的部件(4)的磁感应强度，然后在第二控制铁心(5b)饱和的情况下，测量穿过磁场感应的部件(4)的磁感应强度，然后在两个控制铁心(5a、5b)都饱和的情况下，测量穿过磁场感应的部件(4)的磁感应强度。
12.如权利要求11所述的方法，其中根据得到的测量值计算出流经电导体(1)的电流。
13.如权利要求12所述的方法，其中根据得到的测量值计算出磁场感应的部件(4)的灵敏度。
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