CN107567589A - 用于确定电流的电流测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电气退耦地测量流过导电体的大电流的电流测量装置。为此，围绕导电体布置多个磁场传感器。此外，电流测量装置包括补偿线圈，其围绕磁场传感器，并且在其中可以调节补偿电流。通过调节流过补偿线圈的补偿电流，由于待测量的流过导电体的电流引起的磁场和由于流过补偿线圈的补偿电流引起的磁场尽可能补偿。这能够实现在大动态范围对大电流的极其精确且无干扰的测量。

Description

用于确定电流的电流测量装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定导电体中的电流的电流测量装置以及方法。
背景技术
大量能量技术上的应用需要测量高电流。为此例如可以采集并分析由电流引起的、围绕导电体的磁场。根据这样的所采集的磁场可以给出关于流过导体的电流的结论。为此例如还可以将导电体引导通过环形的所谓的磁通集中器。这样的磁通集中器例如由铁磁材料组成，由此围绕通电导体的磁力线集中在该磁通集中器。可以通过磁场传感器、例如霍尔传感器(Hall-Sensor)在磁通集中器的缝隙中采集该磁通集中器中的磁场。然而，这样的由铁磁或铁氧磁材料组成的磁通集中器导致传感器的相对大的重量。此外，由于磁滞还会出现测量错误。
因此，需要用于测量导电体中的电流的电流测量装置以及方法，其能够精确测量导电体中的电流。此外，需要在尽可能大的电流测量范围内测量导电体中的电流。此外，存在对以相对于干扰场尽可能小的灵敏度测量导电体中的电流的需求。
发明内容
为此按照一个方面，本发明实现一种用于确定导电体中的电流的电流测量装置。电流测量装置包括多个磁场传感器，其围绕导电体布置。多个磁场传感器在此设计为，采集磁场并且提供与所采集的磁场对应的输出信号。此外，电流测量装置包括补偿线圈，其围绕导电体布置。在此，多个磁场传感器布置在补偿线圈内部。最后，电流测量装置还包括调节装置，其设计为，调节补偿线圈中的补偿电流。
按照另一方面，本发明实现一种用于确定导电体中的电流的方法。该方法包括提供围绕导电体的多个磁场传感器并且提供包围多个磁场传感器的补偿线圈的步骤。该方法还包括采集由磁场传感器提供的输出参量、基于所采集的磁场传感器的输出参量调节补偿线圈中的补偿电流；和基于所调节的流过补偿线圈的补偿电流确定流过导电体的电流的大小的步骤。
本发明基于如下构思，借助围绕导电体的多个磁场传感器采集流过电流的导电体的磁场。在此同时在补偿线圈中调节电流，以补偿由导电体引起的所采集的磁场。通过该补偿能够极其精确地确定流过导电体的电流。
基于补偿原理，独立于流过导电体的电流，通过磁场传感器仅须分别采集相对小的磁场。因此，在非常大测量范围的电流测量是可能的。
与传统的具有磁场集中器的电流测量转换器不同，在根据本发明的测量原理中不需要由铁磁或铁氧磁材料组成的磁路。由此，也不会有由于磁通集中器中的磁滞引起的测量错误。此外，与传统的具有磁通集中器的电流测量装置相比，电流测量装置的重量降低。
由于使用围绕导电体的多个磁场传感器，还可能更好地平衡统计偏移误差，由此可以附加地提高电流测量装置的精确性。
因为在补偿线圈内，除了磁场传感器外，通常仅存在抗磁或顺磁性材料，所以补偿线圈也具有极小的电感。这也导致对于调节流过补偿线圈的电流的补偿调节的极大的边界频率。因此，这实现了用于驱动通过补偿线圈的电流的相对简单的结构。
最后，电流测量装置的根据本发明的结构具有相对于外部场和干扰场的极小的灵敏度。
在电流测量装置的一种实施方式中，多个磁场传感器布置在平面中，其中该平面垂直于流过导电体的电流方向延伸。
根据另外的实施方式，多个磁场传感器的每个磁场传感器与平面的面分段相关联。在此，各自的由磁场传感器提供的输出信号以加权因数加权，该加权因数与对应的面分段的面对应。通过这种方式，在即使不是均匀围绕导电体分布的磁场传感器中也可以正确采集通过电流引起的围绕导电体的磁场。
根据另外的实施方式，多个磁场传感器的所有磁场传感器具有距导电体的中心轴相同的距离。
根据另外的实施方式，磁场传感器等距离地围绕导电体布置。
根据另外的实施方式，调节装置基于由多个磁场传感器提供的输出信号调节补偿线圈中的补偿电流。
根据另外的实施方式，调节装置调节补偿线圈中的补偿电流，使得由多个磁场传感器提供的输出信号的和变为零。如果来自于各个磁场传感器的输出信号在此不同地加权，则调节装置调节补偿线圈中的补偿电流，使得输出信号的加权和变为零。通过这种方式，由磁场传感器待采集的磁场是最小的，从而能够特别精确的测量。
根据另外的实施方式，补偿线圈具有圆环面形的外部几何特征。
根据另外的实施方式，多个磁场传感器包括磁阻式(MR)磁场传感器。这样的根据磁阻式测量原理工作的磁场传感器能够以更小、更轻和更紧凑的设计对磁场进行非常精确和精确的测量。
根据另外的实施方式，电流测量装置包括分析装置，其设计为，基于流过补偿线圈的电流确定流过导电体的电流。
根据另外的实施方式，由流过补偿线圈的电流与补偿线圈的匝数的乘积计算电流、特别是通过分析装置确定的电流。通过这种方式可以极其简单地计算流过导电体的电流。
根据用于测量导电体中的电流的方法的另外的实施方式，用于调节流过补偿线圈的补偿电流的步骤最小化磁场传感器的输出参量。特别地在用于调节补偿电流的步骤中调节电流，使得磁场传感器的输出参量的和、特别是可能的加权和变得最小。
根据另外的实施方式，在用于调节补偿线圈中的补偿电流的步骤中，将多个磁场传感器的输出参量与加权因数相乘。该加权因数在此尤其可以由与各自的磁场传感器相关联的面分段给出。
根据另外的实施方式，在用于确定流过导电体的电流的大小的步骤中，由流过补偿线圈的补偿电流与补偿线圈的匝数的乘积计算电流。
附图说明
本发明的其它实施方式和优点借助于附图由以下描述给出。附图中：
图1示出了具有多个围绕导电体的磁场传感器的电流测量装置的示意图；
图2示出了根据一种实施方式的电流测量装置的示意图；
图3示出了根据一种实施方式的穿过电流测量装置的横截面的示意图；和
图4示出了流程图的示意图，如用于测量流过导电体的电流的方法所基于的。
具体实施方式
图1示出了大电流传感器的示意图。在此，在该示图中围绕导电体2布置六个磁场传感器10-i。磁场传感器10-i在此可以布置在此处未示出的载体材料上。如果电流流过导电体2，则由此产生围绕导电体2的磁场。该磁场可以由磁场传感器10-i采集。在此，通过各个磁场传感器10-i局部地(按点地)分别测量磁场的切向分量。然后可以通过将该切向分量相加按照以下公式推导出导电体中的电流IL：
在此，Ui是各自的磁场传感器10-i的传感器输出电压，ai是各自的磁场传感器10-i的灵敏度，Δsi是在围绕导电体2(磁场传感器10-i处于其上)的曲线上第i个间隔中的线段。
在此对于尽可能简单且低开销的电流传感器，围绕导电体2的磁场应当以尽可能少的插值点、也就是尽可能少的磁场传感器10-i近似。为了可以实现该目的，提供对于在其上进行测量的边缘曲线的几何特征，其很好地考虑了测量电流和干扰电流的空间布置。由此，特别是圆形、椭圆形、正多边形，诸如五边形、六边形等适合用为边缘曲线。对于曲线形状的确认在此重要的尤其是，在所有能想到的运行状态下尽可能所有传感器在其灵敏方向上总是看见类似的磁场强度并且单个部件的偶然过调制不会歪曲结果。
在具有圆形横截面的直长导体2的简单圆柱几何特征的情况下，在此对于实际应用有利的方案是在中心点具有导电体2的磁场传感器10-i的圆形布置，如其在图1中所示的那样。在边缘曲线离散化的情况下提供，磁场传感器10-i尽可能等距离地并且以距导电体2的中心点相同的距离布置。具有高曲率或高干扰影响的边缘曲线的区域在此可以在边缘曲线离散化的情况下具有更高分辨率，也就是在该区域可以布置更大数量的磁场传感器10-i。
尤其可以指出，围绕导电体2在此选择的数量为六的磁场传感器10-i仅表示任意示例。根据应用领域还可以为电流传感器选择更多或更少的磁场传感器10-i。
图2示出了根据一种实施方式的具有前面描述的测量原理的电流测量装置1的示意图。在此，电流测量装置1包括多个磁场传感器10-i、补偿线圈20以及调节装置21。磁场传感器例如可以是磁阻式磁场传感器。
这里，与上述关于图1的说明相同，这些说明适用于围绕电导体2的磁场传感器10-i的布置。也就是，多个磁场传感器10-i围绕导电体2沿着曲线走向布置。在一种实施方式中，所有磁场传感器10-i可以与导电体2的中轴都相距相同距离。还可以所有磁场传感器10-i相距相等距离。但是根据应用情况、特别是当前出现的干扰影响或强曲率半径等，磁场传感器10-i的其它布置也是具有优势的。磁场传感器10-i在此优选地布置在(虚拟)平面上，其垂直于流过导电体2的电流方向延伸。特别地在磁场传感器10-i围绕导电体2不等距或形状不同的布置的情况下，在此每个磁场传感器10-i可以与加权因数ai相关联。该加权因数ai在此可以与面分段对应，该面分段相应于(虚拟)平面中的各自的磁场传感器10-i。
在此，每个磁场传感器10-i提供输出信号、例如输出电压Ui，其相应于由各自的磁场传感器10-i采集的磁场。所有这些输出信号(输出电压)Ui可以被传输到调节装置21。
与按照图1的结构不同的，电流测量装置1还具有补偿线圈20。该补偿线圈20同样围绕导电体2布置。电流测量装置1的磁场传感器10-i在此布置在补偿线圈20内部。在此，补偿线圈20具有预定匝数n。
在可能的实施方式中，补偿线圈20是环形线圈。该环形线圈可以具有圆环面形状。然而，其它线圈几何特征用于补偿由流过导电体20的电流引起的磁场也是可能的。
补偿线圈20与调节装置21耦合。由此，调节装置21可以将电流馈入补偿线圈20。通过补偿线圈20中的补偿电流，在补偿线圈20内，也就是在磁场传感器10-i也处于其中的空间中引起磁场。在补偿线圈20内由补偿电流引起的该磁场在此抵销由于流过导电体2的电流引起的磁场。通过这种方式，由于流过导电体2的电流引起的磁场和由于补偿线圈20中的补偿电流引起的磁场在最有利的情况下互相完全补偿。为此，调节装置21可以分析磁场传感器10-i的输出信号Ui，并且调节流过补偿线圈20的补偿电流，使得磁场传感器10-i的输出信号Ui变得最小。为此，调节装置21优选地观察各个磁场传感器10-i的所有输出信号Ui的和。如果磁场传感器10-i的各个输出信号Ui在此不同地加权，则调节装置21为了调节流过补偿线圈20的补偿电流还可以考虑输出信号Ui的相应加权的和。
优选地，调节装置21调节流过补偿线圈20的补偿电流，使得磁场传感器10-i的输出信号Ui的(加权)和变得最小、特别是尽可能变为零。为此完全可以的是，各个磁场传感器10-i分别输出与零不同的输出信号Ui，而在调节流过补偿线圈20的补偿电流之后所有输出信号的(加权)和却变为零。
因为由于流过导电体2的电流引起的磁场和由于流过补偿线圈20的补偿电流引起的磁场互相衰减，并且在最有利的情况下完全补偿，所以磁场传感器10-i仅须采集相对小的磁场。流过导电体2的上升的电流可以通过提高流过补偿线圈2的补偿电流来均衡。通过这种方式，可以利用描述的电流测量装置1在大的测量范围极精确地采集流过导电体2的电流。特别地，极好地能够测量在40A和100A之间的电流。但是也可以利用电流测量装置1在通过补偿线圈2相应补偿磁场的情况下极好地采集并测量较小或较大的电流。
调节装置21在此，如前面已经描述的，采集磁场传感器10-i的所有输出信号Ui的(加权)和，并且接着调节流过补偿线圈20的补偿电流，使得磁场传感器10-i的输出信号Ui的(加权)和变得最小、最好情况下是零。在该情况下，可以极其简单地由补偿线圈20的匝数n与调节的补偿电流Ik的乘积来计算流过导电体2的电流。为此，电流测量装置1还可以包括分析装置22，其基于流过补偿线圈20的补偿电流确定流过导电体2的电流。特别地，分析装置22在已知补偿线圈20的匝数n的情况下通过测量流过补偿线圈20的补偿电流可以由流过补偿线圈20的补偿电流与补偿线圈的匝数n的乘积计算流过导电体2的电流。然后，分析装置22可以提供模拟或数字的输出信号，其与所确定的流过导电体2的电流对应。
图3示出了按照一种实施方式的穿过电流测量装置1的横截面的示意图。如在此能够识别的，磁场传感器10-i布置在补偿线圈20内部。补偿线圈20和各个磁场传感器10-i在此可以布置在合适的载体23上。调节装置21和分析装置22也可以布置在该载体23上。补偿线圈20的各个匝在此如图3所示的那样延伸，使得由于流过导电体2的电流引起的磁场和由于流过补偿线圈20的补偿电流引起的磁场可以互相补偿。
图4示出了根据一种实施方式用于确定导电体中的电流的方法所基于的流程图的示意图。首先在步骤S1中提供多个磁场传感器10-i，其围绕导电体2布置。此外在步骤S2中，提供补偿线圈20，其包围多个磁场传感器10-i。
接着在步骤S3中可以采集由磁场传感器提供的输出参量。磁场传感器10-i的该输出参量在此与由各自的磁场传感器10-i采集的磁场对应。特别地，输出参量Ui可以是与由磁场传感器采集的磁场对应的电压。
接着在步骤S4中，在补偿线圈20中调节补偿电流。所调节的流过补偿线圈20的补偿电流在此尤其基于磁场传感器的输出参量来调节。特别地，流过补偿线圈20的补偿电流被调节为，使得磁场传感器10-i的输出参量Ui的和、特别是加权和变为最小、优选变为零。接着在步骤S5中，流过导电体2的电流的大小可以基于所调节的流过补偿线圈20的补偿电流来计算。为此例如可以将所调节的流过补偿线圈20的补偿电流与已知的补偿线圈20的匝数n相乘。
概括地说，本发明涉及一种用于电气退耦地测量流过导电体的大电流的电流测量装置。为此，围绕导电体布置多个磁场传感器。此外，电流测量装置包括补偿线圈，其围绕磁场传感器，并且在其中可以调节补偿电流。通过调节流过补偿线圈的补偿电流，由于待测量的流过导电体的电流引起的磁场和由于流过补偿线圈的补偿电流引起的磁场尽可能补偿。这能够实现在大动态范围的对大电流的极其精确且无干扰的测量。

Claims (15)

1.一种用于确定导电体(2)中的电流的电流测量装置(1)，具有：
多个磁场传感器(10-i)，其围绕导电体(2)布置，并且该多个磁场传感器在此设计为，提供与所采集的磁场对应的输出信号；
补偿线圈(20)，其围绕导电体(2)布置，其中多个磁场传感器(10-i)布置在补偿线圈(20)内部，和
调节装置(21)，其设计为，调节补偿线圈(20)中的补偿电流。
2.根据权利要求1所述的电流测量装置(1)，其中，多个磁场传感器(10-i)布置在平面中，该平面垂直于流过导电体(2)的电流方向延伸。
3.根据权利要求2所述的电流测量装置(1)，其中，多个磁场传感器(10-i)的每个磁场传感器(10-i)与平面的面分段相关联，并且由各自的磁场传感器(10-i)提供的输出信号利用与对应的面分段的面对应的加权因数加权。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电流测量装置(1)，其中，多个磁场传感器(10-i)的所有磁场传感器(10-i)具有距导电体(2)的中心轴相同的距离。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电流测量装置(1)，其中，磁场传感器(10-i)等距离地围绕导电体(2)布置。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电流测量装置(1)，其中，调节装置(21)基于由多个磁场传感器(10-i)提供的输出信号调节补偿线圈(20)中的补偿电流。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电流测量装置(1)，其中，调节装置(21)调节补偿线圈(20)中的补偿电流，使得由多个磁场传感器(10-i)提供的输出信号的和变为零。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的电流测量装置(1)，其中，补偿线圈(20)具有圆环面形的外部几何特征。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的电流测量装置(1)，其中，多个磁场传感器(10-i)包括磁阻式磁场传感器。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的电流测量装置(1)，还包括分析装置(22)，其设计为，基于流过补偿线圈(20)的电流确定流过导电体(2)的电流。
11.根据权利要求10所述的电流测量装置(1)，其中，根据流过补偿线圈的电流与补偿线圈的匝数的乘积得出流过导电体的电流。
12.一种用于确定导电体(2)中的电流的方法，具有步骤：
提供(S1)围绕导电体(2)的多个磁场传感器(10-i)；
提供(S2)包围多个磁场传感器(10-i)的补偿线圈(20)；
采集(S3)由磁场传感器(10-i)提供的输出参量；
基于所采集的磁场传感器(10-i)的输出参量调节(S4)补偿线圈(20)中的补偿电流；
基于所调节的流过补偿线圈(20)的补偿电流确定(S5)流过导电体(2)的电流的大小。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，用于调节流过补偿线圈(20)的补偿电流的步骤(S4)最小化磁场传感器(10-i)的输出参量。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，用于调节补偿电流的步骤(S4)，将多个磁场传感器(10-i)的输出参量与加权因数相乘。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，用于确定流过导电体(2)的电流的大小的步骤(S5)，根据流过补偿线圈(20)的补偿电流与补偿线圈(20)的匝数的乘积计算电流。
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