DE10000116A1 - Sensor zur Messung eines Gleichstroms und Messverfahren - Google Patents

Abstract

Es wird ein induktiver Sensor auf der Basis eines ringförmig geschlossenen weichmagnetischen Kerns (K) vorgeschlagen, bei dem der zu messende Strom innerhalb des ringförmig geschlossenen magnetischen Kreises eine induktive Veränderung hervorruft, die über eine um den Kern geschlungene Messwicklung (MW) abgegriffen wird. Zur Erzielung eines linearen Verhaltens innterhalb eines breiten Messbereichs weist der ringförmig geschlossene Kern Kernbereiche (KB) auf, die einen magnetischen Pulververbundwerkstoff und insbesondere ein Ferritte Polymer Composite Material (FPC) umfassen.

Description

Bekannte Sensoren zur Messung von Gleichströmen verwenden ge­ schlitzte weichmagnetische Kerne, bei denen im Luftschlitz ein Hall-Sensor angeordnet ist. Der zu messende Strom wird dabei in einem Leiter geführt, der als Wicklung um den weichmagnetischen Kern gelegt ist oder der durch den bis auf den Luftspalt ringförmigen geschlossenen Kern geführt ist.

Diese Sensoren lassen sich jedoch nur mit einer komplizierten und aufwendigen Auswertungselektronik realisieren, da eine nichtlineare Abhängigkeit der erhaltenen Messwerte von der zu bestimmenden Messgröße besteht. Das Messergebnis ist außerdem von der Spaltgröße und dem verwendeten Hallsensor abhängig, so dass der bekannte Sensor auch mit hoher Genauigkeit gefer­ tigt werden muss.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor zur Messung eines Gleichstroms anzugeben, der einen Messwert lie­ fert, der in einem möglichst breiten Stromstärkenbereich eine möglichst lineare Abhängigkeit zur zu messenden Stromstärke aufweist, so dass der Messwert innerhalb des gesamten gefor­ derten Messbereichs proportional zum zu messenden Strom ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Ein erfindungsgemäßes Mess­ verfahren sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor.

Der erfindungsgemäße Sensor weist einen weichmagnetischen Kern auf, welcher z. B. ringförmig geschlossen ist, bezie­ hungsweise so ausgebildet ist, dass sich innerhalb des Kerns ein geschlossenes Magnetfeld ausbilden kann. Um den Kern ist zumindest eine Messwicklung gelegt, die mit einer Vorrichtung zur Messung der Impedanz und/oder der Induktivität an der Messwicklung geeignet ist. Der Stromleiter, der den zu mes­ senden Strom führt, wird durch die Öffnung des geschlossenen Kerns geführt, so dass sich das Magnetfeld um den Leiter her­ um schließen kann.

Der magnetisch geschlossene Kern aus (herkömmlichem) weichma­ gnetischen Werkstoff weist einen Kernbereich auf, der im Querschnitt zumindest teilweise oder über den gesamten Quer­ schnitt aus einem magnetischen Pulververbundwerkstoff gebil­ det ist. Dieser an sich bekannte Werkstoff mit weichmagneti­ schen Eigenschaften besteht aus einer Matrix, insbesondere einer Polymer Matrix, in der herkömmliche weichmagnetische Partikel aus Metall oder Metalloxid eingebettet sind. Auch andere und insbesondere auch anorganische Materialien wie z. B. Zement sind für die Matrix geeignet. Die magnetischen Eigenschaften des Pulververbundwerkstoffs werden dabei durch die weichmagnetischen Partikel bestimmt, insbesondere durch deren Anzahl beziehungsweise Dichte in der Matrix, durch de­ ren Partikelgröße und durch die Materialauswahl für die weichmagnetischen Partikel. Die Matrix stellt nur die Matrix dar, die den nötigen mechanischen Zusammenhalt gibt und die so ausgewählt ist, dass sie im Bereich der erlaubten Be­ triebsbedingungen des Sensors stabil bleibt und keine negati­ ve Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften des Pulver­ verbundwerkstoffs bewirkt.

Ein bevorzugter Pulververbundwerkstoff ist Ferrite Polymer Composite, kurz auch unter FPC genannt.

Erst mit diesem aus z. B. FPC bestehenden Kernbereich erhält der erfindungsgemäße Sensor die erforderliche Charakteristik, um die Stromstärke sicher über einen breiten Stromstärkenbe­ reich zu bestimmen. Dies wird beim erfindungsgemäßen Sensor möglich durch eine nahezu lineare Abhängigkeit der Messgrößen Impedanz (Z) oder Induktivität (L) von der zu messenden Stromstärke.

Würde man hingegen für den Sensor einen Kern verwenden, der vollständig aus herkömmlichem weichmagnetischen Material be­ steht, so würde ein entsprechender Sensor nur in einem rela­ tiv zur Erfindung eingeschränkten Messbereich einsetzbar sein.

Ein entsprechender Sensor mit herkömmlichem weichmagnetischen Kern ohne Spalt zeigt bei niedrigen zu messenden Strömen ein nichtlineares Verhalten der Messgrößen Z bzw. L. Bereits bei relativ niedrigen Strömen wird ein steiler Abfall der Mess­ größen beobachtet. Eine sichere Zuordnung der Messgrößen zum zu messenden Strom ist nur in einem eingeschränkten Messbe­ reich möglich.

Ein entsprechender Sensor mit Kern aus herkömmlichen weichma­ gnetischen Material mit Spalt zeigt bei kleinen Strömen ein konstantes Verhalten der Messgrößen und erst bei großen Strö­ men einen nicht linearen Abfall. Auch hier wird ein reduzier­ ter Messbereich erhalten.

Der erfindungsgemäße Stromsensor mit dem aus magnetischem Pulververbundwerkstoff und insbesondere aus FPC bestehenden Kernbereich gleicht diese Nachteile in vorteilhafter Weise aus, indem sich die Charakteristiken des FPC Kernbereichs mit der Charakteristik des herkömmlichen weichmagnetischen Rest­ kerns überlagern und dabei ein über einen weiten Messbereich lineares Verhalten der Messgrößen L und Z in Abhängigkeit vom überlagerten DC-Strom ergeben.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors ist die Möglichkeit, den Sensor an unterschiedliche Strommessbereiche in einfacher Weise anzupassen, indem einfache Parameter wie Kernform, Kerngröße, Materialauswahl und FPC Anteil variiert werden. Auch bei dieser Anpassung bleibt die weitgehend li­ neare Abhängigkeit der Messgrößen vom zu messenden Gleich­ strom erhalten.

Der erfindungsgemäße Sensor ist einfach herzustellen wegen der gegenüber dem bekannten Stromsensor aus einem geschlitz­ ten weichmagnetischen Kern mit im Schlitz angebrachten Hall­ sensor deutlich erhöhten Fertigungstoleranz.

Vorrichtungen zur Messung von Impedanz Z oder Induktivität L sind hinreichend bekannt und mit einfachen Mitteln ausführ­ bar. Aufgrund der nahezu linearen Abhängigkeit der Messwerte Z, L von der zu messenden Größe I ist auch keine aufwendige Außwerteelektronik erforderlich, so dass eine geeignete Aus­ werteschaltung unkompliziert und mit wenig Aufwand herstell­ bar ist.

Überlagert man dem zu messenden Gleichstrom einem Basis-DC- Strom, lässt sich aus der Veränderung des Messwerts die Pola­ rität des Stroms bestimmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen und der dazu gehörigen vier Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor mit ringförmi­ gen Kern in schematischer Darstellung.

Fig. 2 zeigt einen Sensor mit einem E-Kern.

Fig. 3 zeigt einen Sensor mit einem U-Kern.

Fig. 4 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit des Mess­ werts L von der Messgröße I.

In Fig. 1 ist der Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors in schematischer Darstellung wiedergegeben. Der weichmagnetische Kern K ist ringförmig geschlossen und weist zumindest einen Kernbereich KB auf, der aus FPC gebildet ist. In der Figur sind zwei aus FPC bestehende Kernbereiche KB dargestellt. Dies hat den Vorteil einer einfachen Fertigung, da so die zwei z. B. identischen Teilkerne K1 und K2 in entsprechende Position zueinander gebracht werden können und anschließend die Lücke zwischen den "Enden" der beiden Teilkerne K1 und K2 mit FPC ausgefüllt werden kann. Durch den ringförmigen Kern K verläuft der Stromleiter SL, durch den der zu messende Strom I geführt wird. Eine um den Kern K herumgeführte Messwicklung MW dient zur Ermittlung der Messwerte Z beziehungsweise L. Diese werden in einer Auswerteeinheit AE bestimmt, die über die Anschlußkontakte AK mit der Messwicklung MW verbunden ist. Die Auswerteeinheit AE enthält eine an sich bekannte Schaltung zur Bestimmung der Messwerte Impedanz Z oder Induk­ tivität L, die an den Anschlußkontakten AK der Messwicklung MW abgegriffen werden. Diese Messwerte können beispielsweise einem Rechner zugeführt werden oder wahlweise über ein Dis­ play D dargestellt werden. Auch die Stromstärke I, die die zu ermittelnde Messgröße darstellt, kann auf den Display D wie­ dergegeben werden.

Die Geometrie des Kerns K, die hier vereinfacht kreisförmig angegeben ist, kann beliebig variiert werden. Ebenfalls be­ liebig ist der Querschnitt des Kerns, der beispielsweise rund, oval, rechteckig oder polygon ist oder auch beliebige Formen annehmen kann.

Weiterhin variabel ist der Anteil des FPC umfassenden Kernbe­ reichs KB am gesamten Kern K. In einer Ausführungsform der Erfindung besteht der gesamte Kern K aus FPC.

Zusammensetzungen geeigneter FPC Materialien finden sich bei­ spielsweise im Siemens Matsushita Components Datenbuch "Fer­ rites and Accessories" 1999 auf Seite 42. Geeignete FPC sind dort mit den Kennziffern C 302, C350 und C 351 bezeichnet. Die FPC Zusammensetzung C 351 ist besonders für Sensoranwen­ dungen im Bereich bis 200° Celsius geeignet, da das FPC Mate­ rial eine entsprechende Temperaturfestigkeit besitzt.

Auch die Geometrie des FPC umfassenden Kernbereichs KB ist beliebig variierbar. In einer Ausführung ist der Kernbereich KB massiv, besteht vollständig aus FPC und weist den gleichen Querschnitt wie der restliche Kern K auf. Möglich ist es je­ doch auch, den Querschnitt des Kernbereichs gegenüber dem Querschnitt des übrigen Kerns zu ändern und beispielsweise einen Hohlraum zu belassen. Ein solcher wird in einfacher Weise durch Verwendung einer FPC Folie hergestellt. Eine sol­ che FPC Folie ist aus einem Polymer aufgebaut, welches bei gewünschten Betriebsbedingungen ausreichend flexibel ist, so dass die Folie beliebig geformt, gefaltet und insbesondere gewickelt werden kann. Das Material des restlichen Kerns K ist ein herkömmliches weichmagnetisches Material, insbesonde­ re Ferrit. Die Auswahl des Materials erfolgt über die Permea­ bilität und das gewünschte Temperaturverhalten. Über die Per­ meabilität kann in gewisser Weise der zu erfassende Messbe­ reich eingestellt werden, wobei eine hohe Permeabilität zum Erreichen der Sättigung bei niedrigen Strömen führt, so dass bei ansonsten gleichbleibenden Parametern ein Kernmaterial mit höherer Permeabilität zur Messung geringerer Ströme ge­ eignet ist als ein Material mit geringerer Permeabilität.

Eine weitere Möglichkeit zur Einstellung des Messbereichs des erfindungsgemäßen Sensors besteht in der Variation der Anzahl der Wicklungen der Messwicklung. Auch der Anteil des FPC um­ fassenden Kernbereichs KB oder bei ansonsten gleichbleibenden Parametern die mit FPC gefüllte Spaltgröße. Eine weitere zu beachtende Größe ist die an die Messwicklung MW angelegte Frequenz des Messstroms. Eine geeignete Messfrequenz liegt beispielsweise im Bereich von 1 bis 100 MHz.

Eine weitere Variation des erfindungsgemäßen Sensors besteht in der Anzahl und Lage der FPC umfassenden Kernbereiche KB. In weiteren Ausführungen der Erfindung kann die Anzahl dieser Kernbereiche beliebig erhöht werden.

Entsprechend der Anzahl und Größe der FPC umfassenden Kernbe­ reiche KB kann auch die Position der Messwicklung auf den Kern K variiert werden.

Fig. 2 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Sensor auf der Basis eines Doppel E-Kerns. In der Figur dargestellt ist ein FPC umfassender Kernbereich KB im Bereich des mittleren Schenkels (Mittelbutzens). Auch die Messwicklung MW um­ schlingt den Mittelbutzen, vorzugsweise im Bereich des FPC umfassenden Kernbereichs KB. Der Stromleiter SL ist vorzugs­ weise als Einwindungswicklung ebenfalls um den Mittelbutzen geführt. An den beiden restlichen Trennfugen F1 und F2 des Doppel E-Kerns stoßen die beiden Hälften des Doppel-E-Kerns ohne Luftspalt aufeinander. Möglich ist es jedoch auch, im Bereich dieser beiden Fügestellen F1 und F2 weitere, FPC um­ fassende Kernbereiche vorzusehen.

Auch bei dem Doppel-E-Kern besteht die Möglichkeit beliebiger Variationen bezüglich des Kernmaterials, des FPC, des Kern­ querschnitts, der Größe und dem Anteil des Kernbereichs rela­ tiv zum Restkern.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist in Fig. 3 dargestellt. Hier ist ein doppelter jeweils U-förmiger Kern verwendet, der vorzugsweise an beiden Füge­ stellen, an denen die beiden U-förmigen Kernhälften aufeinan­ dertreffen, FPC umfassende Kernbereiche aufweist. Im übrigen ist diese Ausführung eine Abwandlung der in Fig. 1 darge­ stellten Kernform.

In Fig. 4 sind für eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Sensors die Messwerte (hier: L) gegen die zu bestimmende Messgröße I aufgetragen. Die Messwerte liegen auf einer Gera­ den, so dass sich eine nahezu lineare Abhängigkeit des Mess­ wertes von der Messgröße ergibt. Aufgrund der hohen Lineari­ tät läßt sich auch die zu bestimmende Messgröße I äußerst ex­ akt und eindeutig bestimmen. Die Messwerte selbst werden mit einem Sensor erhalten, der einen doppel U-förmigen Kern ent­ sprechend Fig. 3 aufweist. Von einer Gesamtschenkellänge von ca. 40 mm umfaßt der aus FPC bestehende Kernbereich ca. 14 mm. Damit ist wie aus Fig. 4 ersichtlich ein Messbereich zwischen ca. 0 und 1000 Ampere erfassbar. Durch entsprechende Anpassung der variierbaren Parameter läßt sich dieser Messbe­ reich beliebig nach oben oder unten erweitern beziehungsweise verschieben.

Claims (11)

1. Sensor zur Messung eines Gleichstroms

• - mit einem weichmagnetischen Kern (K) eines gegebenen Quer­ schnitts, in dem sich ein ringförmig geschlossenes Magnet­ feld ausbilden kann
• - mit einer Messwicklung (MW) um den Kern (K)
• - mit einem durch den Kern geführten und den zu messenden Strom führenden Stromleiter (SL)
• - mit einer Vorrichtung (AE) zur Messung der Impedanz oder der Induktivität an der Messwicklung (MW),
• - bei dem der Kern einen Kernbereich (KB) aufweist, der ei­ nen magnetischen Pulververbundwerkstoff umfasst.

2. Sensor nach Anspruch 1, bei dem der magnetische Pulververbundwerkstoff ein Ferri­ te Polymer Composite - FPC - ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Form des Kerns (K) so ausgewählt ist, dass der Kern einen geschlossenen magnetischen Kreis bilden kann.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem der Kern (K) bis auf den genannten Kernbereich (KB) aus Ferrit besteht.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welcher zwei oder mehr teilweise oder vollständig über den gesamten Querschnitt mit FPC gefüllte Kernbereiche (KB) in dem Kern (K) aufweist.

6. Sensor nach Anspruch 5. bei dem der Kern (K) zweiteilig klappbar ausgebildet ist, wobei die beiden Trennstellen (F) jeweils in einem der genannten FPC umfassenden Kernbereiche (KB) liegen.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der gesamte Kern (K) aus FPC besteht.

8. Verfahren zur Messung eines Gleichstroms in einem Strom­ leiter (SL), der durch einen ringförmig geschlossenen weichmagnetischen Kern (K), welcher einen aus FPC beste­ henden Kernbereich (KB) aufweist, geführt wird, bei dem die Impedanz oder Induktivität des Kerns über ei­ ne um den Kern gelegte Messwicklung (MW) mittels einer damit verbundenen Messschaltung (AE) als Messwert ermit­ telt und der Stromstärke des Gleichstroms zugeordnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem zur Messung einer höheren Stomstärke der Anteil des aus FPC bestehenden Kernbereichs (KB) erhöht und/oder die Permeabilität des Kernmaterials erniedrigt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der zu messende Strom einem Basis-DC-Strom über­ lagert wird und aus der Veränderung des Messwerts die Po­ larität des Stroms bestimmt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Dimensionierung des Kerns (K), die Material­ auswahl für Kern und FPC oder der relative Anteil des aus FPC bestehenden Kernbereichs (KB) so ausgewählt sind, dass der zu messende Strom im Bereich einer linearen Ab­ hängigkeit des Messwerts von der Stromstärke liegt.