-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einem Stromsensor mit einem Leiter und mit zwei Magnetfeldsensoren neben dem Leiter. Verschiedene Typen von Stromsensoren mit Hallelementen als Magnetfeldsensoren sind bekannt. Ein Typ Stromsensor mit einem Flusskonzentrator zur Verstärkung des Magnetfelds am Ort des Magnetfeldsensors benutzt typischerweise einen einzelnen Magnetfeldsensor, welcher in einem Luftspalt des Flusskonzentrators angeordnet ist. Der Nachteil dieses Typs ist eine große Baugröße und ein hohes Bauteilgewicht. Die Bauteilgröße verhindert beispielsweise eine Integration der Sensoren in Power-Module auf Moldbasis. Weitere Nachteile sind Hystereseeffekte, die auftreten, wenn die auf den Flusskonzentrator einwirkende Feldstärke einen Maximalwert überschreitet, etwa durch außerhalb des Messbereichs des Sensors liegende Ströme in Verbindung mit hohen Störfeldern. Ein anderer Typ Stromsensor weist einen oder mehrere eindimensionale Magnetfeldsensoren direkt neben dem Leiter auf. Dieser Sensortyp ist für eine Integration in Module auf Moldbasis geeignet, kann jedoch keine Störfelder kompensieren. Eine Variante dieses Typs mit zwei in Differenzanordnung symmetrisch zum Leiter angeordneten Magnetfeldsensoren kann ein homogenes Störfeld eliminieren. Jedoch erzeugen nicht homogene Magnetfelder einen Störeinfluss der die erreichbare Genauigkeit signifikant herabsetzt und diese Lösung für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit, z. B. 2% Gesamtfehler, ausscheiden lässt. Eine solcher Sensor ist beispielsweise in der
US 2006284613 beschrieben.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Ein erfindungsgemäßer Stromsensor mit einem Leiter und mit zwei mindestens zweidimensionalen Magnetfeldsensoren neben dem Leiter hat dagegen den Vorteil, dass der Sensor inhomogene Störfelder eliminieren kann und trotzdem in Modulen auf Mold-Basis einsetzbar ist. Die Magnetfeldsensoren können als ein Element ausgebildet sein oder aus mehreren eindimensionalen Elementen zusammengesetzt sein.
-
Der Erfindung beruht auf der Überlegung, dass die Annahme getroffen werden kann, dass ein inhomogenes Störfeld an zwei nahe beieinander liegenden räumlichen Orten in verschiedenen Raumrichtungen jeweils dasselbe Verhältnis der Feldstärken aufweist. Eine weitere Überlegung ist, dass Feldlinien des Nutzfelds aufgrund des stromdurchflossenen Leiters konzentrisch um diesen verlaufen und daher am Ort der Sensoren jeweils die Richtung des Nutzfeldes im Raum sowie aufgrund des Abstands vom Leiter das Verhältnis der Beträge der Feldstärken des Nutzfeldes bekannt sind. Die Magnetfeldsensoren müssen dazu nicht beidseitig symmetrisch zum Leiter liegen, noch nicht einmal auf verschiedenen Seiten des Leiters liegen. Die Erfindung wird jedoch mit dem leicht verständlichen Spezialfall erläutert, bei dem die Magnetfeldsensoren beidseitig symmetrisch zum Leiter angeordnet sind. Dann nämlich liegen die Nutzfeldstärken an den Orten der Magnetfeldsensoren mit gleichem Betrag und entgegengesetzten Vorzeichen in derselben Raumrichtung. Das von den Sensoren gemessene Messfeld besteht in der Raumrichtung des Nutzfelds aus der hier Prüffeld genannten Summe aus Nutzfeld und einer Störfeldkomponente in Nutzfeldrichtung. Die Richtung des Prüffelds ist aufgrund dieser Geometrie definiert. In der Ebene senkrecht zur Nutzfeldrichtung entspricht das Messfeld dem Störfeld, da hier da Nutzfeld gleich Null ist. Erfindungsgemäß kann daher eine vektorielle Zerlegung des von den Sensoren gemessenen Messfelds genutzt werden, um die Inhomogenität des Störfelds in der Raumrichtung senkrecht zum Nutzfeld zu bestimmen. Dies Inhomogenität wird nun auch für die Raumrichtung des Nutzfelds angenommen und auf das Prüffeld übertragen. Daraus errechnet sich dann unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Nutzfelds – gleicher Betrag, entgegengesetzte Richtung am Ort der beiden Sensoren – das Nutzfeld und die Störfeldkomponente in Nutzfeldrichtung. Schließlich errechnet sich aus dem Nutzfeld die Stromstärke im Leiter.
-
Diese Überlegungen gelten grundsätzlich im dreidimensionalen Raum unabhängig von der Ausrichtung der Magnetfeldsensoren zum Leiter, da eine Zerlegung der gemessenen dreidimensionalen Vektoren eine Drehung des Bezugssystems in ein zum Prüffeld ausgerichtetes Bezugssystem ermöglicht. Also in ein System, in dem eine erste Detektionsrichtung in Richtung von Feldlinien eines Magnetfelds aufgrund eines im Leiter fließenden Stroms liegt und eine zweite Detektionsrichtung in einer Ebene senkrecht dazu liegt. Die bevorzugten Konfigurationen sind die, in denen die Sensoren derart angeordnet sind, dass die Nutzfeldstärken an den Orten beider Sensoren denselben Betrag haben und in derselben Richtung liegen. Das wäre einerseits die Konfiguration der hier in den Beispielen beschriebenen beidseitig symmetrisch zum Leiter liegenden Sensoren mit Nutzfeldrichtungen entgegengesetzt in derselben Raumrichtung. Andererseits ist eine bevorzugte Konfiguration diejenige, bei der die Sensoren auf einer Parallele zum Leiter liegen, also praktisch an derselben Seite eines Leiters und im selben Abstand vom Leiter, so dass die Nutzfeldstärken an den Orten beider Sensoren denselben Betrag haben und gleichgerichtet in derselben Raumrichtung liegen. Andere Konfigurationen können mit höherem Rechenaufwand berücksichtigt werden. Ausserdem ist der Einsatz von weiteren Sensoren möglich.
-
In der praktischen Anwendung ist die Ausrichtung der Magnetfeldsensoren bevorzugt in Prüffeldrichtung, so dass eine Messrichtung der Sensoren mit der ersten Detektionsrichtung in Richtung von Feldlinien des Magnetfelds aufgrund des im Leiter fließenden Stroms übereinstimmt.
-
In einem einfachen Fall ist die Erfindung mit zweidimensionalen Magnetfeldsensoren, also Magnetfeldsensoren mit zwei unabhängigen Messrichtungen, ausführbar, indem die zweite Detektionsrichtung weitgehend beliebig in der Ebene senkrecht zur ersten Detektionsrichtung liegt, wenn sichergestellt ist, dass eine Komponente des Störfelds in der zweiten Detektionsrichtung vorhanden ist.
-
Vorzugsweise sind im erfindungsgemäßen Stromsensor zwei dreidimensionale Magnetfeldsensoren, also Magnetfeldsensoren mit drei unabhängigen Messrichtungen, neben dem Leiter angeordnet, wobei eine dritte Detektionsrichtung senkrecht zur ersten und zweiten Detektionsrichtung liegt. Damit ist eine Kenntnis über das Störfeld nicht mehr notwendig, da in jedem Fall eine Komponente in der Ebene senkrecht zur ersten Detektionsrichtung erfasst wird. Die dreidimensionalen Magnetfeldsensoren erlauben eine vektorielle Zerlegung des Störfelds und damit die Berechnung des in die Nutzrichtung wirkenden Anteils des Störfelds. Dieser Anteil kann rechnerisch kompensiert werden. Damit kann das vom stromdurchflossenen Leiter erzeugte Magnetfeld und damit die den Leiter durchfließende Stromstärke mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Weiterhin ist es möglich unter bekannten potenziellen Störquellen mittels dreidimensionaler Felderfassung den wesentlichen Verursacher zu identifizieren.
-
Die Magnetfeldsensoren sind vorzugsweise Hall-Elemente, AMR-(Anisotropic Magnetoresistance), GMR-(Giant Magnetoresistance), TMR-(Tunneling Magnetoresistance) oder Flux-Gate-Sensoren.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Eliminierung des Störfelds durch eine integrierte Auswerteeinheit, die mit Messwerten der Magnetfeldsensoren ein Prüffeld in Richtung der Feldlinien eines Magnetfelds aufgrund eines im Leiter fließenden Stroms sowie ein Störfeld in Richtung senkrecht zu Feldlinien des Magnetfelds aufgrund des im Leiter fließenden Stroms bestimmt und Prüffeld und Störfeld den Strom im Leiter bestimmt.
-
Ein erfindungsgemäßes Strommessmodul mit einem erfindungsgemäßen Stromsensor enthält eine Anordnung der Magnetfeldsensoren und der Auswerteeinheit in einem Gehäuse um den Leiter.
-
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Strommessung mit einem Stromsensor zur Messung eines Stroms in einem Leiter, mit zwei mindestens zweidimensionalen Magnetfeldsensoren neben dem Leiter, hat die Verfahrensschritte
- a. Erfassen eines Messfelds mit Messwerten der Magnetfeldsensoren;
- b. Bestimmen der Feldstärken eines Prüffelds in Richtung der Feldlinien eines Magnetfelds aufgrund eines im Leiter fließenden Stroms;
- c. Bestimmen der Feldstärken einer Komponente eines Störfelds in einer Richtung senkrecht zu Feldlinien des Magnetfelds aufgrund des im Leiter fließenden Stroms;
- d. Erfassen der Inhomogenität eines Störfelds aus den bestimmten Feldstärken der Komponente des Störfelds;
- e. Bestimmen des Nutzfelds aufgrund des im Leiter fließenden Stroms aus den Feldstärken des Prüffelds und der Inhomogenität des Störfelds;
- f. Bestimmung des Stroms im Leiter aus dem Nutzfeld.
-
In einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren sind die Magnetfeldsensoren vorzugsweise derart ausgerichtet sind, dass eine Messrichtung mit der Richtung der Feldlinien eines Magnetfelds aufgrund eines im Leiter fließenden Stroms übereinstimmt.
-
In einem vorteilhaften bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren zur Strommessung mit einem Stromsensor mit zwei dreidimensionalen Magnetfeldsensoren erfolgt das Bestimmen der Feldstärken des Störfelds in einer Ebene senkrecht zu Feldlinien des Magnetfelds aufgrund des im Leiter fließenden Stroms. Das Erfassen des Störfelds erfolgt vorzugsweise in Richtung einer maximalen Feldstärke des Störfelds innerhalb der Ebene.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert, in denen
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stromsensors in einem inhomogenen Magnetfeld im Querschnitt zeigt;
-
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stromsensormoduls als Integrationslösung zeigt;
-
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stromsensormoduls als eigenständiges Modul zeigt; und
-
4 ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt;
-
In 1 ist in einem zweidimensionalen Querschnitt ein erfindungsgemäßer Stromsensor 10 in einem inhomogenen magnetischen Störfeld S dargestellt. Die Richtung des Störfelds S ist durch Pfeile dargestellt, die Stärke des Felds wird durch die Dichte der Pfeile dargestellt, hier nimmt die Stärke des Felds von rechts nach links im Bild zu. Diese Inhomogenität des Störfelds wird erfindungsgemäß bei der Strommessung kompensiert. Der im Querschnitt dargestellte stromdurchflossene Leiter 11 erzeugt ein magnetisches Nutzfeld N, dargestellt durch eine ringförmige Feldlinie 12. Neben einem stromdurchflossenen Leiter 11 sind ein erster Magnetfeldsensor 13 und ein zweiter Magnetfeldsensor 14 symmetrisch zum Leiter 11 angeordnet. Die ringförmige Feldlinie 12 durchdringt beide Magnetfeldsensoren 13, 14 im Wesentlichen senkrecht in der Zeichnung. Die Magnetfeldsensoren 13, 14 sind derart ausgerichtet, dass diese Richtung der Durchdringung gleichzeitig eine Messrichtung der Magnetfeldsensoren ist. Ausschnitte 15, 15a um die Magnetfeldsensoren 13, 14 sind in Kreisen 16, 16a vergrößert dargestellt zur Darstellung einer vektoriellen Zerlegung der sich überlagernden Magnetfelder am Ort des ersten Magnetfeldsensors 13 mit Index 1 und am Ort des zweiten Magnetfeldsensors 14 mit Index 2. B1 und B2 sind die gemessenen Messfeldvektoren mit den Komponenten B1x und B1y sowie B2x und B2y in zwei Messrichtungen der Sensoren 13, 14. Der Pfeil 17, der die Komponente B2x darstellt, zeigt in eine x-Richtung und der Pfeil 18, der die Komponente B2y darstellt, zeigt in eine y-Richtung eines für die Zerlegung gewählten Koordinatensystems. Dieses Koordinatensystem ist entsprechend der Ausrichtung der Magnetfeldsensoren 13, 14 hier schon so gewählt, dass die Feldlinie 12 des Nutzfelds N den Magnetfeldsensor 14 in +x-Richtung und den Magnetfeldsensor 13 in –x-Richtung durchdringt. Durch diese Ausichtung der Magnetfeldsensoren fällt die Messrichtung der Komponente B1x, B2x mit der oben beschriebenen ersten Detektionsrichtung zusammen. Und die y-Richtung verläuft durch die Verbindungslinie der Magnetfeldsensoren 13, 14 in einer zweiten Messrichtung der Magnetfeldsensoren 13, 14. In y-Richtung verschwindet an beiden Magnetfeldsensoren 13, 14 das Nutzfeld und die Messfeldkomponenten B1y und B2y stimmen mit den Störfeldkomponente S1y und S2y überein. In x-Richtung ist am zweiten Magnetfeldsensor 14 die Messfeldkomponente B2x eine vektorielle Addition aus der Störfeldkomponente S2x und dem zu bestimmenden Nutzfeld N2. Die z-Richtung verläuft parallel zum Leiter, ist jedoch nicht dargestellt. In Bezug auf die Magnetfelder entspricht die z-Richtung der y-Richtung, da hier ein ebenfalls am Ort der Sensoren eine Störfeldkomponente, jedoch keine Nutzfeldkomponente vorhanden ist. Die dargestellten x- und y-Richtungen stellen eine bevorzugte Ausrichtung eines Stromsensors dar sowohl in der Ausgestaltung mit zweidimensionalen Magnetfeldsensoren als auch in der Ausgestaltung mit dreidimensionalen Magnetfeldsensoren.
-
Die Kompensation des Störfelds wird an einem vereinfachten zweidimensionalen Fall erläutert, wie er in 1 als bevorzugte Ausführungsform dargestellt ist. Die Vereinfachung gegenüber dem Allgemeinen Fall besteht darin, dass die Magnetfeldsensoren 13, 14 schon derart ausgerichtet sind, dass das Nutzfeld am Ort der Sensoren nur in x-Richtung von null verschieden ist und daher die Richtung des Prüffelds P mit der x-Richtung übereinstimmt und auf eine Koordinatentransformation verzichtet werden kann. Die von den Magnetfeldsensoren 13, 14 gemessenen Feldstärken B1x und B2x in x-Richtung enthalten die hier Prüffeld P1, P2 genannte Überlagerung aus dem Nutzfeld N1, N2 und der x-Komponente des Störfelds S1x, S2x. Dabei sind die entgegengesetzten Vorzeichen der an den Orten der beiden Sensoren betragmäßig gleichen Nutzfeldstärken aufgrund der durch Pfeile 19, 20 dargestellten Richtung des zirkularen Nutzfelds zu berücksichtigen. Die von den Magnetfeldsensoren 13, 14 gemessenen Feldstärken B1y, B2y in y-Richtung enthalten nur die y-Komponenten des Störfelds. Bei geringer Entfernung der Magnetfeldsensoren 13, 14 voneinander kann nun angenommen werden, dass das inhomogene Störfeld in x-Richtung dasselbe Feldstärken-Verhältnis, hier Inhomogenitätsverhältnis genannt, aufweist wie das der gemessenen Feldstärken und in y-Richtung S1x/S2x = S1y/S2y. Damit kann mit den Kenntnissen über Betrag und Vorzeichen des Nutzfelds N, nämlich |N| = |N1| = |N2| und N1 = –N2, die Feldstärke des Störfelds in x-Richtung S1x und S2x an jedem der Magnetfeldsensoren 13, 14 bestimmt werden und damit wiederum die Feldstärke des Nutzfelds N1 bzw. N2 und schließlich die im Leiter fließende Stromstärke. Im zweidimensionalen Fall fällt die y-Richtung wegen der Ausrichtung der Magnetfeldsensoren mit der oben beschriebenen zweiten Detektionsrichtung zusammen.
-
Die Erweiterung auf den Fall mit dreidimensionalen Magnetfeldsensoren ergibt sich für den Fachmann. In z-Richtung kommt eine dritte Messrichtung hinzu. Die Lage der zweiten Detektionsrichtung kann innerhalb der y-z-Ebene mit gewisser Freiheit gewählt werden, sofern die Störfeldstärke hinreichend groß ist zur Bestimmung des Inhomogenitätsverhältnisses. Die beste Wahl der Detektionsrichtung ist allerdings diejenige durch Vektoraddition bestimmte Richtung in der y-z-Ebene, in der der größte gemessene Störfeldvektor der beiden Magnetfeldsensoren 13, 14 liegt. Damit wird die größte Genauigkeit erreicht.
-
In 2 ist ein erfindungsgemäßes Stromsensormodul 22 als Integrationslösung dargestellt. Das Modul 22 ist an einem Leiter 23 befestigt. Magnetfeldsensoren, hier Hall-Sensoren 24, 25 sind mit Kontakten 26 verbunden und auf einem Träger 27, hier einer Leiterplatte, angeordnet (Verbindungsanschlüsse sind nicht gezeigt). Das Modul 22 ist konfiguriert zur Befestigung an dem Leiter 23 und ist in einem befestigten Zustand gezeigt. Die Kontakte 26 sind von außen zugänglich. Diese Integrationslösung eignet sich für Konfigurationen mit zugänglichen Leiterabschnitten.
-
3 zeigt ein erfindungsgemäßes Stromsensormodul 30 als eigenständiges Modul. An einen Leiter 31 angrenzend sind Magnetfeldsensoren, hier Hall-Sensoren 32, 33 angeordnet. Die Hall-Sensoren 32, 33 sind mit einer Auswerteeinheit 34 verbunden, welche wiederum mit Kontakten 35 verbunden ist. Der Leiter besteht aus gegenüberliegenden Anschlußklemmen 36, 37 und einem verjüngten Abschnitt 38 dazwischen. Die Hall-Sensoren 32, 33, der verjüngte Abschnitt 38 der Leiterbahn, die Auswerteeinheit 34 und die Kontakte 35 sind in ein Kunststoffgehäuse 39 eingebettet, wobei die Kontakte 35 herausgeführt sind. Die integrierte Auswerteeinheit 34 bestimmt mit Messwerten der Magnetfeldsensoren ein Prüffeld in Richtung der Feldlinien eines Magnetfelds aufgrund eines im Leiter fließenden Stroms sowie ein Störfeld in Richtung senkrecht dazu und bestimmt aus Prüffeld und Störfeld den Strom im Leiter.
-
4 zeigt ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren zur Strommessung mit einem Stromsensor zur Messung eines Stroms in einem Leiter, mit zwei mindestens zweidimensionalen Magnetfeldsensoren neben dem Leiter, weist die Verfahrensschritte auf, wobei sich auf die in 1 dargestellten Felder bezogen wird:
- a. Erfassen eines Messfelds B mit Messwerten der Magnetfeldsensoren;
- b. Bestimmen der Feldstärken eines Prüffelds P in Richtung der Feldlinien eines Magnetfelds N aufgrund eines im Leiter fließenden Stroms am Ort der Sensoren; z. B. in 1 am zweiten Magnetfeldsensor 14 liegt N2 in +x-Richtung, am ersten Sensor liegt N1 in –x-Richtung, damit liegt P in x-Richtung, nur in x-Richtung wirkt eine Überlagerung des Störfelds S und des Nutzfelds N, senkrecht dazu ist N1y = N1z = N2y = N2z = 0;
- c. Bestimmen der Feldstärken einer Komponente S1y, S2y eines Störfelds S in einer Richtung senkrecht zu Feldlinien des Magnetfelds N aufgrund des im Leiter fließenden Stroms am Ort der Sensoren;
- d. Erfassen einer Inhomogenität eines Störfelds aus den bestimmten Feldstärken der Komponente S1y, S2y des Störfelds; die Inhomogenität wird hier durch das Inhomogenitätsverhältnis S1y/S2y bestimmt;
- e. Bestimmen des Nutzfelds N aufgrund des im Leiter fließenden Stroms aus den Feldstärken des Prüffelds P und der Inhomogenität des Störfelds S mit Hilfe der Beziehungen P1 = N1 + S1x, P2 = N2 + S2x, S1x/S2x = S1y/S2y und N1 = –N2;
- f. Bestimmung des Stroms im Leiter aus dem Nutzfeld.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Strommessung sind die Magnetfeldsensoren derart ausgerichtet, dass eine Messrichtung mit der Richtung der Feldlinien eines Magnetfelds aufgrund eines im Leiter fließenden Stroms übereinstimmt. Diese Ausführungsform des Verfahrens wurde in Zusammenhang mit dem Stromsensor aus 1 dort beschrieben.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zur Strommessung mit einem Stromsensor mit zwei dreidimensionalen Magnetfeldsensoren erfolgt das Bestimmen der Feldstärken des Störfelds in einer Ebene senkrecht zu Feldlinien des Magnetfelds aufgrund des im Leiter fließenden Stroms und erfolgt das Erfassen der Inhomogenität des Störfelds in Richtung der maximalen Feldstärke des Störfelds innerhalb der Ebene. Damit wird die größte Genauigkeit erreicht.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
