CN102012446A - 电流传感器、电流测量模块以及用于电流测量的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量导体(11，23，31)中的电流的电流传感器(10；22；30)，具有位于所述导体旁边的两个磁场传感器(13，14；24，25；32，33)，其特征在于，这些磁场传感器是具有两个测量方向(18，17)的至少二维的磁场传感器。由此可以补偿不均匀的干扰场。

Description

电流传感器、电流测量模块以及用于电流测量的方法

技术领域

本发明涉及一种电流传感器，其具有导体以及位于所述导体旁边的两个磁场传感器。

背景技术

已经公开了具有作为磁场传感器的霍尔元件的各种类型的电流传感器。一种具有用于增强磁场传感器的位置处的磁场的磁通压缩器的电流传感器通常使用单个磁场传感器，所述单个磁场传感器被设置在磁通压缩器的空隙中。这种类型的缺点在于大的结构尺寸和大的部件重量。部件尺寸例如阻碍了将传感器集成到基于塑模的功率模块中。其他的缺点是磁滞效应，所述磁滞效应在对磁通压缩器起作用的场强例如由于位于传感器的测量范围外的电流以及强的干扰场而超过最大值时出现。另一类型的电流传感器具有一个或多个直接位于导体旁边的一维磁场传感器。这种传感器类型适合于集成到基于塑模的模块中，但不可以补偿干扰场。这种类型的具有两个相对于导体对称地设置成差分布置的磁场传感器的变型方案可以消除均匀的干扰场。然而，不均匀的磁场产生使可实现的准确性显著下降的干扰影响并且这种解决方案不适合对测量准确性具有高要求——例如2％总误差的应用。例如在US 2006284613中描述了这种传感器。

发明内容

与之相反，根据本发明的、具有导体以及位于导体旁边的两个至少二维的磁场传感器的电流传感器具有以下优点：传感器可以消除不均匀的干扰场并且尽管如此仍可置于基于塑模的模块中。磁场传感器可被构造为一个元件或者由多个一维的元件组成。

本发明基于以下考虑：可以假设不均匀的干扰场在两个彼此邻近的空间位置处在不同的空间方向上分别具有相同的场强比。另一考虑是，由于流过电流的导体而引起的有效场(Nutzfeld)的场力线同心地围绕所述导体延伸，因此在传感器的位置处，有效场在空间中的方向是已知的，并且根据与导体的距离有效场的场强的数值的比也是已知的。这些磁场传感器不必为此相对于导体对称地位于两侧，也不必位于导体的不同侧。然而，借助容易理解的特殊情形来解释本发明，其中，这些磁场传感器相对于导体对称地设置在两侧。即在这些磁场传感器的位置处有效场强以相同的数值和相反的符号位于相同的空间方向上。由这些传感器测得的测量场在有效场的空间方向上由这里称为测试场(Prüffeld)的总和组成，所述总和由有效场和有效场方向上的干扰场分量构成。基于此几何形状来定义测试场的方向。在垂直于有效场方向的平面中，测量场等于干扰场，因为这里有效场等于0。根据本发明，可以因此使用由传感器测得的测量场的矢量分解，以便确定干扰场在垂直于有效场的空间方向上的不均匀性。现在对于有效场的空间方向也假定所述不均匀性并且将所述不均匀性传递到测试场。随后，由此在考虑有效场的特性——在两个传感器的位置处数值相等、方向相反——的情况下计算有效场和有效场方向上的干扰场分量。最后由有效场计算出导体中的电流强度。

这些考虑原则上适用于三维空间，而与磁场传感器相对于导体的定向无关，因为所测得的三维矢量的分解能够将参考系旋转成对齐测试场的参考系。即，旋转成这样的系统，在所述系统中第一检测方向在由于在导体中流动的电流而引起的磁场的场力线的方向上并且第二检测方向在与所述场力线垂直的平面中。优选的配置是：传感器被如此布置，使得在两个传感器的位置处有效场强具有相同的数值并且位于相同的方向上。这一方面是如下配置：在示例中所述的相对于导体对称地位于两侧的传感器在相同的空间方向上具有相反的有效场方向。另一方面，优选的配置为：这些传感器位于相对于导体的平行线上，即实际上位于导体的同一侧并且与导体的距离相同，使得在两个传感器的位置处有效场强具有相同的数值并且同向地位于相同的空间方向上。可以以更高的计算耗费考虑其他配置。此外，也可以使用其他的传感器。

在实际应用中，磁场传感器的定向优选在测试场方向上，使得这些传感器的测量方向与由于在导体中流动的电流而引起的场强的场力线的方向上的第一检测方向一致。

在简单的情形中，如果确信存在干扰场在第二检测方向上的分量，则可以借助二维的磁场传感器，即具有两个独立的测量方向的磁场传感器来实施本发明，其方式是，第二检测方向在很大程度上任意地位于垂直于第一检测方向的平面中。

优选地，在根据本发明的电流传感器中，两个三维的磁场传感器，即具有三个独立的测量方向的磁场传感器布置在导体旁边，其中，第三检测方向垂直于第一和第二检测方向。因此，关于干扰场的知识不再是必需的，因为在任何情形中均检测到垂直于第一检测方向的平面中的分量。三维的磁场传感器允许干扰场的矢量分解并且由此允许干扰场在有效方向上起作用的部分的计算。所述部分可以通过计算进行补偿。因此，可以以高的准确性确定由流过电流的导体产生的磁场并且由此确定流过导体的电流强度。此外，在已知潜在干扰源的情况下可以借助三维的磁场检测来识别主要的引发因素。

磁场传感器优选是霍尔元件、AMR(Anisotropic Magnetoresistance：各向异性磁阻)传感器、GMR(Giant Magnetoresistance：巨磁阻)传感器、TMR(Tunneling Magnetoresistance：隧道磁阻)传感器或者磁通门传感器。

在本发明的一个优选构型中，通过集成的分析单元消除干扰场，所述分析单元借助磁场传感器的测量值来确定由于在导体中流动的电流而引起的磁场的场力线的方向上的测试场以及垂直于由于在导体中流动的电流而引起的磁场的场力线的方向上的干扰场，并且由测试场和干扰场来确定导体中的电流。

根据本发明的具有根据本发明的电流传感器的电流测量模块包含磁场传感器和分析单元在包围导体的壳体中的布置。

根据本发明的借助用于测量导体中的电流的电流传感器进行电流测量的方法具有以下方法步骤，所述电流传感器具有位于导体旁边的两个至少二维的磁场传感器：

a.借助磁场传感器的测量值来检测测量场；

b.确定由于在导体中流动的电流而引起的磁场的场力线的方向上的测试场的场强；

c.确定干扰场在垂直于由于在导体中流动的电流而引起的磁场的场力线的方向上的分量的场强；

d.由干扰场的分量的被确定的场强来检测干扰场的不均匀性；

e.由测试场的场强和干扰场的不均匀性来确定由于在导体中流动的电流而引起的有效场；

f.由有效场来确定导体中的电流。

在一个优选的根据本发明的方法中，优选使磁场传感器如此定向，使得测量方向与由于在导体中流动的电流而引起的磁场的场力线的方向一致。

在一个有利的优选的根据本发明的用于借助具有两个三维的磁场传感器的电流传感器进行电流测量的方法中，确定干扰场在垂直于由于在导体中流动的电流而引起的磁场的场力线的平面中的场强。优选在所述平面内在干扰场的最大场强的方向上进行干扰场的检测。

附图说明

根据附图来说明本发明的实施例，其中：

图1以横截面图示出不均匀的磁场中的根据本发明的电流传感器的示意图；

图2作为集成解决方案示出根据本发明的电流传感器模块的示意图；

图3作为独立模块示出根据本发明的电流传感器模块示意图；以及

图4示出根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图1以二维的横截面图示出了不均匀的干扰磁场S中的根据本发明的电流传感器10。干扰场S的方向由箭头示出，场的强度由这些箭头的密度示出，这里场的场强在图中从右向左增大。根据本发明，干扰场的这种不均匀性在电流测量时被补偿。在横截面图中示出的流过电流的导体11产生由环形的场力线12示出的有效磁场N。在电流流过的导体11旁边，第一磁场传感器13和第二磁场传感器14布置成是相对于导体11对称的。在附图中，环形的场力线12基本上垂直地穿过这两个磁场传感器13、14。使磁场传感器13、14如此定向，使得所述穿过的方向同时也是磁场传感器的测量方向。在圆16、16a中放大地示出了磁场传感器13、14周围的截面15、15a，以便表示在第一磁场传感器13的位置处叠加的磁场的具有索引1的矢量分解以及在第二磁场传感器14的位置处叠加的磁场的具有索引2的矢量分解。B1和B2是所测得的、具有在传感器13、14的两个测量方向上的分量B1x和B1y以及B2x和B2y的磁场矢量。表示分量B2x的箭头17指向为分解而选择的坐标系的x方向，而表示分量B2y的箭头18指向为分解而选择的坐标系的y方向。这里已按照磁场传感器13、14的定向如此选择了所述坐标系，使得有效场N的场力线12在+x方向上穿过磁场传感器14并且在-x方向上穿过磁场传感器13。通过磁场传感器的所述定向，分量B1x、B2x的测量方向与以上所述的第一检测方向重合。而y方向在磁场传感器13、14的第二测量方向上延伸通过磁场传感器13、14的连接线。在y方向上，在两个磁场传感器13、14处不存在有效场并且测量场分量B1y和B2y与干扰场分量S1y和S2y一致。在x方向上，在第二磁场传感器14处，测量场分量B2x是由干扰场分量S2x和待确定的有效场N2构成的矢量加法。z方向平行于导体，但未示出。关于磁场，z方向等于y方向，因为这里同样在传感器的位置处存在干扰场分量但不存在有效场分量。不仅在具有二维的磁场传感器的构型中而且在具有三维的磁场传感器的构型中，所示的x方向和y方向是电流传感器的优选定向。

以简化的二维情形说明干扰场的补偿，如其在图1中作为优选实施方式示出的那样。相对于一般情形的简化在于，已经使磁场传感器13、14如此定向，使得在这些传感器的位置处有效场仅仅在x方向上不等于0并且因此测试场P的方向与x方向一致而且可以省去坐标变换。在x方向上由磁场传感器13、14测得的场强B1x和B2x包含这里称为测试场P1、P2的叠加，所述叠加由有效场N1、N2和干扰场的x分量S1x、S2x构成。在此需基于圆形的有效场的由箭头19、20表示的方向考虑在这两个传感器的位置处数值相等的有效场强的相反符号。在y方向上由磁场传感器13、14测得的场强B1y、B2y仅仅包含干扰场的y分量。在磁场传感器13、14彼此之间的距离较小的情况下，可以假设不均匀的干扰场在x方向上具有与所测得的场强在y轴方向上的场强比相同的场强比——这里称为不均匀比

即S1x/S2x＝S1y/S2y。由此，可以借助关于有效场N的数值和符号的知识，即|N|＝|N1|＝|N2|和N1＝-N2，确定磁场传感器13、14中的每一个处干扰场在x方向上的场强S1x和S2x并且由此确定有效场N1或N2的场强以及最后确定导体中流动的电流强度。在二维情形中，y方向由于磁场传感器的定向与以上所述的第二检测方向重合。

对于本领域技术人员而言，可以扩展到具有三维的磁场传感器的情形。在z方向上增加第三测量方向。可以在y-z平面内以一定的自由度选择第二检测方向的位置，只要干扰场强大到足以确定不均匀比。然而，检测方向的最佳选择是y-z平面中通过矢量加法确定的方向，这个方向是两个磁场传感器13、14的最大测得的干扰场矢量所在的方向。由此实现最大的准确性。

在图2中作为集成解决方案示出了根据本发明的电流传感器模块22。模块22固定在导体23上。这里为霍尔传感器24、25的磁场传感器与触头26连接并且设置在这里为印刷电路板的载体27上(未示出连接端子)。模块22被配置用于固定在导体23上并且在已固定的状态中示出。触头26可从外部触及。此集成解决方案适用于具有可触及的导体区段的配置。

图3作为独立模块示出了根据本发明的电流传感器模块30。与导体31邻接地设置磁场传感器，这里为霍尔传感器32、33。霍尔传感器32、33与分析单元34连接，所述分析单元34又与触头35连接。导体由对置的连接端子36、37和位于连接端子36、37之间的逐渐变细的区段38组成。霍尔传感器32和33、电路板导体的逐渐变细的区段38、分析单元34和触头35嵌入到塑料壳体39中，其中，触头35是引出的。集成的分析单元34借助磁场传感器的测量值确定由于在导体中流动的电流而引起的磁场的场力线的方向上的测试场以及与所述场力线垂直的方向上的干扰场并且由测试场和干扰场确定导体中的电流。

图4示出根据本发明的方法的流程图。借助用于测量导体中的电流的电流传感器进行电流测量的方法具有以下方法步骤，所述电流传感器具有位于导体旁边的两个至少二维的磁场传感器，其中，涉及图1中所示的场：

a.借助磁场传感器的测量值来检测测量场B；

b.确定在传感器的位置处在由于在导体中流动的电流而引起的磁场N的场力线的方向上的测试场P的场强；例如，在图1中，在第二磁场传感器14处，N2在+x方向上，在第一传感器处，N1在-x方向上，由此P在x方向上，干扰场S与有效场N的叠加仅仅在x方向上起作用，与x方向垂直：N1y＝N1z＝N2y＝N2z＝0；

c.确定干扰场S在传感器的位置处在垂直于由于在导体中流动的电流而引起的磁场N的场力线的方向上的分量S1y、S2y的场强；

d.由干扰场的分量S1y、S2y的被确定的场强来检测干扰场的不均匀性；这里通过不均匀比S1y/S2y来确定所述不均匀性；

e.借助于关系P1＝N1+S1x，P2＝N2+S2x，S1x/S2x＝S1y/S2y和N1＝-N2由测试场P的场强和干扰场S的不均匀性确定由于在导体中流动的电流而引起的有效场N；

f.由有效场确定导体中的电流。

在用于电流测量的方法的一个优选实施方式中，使磁场传感器如此定向，使得测量方向与由于在导体中流动的电流而引起的磁场的场力线的方向一致。已经结合图1中的电流传感器对方法的这种实施方式进行了说明。

在借助具有两个三维的磁场传感器的电流传感器进行电流测量的方法的另一优选实施方式中，确定干扰场在垂直于由于在导体中流动的电流而引起的磁场的场力线的平面中的场强并且检测平面内最大干扰场场强的方向上干扰场的不均匀性。由此实现最大的准确性。

Claims (13)

1.用于测量一导体(11，23，31)中的电流的电流传感器(10；22；30)，具有位于所述导体旁边的两个磁场传感器(13，14；24，25；32，33)，其特征在于，所述磁场传感器是具有两个测量方向(18，17)的至少二维的磁场传感器。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述磁场传感器的一第一测量方向(18)在由于在所述导体(11)中流动的电流而引起的磁场(N1，N2)的场力线(12)的方向上并且一第二测量方向(17)垂直于由于在所述导体(11)中流动的电流而引起的磁场(N1，N2)的场力线(12)。

3.根据权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器具有二维的磁场传感器。

4.根据权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于，所述电流传感器(10；22；30)具有三维的磁场传感器(13，14；24，25；32，33)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电流传感器，其特征在于，所述磁场传感器(13，14；24；25；32，33)被布置在相对于所述导体对称的两侧。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电流传感器，其特征在于，所述磁场传感器(13，14；24，25；32，33)是由霍尔元件、AMR传感器、GMR传感器或磁通门传感器组成的组中的传感器。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的电流传感器，其特征在于一集成的分析单元(34)，所述集成的分析单元(34)借助所述磁场传感器的测量值来确定由于在所述导体中流过的电流而引起的磁场(N2)的场力线(12)的方向上的测试场(P)以及在垂直于由于在所述导体中流过的电流而引起的磁场的场力线的方向(S2y)上的干扰场(S)，并且所述集成的分析单元(34)由测试场和干扰场(S)来确定所述导体中的电流。

8.具有一根据权利要求1至7中任一项所述的电流传感器的电流测量模块，其特征在于所述磁场传感器(32，33)和所述分析单元(34)在一围绕所述导体(31)的壳体(39)中的布置。

9.具有一根据权利要求1至7中任一项所述的电流传感器的电流测量模块，其特征在于，所述布置具有设置在一载体(27)上的所述电流传感器的元件并且被配置用于在所述导体(23)上的固定。

10.借助一用于测量一导体中的电流的电流传感器进行电流测量的方法，所述电流传感器具有位于所述导体旁边的两个至少二维的磁场传感器，其特征在于以下方法步骤：

a.借助所述磁场传感器的测量值来检测一测量场(B)；

b.确定由于在所述导体中流动的电流而引起的磁场(N)的场力线的方向上的一测试场(P)的场强；

c.确定一干扰场(S)在垂直于由于在所述导体中流动的电流而引起的磁场(N)的场力线的方向上的分量(S1y，S2y)的场强；

d.由一干扰场(S)的被确定的分量(S1y，S2y)的场强来检测所述干扰场(S)的不均匀性；

e.由所述测试场(P)的场强和所述干扰场(S)的不均匀性来确定有效场(N)；

f.由所述有效场(N)来确定所述导体中的电流。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，使所述磁场传感器如此定向，使得测量方向(B1x，B2x的方向)与由于在所述导体中流动的电流而引起的磁场(方向N1，N2)的场力线的方向一致。

12.根据权利要求11所述的借助具有两个三维的磁场传感器的电流传感器进行电流测量的方法，其特征在于，确定所述干扰场在一垂直于由于在所述导体中流动的电流而引起的磁场的场力线(x方向)的平面(y-z)中的场强。

13.根据权利要求12所述的借助具有两个三维的磁场传感器的电流传感器进行电流测量的方法，其特征在于，检测所述干扰场在所述平面内在所述干扰场的最大场强的方向上的不均匀性。

Images