DE10005372A1

DE10005372A1 - Verfahren und Vorrichtung zur linearen Strommessung über einen großen Meßbereich

Info

Publication number: DE10005372A1
Application number: DE2000105372
Authority: DE
Inventors: Marcus Rosenberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-02-07
Filing date: 2000-02-07
Publication date: 2001-08-23

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung eines Stromes in einem elektrischen Leiter (1). Das den Strom sensierende Element (2) umgibt den stromdurchflossenen Leiter (1) und liefert Impulse, die in einer Auswerteelektronik (21) in Zählimpulse umgewandelt werden. An einem Ende des optischen Sensors (2) wird polarisiertes Licht eingespeist, dessen Polarisationsebene (8, 10) sich in Abhängigkeit von einem in Laufrichtung des Lichtes in Leiter (1) umgebenden Magnetfeldes ändert.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur linearen Strommessung über einen großen Meßbereich. Strommessungen über einen großen Meßbereich werden beispielsweise dann eingesetzt, wenn der Ladezustand eines Energiespeichers ermittelt werden soll, aus dem dann die Ladebilanz des Energiespeichers ermittelt wird.

Stand der Technik

Bei bisherigen Vorgehensweisen, die Strommessung an einem Energiespeicher, wie beispielsweise einer Kraftfahrzeugbatterie durchzuführen, kommen Strom wandler zum Einsatz. Ein Kabel des Energiespeichers wird zu diesem Zweck durch einen Stromwandler hindurchgeführt. Der Stromwandler muß, um aussagefähige Wandlerwerte liefern zu können, mit einer Betriebsspannung versorgt werden. Die Auswertung der erhaltenen Wandlersignale erfolgt in einer dem Stromwandler nachgeschalteten Auswerteelektronik. Zur Erzielung eines größeren Meßbereiches werden bei der Strommessung in der Regel zwei Stromwandler eingesetzt, von denen einer zur Messung niedriger Ströme ausgelegt ist, während der andere der Messung höherer Ströme dient. Der Stromwandler, der die höheren Ströme mißt, ist in der Regel mit einem vom Meßwert abhängigen Meßfehler behaftet, der bei der Weiterverarbeitung der erhaltenen Wandlerwerte, im Wege der Integration, für eine erhebliche Verfälschung der Meßergebnisse ursächlich sein kann. Die eingesetzten Stromwandler stellen teure Zukaufteile dar, wobei insbesondere der Stromwandler für große Ströme, ungenaue Meßergebnisse liefert. Ferner haben Stromwandler, den immanenten Nachteil, daß sie eines erheblichen mechanischen Be festigungsaufwandes bedürfen, und Platz benötigen, der mitunter, je nach Einsatzzweck, nicht oder nur eingeschränkt zur Verfügung steht.

DE 195 49 181 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Messung eines in einem Leiter fließenden Stromes. Bei dieser Lösung ist der stromführende Leiter so ausgestaltet, daß er zwei Teile umfaßt, die parallel zueinander angeordnet sind und den Strom in unterschiedliche Richtung führen. Zwischen den beiden Teilen des Leiters ist ein Sensor angeordnet, der ein vom erzeugten Magnetfeld abhängiges Ausgangssignal liefert, das repräsentativ ist für die Stärke des fließenden Stromes. Bei dieser Konfiguration ist jedoch Voraussetzung, daß der vom Strom durchflossene Leiter aus zwei Teilen besteht, zwischen denen der Sensor positionierbar ist. Diese Voraussetzung kann bei einteiligen vom Strom durchflossenen Leitern nicht erfüllt werden.

Darstellung der Erfindung

Unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung, lassen sich durch Verzicht auf die Stromwandler in Gestalt einer Verfälschung des erhaltenen Meßergebnisses definitiv ausschließen. Ebenso läßt sich der mit der mechanischen Befestigung der Wandler einhergehende Befestigungsaufwand einsparen. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung besteht lediglich aus zwei Komponenten, dem Sensor sowie der diesem nachgeschalteten Auswerteelektronik. Der Sensor ist extrem preiswert herstellbar und läßt sich in einfacher Weise am vom zu messenden Strom durchflossenen Leiter montieren. Der Sensor benötigt ferner, im Gegensatz zum Stromwandler, keine eigene Spannungsversorgung und überträgt die Information, den gemessenen Strom betreffend, auf optischem Wege. Diese Übertragung ist weitestgehend unempfindlich gegenüber elektromagnetischer Einstrahlung und bedarf daher keiner gesonderten Abschirmung gegen diesen dem Signalfluß abträglichen Störungseinfluß. Der daraus resultierende Vorteil liegt darin, daß die die Meßsignale auswertende Auswerteelektronik in einem Kraftfahrzeug an nahezu jeder beliebigen Stelle aufgenommen werden kann, da nunmehr eine Berücksichtigung der EMV-Problematik nicht mehr erforderlich ist.

Das auf optischem Wege übertragene Sensorsignal wird in der Auswerteelektronik in Zählimpulse umgewandelt. Diese lassen sich mittels digitaler Zähler erfassen. Der absolute Meßfehler der erfindungsgemäß vorge schlagenen Vorrichtung hängt fast ausschließlich von der Meßauflösung ab und ist damit über den gesamten Meßbereich gesehen konstant. Vorzugsweise kann der als optische Sensor verwendete Lichtwellenleiter in spiralförmiger Anordnung den vom zu messenden Strom durchflossenen Leiter umgeben, wobei die Anzahl der den Leiter umgebenden Windungen des Lichtwellenleiters, durchaus variieren kann. Es wird eine um so höhere Meßauflösung erhalten, je länger der optische Sensor ausgebildet ist.

Die der Auswerteelektronik vorgeschaltete Analysatoreinheit, läßt sich vorzugsweise als eine einheitliche Baueinheit ausbilden, in der der als Lichtverzweigung dienende Lichtleiter als Bauelement, die Polarisationsfilter sowie die der Auswerteelektronik vorzuschaltenden photoaktiven Elemente untergebracht sein können.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend noch detaillierter erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein den Strom auf optischem Wege sensierendes um einen Stromleiter gewundenes Element,

Fig. 2 die in einem Analysator enthaltenen Komponenten und

Fig. 3 die in den Lichtkanälen erzeugten Signalabfolgen sowie der daraus abgeleitete Stromverlauf im vom Strom durchflossenen Leiter.

Ausführungsvarianten

Fig. 1 zeigt einen vom Strom durchflossenen Leiter, der von einem spiralförmig um diesen gewundenen optischen Sensor umgeben ist.

Der vom Strom I durchflossene, einteilige Leiter 1 ist in der Darstellung gemäß Fig. 1 von einem optischen Sensor 2 umgeben. Der Leiter 2 kann beispielsweise ein Batteriekabel sein, welches mit einem Energiespeicher, wie beispielsweise einer Kraftfahrzeugbatterie verbunden ist. Durch eine am Batteriekabel erfolgende Strommessung kann an einem Energiespeicher dessen Ladezustand bestimmt werden.

Der optische Sensor 2 ist vorzugsweise als ein Lichtwellenleiter ausgebildet, der in einer Vielzahl einzelner Windungen 4 um die Mantelfläche des vom Strom I durchflossenen Leiters 1 gewunden ist. Je mehr Windungen 4 in spiralförmiger Anordnung 3 um den Leiter 1 gewunden sind, desto größer ist die Meßauflösung durch den als Lichtwellenleiter 2 ausgebildeten optischen Sensor. Die Wicklung 3, bestehend aus einer Vielzahl einzelner Windungen 4 des optischen Sensors 2, hat einen bestimmten Windungsabstand 5, der beispielsweise der Stärke des Lichtwellenleitermateriales entsprechend ausgeführt sein kann.

Die einzelnen Windungen 4 innerhalb der Wicklung 3 des optischen Sensors 2 sind mit einer Windungssteigerung 6 ausgeführt, die je nach eingesetztem Material und Anzahl der Windungen 4 des optischen Sensors 2 variieren kann. So kann, wenn eine hohe Meßauflösung erforderlich ist, eine hohe Windungsanszahl um den Leiter 1 ausgebildet werden. Eine Wicklung 3 kann auch mehrlagig ausgeführt sein.

Dem Lichtwellenleiter 2 ist ferner eine Lichtquelle 7 eingangsseitig sowie ausgangsseitig ein Analysator 9 zugeordnet. In diesem sind die, die optischen Signale des optischen Sensors 2 weiterverarbeitende Einbaukomponenten untergebracht. In den Analysator 9 mündet das ausgangsseitige Ende 12 des optischen Sensors 2. Mit Bezugszeichen 8 ist die eingangsseitige Polarisationsebene 8 bezeichnet, mit der der optische Sensor 2 eingangsseitig beaufschlagt wird. Das den optischen Sensor 2 durchlaufende Licht tritt am ausgangsseitigen Ende 12 des optischen Sensors 2 wieder aus dem Lichtwellenleiter in mit Bezugszeichen 10 bezeichneter Polarisationsebene aus.

Die durch die um 45° zueinander verdreht dargestellten Polarisationsebenen 8 und 10 des Lichtes, spiegeln die Verdrehung des Lichtes wieder, die bei dessen Passage durch den optischen Sensor 2 auftritt. Die Verdrehung des Lichts erfolgt proportional zur Stromstärke I im vom Strom I durchflossenen Leiter 1 sowie proportional zur Anzahl der Windungen 4 des als Lichtwellenleiters ausgebildeten optischen Sensors 2. Durch den im Leiter 1 fließenden Strom I wird an einem Ende des optischen Sensors 2 linear polarisiertes Licht eingespeist, welches durch das vom Strom I proportional zu dessen Stärke erzeugten Magnetfeld aufgrund des Faraday-Effektes die Polarisationsebene des Lichtes verdreht. Durch den im dargestellten Ausführungsbeispiel den Leiter 1 nach Art einer Wicklung 3 umgebenden Lichtwellenleiter 2 liegen die Richtung des Magnetfeldes und die Ausbreitungsrichtung des Lichtes nahezu in einer Linie, so daß die Änderung des Magnetfeldes, als Folge des im Leiter 1 fließenden Stromes I, direkt an der Verdrehung der Polarisationsebene 8, 10 des Lichtes detektierbar ist.

Fig. 2 zeigt die in einem Analysator aufgenommenen Einbaukomponenten.

Das am ausgangsseitigen Ende 12 des optischen Sensors 2 austretende Licht 11 wird an einer als Lichtteiler fungierenden Verzweigungsstelle 13 auf zwei Lichtkanäle 15 und 16 aufgeteilt. In den beiden Lichtkanälen 15, 16 sind jeweils ein Polarisationsfilter 16 bzw. 18 enthalten. Das im ersten Lichtkanal 15 aufgenommene Polarisationsfilter 16 läßt Licht der Polarisationsebene 8, 0° passieren, während das im zweiten Lichtkanal 16 aufgenommene Polarisationsfilter 18 Licht der Polarisationsebene 10 unter 45° passieren läßt. In beiden Lichtkanälen 15, 16 erfolgt die Einleitung des einfallenden Lichtes 11 von der Ausgangsfläche 14 des Lichtteilers 13 aus.

Den Polarisationsfiltern 16, 18 des Analysators 9 in den beiden Lichtkanälen 15 und 16 liegen photoaktive Elemente 19, 20 gegenüber, die aus den Polarisationsfiltern 16 bzw. 18 austretende Hell/Dunkel-Sequenzen aufnehmen. Die Hell/Dunkel-Sequenzen, die auf diese photoaktiven Elemente 19, 20 auftreffen, spiegeln die auftretenden Änderungen der Stärke des Stromes I wider. In der den photoaktiven Elementen 19, 20 nachgeordneten Auswerteelektronik 21 wird aus den Hell/Dunkel-Sequenzen der Anstieg oder das Abnehmen der Stromstärke I einschließlich der Stromrichtung ermittelt. Daraus läßt sich in einfacher Weise der gesamte Strom herleiten.

Die in Fig. 2 dargestellten Komponenten des Analysators 9 gemäß Fig. 1 lassen sich in vorteilhafter Weise in einem gemeinsamen Analysatorgehäuse unterbringen, so daß Lichtleiter 13, die Polarisationsfilter 16 und 18 sowie die diesen gegenüberliegend angeordneten photoaktiven Elementen 19, 20 als eine kompakte Baueinheit ausgebildet werden können. In bevorzugter Ausführungsform der Lichtquelle 7 kann diese als ein Halbleiterlaser ausgeführt sein.

In Fig. 3 sind die in den beiden Lichtkanälen erzeugten Signalabfolgen über den Zeitachsen aufgetragen und der daraus abgeleitete Verlauf der Stromstärke I im Leiter 1 dargestellt.

Die Auswerteelektronik 21 beobachtet die beiden ihr vorgeschalteten photoaktiven Elemente 19 bzw. 20. Bei Zunahme der Lichtintensität wird ein logisches Signal 1 erzeugt, bei Abnahme der Lichtintensität ein logisches Signal -1. Eine Zunahme der Stromstärke I geht einher mit einer Änderung der Polarisationsrichtung des Lichtes. Die von der Auswerteelektronik 21 aufgrund der jeweiligen Intensitäten des Lichteinfalles erzeugten Signale können Zuständen 31 gemäß der nachfolgenden Tabelle zugeordnet werden.

Aus der Abfolge der sich einstellenden, jeweils unterschiedlichen Zustände 31 bei Stromänderungen kann auf eine jeweils zunehmende bzw. auf eine abnehmende Stromstärke im vom Strom I durchflossenen Leiter 1 geschlossen werden.

Im oberen Teil von Fig. 3 ist der Signalverlauf 22 im ersten Lichtkanal 15 über der Zeitachse 23 aufgetragen. Die Zustände 31 werden in der Zustandsreihenfolge 0, 2, 3 und 1 durchlaufen, was auch auf eine Stromzunahme im Leiter 1 schließen läßt; Ein Durchlaufen der Zustände 31 in der Reihenfolge 1, 3, 2 und 0 wird auf eine Abnahme der Stromstärke I im Leiter 1 schließen lassen.

Aus dem für den ersten und den zweiten Lichtkanal 15, 16 jeweils dargestellten Signalverlauf 22 bzw. 24 geht eine leichte zeitliche Verschiebung der einzelnen Impulse 26 entlang der Zeitachsen 23 bzw. 25 hervor. Die Impulse 26 umfassen jeweils eine steigende Impulsflanke 27 sowie eine fallende Impulsflanke 28. Ein ausbleibender Impuls ist mit dem Bezugszeichen 29 identifiziert.

Verfolgt man die einzelnen Zustände 31 entlang der Zeitachsen 23 bzw. 25, so nimmt das Signal des ersten und des zweiten Lichtkanales 15 bzw. 16 in beiden Signalverläufen 22, 24 den logischen Wert -1 an, während im Zustand 2, das Signal 22 des ersten Lichtkanales 15 auf +1 springt. In diesem Zustand verharrt das Signal 24 des zweiten Lichtkanales 16 beim logischen Wert -1. Im Zustand 3 nehmen beide Signale 22 und 24 den logischen Wert +1 an, während im Zustand 1 das Signal 22 des ersten Lichtkanales 15 auf -1 springt, während der logische Wert des Signales 24 im zweiten Lichtkanal 16 bei +1 verharrt. Ein Vergleich der Signale 22, 24 an den beiden das Licht übertragenden Lichtkanälen 15 und 16 führt darauf, daß die Zustände in der Reihenfolge 0, 2, 3, 1 durchlaufen werden, so daß im Leiter 1 ein gemäß des Stromverlaufes 30 steigender Strom I zu konstatieren ist.

Eine Änderung eines Zustands 31 entspricht einem festen Stromquant. Aus einer Verrechnung der Anzahl der Zustandsänderungen, bei denen der Strom I zunimmt mit der Anzahl der Zustandsänderungen, bei denen der Strom I abnimmt, wird der Augenblickswert des Stromes erhalten.

Je nach Anzahl der auf dem Strom I durchflossenen Leiter 1 aufgenommenen Windungen 4 des optischen Sensors 2 ist die Meßauflösung höher oder geringer, wodurch die auf optischem Wege erfolgende Strommessung einem Leiter 1 mit einem erheblich geringeren Meßfehler behaftet ist. Diese eröffnet eine wesentlich genauere, bauraumsparendere und EMV-unempfindlichere Erfassungsmöglichkeit eines Stromes - beispielsweise zur Ermittlung der Ladebilanz eines Energiespeichers.

Bezugszeichenliste

1

Stromleiter

2

Lichtwellenleiter

3

Wicklung

4

Windung

5

Windungsabstand

6

Windungsneigung

7

Lichtquelle

8

Polarisationsebene des Lichtes beim Austritt aus der Lichtquelle

9

Analysator

10

Polarisationsebene des Lichtes nach Lichtwellenleiter

11

Lichteinfall Analysator

12

Ende Lichtwellenleiter

13

Lichtteiler

14

Ausgangsfläche Lichtteiler

15

erster Kanal

16

Polarisationsfilter 1. Kanal (0°)

16

a Polarisationsebene des Filters 1. Kanal (0°)

17

zweiter Lichtkanal

18

Polarisationsfilter 2. Kanal (45°)

18

a Polarisationsebene des Filters 2. Kanal (45°)

19

photoaktives Element

20

photoaktives Element

21

Auswerteelektronik

22

Signalverlauf erster Lichtkanal

23

Zeitachse

24

Signalverlauf zweiter Lichtkanal

25

Zeitachse

26

Impuls

27

steigende Impulsflanke

28

fallende Impulsflanke

29

ausbleibender Impuls

30

Stromverlauf

31

Zustände

Claims

1. Verfahren zur Messung eines Stromes in einem elektrischen Leiter (1), wobei das den Strom sensierende Element (2) den vom Strom durchflossenen Leiter (1) umgibt und Impulse liefert, die in einer Auswerteelektronik (21) in Zählimpulse umgewandelt werden und an einem Ende eines optischen Sensors (2) linear polarisiertes Licht (8) eingespeist wird, dessen Polarisationsebene (8, 10) sich in Abhängigkeit von einem in Laufrichtung des Lichtes den Leiter (1) umgebenden Magnetfeldes ändert, dadurch gekennzeichnet, daß Stromänderungen im Leiter (1) aus einer Hell-/Dunkelsequenz ermittelt werden, die von photoaktiven Elementen (19, 20) detektiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Hell- /Dunkelsequenzen in zwei einem Ausgang (12) des optischen Sensors (2) gegenüberliegenden Zweigen (15, 17) ermittelt werden.

3. Vorrichtung zur Messung eines Stromes in einem elektrischen Leiter (1), wobei das den Strom sensierende Element (2) den Leiter (1) umgibt und Impulse liefert, die in einer Auswerteelektronik (21) in Zählimpulse umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein stromdurchflossener Leiter (1) mit einer Anzahl von Windungen (4) eines optischen Sensors (2) umschlossen ist, an dessen Ende (2) der Polarisationsversatz des austretenden Lichtes in einem Analysator (9) detektiert wird.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor (2) ein Lichtwellenleiter ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der das am Sensorende (12) angeordnete, das austretende Licht (11) sensierende Analysator (9), das austretende Licht (11) an einer Verzweigung (16) auf zwei Kanäle (15, 17) aufteilt.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Lichtkanäle (15, 17) ein Polarisationsfilter (16, 18) enthält.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsfilter (16, 18) in den Lichtkanälen (15, 16) um 45° in Bezug aufeinander gedreht sind.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Polarisationsfiltern (16, 18) in den Lichtkanälen (15, 17) und den Eingängen der Auswerteelektronik (21) photoaktive Elemente (19, 20) aufgenommen sind.