CN104871014B - 用于绝缘地测量电流的设备和用于绝缘地确定电流的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于绝缘地测量电流的设备(1)，其包括磁性芯体(2)，该磁性芯体(2)具有：穿通部(3)，初级导体(La)延伸穿过该穿通部；以及带有至少两个穿通部(5)的至少一个测量区域(4)，这些穿通部将每个测量区域(4)划分为至少三个相邻的通量路径(R1a，R1b，R2，R2a，R2b)。该设备还包括：补偿绕组(Lc)，其绕制于芯体(2)的在所述至少一个测量区域(4)之外的部分；同一测量区域(4)的至少两个被至少一个激励绕组(Ls)绕制的通量路径(R1a，R1b，R2a，R2b)；以及至少一个测量绕组(LM)，其绕制于所述至少一个测量区域(4)的部分。此外，本发明涉及一种用于在使用所述设备(1)的条件下绝缘地确定电流的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于绝缘地测量电流的设备，其包括：磁性芯体，该磁性芯体具有至少一个测量区域和穿通部，初级导体延伸穿过该穿通部；补偿绕组，其绕制于芯体的在所述测量区域外部的部分；至少一个激励绕组；以及至少一个测量绕组。此外，本发明涉及一种用于在使用前述用于绝缘地测量电流的设备的条件下绝缘地确定电流的方法。
背景技术
所提及的设备通常用于绝缘地测量很高的直流电流，但是也用于测量交变电流，其中，其电流有待被测量的、输送电流的初级导体在磁性芯体中引起磁通量，其与待测量的电流成比例。磁性芯体具有辅助装置，借助其可以影响或者采集其磁场，由此能够间接地测量电流。该原理提供的优点是，输送电流的初级导体无需与磁性芯体或者其辅助装置电连接。这种绝缘式电流测量的装置和方法以不同的方式通过现有技术公开。
很常见的是使用霍尔探头来采集磁性芯体的磁场。在该原理中，将输送电流的初级导体引导穿过被补偿线圈绕制的磁性芯体，该磁性芯体具有缝隙，在该缝隙中布置有霍尔探头。输送电流的初级导体在磁性芯体中引起磁性初级通量，而补偿绕组引起与通过霍尔探头测量到的磁通量相关的、反作用于初级通量的补偿通量。该测量布置所固有的气隙使得难以无干扰通量地引导磁通量，限制了测量精度并且取决于布置在气隙中的霍尔探头的尺寸。就此而言的基本的现有技术例如是DE-10011047-A1、US-4639665-A或者GB-2237114-A。
从GB-1488262-A中已知用于无接触地测量输送电流的初级导体中的直流电流的装置和方法。该装置包括闭合的磁性芯体，其具有激励绕组、测量绕组、补偿绕组和输送电流的初级导体。激励绕组连接于用于产生交变信号的信号源，测量绕组连接于电路的输入端，而补偿绕组连接于电路的输出端。输送电流的初级导体在磁性芯体中感应出磁通量，激励绕组通过在每半周期中的交变电流使得磁性芯体饱和并且由此在测量绕组中产生脉动信号。电路借助激励电压的脉动信号的脉宽比例控制可以引入到补偿绕组中并且可测量的补偿电流，该补偿电流在磁性芯体中感应出磁通量并且补偿通过输送电流的初级导体产生的磁通量。在通过GB-1488262-A公开的装置中，通过激励绕组将磁性芯体的较大部分饱和，这使得磁性芯体易受剩磁影响，并且消耗较多能量。此外，该装置以0.02秒较慢地反应于输送电流的初级导体的电流变化，并且未构建为不仅测量高的直流电流还测量在大的带宽中的交变电流。
GB-1481263-A示出了用于对输送电流的初级导体进行绝缘的电流测量的测量设备，该输送电流的初级导体在磁性芯体中感应出磁通量。测量设备包括开放的磁性芯体，该磁性芯体具有多个不同宽度的路径，以用于为通过输送电流的初级导体感应出的磁通量提供多个路径。这些路径之一为了避免磁性芯体的磁饱和而具有缝隙，其可以临时变大以便将输送电流的初级导体引入磁性芯体。一对激励绕组绕制于磁性芯体的窄的路径，并且构建于在该路径中感应出在相反方向上交变的磁通量和磁性饱和该路径。测量设备还具有用于将正的和负的感应尖峰进行比较的装置，由此确定流过输送电流的初级导体的电流的强度。对于以根据GB-1481263-A的测量设备进行的电流测量，总是需要具有相应的切换元件的两个激励绕组。不利的是，通过激励绕组将磁性芯体的较大区域饱和，由此，测量设备消耗较多能量。此外未设置补偿绕组，由此无法测量高电流，或者仅能以相应大尺寸的测量设备测量其。此外，芯体的磁性饱和使得该芯体由于不存在补偿绕组而易受剩磁效应影响，其应该通过气隙来抵抗。然而气隙不利地作用于测量精度和可采集的测量区域。
通过EP-1542025-A1公开了用于以将磁性芯体划分为三个路径的所谓的磁桥来间接采集电流的多种装置和方法。磁桥为此构建为识别其电流应被测量的、输送电流的初级导体的磁场。借助可选的补偿绕组可以补偿输送电流的初级导体的磁通量。所示出的是具有磁桥的装置，在该磁桥中，两个外部路径被各一个正弦形激励的绕组绕制。绕组的激励在此可以相反地以相同幅度进行，由此两个绕组应该在布置在其间的居中的路径中引起抵消的磁通量。如果电流流过初级导体并且接下来通过调整对激励绕组的激励而又重建，则该所谓的“磁性平衡”首先被干扰。通过不同的装置和方法，利用对激励的该调整来间接确定流过输送电流的初级导体的电流。通过EP-1542025-A1示出的装置的缺点是，输送电流的初级导体(只要设有其)被引导通过测量区域，由此会形成在通过输送电流的初级导体在磁桥中引起的磁通量与激励绕组的磁通量之间的所不希望的相互作用。此外，磁性平衡的重建是麻烦且高开销的。此外，通过激励绕组总是在磁性芯体的很大区域中引起交变磁通量并且在许多情况下甚至在整个区域中通过激励绕组引起交变磁通量，由此助长了所不希望的剩磁效应的出现并且提高了能耗。
EP 0 132 745 A2示出了按照零通量原理工作的用于测量直流电流的装置。该装置包括具有峡部的磁性芯体、初级导体、补偿绕组、指示绕组和预磁化绕组，其中，峡部是芯体的缩窄的路段，其例如是通过穿过芯体横截面的至少一个钻孔产生的。指示绕组提供了用于差分放大器的输入参量并且与后者一起使得在补偿绕组中流过这样的电流，该电流在芯体中引起接近0的所得到的通量。预磁化绕组被施加以交变电流。在峡部的区域中，芯体由至少两个磁导体的并联连接构成，其中的一个磁导体不仅承载预磁化绕组而且承载指示绕组。由此应该实现的是，仅芯体的小的体积，即承载预磁化绕组和指示绕组的导体，需要改变磁化。然而不利的是，预磁化绕组在峡部的所有导体中并且在芯体的部分中引起干扰磁通量和噪声，这阻止了在芯体中产生零通量状态并且不利地作用于该装置的测量精度。在一个实施例中，芯体包括两个彼此分离的、各由三个磁导体的并联连接构成的峡部，其中不仅指示绕组而且预磁化绕组分别仅被施加在峡部的居中的导体上。由此将可能的是，当指示绕组接线为使得其补偿外加场的影响时，抑制外加场的影响。然而设置两个峡部尤其在制造中麻烦并且造成了高的功率吸收。
发明内容
本发明的任务因此是，提供一种开头提及类型的简单、紧凑、精确、功率吸收小的、用于测量很高的直流电流以及在大带宽中的交变电流的设备，其提高了干扰抑制并且剩磁效应很小，以及提供一种用于在使用前述设备的条件下绝缘地确定电流的方法。
该任务是借助根据权利要求1所述的用于测量电流的设备和根据权利要求13所述的用于确定电流的方法解决的。
根据本发明的用于测量电流的设备在与开头提及的特征的功能组合中的特征在于，磁性芯体具有带有至少两个穿通部的至少一个测量区域，这些穿通部将测量区域划分为至少三个相邻的通量路径，至少两个通量路径被至少一个激励绕组绕制，而测量绕组绕制于该至少一个测量区域的部分。
借助该设备可能的是确定输送电流的初级导体的电流强度，其中该设备构建为测量补偿绕组的电流强度。后一电流强度可以换算为输送电流的初级导体的电流强度。输送电流的初级导体应该，只要它尚未，如同样可以设计那样，以一个或多个绕组绕制于芯体的腿部，在此具有与该设备的不太大的距离以将来自产生其他磁通量的元件的干扰影响保持为尽可能小，并且不被引导穿过测量区域的穿通部。输送电流的初级导体应该优选传导直流电流，其中，然而该设备还构建为测量输送电流的初级导体的交变电流。
例如由铁磁性材料制成的、整体上例如为环形或方形的芯体优选具有闭合的横截面。通过闭合的横截面可以实现特别高的磁导率值，这引起了特别高的敏感性。在芯体中产生的磁通量可以由此被特别好地传导，这有利地影响测量精度。然而还存在这样的应用情况，例如当设备经受重大冲击的风险时，在这样的应用情况中可以在容忍测量精度的损失的情况下必要地设置开放的横截面。伴随开放的横截面的气隙于是优选可以设计在测量区域外部。通过这种气隙可以除了前述那样提高对于冲击效果的抵抗性之外还减小存在的剩磁。
芯体在其至少一个测量区域中分别具有至少两个穿通部，其在环形或方形的芯体的情况下以特别简单的方式可以将它们的上侧彼此连接，其中然而还可以连接侧面。测量区域相对于芯体的总尺寸优选是较小的，由此，可能的不希望的在测量区域中造成的干扰(例如干扰通量)对于芯体和设备整体具有较小的影响。穿通部尤其可以通过圆形钻出的孔或者通过带有矩形横截面的开口形成。通过该至少两个穿通部可以将每个测量区域划分为三个相邻的通量路径。通量路径在此形成测量区域或者芯体的一部分，在该部分中可以存在磁通量，其中可能的是，芯体在一个测量区域中或者在多个测量区域中被划分为三个相邻的通量路径(在设有两个穿通部时)，四个相邻的通量路径(在设有三个穿通部时)等。
补偿绕组布置在该至少一个测量区域外部并且绕制于芯体的部分，例如芯体的腿部。通过补偿绕组可以引导电流，该电流在芯体中引起与该电流成比例的磁通量，该磁通量可以被调节为使得通过输送电流的初级导体引起的磁通量理想地被完全地和在实践中至少近似完全地被补偿。在该前提下，在补偿绕组中的电流与初级导体中的电流成比例。通过补偿绕组的在实践中典型地可以在500和多于2000之间的相应的绕组数可以将对于补偿所需的电流限制为通过输送电流的初级导体流动的电流的一部分。芯体的该称作“零通量”的状态和设备的运行模式能够实现很精确的测量。
测量区域由至少三个通量路径组成，其中至少两个通量路径被一个共同的或者两个单个的激励绕组绕制。被绕制的通量路径在此可以直接相邻或者通过至少一个通量路径彼此间隔。随着在至少一个测量区域中的穿通部和通量路径的总数的上升而相应地可以布置多个激励绕组。
至少一个激励绕组构建为以能够位于两位的kHz范围中的高频率来周期性地在被绕制的通量路径中引起磁通量和与其等价地影响其磁阻。在这些通量路径中的磁通量在此优选是闭合的，即，在将被绕制的通量路径相比较时，这两者具有其分别绝对值相同但取向不同的磁通量。该高的频率的贡献是能够测量初级导体的变化很快的电流。激励绕组构建为使得通过它可以引导相应的激励电流，其在被激励绕组绕制的通量路径中引起磁通量。优选地，激励绕组构建为引起被绕制的通量路径的磁性饱和。此外，该至少一个激励绕组构建为在至少一个被其绕制的通量路径中交替地引起取向不同但是绝对值相同的磁通量，其中在磁通量的取向的交变之间总是可以设置这样的阶段，在该阶段中在该流体路径中不引起磁通量。由此可以减小剩磁效应。激励绕组以简单方式使得能够调制或磁性饱和被其绕制的通量路径，其中，同时可以避免在芯体的其余部分中引起所不希望的干扰通量，其降低测量精度和可以造成偏移错误。
在测量区域中将至少一个测量绕组绕制于芯体的部分。测量绕组例如可以绕制于该至少一个测量区域的单个的通量路径或者多个通量路径。在此可能的是，测量绕组绕制于已经被绕制有激励绕组的通量路径。同样设有，测量绕组绕制于未被绕制激励绕组的一个或多个通量路径。
测量绕组用于采集在芯体的被该测量绕组绕制的部分中的变化的磁通量。出于该目的而可能的是，在测量绕组中感应出交变电流或交变电压，其与在芯体的被该测量绕组绕制的部分中的磁通量变化成比例。所提及的磁通量变化取决于在传输电流的初级导体的所感应的磁通量与补偿绕组的所感应的磁通量之间的差(差通量)，并且可以用于调整补偿绕组的电流。在被测量绕组绕制的通量路径中的磁通量变化是由对至少一个激励绕组的激励造成的，其同样影响磁通量的值。借助根据本发明的测量绕组可以特别精确地确定传输电流的初级导体的电流。测量绕组的绕组数可以自由选择，其中随着绕组数提高可以提高测量精度。
在根据本发明的用于测量电流的设备的第一实施形式中，该设备具有：一个测量区域，其带有两个将该测量区域划分为三个相邻的通量路径的穿通部；以不同取向绕制于两个通量路径的激励绕组和一个绕制于剩余的通量路径的测量绕组。
两个穿通部将芯体的测量区域划分为三个相邻的通量路径，其中优选地，一个通量路径在这些穿通部之间延伸并且另外两个通量路径分别通过穿通部之一和芯体的内或外边缘来限界。激励绕组以不同的取向绕制于通量路径中的两个，由此通过其以简单方式和特别有效地可以在被其绕制的通量路径中引起闭合的磁通量。在此可能的是，激励绕组绕制于两个相邻的通量路径。然而同样设计的是，激励绕组绕制于这样两个通量路径，其不直接相邻，而是其间存在剩余的通量路径。激励绕组在一个绕组方向上沿着两个被绕制的通量路径之一延伸，并且相反地沿着另一通量路径延伸。优选地，该缆线在此大部分关于通量路径之间的、该激励绕组本身在此交叉的点对称地延伸。激励绕组在此可以单次或多次地绕制于通量路径，其中还可能的是通量路径之一比其它通量路径被更频繁地绕制。
激励绕组可以周期性地改变通量路径对的磁阻或者磁性饱和该通量路径。在此，激励绕组围绕两个通量路径的所描述的延伸对如下是有利的：在激励绕组的被激励的状态中，一个被绕制的通量路径的磁通量与另一被绕制的通量路径的磁通量反向但等大地延伸。激励绕组构建为提高(在被激励的状态中)和减小(在未被激励的状态中)在测量区域中在剩余的通量路径内的与通过初级导体和补偿绕组引起的磁通量之差对应的磁通量。该磁通量的提高或减小可以在测量绕组中感应为交变电流或交变电压，由此以前述方式可以调整补偿绕组的补偿电流。
根据本发明的用于测量电流的设备的第一实施形式尤其特征在于，通过单个的激励绕组可以在芯体的测量区域的两个通量路径中产生近乎闭合的磁通量，其在两个通量路径中反向但是具有相同的绝对值。在理想情况下，磁通量由此从外部来看是被补偿的并且通过激励绕组，不会在磁芯的其它区域中引起干扰磁通量。这种激励绕组具有的优点是，仅需要一个电流源来激励激励绕组，并且用于协调在两个激励绕组中的电流的开销可以被省去。优选地，被激励绕组绕制的通量路径具有相同尺寸，由此可以以特别简单的方式对称地引导激励绕组和在被激励绕组绕制的通量路径中实现近乎闭合的磁通量。
在根据本发明的设备的第二实施形式中，该设备具有：两个测量区域，其分别带有两个将测量区域划分为三个相邻的通量路径的穿通部；两个以不同取向各绕制于测量区域的两个通量路径的激励绕组；绕制于测量区域之一的剩余的通量路径的测量绕组；和/或绕制于另一测量区域的剩余的通量路径的测量绕组。
该第二实施形式具有两个相继的测量区域，其单个来看的话对应于第一扩展的测量区域以及前述特性和优点。对于设备的功能性，一个测量绕组已足够，其中在该具有两个测量绕组的实施形式中，它们串联设置并且可以提供输出信号，该输出信号相比于具有一个测量绕组的实施形式具有直至双倍的频率。这积极地影响设备的对于采集变化的初级电流的反应时间。第二实施形式特别当交替激励激励绕组时是有利的。激励绕组的激励于是可以彼此协调为使得当电流流过一个激励绕组时，没有电流流过相应的另一激励绕组。由此可以以特别简单的方式抑制在设备的其余部分中的通过激励绕组在被激励的状态中引起的干扰通量造成的噪声。
在本发明的第三实施形式中，该用于测量电流的设备具有：测量区域以及三个将该测量区域划分为第一对相邻的通量路径和第二对相邻的通量路径的穿通部；以及两个以不同的取向各绕制于一对相邻的通量路径的激励绕组。
该第三实施形式的特征在于，测量区域的总路径被两个激励绕组绕制。该布置在如下情况下特别有利，即，当激励绕组被交替地激励时。如在前述相继的测量区域中那样，激励绕组的激励可以彼此协调为使得当电流流过一个激励绕组时，没有电流流过相应的另一激励绕组。由此可以以简单方式抑制在设备的其余部分中的通过激励绕组在被激励状态中的干扰通量造成的噪声。
在第三形式的第一扩展中，一个测量绕组绕制于第一对相邻的通量路径和/或一个测量绕组绕制于第二对相邻的通量路径。在该具有两个测量绕组的实施中，分别两个通量路径分享一个激励绕组和一个测量绕组。由此，该设备能够在交替激励第一和第二激励绕组时交替地磁性调制相邻通量路径对的磁阻，方法是，将其磁阻在激励时减小和在返回未被激励状态时又提高，并且采集由此引起的在两对相邻的通量路径中(在两个测量绕组的情况下)或者在一对相邻的通量路径中(在一个测量绕组的情况下)的磁通量变化。对于该设备的功能性，一个测量绕组已足够。在按照前述方式设置两个测量绕组的情况下，它们可以提供输出信号，其相比于具有一个测量绕组的实施形式具有直至两倍的频率。这积极地影响设备对于采集变化的初级电流的反应时间。通过该扩展还可能的是，以特别节省地方的方式在芯体上布置具有四个通量路径的测量区域、两个激励绕组和一个或两个测量绕组。
第三实施形式的第二扩展的特征在于，三个穿通部中居中的穿通部具有比通量路径大的伸展，从而限定了第一对相邻的通量路径的第一共同的伸长和第二对相邻的通量路径的第二共同的伸长，一个测量绕组绕制于该第一共同的伸长和/或一个测量绕组绕制于该第二共同的伸长。
这两对通量路径分别在一个共同的通量路径、即所谓的共同的伸长中一起延伸。共同的伸长通过居中的穿通部彼此分离，通过该测量绕组绕制于共同的伸长或多个测量绕组分别绕制于一个共同的伸长，可以将激励绕组特别好地与测量绕组间隔和由此减小激励绕组所不希望地影响测量绕组的风险。在设有一个测量绕组或两个测量绕组的情况下交替激励激励绕组的方面，第三实施形式的第二扩展具有与第三实施形式的第一扩展相同的功能性和优点。
在该用于测量电流的设备的另一实施形式中设有，该至少一个激励绕组与调制器单元连接。与激励绕组连接的调制器单元用作电流源，以在被该至少一个激励绕组绕制的通量路径中引起前述磁通量，其中相应的电流优选将可以取高至足以引起通量路径的磁性饱和的值。例如可以将数字的频率发生器设为调制器单元。
调制器单元在最简单情况下可以构建为提供能够周期性地接通和关断的电流。借助这种输出信号可以将激励绕组运行为使得调制器单元周期性地将电流引导通过激励绕组，该电流以相同的频率在通量路径中引起磁通量。由此可能的是周期性地提高和降低通量路径的磁阻，其中，可以在足够高的电流的情况下将通量路径周期性地磁性饱和。
同样设计有对这样的调制器单元的使用，其能够提供带有绝对值相同的交替的正和负电流的、矩形的或梯形的电流。在正到负电流的交变和相反的交变之间总是设有优选总是具有相同持续时间的阶段，在该阶段中调制器单元不发出电流信号并且在该阶段中不应有电流流过激励绕组。调制器单元构建为将相应的矩形的或梯形的电流引导通过激励绕组，该电流在所提及的电流的符号交替的节拍中在通量路径中引起与该电流成比例的、取向交替但是绝对值相同的磁通量。该交变的磁通量特别好地适于减小通量路径中的剩磁效应和在设备的其余部分中的噪声。前述功能性和优点还以这样的调制器单元实现，其提供另一形式的电流，例如三角形或正弦形的电流。
调制器单元例如可以具有用于发出前述电流信号的电流源和与该电流源连接且控制该电流源的调制器。调制器例如可以集成到调制器单元中或者作为外部调制器与电流源连接。调制器应该尤其构建为用于控制调制器单元提供哪种输出信号。由此以特别灵活的方式可能的是共同通过调制器地控制或者同步化电流源以及用于测量电流的设备的其它元件。
有利地还设有，解调器与该至少一个测量绕组连接并且可以与调制器单元同步化。解调器贡献于提供在补偿绕组中的补偿电流。通过解调器可以接收、改变和输出在测量绕组中感应出的交变电流。于是解调器例如可以以模拟的反转开关的形式设计，其构建为用于反转交变电流的各个相位，从而解调器按照整流器的含义工作。解调器可以与调制器单元同步化，即时间上对于调制器单元的控制可以在解调器单元的所涉及的功能方面转用于解调器。由此，在被至少一个激励绕组绕制的通量路径中对磁通量的引起可以协调于解调器的运行。解调器和解调器可以为此以特别实用的方式彼此连接。然而同步化可以以无需在解调器与调制器单元之间的连接的其它途径进行。
还会有利的是，将积分器与解调器连接。积分器构建为接收由解调器发出的信号，将其积分、改变和输出。积分器例如可以以带有并联的电容器(用于平滑)的整流器的形式设计。积分器在该情况下构建为用于将由解调器接收的交变电流信号转换为直流电流信号。积分器还可以用作低通滤波器。通过积分器可以实现对补偿绕组的补偿电流的特别精确的调整。
还会有利的是，将第一运算放大器与补偿绕组和输出端连接。补偿绕组的补偿电流可以流过该第一运算放大器，并且可以被转换为与该补偿电流成比例的输出电压。优选地，为此在反馈回路中设置确定转换比例的电阻。通过第一运算放大器可以补偿初级导体的高频的(所测量的)信号。替选地，输出端还可以直接与补偿绕组连接，从而可以以特别简单的方式在输出端上直接减小补偿电流。
还会有利的是，积分器与补偿绕组连接。由此，可以以特别简单的方式将积分器的直流电流馈送至补偿绕组。该直流电流于是对应于补偿电流，借助其可以在芯体中实现零通量状态。由此，贡献于减小芯体中的剩磁效应。
还有利地设有，将积分器与第二运算放大器连接，其与补偿绕组和第一运算放大器连接。通过第二运算放大器可以均衡由补偿绕组的电阻造成的压降。此外，可以使用多个很细的绕组，由此该设备可以尺寸更小。此外可以使用具有更高电阻的绕组，这可由第二运算放大器通过相应放大的电压来均衡。通过第一和第二运算放大器的组合可以实现设备在高频率带宽中的运行，例如在从0.1Hz的范围直至MHz范围之间。当通过与前述装置不同的装置向积分器馈送信号时，也可以考虑第一和第二运算放大器以及积分器的就其本身而言已经存在的、非显而易见的连接，其具有类似的或相同的优点。
根据另一有利实施形式设有，测量绕组包括模数转换器。模数转换器例如可以连接至测量绕组的端部并且与解调器连接。模数转换器构建为用于将由测量绕组采集的磁通量变化转换为数字信号和将其提供给连接于测量绕组的解调器和由此提供给积分器和运算放大器。由此可能的是，通过数字调整技术调节补偿电流以及避免会通过模拟实施方式引起的温漂。在该上下文中还特别有利地设有，将解调器完全以数字方式实现。同样会有利地设有，替代积分器使用反馈调整器，例如PI调整器或PID调整器。
特别有利地还设有，将第一运算放大器和第二运算放大器共同地以数字和模拟方式实现。例如可以设有全桥形式的数字末级，其以模拟的反馈运算放大器来运行补偿绕组的两个端部。通过反馈可以将补偿绕组中的电压或电流强度反馈至运算放大器的数字部分以用于调整数字输出。
用于在使用前述用于测量电流的设备的条件下确定电流的方法包括如下方法步骤：
-将初级电流传导通过初级导体并且由此在芯体中引起磁通量；
-将补偿电流传导通过补偿绕组并且由此在芯体中引起磁通量，以便反作用于通过初级导体引起的磁通量；
-周期性地激励至少一个激励绕组，并且由此，如果被激励，则在至少两个被至少一个激励绕组绕制的通量路径中引起磁通量，和由此磁性调制所提及的通量路径；
-借助至少一个测量绕组采集在激励绕组的不同激励状态之间的磁通量变化，以用于导出解调信号来调整由补偿电流引起的磁通量；
-将补偿电流调节为使得由测量绕组采集的磁通量变化最小化的值；
-测量补偿电流；
-根据补偿电流计算初级电流。
通过初级导体可以传导电流、即所谓的初级电流。初级电流应该通过借助用于测量电流的设备确定电流的方法来确定。之所以区分测量和确定，是因为初级电流在该方法的框架中未被直接测量，而是可以根据补偿电流计算得到的。
初级电流在芯体中引起与初级电流成比例的初级磁通量，其被通过补偿绕组在芯体中引起的补偿磁通量抵抗。为此，将相应的补偿电流传导通过补偿绕组。初级电流与补偿电流之间的差于是形成差电流，其对应于在芯体中的差磁通量。当设备处于其中初级通量通过补偿通量被均衡的零通量状态中时，不消耗输送电流的初级导体的能量。
至少一个激励绕组被周期性地激励。激励绕组被激励，方式是，通过其传导激励电流。作为激励电流，除了单极激励电流还尤其考虑这种双极激励电流，其在时间上对称地运行，具有为0的均值并且在符号交替之间具有优选等长的、其中不产生激励信号的阶段。合适的双极激励的示例是具有矩形、梯形、三角形或正弦形曲线的激励电流。
周期性的激励可以通过调制器单元如上面描述那样例如以如下方式单极地被激励：激励由两个阶段构成，其中在一个阶段中将直流电流信号传导通过激励绕组，并且在第二阶段中没有电流引导通过激励绕组。在此，所有阶段可以具有相等持续时间。直流电流信号在每个被激励的阶段中具有相同取向和幅度。通过直流电流信号在被激励绕组绕制的通量路径中引起与该直流电流信号成比例的磁通量，其调制该通量路径的磁阻。随着磁通量的提高，由此可以降低该通量路径的磁导率，这在引入相应大的电流时会导致直至该通量路径的磁饱和。借助通量路径中磁通量相应匹配的走向而同样可能的是，周期性地以这样的电流信号激励激励绕组，该电流信号在每个被激励的阶段中具有相同幅度而相反的取向，并且在符号交替之间具有无激励的、优选等长的阶段(双极激励)。
在激励绕组未被激励时，差通量分布在至少一个测量区域的所有通量路径上。如果激励绕组处于被激励状态，则在该时刻未通过激励绕组来磁性调制的通量路径中的磁通量上升，因为被磁性调制的通量路径的磁导率降低了。在返回到未被激励状态中时，差通量又分布在所有通量路径上，并且之前未被磁性调制的通量路径中的磁通量再次下降。
当所实现的芯体与所描述的理论构造有差异时，则会形成干扰信号(以交变电压或者交变电流的形式)，其与激励电流成比例并且叠加于在测量绕组中感应出的电流。
磁通量的变化在测量区域的部分中借助至少一个测量绕组来采集。采集理解为，在测量绕组中感应出交变电压或者交变电流形式的测量信号。该测量信号成比例于在测量区域的被测量绕组绕制的部分中的磁通量在不同激励状态之间的变化。交变电压或者交变电流的频率对应于激励该激励绕组的频率。根据测量信号导出解调后的信号，借助其可以调整传导通过补偿绕组的补偿电流，由此在芯体中引起反作用于初级通量的补偿通量。补偿电流这样被调整，使得通过至少一个测量绕组采集的磁通量的变化近似为零。
补偿电流的调整可以通过如下方式进行，即，后者通过在测量绕组中感应出的测量信号而获得了反馈，基于该反馈来再调整补偿电流。应该实现的是，在测量区域中的被测量绕组绕制的部分中的磁通量不改变(额定值)。当这成立时，在芯体中实现了零通量状态。磁通量的变化的实际值通过测量信号来提供(实际值)。
最后，可以通过合适的装置例如电流或电压测量设备或计算单元来测量补偿电流或与其成比例的电压以及确定初级电流。
在根据本发明的方法的框架中特别有利地设有，相反地运行绕制于各两个通量路径的两个激励绕组。当双极或单极地运行激励绕组时，该方法适用。激励绕组的激励可以彼此协调为使得，当电流被传导通过一个激励绕组时，没有电流被传导通过分别另一激励绕组。由此可以以特别简单的方式在设备的其余部分中抑制通过被激励状态中的激励绕组造成的干扰通量。
还有利的是，借助解调器将测量绕组的端部交替地与积分器的输入端连接。以该方式可以特别简单地反转在测量绕组中感应出的测量信号的相位，从而解调器在整流器的意义下起作用。在该方法的另一有利扩展中，将解调器与调制器单元同步化。于是可以以相同的频率运行解调器与调制器单元。解调器于是实现被调制器单元控制的、调制测量绕组的测量信号的多工器的功能。
另外有利地设有，将解调器的输出信号借助积分器转换为补偿电流。积分器接收由解调器输出的信号并且将其转换为直流电流，其被作为补偿电流引入补偿绕组。以该方式产生的补偿电流的特征在于特别高的精度。
还有利的会是，借助积分器和接收来自第一运算放大器的反馈信号的第二运算放大器将解调器的输出信号转换为补偿电流。由此可以均衡通过补偿绕组的电阻造成的压降，并且通过将带宽降低至几Hz或者更少来进一步提高测量精度。
根据本发明的方法的另一有利实施形式的特征在于测量至少一个激励绕组的电感和产生示出了分别测量的电感是否处于特定范围中的信号。根据其电感，例如可以在通过该激励绕组流动的电流交变或改变时采集在该激励绕组中的电压分量，其中，该电感的值与芯体的磁导率有关。磁导率逆着芯体中的磁通量来变化，从而可能的是，采集到芯体的磁饱和，其引起不正确地和因此在允许范围之外地追踪初级电流。该电压分量例如可以通过比较器来确定，其比较在参考电压(即通过调制单元施加到激励绕组上的电压)与通过激励绕组基于剩余磁通量(即通过初级电流产生的)和根据后者在芯体中感应出的电压之间的差。该电压分量可以用作指示器，用于通过指示器电流补偿初级电流。在此，该特定的范围可以包括所确定的电压分量的可接受的值。该信号例如可以是由其它设备可读的输出信号或者是光学显示，其在特别简单的情况下可以显示两种不同状态，即分别测量的电感值是位于特定的范围中还是没有位于特定的范围中。
最后，本发明还涉及磁性芯体的磁性开关，该磁性芯体具有带有至少两个穿通部的测量区域，这些穿通部将测量区域划分为至少三个相邻的通量路径，该磁性开关包括与调制器单元连接的至少一个激励绕组。在测量区域中两个单个的激励绕组绕制于各一个单个的通量路径，或者一个激励绕组在测量区域中绕制于两个通量路径。至少一个激励绕组可以借助调制器单元来周期性地激励，以便，如果被激励，则在该两个被该至少一个激励绕组绕制的通量路径中引起磁通量。
与调制器单元连接的激励绕组示出了磁性开关，其可以断开和闭合用于磁通量的通量路径。如果激励绕组通过调制器单元被激励为使得它在通量路径中引起导致该通量路径的磁饱和的磁通量，则该磁性开关相当于断开。如果不激励激励绕组，则它不在通量路径中引起磁通量，该通量路径不被磁饱和并且该磁性开关相当于闭合。在磁性开关的一个特别有利的实施形式中，一个激励绕组以不同的取向绕制于两个通量路径。关于根据本发明的磁性开关的更多优点和优选扩展显然适用所有已经结合根据本发明的设备阐述的方面，从而为了避免赘述而请参见其。
附图说明
下面借助附图详细阐述本发明的实施例。在此：
图1示出了用于测量电流的根据本发明的设备的示意性透视图，该设备具有布置在测量区域中的两个穿通部，两个各绕制于一个通量路径的激励绕组和一个绕制于第三通量路径的测量绕组，
图2示出了用于测量电流的根据本发明的设备的第一实施形式的示意性透视图，该设备具有以不同的取向绕制于两个通量路径的一个激励绕组和一个绕制于第三通量路径的测量绕组，
图3示出了用于测量电流的根据本发明的设备的第二实施形式的示意性透视图，该设备具有两个相继的测量区域，
图4示出了用于测量电流的根据本发明的设备的第二实施形式的示意性透视图，该设备具有布置在测量区域中三个穿通部和两个绕制于通量路径的总伸长的测量绕组，
图5示出了用于测量电流的根据本发明的设备的另一实施形式的示意性电路图，
图6示出了与图5的实施形式类似的、没有第二运算放大器的实施形式的示意性电路图，
图7示出了与图6的实施形式类似的、用于直接输出补偿电流的实施形式的示意性电路图，以及
图8示出了用于测量电流的根据本发明的设备的、带有模数转换器和替选地设计的运算放大器的另一实施形式的示意性电路图。
具体实施方式
在图1中示出的根据本发明的用于测量电流的设备1具有闭合的且在整体上为方形的磁性芯体2，其带有穿通部3，初级导体L1延伸穿过该穿通部。在测量区域4中布置有两个穿通部5，其将测量区域4划分为三个相邻的通量路径R1a、R1b、R2。为了表明其伸展，测量区域4在图1中通过虚线与芯体的其余部分分离。补偿绕组LC在测量区域4外部绕制于芯体2的腿部6。两个激励绕组LS绕制于两个通量路径R1a、R1b，而测量绕组LM绕制于剩下的通量路径R2。
在图2中示出的根据本发明的用于测量电流的设备1的第一实施形式具有闭合的且在整体上为环形的磁性芯体2，初级导体L1延伸穿过该芯体。在测量区域4中布置有两个穿通部5，其将测量区域4划分为三个相邻的通量路径R1a、R1b、R2。补偿绕组LC在测量区域4外部绕制于芯体2。单个的激励绕组LS以不同的取向绕制于两个通量路径R1a、R1b，而测量绕组LM绕制于剩下的通量路径R2。
在图3中示出的根据本发明的用于测量电流的设备1的第二实施形式具有闭合的且在整体上为环形的磁性芯体2，初级导体L1延伸穿过该芯体。在两个相同类型的测量区域4中各布置有两个穿通部5，其将测量区域4各划分为三个相邻的通量路径R1a、R1b、R2。两个激励绕组LS为了相反激励而以不同的取向绕制于各两个通量路径R1a、R1b，而两个测量绕组LM绕制于测量区域4各自剩下的通量路径R2。
在图4中示出的根据本发明的用于测量电流的设备1的第三实施形式具有闭合的且在整体上为环形的磁性芯体2，初级导体L1延伸穿过该芯体。在测量区域4中布置有三个穿通部5，其将测量区域4划分为第一对相邻的通量路径R1a、R1b和第二对相邻的通量路径R2a、R2b。各有一个激励绕组LS以不同的取向绕制于第一对相邻的通量路径R1a、R1b和第二对相邻的通量路径R2a、R2b以用于相反的激励。三个穿通部5中居中的那个具有比通量路径R1a、R1b、R2a、R2b大的伸展，并且由此限定第一对相邻的通量路径R1a、R1b的第一共同伸长R1和第二对相邻的通量路径R2a、R2b的第二共同伸长R4。各有一个测量绕组LM绕制于第一共同伸长R1和第二共同伸长R4。
在图5中示出的用于测量电流的设备1的另一实施形式的电路图示出了初级导体L1形式的初级绕组，该初级导体L1可以引导初级电流I1，并且具有匝N1。如果初级导体L1输送初级电流I1，则该初级导体L1在闭合的磁性芯体2中引起与该初级电流成比例的初级磁通量φ1。在芯体2上绕制有具有多个匝NC的补偿绕组LC，该多个匝NC具有总电阻RC。补偿电流IC流过补偿绕组LC，该补偿电流在芯体中引起反作用于初级磁通量φ1的补偿磁通量φC。初级磁通量φ1与补偿磁通量φC之间的差是差通量Δφ，而在初级电流I1与补偿电流IC之间的差是差电流ΔI。
芯体2在测量区域4中划分为三个通量路径R1、R2，其中，通量路径之一R1由两个未示出的通量路径R1a、R1b构成。激励绕组如示例性在图2中示出那样以不同的取向绕置于两个通量路径R1a、R1b，并且与调制器单元M连接。调制器单元M构建为用于周期性地激励激励绕组，其中，后者在被激励的状态中在通量路径R1a、R1b中引起使得通量路径R1a、R1b磁性饱和的磁通量。激励绕组是能够闭合和断开用于磁通量的通量路径R1a、R1b的磁性开关S。如果将激励绕组激励为使得它在通量路径R1a、R1b中引起使得通量路径R1a、R1b磁性饱和的磁通量，则磁性开关S相当于断开。如果不激励激励绕组，则它不在通量路径R1a、R1b中引起磁通量，所述通量路径R1a、R1b不被磁性饱和并且磁性开关S相当于闭合。
测量绕组LM以多个匝NM绕置于通量路径R2。在测量绕组LM中通过周期性地断开和闭合磁性开关(同义于周期性地激励激励绕组)来感应出交变电压或交变电流形式的测量信号。当还没有补偿电流IC传导通过补偿绕组LC时，差通量Δφ对应于初级磁通量φ1。测量信号于是与初级电流I1成比例。如果有补偿电流IC传导通过补偿绕组LC，则测量信号与差电流ΔI成比例。
图5示出了模拟反转开关形式的解调器D的一个很简单的实施例。测量绕组LM的测量信号被馈送至解调器D的两个输入端D1、D2，该解调器D还具有两个输出端D3、D4。解调器将测量信号转换为被解调的信号。解调器可以在两个开关位置之间交替地切换。在第一开关位置中，输入端D1与输出端D4连接，而输入端D2与输出端D3连接，该输出端D3的信号被馈送至参考信号(地)。在第二开关位置中，输入端D1与输出端D3连接，而输入端D2与输出端D4连接。解调器D交替开关位置的频率被与调制器单元M的激励频率同步化。通过解调器D的切换将测量信号的相位反转为使得解调器D输出大部分地具有相同符号的、解调后的信号。
输出端D4与积分器I的输入端连接，在其反馈回路中布置有电容器C。积分器I用作低通滤波器。积分器I的输出信号是直流电流I2，其通过第一运算放大器G和第二运算放大器K转换为补偿电流IC。在其反馈回路中具有电阻RF的第一运算放大器G与补偿绕组LC的一个端部连接并且具有放大系数G。第二运算放大器K具有放大系数K并且与补偿绕组C的另一个端部及积分器I的输出端连接。直流电流I2被第一运算放大器G的输出信号叠加，并且接下来通过运算放大器K以其放大系数K放大。
最后，设备1具有输出端A，在其端子上施加有输出电压UA，其与传输电流的初级导体L1的初级电流I1成比例。输出电压UA具有值UA＝I1*RF*N1/NC。借助输出电压UA可以通过连接合适的(未示出的)装置来测量、计算和显示初级电流I1。
在图6中示出的用于测量电流的设备1的另一实施形式的电路图与图5中示出的实施形式的区别在于，未设置第二运算放大器K。此外，两个单个的激励绕组绕制在两个通量路径R1a、R1b上(如在图1中所示)并且与调制器单元连接。两个激励绕组共同形成磁性开关S，其可以如在根据图5的实施形式中那样断开和闭合用于磁通量的通量路径R1a、R1b。积分器I直接与补偿绕组LC连接。设备1的功能差别在于，在图6中示出的实施例中，为积分器I的输出信号的直流电流I2直接被馈送给补偿绕组作为补偿电流IC。
在图7中示出的用于测量电流的设备1的另一实施形式的电路图与通过图6示出的实施形式的区别在于，未设置第一运算放大器G，由此直接将补偿电流IC＝I1*N1/NC施加在输出端A上。
在图8中示出了根据本发明的用于测量电流的设备1的与图5至7中示出的实施例类似的实施例。通过测量绕组LM采集的、在磁性芯体2的测量区域4中的磁通量变化被馈送至连接在测量绕组LM的一个端部的模数转换器6。该磁通量变化的电压分量通过模数转换器6转换为数字信号。模数转换器6例如可以通过未示出的可选的缓冲器或放大器连接至测量绕组LM的一个端部。模数转换器6在输出侧与数字的解调器D连接并且为其提供所转换的数字信号。
数字的解调器D的数字的输出信号被提供给积分器I，其可以通过I、PI、PID调整器或另一合适的调整器形成。积分器I的输出信号是代表直流电流I2的数字信号，其被馈送至功能单元7。功能单元7在所示实施例中关于其信号模数混合地实现。功能单元7包括在图5中示出的运算放大器G和K以及未示出的数模转换器，其可以将积分器I的输出信号转换为模拟值并且将所转换的信号馈送给第一运算放大器G或者第二运算放大器K。运算放大器如在图5中所示地提供用于补偿绕组LC的补偿电流IC。补偿电流IC通过功能单元7中的合适装置转换为数字信号，其在输出端A上作为输出信号可用。替选地还可以设计为，模数转换器6之后的所有器件，即解调器D、积分器I和运算放大器G和K在功能单元7中完全数字地实现。
Claims (23)
1.一种用于测量电流的设备(1)，包括：
-磁性芯体(2)，该磁性芯体具有
-穿通部(3)，初级导体(L1)延伸穿过该穿通部，以及
-带有至少两个穿通部(5)的至少一个测量区域(4)，这些穿通部将所述测量区域(4)划分为至少三个相邻的通量路径(R1a，R1b，R2，R2a，R2b)；
-补偿绕组(Lc)，其绕制于所述芯体(2)的在所述测量区域(4)之外的部分；
-同一测量区域(4)的被至少一个激励绕组(Ls)绕制的至少两个通量路径(R1a，R1b，R2a，R2b)；
-至少一个测量绕组(LM)，其绕制于所述测量区域(4)的部分。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，
所述设备(1)具有：
-测量区域(4)，带有将所述测量区域(4)划分为三个相邻的通量路径(R1a，R1b，R2)的两个穿通部(5)，
-以不同的取向绕制于两个通量路径(R1a，R1b)的激励绕组(Ls)，以及
-绕制于其余通量路径(R2)的测量绕组(LM)。
3.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，
所述设备(1)具有：
-两个测量区域(4)，各带有将所述测量区域(4)划分为三个相邻的通量路径(R1a，R1b，R2)的两个穿通部(5)，
-分别以不同的取向绕制于所述测量区域(4)的两个通量路径(R1a，R1b)的两个激励绕组(Ls)，
-绕制于所述测量区域(4)之一的其余通量路径(R2)的测量绕组(LM)，和/或
-绕制于另一测量区域(4)的其余通量路径(R2)的测量绕组(LM)。
4.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，
所述设备(1)具有：
-测量区域(4)，带有将所述测量区域(4)划分为第一对相邻的通量路径(R1a，R1b)和第二对相邻的通量路径(R2a，R2b)的三个穿通部(5)，以及
-分别以不同的取向绕制于一对相邻的通量路径(R1a，R1b，R2a，R2b)的两个激励绕组(Ls)。
5.根据权利要求4所述的设备(1)，其特征在于，
-一个测量绕组(LM)绕制于所述第一对相邻的通量路径(R1a，R1b)，和/或
-一个测量绕组(LM)绕制于所述第二对相邻的通量路径(R2a，R2b)。
6.根据权利要求4所述的设备(1)，其特征在于，
-所述穿通部(5)中的居中的穿通部具有比所述通量路径(R1a，R1b，R2a，R2b)大的伸展，并且由此限定
-所述第一对相邻的通量路径(R1a，R1b)的第一共同的伸长(R1)，以及
-所述第二对相邻的通量路径(R2a，R2b)的第二共同的伸长(R4)，
-一个测量绕组(LM)绕制于所述第一共同的伸长(R1)，和/或
-一个测量绕组(LM)绕制于所述第二共同的伸长(R4)。
7.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述至少一个激励绕组(Ls)与调制器单元(M)连接。
8.根据权利要求7所述的设备(1)，其特征在于，解调器(D)与所述至少一个测量绕组(LM)连接，并且能够与所述调制器单元(M)同步化。
9.根据权利要求8所述的设备(1)，其特征在于，积分器(I)与所述解调器(D)连接。
10.根据权利要求9所述的设备(1)，其特征在于，输出端(A)直接地或经过第一运算放大器(G)间接地与所述补偿绕组(LC)连接。
11.根据权利要求9所述的设备(1)，其特征在于，所述积分器(I)与所述补偿绕组(LC)连接。
12.根据权利要求10所述的设备(1)，其特征在于，所述积分器(I)与第二运算放大器(K)连接，该第二运算放大器(K)与所述补偿绕组(LC)及所述第一运算放大器(G)连接。
13.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述测量绕组(LM)包括模数转换器(6)。
14.根据权利要求12所述的设备(1)，其特征在于，所述第一运算放大器(G)和所述第二运算放大器(K)共同地按照数字和模拟方式被实施。
15.一种用于在使用根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)的条件下确定电流的方法，具有如下方法步骤：
-引导初级电流(I1)通过所述初级导体(L1)，并且由此在所述芯体(2)中引起磁通量；
-引导补偿电流(IC)通过所述补偿绕组(LC)，并且由此在所述芯体中引起磁通量，以便反作用于由所述初级导体(L1)引起的磁通量；
-周期性地激励所述至少一个激励绕组(LS)，并且由此，如果被激励，则在被所述至少一个激励绕组(LS)绕制的至少两个通量路径(R1a，R1b，R2a，R2b)中引起磁通量，并且由此磁性调制所述通量路径(R1a，R1b，R2a，R2b)；
-借助所述至少一个测量绕组(LM)采集在所述激励绕组(LS)的不同激励状态之间的磁通量变化，用于导出解调信号以调整通过所述补偿绕组(LC)引起的磁通量；
-将所述补偿电流(IC)调节到使得通过所述测量绕组(LM)采集到的磁通量变化最小化的值；
-测量所述补偿电流(IC)；
-根据所述补偿电流(IC)计算所述初级电流(I1)。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，相反地运行两个激励绕组(LS)。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，将所述测量绕组(LM)的端部借助所述解调器(D)交替地与所述积分器(I)的输入端连接。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，将所述解调器(D)与所述调制器单元(M)同步化。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，将所述解调器(D)的输出信号借助所述积分器(I)转换为所述补偿电流(IC)。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，将所述解调器(D)的输出信号借助所述积分器(I)和接收来自第一运算放大器(G)的反馈信号的第二运算放大器(K)转换为所述补偿电流(IC)。
21.根据权利要求15至20中任一项所述的方法，其特征在于，测量所述至少一个激励绕组(LS)的电感，并且产生示出了分别测量的电感是否处于特定的范围中的信号。
22.一种磁性芯体(2)的磁性开关(S)，该磁性芯体具有测量区域(4)，该测量区域(4)具有至少两个穿通部(5)，所述穿通部(5)将所述测量区域(4)划分为至少三个相邻的通量路径(R1a，R1b，R2，R2a，R2b)，所述磁性开关(S)具有如下特征：
-至少一个激励绕组(LS)与调制器单元(M)连接，
-一个激励绕组(LS)绕制于所述测量区域(4)的两个通量路径(R1a，R1b，R2a，R2b)，或者两个激励绕组(LS)分别绕制于所述测量区域(4)的通量路径(R1a，R1b，R2a，R2b)中的一个，以及
-所述至少一个激励绕组(LS)能够借助调制器单元(M)被周期性地激励，以便在被激励的情况下在被所述至少一个激励绕组(LS)绕制的两个通量路径(R1a，R1b，R2a，R2b)中引起磁通量。
23.根据权利要求22所述的磁性开关(S)，其特征在于，一个激励绕组(LS)以不同的取向绕制于两个通量路径(R1a，R1b，R2a，R2b)。
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