CN1180266C

CN1180266C - 电流测量传感器

Info

Publication number: CN1180266C
Application number: CNB008083029A
Authority: CN
Inventors: T・普尼奥克; T·普尼奥克; �露; G·约德尔; 尼; H·沃尔尼
Original assignee: AEG Niederspannungstechnik GmbH and Co KG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2020-01-19
Also published as: KR20010111285A; CA2368901A1; KR100681577B1; EP1166131A1; JP2002541460A; WO2000060366A1; AU2438700A; DE19914772A1; CN1353818A

Abstract

给出一个电流测量传感器，其以表面场测量的原理为基础。对此应用霍尔传感器(1)，如此布置这些霍尔传感器，正比于电流的磁场激励这些霍尔传感器。如此布置二个霍尔传感器，霍尔传感器数值上相同地、可是以相反的符号检测必须测量的场。通过从霍尔传感输出的信号的相减放大电流测量值，可是消除了外部干扰影响。

Description

电流测量传感器

本发明涉及电流测量传感器，其用于在具有直到几kV的额定电压的能量分配设备中电位分离地测量较高的直流电流。例如可以在直流快速开关的过流继电器中使用这个测量传感器。

到目前为止，分流缓冲放大器、具有铁氧体磁芯和霍尔传感器的测量装置以及LEM变换器用于电流的测量。可是这些已知的装置有显著的缺点。

例如在借助于分流电阻的电流测量的情况下必须测量的电流通过测量电阻传导，并且测量通过电流引起的电压降。通过这种形式的测量消耗不必要的能量，这有助于开关环境的变暖。此外这个电流测量装置必要地集成在必须测量的回路中，由此本身影响必须测量的电流，因此按分流电阻的数值或多或少地篡改了测量。此外按照这种方式在高电压的情况下电位分离的测量是不可能的。

在LEM变换器中围绕导体布置铁氧体磁芯，测量其电流。围绕这个铁氧体磁芯布置一个第二线圈，通过该线圈如此控制电流，引起的磁场调准到零。按照这种方式虽然能够电位分离地测量，可是这种方式测量的费用是高的。

借助于霍尔传感器在利用霍尔效应的情况下相对有利地测量磁场。霍尔传感器产生正比于磁场的电压，该磁场作用于霍尔传感器。依赖于应用的材料不同强度地出现这个霍尔效应，最有益的是由半导体形成的霍尔传感器。通过霍尔传感器因此可以测量磁场，该磁场是通过流经导体的电流感应的。按这种方式实现电位分离的电流测量。

可是由于在测量时通过霍尔传感器产生的电压是低的，并且在正常条件下磁场遭受外部影响，磁场的放大是必须的，在通常情况下通过铁氧体磁芯实现这个放大。可是在这个装置中根据应用的铁氧体磁芯的饱和关系出现非线性。这导致这个缺点，仅仅在确定限制的范围内可以足够准确地测量电流，可是在这个范围之外根据饱和关系测量的电流显著偏离实际电流。此外根据铁氧体磁芯的这个测量装置的费用是相对高的。

概括起来根据技术状况该装置具有这个缺点，根据饱和关系出现非线性，该装置仅仅具有有限的耐压强度，该装置引起相对高的费用并且此外具有高的本身消耗。

因此本发明基于这个任务，建立一个价格便宜的电流测量传感器，其电位分离地检测电流值，拥有足够的准确性并且具有广泛的抗干扰性。

通过电流测量传感器解决这个任务。也就是说，根据本发明的电流测量传感器具有至少二个布置在导体上的霍尔传感器。如此布置该霍尔传感器，即其数值上相同地检测通过流经导体的电流产生的磁场以及数量上相同地检测干扰场，并且以分别不同的符号检测或者磁场或者干扰场。

根据本发明的第一方面，提供了一种电流测量传感器，具有：

四个对称等距的、围绕导体(2)布置的霍尔传感器(11、21、31、41)，将所述四个霍尔传感器(11、21、31、41)分成两对霍尔传感器，每一对霍尔传感器包括相对的两个霍尔传感器，每一对霍尔传感器的相对的两个分别设置成能分别检测由数值相同、符号不同的电流流经导体(L)而产生的磁场，以及分别检测数值相同、符号相同的干扰场，

并且具有一个求值电路，如此设计所述求值电路，使所述求值电路分别将每一对霍尔传感器的相对的两个传感器的输出信号相减，并且将所述相减的结果相加，

其中对于每一个霍尔传感器(11、21、31、41)，设置一个用于补偿霍尔传感器的输出信号的偏差的偏差补偿设备(14、24、34、44)。

根据本发明的第二方面，提供了一种电流测量传感器，具有：

四个对称等距的、围绕导体(2)布置的霍尔传感器(11、21、31、41)，将所述四个霍尔传感器(11、21、31、41)分成两对霍尔传感器，每一对霍尔传感器包括相对的两个霍尔传感器，每一对霍尔传感器的相对的两个分别设置成能分别检测由数值相同、符号相同的电流流经导体(L)而产生的磁场，以及分别检测数值相同、符号不相同的干扰场，并且具有一个求值电路，如此设计所述求值电路，使所述求值电路分别将每一对霍尔传感器的相对的两个传感器的输出信号相加，并且将所述相加的结果相加，

与此相应或者通过加法或者通过减法放大电流测量值，可是消除了根据外部的干扰影响的干扰场。

通过根据本发明的电流测量传感器以有益的方式实现，可以成本低地实施电流值检测，因为不需要附加的铁氧体磁芯。对此可以实现广泛的抗干扰性以及高的绝缘电压。

根据本发明按这种方式在直流范围内可以获得适合于简单的电子释放器的电流测量传感器，该传感器对于直到4kV的直流电压电位分离地检测电流值。

下面根据实施例参考附图详细说明本发明。图示：

图1指出了具有根据第一实施例、安装在线路上的电流测量传感器的过电流继电器的图解描述，

图2指出了根据详细指出电流测量传感器的图1的说明的放大的局部图，

图3指出了根据第二实施例的电流测量传感器，

图4指出了根据第一或第二实施例的电流测量传感器的求值电路的方框图，和

图5指出了根据第三实施例、具有四个霍尔传感器的电流测量传感器的求值电路的方框图。

图1指出了根据第一实施例的过电流继电器的图解描述。过电流继电器具有基本开关BS和消弧系统LS，可是对这个实施例其准确功能是不重要的，因此取消其准确说明。

在线路2上安装一个电流测量传感器SMA。这个电流测量传感器SMA以表面场测量的原理或者霍尔效应为基础。

这个根据第一实施例的电流测量传感器SMA在图2中详细说明。对此二个霍尔传感器1a和1b彼此相对地布置在导体2的一部分上。

应用二个霍尔传感器1a和1b，因为磁场是相对弱的，并且由于环境的干扰影响、也就是说干扰场干扰该磁场。为了消除这个外部的干扰影响如此布置这二个霍尔传感器1a和1b，即二个霍尔传感器相同地测量由于电流通过产生的磁场的数值，可是以彼此相反的符号分别测量磁场。如果由流经导体2的电流产生的磁场的数值是B，则霍尔传感器1a例如测量磁场+B，而霍尔传感器1b测量磁场-B。

从二个霍尔传感器1a和1b输出的信号相减。由此从输出信号中消除干扰场，放大磁场的测量值。因此这是不必的，借助于比如根据技术状况的铁氧体磁芯放大磁场，因为通过信号的相减广泛地消除了干扰场并产生必须测量的磁场的强大测量信号。

以MW1a表示霍尔传感器1a的测量值，以MW1b表示霍尔传感器1b的测量值。如果几乎足够彼此靠近地布置二个霍尔传感器，则作为在二个霍尔传感器上的干扰场假设为相同的。因此对于测量值得出：

MW1a＝+B+S

MW1b＝-B+S

在此以S表示干扰场。二个测量值的相减因此导致总测量值MW：

MW＝MW1a-MW1b＝+B-(-B)+S-S＝2B

因此消除了干扰场，加倍了有效测量值、也就是测量的磁场值。

有选择地为此可以如此布置二个霍尔传感器，其分别以不同的符号测量该磁场，也就是说有效场B具有相同的符号，干扰场S具有不同的符号。在这种情况下通过相加消除干扰场：

MW1a＝B+S

MW1b＝B-S

MW＝MW1a+MW1b＝2B

正如前面说明的，在霍尔传感器的这个布置中注意，探头彼此具有尽可能短的间隔，因此在霍尔传感器1的位置上的干扰场尽可能是相同。此外这是重要的，不由于电流集肤效应影响场强。对此霍尔传感器布置在圆形导体上是有益的。根据图2例如导体2在霍尔传感器附近作为圆形导体实施。

因此二个霍尔传感器数值上相同地测量通过在导体2中流过的电流产生的磁场，以与导体2相同的间隔布置二个霍尔传感器。

此外可以如此布置霍尔传感器1，导体2处在二个霍尔传感器1之间，正如在图2中描述的。这个布置是一种可能，如此布置霍尔传感器，其数值上相同地、可是以相反符号检测磁场。可是自然也可以考虑另外的布置，例如一个这样的布置，在该布置中二个霍尔传感器1直接并排布置在导体2的一侧。

根据图1包括霍尔传感器1的电流测量传感器、比如根据图1在具有导体2和回线4的过电流继电器中、安装在预定的导体结构中。因此可以如此布置并校准霍尔传感器1a和1b，考虑回线4的影响，由此根据导体结构降低至少已知的干扰影响。根据第一实施例的电流测量传感器因此可以主要应用在已知的并固定不变的导体结构中。

下面根据第二实施例描述电流测量传感器，其可以应用在非已知的导体结构中。

在图3中描述了这个电流测量传感器。根据图3一个管状的屏蔽3包围二个霍尔传感器。通过这个措施屏蔽外部的干扰影响，因此准确的测量是可能的。

根据前面说明的实施例，应用二个霍尔传感器，也就是说一个霍尔传感器对。可是也可以使用任意数目的霍尔传感器，只要这些霍尔传感器如此错接，即消除干扰场并相加测量值信号。

通过提高霍尔传感器的数目，可以扩大产生的测量值MW到干扰场的距离，因为在每个霍尔传感器对中消除干扰场，而加倍测量的信号。也就是说在n个霍尔传感器的情况下测量2n倍的磁场。

下面参考图4描述根据具有二个霍尔传感器的第一和第二实施例的电流测量传感器的求值电路。

在管状的导体L上彼此相对地布置二个霍尔传感器11和21。如此彼此相反地布置这些霍尔传感器，通过从二个霍尔传感器输出的信号的相减消除干扰场。

从霍尔传感器11输出的信号首先被传递给温度补偿传感器12。通过这个温度补偿传感器12消除温度对测量的影响。通过放大器13放大已补偿的信号，其中已放大的信号被供给一个偏差-补偿设备14，在这个设备中补偿信号的偏差(Offset)。

以相同的方式，从霍尔传感器21输出的信号被供给温度补偿传感器22、放大器23和偏差-补偿设备24。通过偏差-补偿设备14和24相互补偿信号，如此可以把信号供给一个减法器5。

减法器5使二个测量信号彼此相减并且输出一个由此产生的信号，正如前面说明的，在该信号中消除了干扰场。通过一个放大器6放大从减法器5输出的信号，并且输出到相应另外的处理单元。作为实例在此描述了一个过电流断路器8和信号转换器接口7。过电流断路器可以是比如在第一实施例中说明的释放器。信号转换器接口7例如输出一个电流，其正比于测量信号，并且例如在4和20mA之间变化。此外可以连接另外的接口，通过参考符号9以虚线表明的。

正如前面说明的，电流测量传感器的霍尔传感器的数目不局限于二个，而且可以是任意数目的霍尔传感器对。

下面参考图5说明具有四个根据第三实施例的霍尔传感器的电流测量传感器的求值电路。

在说明中相同参考数目与比如在图4中的相同元件一致。也就是说具有温度补偿传感器12和22、放大器13和23与偏差补偿设备14和24的二个在该说明的上班部分中指出的支路与根据图4的布置一致。这二个支路的输出信号通过减法器51彼此相减，由此消除干扰场。在信号被供给加法器15之前，通过放大器61放大从减法器51输出的信号。

附加于这个布置在该导体上布置了二个另外的霍尔传感器31和41，其例如与霍尔传感器11和21的布置相比偏移90°。类似地正如前面说明的，从霍尔传感器31输出的信号被供给一个温度补偿传感器32，通过放大器33放大已温度补偿的信号，并且通过偏差-补偿设备34实现偏移或者偏差补偿。从霍尔传感器41输出的信号被供给一个温度补偿传感器42，通过放大器43放大已温度补偿的信号，并且通过偏差-补偿设备44实现偏移或者偏差补偿。然后偏差-补偿设备34和44输出的信号通过减法器52彼此相减，其中在该信号被供给加法器15之前，通过放大器62放大从减法器52输出的信号。

加法器15使来自二个霍尔传感器对11和21以及31和41的由此产生的测量信号相加。通过放大器16方法合成信号，然后正如在根据图4的求值电路中一样合成信号被供给另外的单元7、8和9。

根据第三实施例，使用二个霍尔传感器对。正如前面已经说明的，也可以使用较高数目的霍尔传感器对。类似地比如根据图5一样地建立一个如此布置的求值电路，其中然后多个信号被供给加法器15。

在根据图4和5的求值电路的变化中为霍尔传感器选择一个布置，在这个布置中象在第一实施例的描述中提到的一样，通过输出信号的相加消除干扰场。也就是说在这种情况下必须如此布置这些霍尔传感器，即这些霍尔传感器以分别相同的符号检测通过导体产生的磁场，可是以不同的符号检测干扰场。在求值电路中根据第三实施例必须用一个加法器代替减法器5。在具有二个霍尔传感器对的求值电路的变体中根据第四实施例必须分别用加法器代替减法器51和52。

前面给出了一个电流测量传感器，其以表面场测量的原理为基础。电流测量传感器具有至少二个布置在导体2上的霍尔传感器1a和1b。如此布置这些霍尔传感器，其数值上相同地检测通过流经导体的电流产生的磁场以及数值上相同地检测干扰场，并且以分别不同的符号检测或者磁场或者干扰场。与此相应，或者通过加法或者通过减法放大电流测量值，可是消除了由于干扰场的外部干扰影响。

Claims

1.电流测量传感器，具有

2.电流测量传感器，具有

3.按照权利要求1或2的电流测量传感器，具有一个屏蔽(3)，围绕霍尔传感器(1a、1b)和导体(2)布置所述屏蔽(3)。

4.按照上述权利要求之一的电流测量传感器，其中，所述导体(2)为圆形导体。

5.按照上述权利要求之一的电流测量传感器，其中，每一个霍尔传感器(11、21、31、41)的输出信号被供给温度补偿传感器(12、22、32、42)。