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Die Erfindung bezieht sich auf eine Messvorrichtung zur Bestimmung eines einen elektrischen Leiter durchfließenden Stromes mit einem oder mehreren magnetfeldempfindlichen Sensoren zur Messung des magnetischen Feldes, das durch den den Leiter durchfließenden Strom erzeugt wird, wobei in dem Leiter ein mechanischer Durchbruch vorgesehen ist.
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Man kennt bereits als Strom-Messvorrichtung eine Stromzange, mit der das von einem elektrischen Wechselstrom erzeugte Magnetfeld induktiv erfasst und daraus indirekt die Stromstärke ermittelt wird. Ein Nachteil dieser Stromzange besteht vor allem darin, dass sie nicht zum Messen von Gleichströmen geeignet ist. Außerdem ist sie, insbesondere wegen der zur induktiven Kopplung benötigten Spule, vergleichsweise aufwändig und teuer.
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Aus der
DE 44 10 180 A1 ist eine Messvorrichtung bekannt, bei der ein magnetischer Sensor in einem IC-Gehäuse auf einem Halbleitersubstrat angeordnet ist. Das IC-Gehäuse weist zwei äußere Anschlussstellen für den zu messenden Strom auf, die innerhalb des IC-Gehäuses über einen Leiter elektrisch miteinander verbunden sind. Der Leiter ist im Bereich des Sensors geführt, so dass der Sensor das durch den, den Leiter durchfließenden Strom erzeugte Magnetfeld erfassen kann. Dabei ist jedoch nachteilig, dass der Sensor bei der Herstellung der Messvorrichtung sehr genau ausgerichtet werden muss, um Messungenauigkeiten durch Lagetoleranzen des Sensors im magnetischen Feld zu vermeiden.
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Aus
DE 199 08 652 C1 ist außerdem eine Messvorrichtung bekannt, die sowohl Gleich- als auch Wechselströme messen kann, indem in einem geschlitzten Leiter ein oder vorzugsweise zwei Sensoren zur Differenzbildung positioniert werden. Vorteilig ist bei der Differenzanordnung die minimale Störanfälligkeit gegen externe Störfelder, wie sie zum Beispiel durch benachbarte Leiter hervorgerufen werden sowie die großen Positioniertoleranzen der Sensoren. Nachteilig ist jedoch der Sachverhalt, dass, um genügend hohe Flussdichten zu erzeugen, sehr große Ströme erforderlich sind, so dass die Messvorrichtung zur Messung von kleineren Strömen nicht geeignet ist. Zudem besitzt die Messvorrichtung einen geometrieabhängigen Frequenzgang.
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In der
DE 198 21 492 A1 ist eine Hallsensoranordnung zur berührungslosen Messung eines einen Leiter durchfließenden Stromes beschrieben, bei der zwei Hallsensoren innnerhalb eines in einen Leiter eingebrachten Lagloches angeordnet sind. Dabei sind die Sensoren quer zur Stromrichtung im Leiter und quer zur Erstreckungsrichtung des Langloches zwischen dessen Öffnungsseiten beabstandet zueinander angeordnet. Zwischen den beiden Sensoren ist ein Füllelement, beispielsweise aus ferromagnetischem Material, vorgesehen. Außerhalb des Leiters ist ein weiterer ferromagnetischer Körper als Feldkonzentrator vorgesehen. Die Messanordnung gemäß der DE 198 21 492 A1 besitzt eine starke Frequenzabhängigkeit, so dass Strom-Frequenzen von wenigen kHz bereits einen signifikanten Messfehler verursachen. Zudem erfordert die Messanordnung gemäß der DE 198 21 492 A1 eine hohe Positionsgenauigkeit für die Sensoren.
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Es besteht daher insbesondere die Aufgabe, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach und kostengünstig herzustellen ist und demzufolge mechanisch einfach zu implementieren ist, bei der die Messungenauigkeiten durch Lagetoleranzen des Sensors vermieden werden, die einfache Leitergeometrien benötigt und keinen geometrieabhängigen Frequenzgang bei der Messung von Wechselströmen besitzt.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht insbesondere darin, dass der mechanische Durchbruch ganz oder teilweise mit ferromagnetischem Material aufgefüllt ist und dass der (die) magnetfeldempfindliche(n) Sensor(en) jeweils an einem der nicht durch Stromleitermaterial verhüllten, einer der Öffnungsseiten des mechanischen Durchbruchs zugewandten Bereiche des ferromagnetischen Materials positioniert ist (sind).
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Zur Feldhomogenisierung und Flusskonzentration wird der mechanische Durchbruch mit ferromagnetischem Material gefüllt (das ferromagnetische Material wird nachfolgend Flusskonzentrator genannt). Der magnetfeldempfindliche Sensor wird an den nicht vom Leitermaterial umhüllten Teil bzw. Teilen des Flusskonzentrators positioniert. Der Flusskonzentrator sammelt das den Leiter umhüllende Strom-proportionale magnetische Feld und leitet es durch den mechanischen Durchbruch. Hierbei entsteht quer zur Stromflussrichtung ein Feldgradient, der sowohl durch einen einzelnen magnetfeldempfindlichen Sensor als auch durch eine störunempfindliche Differenzanordnung mit zwei magnetfeldempfindlichen Sensoren ausgewertet werden kann.
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Bei einem Stromfluss in einem Leiter, der mit einem Durchbruch versehen ist und somit den einen Leiter in zwei Teilleiter aufteilt, bildet sich, gemäß der Patentschrift
DE 199 08 652 C1 , durch Überlagerung der die beiden Leiterzweige umgebenden Magnetfelder ein resultierendes Magnetfeld aus, das in zwei Messfeldebenen jeweils homogen ist, in Richtung einer Normalen auf die Messfeldebenen bei Gleichstrom und niedrigen Frequenzen im wesentlichen linear verläuft und eine Vorzeichenumkehr erfährt. Wird der Durchbruch mit einem ferromagnetischen Flusskonzentrator gefüllt, so wird der Fluss verstärkt. Skineffekte, die zu geometrisch bedingten Frequenzabhängigkeiten führen, werden weitgehend eliminiert. Zudem können durch den orthogonalen Ein- und Austrittswinkel der magnetischen Feldlinien in den Flusskonzentrator die hohen Toleranzanforderungen, hinsichtlich Sensorpositionierung, wie sie aus der
DE 44 10 180 A1 bekannt sind, vermieden werden.
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Aus der
DE 198 19 470 A1 ist eine Messvorrichtung bekannt, bei der zumindest ein Magnetfeldmessgerät im Bereich eines Leiters angeordnet ist. Dabei sind auch Anordnungen beschrieben, bei denen der Leiter in einem Teilabschnitt u-förmig ausgebildet ist und der Bereich zwischen den Schenkeln des Leiters in seinem u-förmigen Teilabschnitt teilweise mit einem Bauteil ausgefüllt ist, in dessen Nähe das oder die Magnetfeldmessgerät(e) angeordnet ist (sind). Da durch die u-förmige Ausbildung des Leiters die Stromrichtung in den beiden einander gegenüberliegenden Schenkeln umgekehrt ist, weicht diese Vorrichtung deutlich von der erfindungsgemäßen Messvorrichtung, bei der die Stromrichtung in den den Durchbruch begrenzenden Leiterzweigen gleich ist, ab. Bedingt durch den abweichenden mechanischen Aufbau stellen sich auch völlig andere Magnetfeldverläufe ein.
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Die Detektionsrichtung eines Sensors ist jeweils die Richtung, in die ein Sensor innerhalb eines Magnetfeldes ausgerichtet ist, um bei einer jeweiligen magnetischen Feldstärke ein größtmögliches Messsignal zu erhalten. Diese Position ist vorzugsweise orthogonal zur Stromflussrichtung.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass bei störfeldkritischen Applikationen je zwei magnetfeldempfindliche Sensoren, orthogonal zur Stromflussrichtung, unmittelbar an einem oder beiden Enden des nicht durch Leitermaterial umhüllten Flusskonzentrators positioniert sind, so dass der Feldgradient durch die subtraktiv verknüpften Ausgangssignale der beiden magnetfeldempfindlichen Sensoren ausgewertet wird. Der Feldgradient ist proportional zu dem den Leiter durchfließenden Strom.
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Der Flusskonzentrator ist bevorzugt in der Art und Weise zu gestalten, dass der Teil bzw. die Teile des Flusskonzentrators, an dem die magnetfeldempfindlichen Sensoren positioniert werden, parallel zum Stromfluss sind.
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Es kann zweckmäßig sein, die Sensoren nachträglich an einem bereits vorhandenen Leiter zu positionieren. Zu diesem Zweck wird in den Leiter eine Bohrung bzw. Fräsung vorgenommen, so dass der gewünschte mechanische Durchbruch entsteht. Kostenintensive Bauelemente zur Bildung des Messaufbaus erübrigen sich hierdurch.
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Eine besonders einfach zu implementierende Bauform sieht vor, dass der Flusskonzentrator zusammen mit den Sensoren in einem Gehäuse zu einer Sensor-Unterbaugruppe integriert wird.
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Diese Sensor-Unterbaugruppe kann dann auf einfache Art und Weise in einem vorhandenen Leiter durch nachträgliche Anbringung des notwendigen mechanischen Durchbruchs integriert werden.
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Eine Ausführungsform sieht vor, dass der mechanische Durchbruch symmetrisch im Leiter sitzt. Die hierbei entstehenden Teilleiter besitzen den gleichen Querschnitt und daher in etwa den gleichen ohmschen Widerstand und werden deshalb von etwa gleich großen Teilströmen durchflossen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Sensoren Hallelemente sind. Die Ausgangsspannung ist proportional zu dem zu messenden Strom. Anhand der Polarität kann zudem die Richtung des den Leiter durchfließenden Stromes ermittelt werden.
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Es kann vorteilhaft sein, digitale Sensoren zu verwenden, um den Messwert mit einem Referenzwert zu vergleichen. Bei Überschreitung des Messwertes wird der Stromfluss durch den Leiter unterbrochen, wodurch ein Stromschwellenschalter nachgebildet werden kann.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Messvorrichtung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt die schematische Darstellung:
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1 eine Messvorrichtung auf Basis eines quadratischen Leiters mit einem symmetrischen mechanischen Durchbruch und einem Feldgradientensensor mit zugehörigem Koordinatenkreuz der Feldkomponenten, mit graphischer Darstellung des Magnetfeldverlaufes quer zur Stromflussrichtung,
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2 eine Messvorrichtung auf Basis eines quadratischen Leiters mit einem asymmetrischen mechanischen Durchbruch und einem Feldgradientensensor mit zugehörigem Koordinatenkreuz der Feldkomponenten, mit graphischer Darstellung des Magnetfeldverlaufes quer zur Stromflussrichtung,
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3 eine Messvorrichtung auf Basis eines runden Leiters mit einem symmetrischen mechanischen Durchbruch und einem Feldgradientensensor mit zugehörigem Koordinatenkreuz der Feldkomponenten, mit graphischer Darstellung des Magnetfeldverlaufes quer zur Stromflussrichtung,
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4 eine Messvorrichtung auf Basis eines runden Leiters mit einem symmetrischen mechanischen Durchbruch und einem Feldsensor mit zugehörigem Koordinatenkreuz der Feldkomponenten, mit graphischer Darstellung des Magnetfeldverlaufes quer zur Stromflussrichtung,
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5 eine Stromsensor-Messbaugruppe zum nachträglichen Einbau in einen Leiter, der mit einem entsprechenden mechanischen Durchbruch zu versehen ist und
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6 eine Auswerteschaltung zur Gradientenmessung.
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Der in 1 im Ganzen mit 1 bezeichnete Leiter mit dem mechanischen Durchbruch 2 wird von einem Strom 3 in Z-Richtung durchflossen und teilt sich im Bereich 4 und 5 in zwei Teilströme auf, die um die beiden Teilleiter ein zum Teilstromfluss proportionales Magnetfeld erzeugen. Das aus den beiden Teilfeldern durch Feldüberlagerung resultierende Feld wird durch ein als Flusskonzentrator (µr » 1) bezeichnetes ferromagnetisches Material 11 geleitet und von magnetfeldempfindlichen Sensoren 6 und 7 gemessen. Der im Ganzen mit 8 bezeichnete Graph zeigt das entstehende Feld 9 in X-Richtung. Die magnetfeldempfindlichen Sensoren 6 und 7 sind hierbei so angeordnet, dass der nahezu lineare Teil der Kennlinie 10 eine hohe Positionstoleranz des Sensors in X-Richtung ermöglicht. Aufgrund der senkrecht in den Flusskonzentrator eintretenden Feldlinien ist in Y-Richtung ebenfalls eine hohe Positionstoleranz gegeben. Bei großen Abständen zwischen magnetfeldempfindlichen Sensoren und Flusskonzentratoroberfläche ist die Verwendung von sensitivitätsprogrammierbaren Sensoren vorteilhaft, um positionsbedingte Abweichungen auszugleichen. Die Ausgangssignale der magnetfeldempfindlichen Sensoren 6 und 7 werden subtraktiv ausgewertet, wie es beispielsweise in der 6 gezeigt wird.
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Der in 2 im Ganzen mit 1 bezeichnete Leiter mit dem mechanischen Durchbruch 2 wird von einem Strom 3 in Z-Richtung durchflossen und teilt sich im Bereich 4 und 5 in zwei Teilströme auf, die um die beiden Teilleiter ein zum Teilstromfluss proportionales Magnetfeld erzeugen. Das aus den beiden Teilfeldern durch Feldüberlagerung resultierende Feld wird durch das als Flusskonzentrator (µr » 1) bezeichnete ferromagnetische Material 11 geleitet und von den magnetfeldempfindlichen Sensoren 6 und 7 gemessen. Der im Ganzen mit 8 bezeichnete Graph zeigt das entstehende Feld 9 in X-Richtung. Die Sensorelemente 6 und 7 sind hierbei so angeordnet, dass der nahezu lineare Teil der Kennlinie 10 eine hohe Positionstoleranz des Sensors in X-Richtung ermöglicht. Aufgrund der senkrecht in den Flusskonzentrator eintretenden Feldlinien ist in Y-Richtung ebenfalls eine hohe Positionstoleranz gegeben. Bei großen Abständen zwischen magnetfeldempfindlichen Sensoren und Flusskonzentratoroberfläche ist die Verwendung von sensitivitätsprogrammierbaren Sensoren vorteilhaft, um positionsbedingte Abweichungen auszugleichen. Die Ausgangssignale der magnetfeldempfindlichen Sensoren 6 und 7 werden subtraktiv ausgewertet wie es beispielsweise in der 6 gezeigt wird.
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Der in 3 im Ganzen mit 1 bezeichnete Leiter mit dem quadratischen mechanischen Durchbruch 2 wird von einem Strom 3 in Z-Richtung durchflossen und teilt sich im Bereich 4 und 5 in zwei Teilströme auf, die um die beiden Teilleiter ein zum Teilstromfluss proportionales Magnetfeld erzeugen. Das aus den beiden Teilfeldern durch Feldüberlagerung resultierende Feld wird durch das als Flusskonzentrator (µr » 1) bezeichnete ferromagnetische Material 11 geleitet und von den magnetfeldempfindlichen Sensoren 6 und 7 gemessen. Der im Ganzen mit 8 bezeichnete Graph zeigt das entstehende Feld 9 in X-Richtung. Die magnetfeldempfindlichen Sensoren 6 und 7 sind hierbei so angeordnet, dass der nahezu lineare Teil der Kennlinie 10 eine hohe Positionstoleranz des Sensors in X-Richtung ermöglicht. Aufgrund der senkrecht in den Flusskonzentrator eintretenden Feldlinien ist in Y-Richtung ebenfalls eine hohe Positionstoleranz gegeben. Bei großen Abständen zwischen magnetfeldempfindlichen Sensoren und Flusskonzentratoroberfläche ist die Verwendung von hinsichtlich Sensitivität programmierbaren Sensoren vorteilhaft, um positionsbedingte Abweichungen auszugleichen. Durch den quadratischen mechanischen Durchbruch werden auch erhöhte Positionstoleranzen in Z-Richtung erzielt. Die Ausgangssignale der magnetfeldempfindlichen Sensoren 6 und 7 werden subtraktiv ausgewertet, wie es beispielsweise in der 6 gezeigt wird.
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Der in 4 im Ganzen mit 1 bezeichnete Leiter mit dem mechanischen Durchbruch 2 wird von einem Strom 3 in Z-Richtung durchflossen und teilt sich im Bereich 4 und 5 in zwei Teilströme auf, die um die beiden Teilleiter ein zum Teilstromfluss proportionales Magnetfeld erzeugen. Das aus den beiden Teilfeldern durch Feldüberlagerung resultierende Feld wird durch das als Flusskonzentrator bezeichnete ferromagnetische Material 11 geleitet und von dem einen magnetfeldempfindlichen Sensor 6 gemessen. Der im Ganzen mit 8 bezeichnete Graph zeigt das entstehende Feld 9 in X-Richtung. Der magnetfeldempfindliche Sensor 6 wird hierbei vorteilhaft so angeordnet, dass die maximale bzw. minimale Feldamplitude gemessen wird, was sich vorteilhaft auf die Positionstoleranz in X-Richtung auswirkt. Aufgrund der senkrecht in den Flusskonzentrator eintretenden Feldlinien ist in Y-Richtung ebenfalls eine hohe Positionstoleranz gegeben. Bei großen Abständen zwischen magnetfeldempfindlichem Sensor und Flusskonzentratoroberfläche ist die Verwendung von einem sensitivitäts-programmierbaren Sensor vorteilhaft, um positionsbedingte Abweichungen auszugleichen.
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In dem in 5 im Ganzen mit 1 bezeichneten Leiter wird zur Applizierung der Strommessung ein mechanischer Durchbruch 2 gebohrt, der hinsichtlich des Durchmessers dem Durchmesser des Flusskonzentrator aus ferromagnetischem Material 11 entspricht oder größer ist. Der Flusskonzentrator aus ferromagnetischem Material 11 ist Bestandteil der Sensorunterbaugruppe 12, welche außer den beiden magnetfeldempfindlichen Sensoren 6 und 7 auch noch die mechanische Adaptionsmöglichkeit 13 und den Anschluss 14 in Form eines Kabels oder eines Steckkontaktes beinhaltet. Auf diese Art und Weise entsteht die Möglichkeit, nachträglich ohne Auftrennung des Leiters die Strommessung zu implementieren.
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In dem in 6 im Ganzen dargestellten Blockdiagramm sind die beiden magnetfeldempfindlichen Sensoren 6 und 7, die zugehörige Offsetkompensation der Sensoren 16 und 17, die subtraktive Verknüpfung 18 sowie die Ausgangsstufe 19 dargestellt. Die Blöcke werden über die Spannungsversorgung, die an den Anschlüssen VCC 20 und Ground 21 anliegt, versorgt.
