CN115917333A - 具有霍尔传感器的电流测量设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于产生与待测量的电流(I)成比例的输出电流(IAusg)的电流测量设备(1)。为了改进电流测量设备(1)提出：电流测量设备(1)包括至少两个设置在圆形轨迹(21)上的霍尔传感器(2)，其中，霍尔传感器(2)相对于圆形轨迹(21)的中点(M)一致地定向，其中，电流测量设备(1)具有用于将霍尔传感器(2)的测量信号(3)相加的加法电路(11)，其中，电流测量设备(1)具有用于消除偏移量的减法电路(12)，其中，电流测量设备(1)具有以电压控制的电流源(13)，其中，为了对霍尔传感器(2)供电，电流测量设备(1)具有带有环形线圈的供电装置(10)，其中，供电装置(10)包括DC/DC转换器，其中，环形线圈具有顺磁的和/或抗磁的芯。本发明还涉及一种具有这种电流测量设备(1)的变流器(4)。本发明还涉及一种用于利用这种电流测量设备(1)或借助于这种变流器(4)测量待测量的电流(I)的方法，其中，霍尔传感器(2)的测量信号(3)借助于加法电路(11)相加，并产生与待测量的电流成比例的电压(U)，其中，借助于减法电路(12)从与待测量的电流成比例的电压(U)中减去偏移量并且产生具有对待测量的电流(I)预设的转换比的输出电流(IAusg)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于产生与待测量的电流成比例的输出电流的电流测量设备。本发明还涉及一种具有这种电流测量设备的变流器。本发明还涉及一种用于测量待利用这种测量设备或利用这种变流器测量的电流的方法。
背景技术
如今已知大量的电流测量设备。变压器能够以简单的方式用于测量交流电流。流过初级绕组的、待测量的电流根据对应于匝数比的转换比传递给次级侧，在那里，能够借助于测量记录器检测和评估相应较小的、当然与待测量的电流成比例的电流。
此外，存在大量利用通过待测量的电流产生的磁场的其他测量方法和装置。所述测量方法和装置能够用于测量交流电流和直流电流。所有这些安排和方法的共同指出是：其对干扰极其敏感。属于干扰的例如是：经常在大型电气部件、例如电驱动器中出现的电磁场。特别是在变流器中，因接入电流高会造成电流传感器的电磁影响。另一方面，变流器的调节依赖于电流传感器的精确测量值，以便能够可靠和安全地调节、控制和保护变流器。
迄今为止，在变流器中为电流测量设有大量空间。在此电流变换器通过耗费的磁屏蔽器屏蔽可能通过变流器运行形成的外来场的影响。
发明内容
本发明所基于的目的是：改进电流测量设备。
所述目的通过一种用于产生与待测量的电流成比例的输出电流的电流测量设备来实现，其中，电流测量设备包括至少两个设置在圆形轨迹上的霍尔传感器，其中，霍尔传感器相对于圆形轨迹的中点一致地定向，其中，电流测量设备具有用于将霍尔传感器的测量信号相加的加法电路，其中，电流测量设备具有用于消除偏移量的减法电路，其中，电流测量设备具有以电压控制的电流源，其中，电流测量设备为了对霍尔传感器供电具有带有环形线圈的供电装置。本发明还通过一种具有这种电流测量设备的变流器来实现。此外，本发明通过一种用于借助这种电流测量设备或借助于这种变流器测量待测量的电流的方法来实现，其中，在第一步骤中霍尔传感器的测量信号借助于加法电路相加，并且产生与待测量的电流成比例的电压，其中，在第二步骤中借助于减法电路从与待测量的电流成比例的电压中减去偏移量，使得得到参考电压，其中，与待测量的电流成比例的电压以预设的参考地为基准，其中，在第三步骤中借助于以电压控制的电流源根据参考电压产生具有对待测量的电流预设的转换比的输出电流。
本发明的其他有利的设计方案在从属权利要求中说明。
本发明还基于以下发现：特别是对于在变流器中的应用能够通过如下方式改进电流传感器：即其霍尔传感器为了测量通过电流产生的磁场而设置在圆形轨迹上、即称作为圆形线上。在此，霍尔传感器相对于中点相同地设置。特别地，霍尔传感器以其敏感轴线相对于圆形轨迹切向地定向。
在此，霍尔传感器与由能源供应装置、加法电路、减法电路和以电压控制的电流源组成的电子系统组合以形成可靠的、干扰不敏感的且紧凑的电流测量设备。例如，在此能够将部件以节约空间的方式设置在电路板上。
为了在许多功率电子系统中使用，然而也为了在用于分配电能的系统中使用，有利的是或者需要：电流传感器以电流变换器的形式构成。这意味着：电流传感器的输出信号是与测量电流(初级电流)表现为直接成比例的电流(所谓的次级电流)。由于以电子方式产生的所述次级电流通常达到1A至5A的值，并且在精度、频率响应和相对于外部干扰、即非常高的磁场的鲁棒性方面必须满足非常高的要求，所以存在对相应的电气或电子电路存在非常高的要求。
与已知的电流传感器相比重要的创新是：将环形线圈用于供电装置以产生霍尔传感器的供电电压。已经表明：通常，霍尔传感器被馈送与对于电流测量设备可用的供电电压不同的电压。霍尔传感器所需的所述电压借助于供电设备产生。重要的是：所述电压不影响待测量的信号或者所属于待测量的电流的磁场。在该上下文中环形线圈起特别有利的作用，借助所述环形线圈能够避免或充分抑制供电装置和霍尔传感器之间的干扰影响。此外，借助所述供电装置以挤压运算放大器的非常精确的无电势的以电压控制的电流源与B型的输出级的组合能够提出干扰不敏感的电流测量设备，所述电流测量设备适合于根据电流变换器原理测量直流电流和适合于测量交流电流。通过在环形线圈内的闭合的通量引导，供电装置和测量场的相互影响被消除或至少充分地最小化。通过将基于运算放大器的无电势的以电压控制的电流源与B型的晶体管输出级组合能够实现对电流的尤其精确的测量。由于B型的输出级不简单地与基于OPV的以电压控制的电流源串联设置，而是可选地作为反馈装置的进而OPV的调节装置整体部分设置，所以实现非常精确的无电势的、以电压控制的电流源，所述电流源具有非常高功率-带宽乘积和非常好的功率损耗空间分布。功率损耗的空间划分同样实现：将电路板上的圆形霍尔传感器的尺寸减小到小尺寸。由此能够实现如下传感器电路板，所述传感器电路板能够以节约空间的方式装入设备中，即例如变流器中。借此满足客户对越来越小尺寸的要求。
在设置磁场传感器时至关重要的是：所述设置在圆形线上进行，优选以均匀的角度划分进行。此外，霍尔传感器的定向必须与从圆形线的中点起观察是相同类型的。优选地，为了提高电流测量设备的灵敏度进而提高精度，传感器的敏感轴线与圆形线切向地定向。安培定律的近似值经由模拟电子加法电路从磁场传感器的各个信号中形成，进而产生与电流成比例的测量电压。在下一步骤中，通过模拟电子减法电路减去现有的偏移量，并且由此测量信号以预设的参考地为基准。所述信号、即参考电压然后经由已经描述的以电压控制的电流源转换成输出电流，所述输出电流具有与测量电流固定的转换比。以该方式产生没有有源磁通回路的纯电子工作的变流器。通过使用模拟电路，系统中没有出现死区时间，并且电流测量设备在电流水平方面精确地工作并且相对于测量信号没有延迟，至少几乎没有延迟。
特别有利的是：所提出的电流测量设备适合于测量直流电流和交流电流。由于那里使用的磁场和饱和效应，先前已知的用于执行电流变换器原理的变压器变换器仅适合于测量交流电流。
该所描述的装置和方法由于其尺寸和所使用的部件而适合于测量400A至10kA数量级的电流。
在此，供电装置包括DC/DC(直流到直流)变换器。与线性调节器相比，通过使用DC/DC变换器将损失功率降低到约30％，使得能够避开散热问题。此外，对于DC/DC变换器所需的磁性器件能够通过使用环形线圈装入到电流测量设备中，而不会不允许地影响待测量电流的磁场进而影响测量结果。因此能够实现便宜的、可靠的和精确的电流测量设备。
由于整个电路暴露于非常高的磁场并且所述磁场不应受供电装置电子电路的影响，所以有利的是：将对于DC/DC转换器所需的线圈构成为尽可能均匀缠绕的环形线圈。
此外，环形线圈具有顺磁的和/或抗磁的芯。通过构成具有顺磁的和/或抗磁的芯的环形线圈，干扰场进一步减小并且测量设备的精度进一步提高。尽管通过使用铁磁或亚铁磁的芯材料也能够足够精确地测量电流，但是通过使用顺磁的和/或抗磁的芯能够进一步提高电流测量的精度。此外，DC/DC转换器的无干扰运行是可行的，所述DC/DC转换器否则可能会由于铁磁或亚铁磁芯材料的饱和效应而受到损害。因此，通过将铁磁或亚铁磁芯材料和DC/DC转换器组合，能够实现特别可靠、抗干扰的且还精确的电流传感器。
在本发明的一个有利的设计方案中，电流测量设备具有至少八个霍尔传感器。已经表明：通过使用八个霍尔传感器能够实现有用信号与干扰信号的特别良好的比。这八个霍尔传感器有利地以45°的角分度设置在圆形线上，优选设置在电路板上。即使待测量的电流不伸展经过所述圆形线的中点，借助所提出的装置能够通过多个霍尔传感器非常精确地确定电流。干扰变量的影响、例如由于外部磁场的影响于是非常小，使得其对测量结果的影响通过加法电路补偿。
附图说明
下面根据附图中所示的实施例更详细地描述和解释本发明。附图示出：
图1示出具有八个霍尔传感器的电路板，
图2示出变流器，以及
图3示出用于借助于电流测量设备进行测量的简图。
具体实施方式
图1示出电流测量设备1。霍尔传感器2设置在围绕中点M的圆形轨迹21上设置在电路板5上。在此，在所述实施例中，使用八个霍尔传感器2。然而，仅需要至少两个霍尔传感器2以借助于所提出的电流测量设备执行测量方法。使用的霍尔传感器2越多，测量结果越好。在此，八个数量已被证明是高精度和简单、便宜的测量装置之间的良好折衷。
借此，能够测量通过由圆形轨迹21限制的面的电流I。在此，在所述实施例中，电路板5构成为圆盘，以便测量通过此处未示出的导体7的电流，电路板5可围绕所述导体设置。八个霍尔传感器2关于圆形轨迹21的中点M相应定向。霍尔传感器2与其敏感轴线正切于圆形轨迹21的定向是特别有利的。
在此，八个霍尔传感器2不必等距分布在圆形轨迹21上。然而，这实现精确地测量电流I，即使所述电流没有流过圆形轨迹21的中点M也如此。作为输出信号，电流测量设备1提供与待测量电流I成比例的电流IAusg。所述电流由评估单元6产生，所述评估单元包括供电装置10、加法电路11、减法电路12和以电压控制的电流源13。
在此，评估单元6能够设置在具有霍尔传感器2的电路板5上或者能够位于电路板6之外。图2示出具有所提出的用于测量三个电流的电流测量设备1的变流器4。为此，三个电路板5围绕相应的导体7设置。为了清楚起见，没有示出电路板5上的霍尔传感器2。在所述实施例中，评估单元6在电路板5上位于变流器4内部中。
电路板5分别与评估单元6连接，以传输霍尔传感器2的测量信号3。因此，为了调节和保护变流器4而提供具有足够精度的相应的电流测量值。此外，电流测量设备1鲁棒至，使得其也能够在变流器4的能够构成电和/或磁的干扰场的内部中在没有特别的屏蔽措施、即以未屏蔽的方式运行。
图3示出用于借助于电流测量设备1测量电流I的方法的简图。为了避免重复，参考图1和图2的描述以及在那里引入的附图标记。始于图1的实施例的结构，在此还设有八个霍尔传感器2，用于检测电流I。所述霍尔传感器2由供电装置10供给电能。霍尔传感器2的测量信号3输送给加法电路。所述加法电路将测量信号相加并从中生成与待测量电流成比例的电压U。借助于减法电路12从所述电压U中减去偏移量。得到的电压然后与预设的参考地相关。这也称为以参考地为基准，使得所述电压称为参考电压Uref。然后，将所述电压输送给以电压控制的电流源13，所述电流源将参考电压Uref转换为输出电流IAusg，所述输出电流与待测量的电流I成比例。在此，加法电路11、减法电路12和以电压控制的电流源13也能够由供电装置10供应电能。
综上所述，本发明涉及一种用于产生与待测量的电流成比例的输出电流的电流测量设备。为了改进电流测量设备提出：电流测量设备包括至少两个设置在圆形轨迹上的霍尔传感器，其中，霍尔传感器相对于圆形轨迹的中点一致地定向，其中，电流测量设备具有用于将霍尔传感器的测量信号相加的加法电路，其中，电流测量设备具有用于消除偏移量的减法电路，其中，电流测量设备具有以电压控制的电流源，其中，电流测量设备为了对霍尔传感器供电具有带有环形线圈的供电装置，其中，供电装置(10)包括DC/DC转换器，其中，环形线圈具有顺磁的和/或抗磁的芯。本发明还涉及一种具有这种电流测量设备的变流器。本发明还涉及一种用于借助这种电流测量设备或借助于这种变流器测量待测量的电流的方法，其中，霍尔传感器的测量信号借助于加法电路相加，并产生与待测量的电流成比例的电压，其中，借助于减法电路从与待测量的电流成比例的电压中减去偏移量，使得得到参考电压，其中，与待测量的电流成比例的电压以预设的参考地为基准，其中，借助于以电压控制的电流源根据参考电压产生具有对待测量的电流预设的转换比的输出电流。
Claims (5)
1.一种电流测量设备(1)，用于产生与待测量的电流(I)成比例的输出电流(IAusg)，其中，所述电流测量设备(1)包括至少两个设置在圆形轨迹(21)上的霍尔传感器(2)，其中，所述霍尔传感器(2)相对于所述圆形轨迹(21)的中点(M)一致地定向，其中，所述电流测量设备(1)具有用于将所述霍尔传感器(2)的测量信号(3)相加的加法电路(11)，其中，所述电流测量设备(1)具有用于消除偏移量的减法电路(12)，其中，所述电流测量设备(1)具有以电压控制的电流源(13)，其中，为了为所述霍尔传感器(2)供电，所述电流测量设备(1)具有带环形线圈的供电装置(10)，其中，所述供电装置(10)包括DC/DC转换器，其中，所述环形线圈具有顺磁的和/或抗磁的芯。
2.根据权利要求1所述的电流测量设备(1)，其中，所述以电压控制的电流源(13)构造在具有B型的晶体管输出级的运算放大器的基极上。
3.根据权利要求1或2所述的电流测量设备(1)，其中，所述电流测量设备(1)具有至少八个霍尔传感器(2)。
4.一种变流器(4)，具有根据权利要求1至3中任一项所述的电流测量设备(1)。
5.一种用于测量待测量的电流(I)的方法，所述方法利用根据权利要求1至3中任一项所述的电流测量设备(1)或借助根据权利要求4所述的变流器(4)，其中，在第一步骤中，借助于加法电路(11)将霍尔传感器(2)的测量信号(3)相加并且产生与待测量的电流成比例的电压(U)，其中，在第二步骤中，借助于减法电路(12)从与待测量的电流成比例的电压(U)减去偏移量，从而得到参考电压(Uref)，其中，与待测量的电流成比例的所述电压(U)以预设的参考地为基准，其中，在第三步骤中，根据所述参考电压(Uref)借助于以电压控制的电流源(13)产生具有针对待测量的电流(I)预设的转换比的输出电流(IAusg)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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