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Die vorliegende Erfindung betrifft ein berührungsloses, hochgenaues Stromsensorsystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Berührungslose Stromsensorsysteme sind bekannt und in vielen Varianten auf dem Markt verfügbar. Technologien, basierend auf der Magnetfeldmessung eines Stromleiters mit einer Magnetfeldsonde, bei der es sich z. B. um einen linearen Hall-Effekt-Sensor handeln kann, sind weit verbreitet. Die meisten dieser herkömmlichen Sensoren geben jedoch ungenügend justierte ratiometrische, analoge Signale ab. Manche teurere Sensoren erlauben eine einmalige, grobe Justierung einiger wenigen Parameter.
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Bei einer Serienproduktion ergeben sich noch erhebliche Schwankungen der Messwerte durch die Fertigungstoleranzen aller verwendeten Komponenten. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, müssen alle Einflussparameter durch Justierung einzelner Magnetfelssonden an der Fertigungslinie berücksichtigt werden. Die auf dem Markt befindlichen Magnetfelssonden geben nicht für die einzelne Anwendung justierte Werte aus. Es wird erwartet, dass die Justierung in einer weiteren Kontrolleinheit der Endanwendung vorgenommen wird. Dadurch ergeben sich einerseits ein zusätzlicher Aufwand bei der Herstellung dieser Kontrolleinheit und andererseits ein Problem bei der Wartung. Beim Ausfall einer Magnetfeldsonde muss nämlich für die Justierung die ganze Kontrolleinheit bzw. Endanwendung mit der neuen Magnetfeldsonde einbezogen werden.
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Für eine berührungslose Strommessung sind beispielsweise aus der
DE 34 317 69 A1 und der
DE 10 2005 043 322 A1 auch gattungsferne optische Lösungen bekannt, auf die jedoch nicht weiter eingegangen werden soll.
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Auf dem Markt wird eine Vielzahl von Magnetfeldsonden in unterschiedlichen Technologien von verschiedenen Herstellern angeboten. Ein Vorteil dieser Technologien liegt darin, dass die Magnetfeldsonden durch unvorhergesehene Stromspitzen (z. B. Kurzschlüsse) nicht zerstört werden können. Die Fertigungstoleranzen der Parameter von Magnetfeldsonden werden zwar auf einem niedrigen Niveau gehalten. Wenn man aber hohe Genauigkeiten erreichen will, sind diese Fertigungstoleranzen nicht vernachlässigbar. Die besonders wichtigen Parameter betreffen das Signal bei Abwesenheit von Magnetfeldern (Offset) und den Signalgradient (Empfindlichkeit). Zu den Toleranzen dieser Parameter bei Raumtemperatur kommen noch die Toleranzen unter dem Temperatureinfluss hinzu. Berücksichtigt man die Summe aller in den Produktdatenblättern angegebenen Toleranzen, kann kaum eine bessere Genauigkeit als 5% erreicht werden. Deshalb kommen die Magnetfeldsonden ohne Einzeljustierung oder Sortierung für viele Anwendungen nicht in Betracht.
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Für Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen werden oft resistive Stromsensoren verwendet. Da bei diesen Sensoren der Messstromkreis und die Auswerteelektronik galvanisch gekoppelt sind, ist deren Anwendung ohne aufwendige Entkopplungselektronik nur für den Niederspannungsbereich geeignet. Darüber hinaus können resistive Stromsensoren bei hohen, länger dauernden Stromspitzen und Kurzschlüssen leicht zerstört werden, weil der Messwiderstand nicht unerhebliche Verlustleistungen bewirkt.
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Die prinzipiell einfachste Methode zur berührungslosen Messung, die im folgenden als Methode A bezeichnet wird, umfasst eine Magnetfeldsonde 1, die in der Nähe eines Stromleiters 2 positioniert wird, wie dies in der 8 schematisch dargestellt ist. Das von dem Strom in dem Stromleiter 2 erzeugte Magnetfeld außerhalb des Stromleiters 2 wird mit der Magnetfeldsonde 1 erfasst. Der Strom ist zu der gemessenen magnetischen Flussdichte proportional. Die Methode A ist nur dann vorteilhaft, wenn eine hohe Genauigkeit des Magnetfeldsensors 1 nicht gefordert ist. Die niedrige Permeabilität der Luft, die den Stromleiter 2 umgibt, ergibt niedrige magnetische Flussdichten an der Magnetfeldsonde 1. Dadurch muss das Sondensignal erheblich verstärkt werden, was zu starkem Signalrauschen und dadurch zu einem erheblichen Genauigkeitsverlust führt. Außerdem ist die Magnetfeldsonde 1 auch externen magnetischen Störfeldern ausgesetzt, die nicht von dem durch den Strom erzeugten Magnetfeld unterschieden werden können.
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Eine deutliche Verbesserung der Signaldynamik der Methode A kann bekannter Weise durch eine Umgestaltung des Stromleiters erreicht werden, wenn dieser U-förmig um die Magnetfeldsonde herumgebogen wird, so dass die magnetische Flussdichte an der Magnetfeldsonde verdoppelt wird. Eine derartige Lösung ist z. B. in der
DE 195 49 181 A1 und in der
DE 197 41 417 A1 beschrieben. Auch hier kann eine Störung durch externe Magnetfelder nicht erkannt werden.
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Eine Verbesserung der Genauigkeit wird mit einer ebenfalls aus der 8 dargestellten und meistverbreiteten Methode erreicht, die im Folgenden als Methode B bezeichnet wird. Bei Anwendung dieser Methode B wird eine hohe magnetische Flussdichte an der Magnetfeldsonde 1 und dadurch eine deutliche Verbesserung der Signaldynamik erreicht. Um den stromdurchflossenen Stromleiter 2 herum wird ein ringförmiger Kern 3 aus einem weichferromagnetischen Material angeordnet. In einem solchen Kern 3 mit hoher Permeabilität wird eine hohe magnetische Flussdichte erzeugt. Der ringförmige Kern 3 ist an einer Stelle unterbrochen, so dass ein Spalt 4 besteht, in dem die Magnetfeldsonde 1 angeordnet werden kann. Bei einer solchen Anordnung, die auch als Magnetfeldkonzentrator bezeichnet wird, wird die magnetische Flussdichte an der Magnetfeldsonde 1 verstärkt. Durch den Kern 3 kann der Einfluss externer Magnetfelder etwas reduziert werden, eine Störung kann jedoch weder erkannt noch kompensiert werden. Weitere Nachteile dieser Methode B betreffen die Remanenz und die magnetische Sättigung von ferromagnetischen Materialien, durch die auch ein wesentlicher Genauigkeitsverlust entsteht. Darüberhinaus hängt die Permeabilität dieser Materialien von der Frequenz und der Temperatur ab, wodurch Nichtlinearitäten der magnetischen Flussdichte entstehen.
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Zur Kompensation der Remanenz sind bei der Methode B mehrere Verfahren bekannt.
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Die 9 zeigt die Kennlinie eines bekannten Hall-Sensors.
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Um den Kern 3 der Methode B kann eine stromdurchflossene Spule (nicht dargestellt) gewickelt werden. Der Spulenstrom wird dabei so geregelt, dass sein Magnetfeld das Magnetfeld im Kern 3 kompensiert. Die Magnetfeldsonde 1 misst immer nur den Nullabgleich des Feldes im Spalt 4 und aus dem gemessenen Spulenstrom wird der Leiterstrom errechnet. Ein Problem besteht dabei darin, dass neben dem Aufwand für zusätzliche Bauteile, wie beispielsweise der erwähnten Spule und der entsprechenden Elektronik zur Regelung des Spulenstromes, die erforderliche elektrische Leistung für den Betrieb der Spule nicht unerheblich ist. Dadurch sind der Messbereich der Methode B und die Anwendungsmöglichkeiten begrenzt. Eine Erkennung oder Kompensation von Störfeldern ist nicht möglich.
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In der
DE 102 40 241.8 ist eine weitere Anordnung beschrieben, bei der mindestens zwei Magnetfeldsonden und ein Magnetfeldkonzentrator mit einem Spalt verwendet werden. Eine Magnetfeldsonde wird im Spalt des Magnetfeldkonzentrators und eine oder mehrere Magnetfeldsonden werden außerhalb des Magnetfeldkonzentrators positioniert. Da die Gradienten an verschiedenen Magnetfeldsonden unterschiedlich sind, können aus den Verhältnissen ihrer Signale sowohl die Remanenz als auch Störfelder kompensiert werden. In einer Auswerteeinheit sollen diese Verhältnisse ausgewertet werden. Die Toleranzen der Parameter einzelner Magnetfeldsonden spielen hier eine erhebliche Rolle, um eine theoretisch hohe Genauigkeit zu erreichen. Die Kompensation dieser Toleranzen wird in dieser Druckschrift nicht angesprochen. Darüberhinaus scheint es sehr schwer, die Kompensation von nichthomogenen Störfeldern wegen mehrerer Ambiguitäten zu erreichen. Den Magnetfeldkonzentrator durch Vergießen günstig herzustellen, ist zwar machbar, aber die bisher erreichte Permeabilität dieser Anordnung liegt weit unterhalb derjenigen von gesinterten, weichmagnetischen Ferriten.
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In der in der
DE 10 2005 036 552 A1 beschriebenen Anordnung wird durch Anbringung mehrerer Spalte in dem Kern der Einfluss der Remanenz hauptsächlich dadurch reduziert, dass die Sättigung des Kerns verhindert wird. Durch mehrere Spalte wird aber auch die magnetische Flussdichte an den Magnetfeldsonden reduziert, was zu einer Erniedrigung der Signaldynamik führt. Obwohl dies nicht ausdrücklich erwähnt wird, aus den Figuren der Druckschrift aber deutlich hervorgeht, werden hier Materialien mit einer besonders hohen Permeabilität und einer besonders niedrigen magnetischen Sättigungsflussdichte, wie z. B. Stahl, verwendet. Die in der Druckschrift beschriebenen Probleme des Standes der Technik treffen nicht zu, weil auf viele verfügbare weichmagnetische Materialien, wie z. B. Ferrite, diese Probleme weitgehend nicht zutreffen. Die Benutzung mehrerer Magnetfeldsonden in Spalten unterschiedlicher Maße, wodurch unterschiedliche Messbereiche entstehen, ist naheliegend und wird von Sondenherstellern in deren Anwendungsnotizen beschrieben.
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Die fertigungstechnische Einhaltung der Spaltmaße über dem gesamten Betriebsbereich und während der Lebensdauer wird in keiner der zitierten Druckschriften erwähnt. Die Druckschrift
DE 60 2004 004 636 T2 beschreibt sehr detailiert eine Möglichkeit mit der Hilfe einer Klammer das Spaltmaß eines ringförmigen Kernes zu fixieren.
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Ein Vorschlag für die Kompensierung magnetischer Störfelder ist in der
US 2006/0284613 A1 beschrieben. Hier wird auf den Einsatz eines ferromagnetischen Feldkonzentrators verzichtet, da nach der Meinung des Erfinders alle ferromagnetischen Materialien niedrige Sättigungsdichten und eine hohe Remanenz aufweisen. Deshalb werden die Messsonden direkt in den stromführenden Leiter eingebaut. Diese Lösung hat neben der aufwändigen Herstellung den Nachteil, dass die Messsonden zumindest in ihrer unmittelbaren Nähe dem Potential des zu messenden Stromkreises ausgesetzt sind. Die Kompensation der Störfelder wird durch die bekannte Eigenschaft der Superposition der Magnetfelder vorgeschlagen. Dabei werden zwei Magnetfeldsonden diametral so angeordnet, dass deren Signale ohne Anwesenheit von Störfeldern gleiche Stromwerte anzeigen. Ein homogenes Störfeld erzeugt an den beiden Messfeldsonden theoretisch betragsgleiche Flussdichten jedoch mit unterschiedlichen Vorzeichen gegenüber dem Messfeld. Wenn die Bedingung der Homogenität des Störfeldes erfüllt ist und die gesamte Flussdichte innerhalb der Sondenmessbereiche liegt, werden sich die Flussdichten des Störfeldes an den beiden Magnetfeldsonden gegenseitig aufheben. Bei inhomogenen Störfeldern, wenn beispielsweise eine weitere stromführende Leitung in der Nähe einer Magnetfeldsonde angeordnet ist, können sich die Beträge der Flussdichten an den beiden Magnetfeldsonden jedoch stark unterscheiden. In diesem Fall wird das Messergebnis stark verfälscht. Mit dem abgebildeten Differenzialverstärker, der noch anti-differenziell beschaltet ist, ist eine Erkennung einer Störung nicht möglich.
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Eine Verbesserung der Störfeldkompensation ist in der
DE 10 2009 029 209 A1 beschrieben. Es werden ebenfalls zwei Magnetfeldsonden verwendet, die jedoch mehrdimensional sind und außerhalb des Leiters liegen. Durch die mehrdimensionale Erfassung ist theoretisch auch eine Kompensation inhomogener Störfelder möglich. Hier wird auch auf den ferromagnetischen Flusskonzentrator verzichtet. Um eine hohe Genauigkeit und gleichzeitig eine schnelle Datenverarbeitung zu erreichen, ist eine hohe Rechenleistung der Auswerteeinheit erforderlich. Hinzu kommt noch ein besonders hoher Aufwand für die vorher erwähnte Justierung unter allen Betriebsbedingungen. Eine einfache Erkennung, ob eine Störung vorliegt, ist hier ebenfalls nicht beschrieben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein komplettes und hochgenaues Stromsensorsystem zu schaffen, das mit kostengünstigen, auf Markt befindlichen Komponenten hergestellt werden kann und das bei der Integration in eine Endanwendung keine zusätzliche Justierung erfordert.
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Diese Aufgabe wird durch ein berührungsloses Stromsensorsystem zur Messung eines in einem Stromleiter fließenden elektrischen Stromes gelöst, wobei der Stromleiter eine beliebige Querschnittsform aufweist. Es sind mindestens zwei Magnetfeldsonden und eine Einrichtung zur Magnetfeldfokussierung vorgesehen, die zwei ferromagnetische Kernteile umfasst, die ringförmig so angeordnet sind, dass zwei Luftspalte gebildet sind. Der Stromleiter ist in dem von den Kernteilen umschlossenen Raum angeordnet. In jedem Luftspalt ist ein Magnetfeldsensor angeordnet.
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Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass bei dem vorliegenden Stromsensorsystem auch im Fehlerfall die Austauschbarkeit des gesamten Stromsensorsystems ohne einen zusätzlichen Justieraufwand gewährleistet ist. Darüber hinaus werden die magnetischen Störfelder vorteilhafter Weise eindeutig erkannt und auch kompensiert, wenn die Voraussetzungen für die Kompensierung erfüllt sind.
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Besonders vorteilhaft sind bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Stromsensorsystems die Signale der Magnetfeldsonden ohne äußeres magnetisches Störfeld gleich groß und wird bei einem äußeren magnetischen Störfeld das Signal der einen Magnetfeldsonde um einen Betrag vergrößert und das Signal der anderen Magnetfeldsonde um denselben Betrag verkleinert.
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Bei einem bevorzugten Stromsensorsystem sind die beiden Kernteile kreisringförmig oder rechteckig ausgebildet, Zweckmäßigerweise liegen sich die Luftspalte diametral gegenüber oder sind die Luftspalte sich gegenüberliegend in sich gegenüberliegenden Seiten des gebildeten Rechteckes angeordnet. Um die Größe der Luftspalte in der Umfangsrichtung gesehen besonders einfach zu fixieren ist in den Luftspalten oder seitlich von diesen jeweils mindestens ein mit einem Kernteil, vorzugsweise durch Kleben, Sintern oder formschlüssiges Anbringen, fest verbundener Abstandshalter vorgesehen, der aus einem nicht ferromagnetischen Material besteht. Die Kernteile bestehen bevorzugt aus einem oder mehreren weichferromagnetischen Materialien.
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Das erfindungsgemäße Stromsensorsystem ist bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung zusammen mit einem entsprechenden Bereich des Stromleiters in einem Gehäuse angeordnet, vorzugsweise vergossen, wobei der Stromleiter vorzugsweise als Träger des Stromsensorsystems ausgebildet ist. Der Bereich des Stromleiters kann dabei zweckmäßigerweise fest mit dem Stromsensorsystem verbunden, vorzugweise vergossen oder verklebt, sein.
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Zur Verbesserung der Genauigkeit bei gleichzeitiger Erweiterung des Gesamtmessbereiches können die Magnetfeldsensoren unterschiedliche Empfindlichkeiten aufweisen. Jedes der Kernteile kann aus mehreren, direkt aneinandergesetzten Teilen bestehen, wobei die Teile vorzugsweise aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind. Die Stromschiene kann insbesondere demontierbar mit dem Sensorsystem zu einer Einheit verbunden sein. Der Stromleiter ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung als Verbundmaterial aus einer Aluminiumlegierung mit einer Kupferummantelung aufgebaut.
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Das Stromsensorsystem weist bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, vorzugsweise in dem Gehäuse integriert, eine elektronische Auswerteeinrichtung auf, die vorzugsweise wenigstens einen Spannungsregler, mindestens einen Mikrokontroller, mindestens einen Analog-Digital-Wandler, mindestens einen Datenspeicher zum Speichern von Justierdaten und mindestens eine analoge oder digitalen Datenschnittstelle umfasst. Dabei ist die Auswerteeinrichtung entweder diskret aufgebaut oder in einer oder mehreren integrierten Schaltungen integriert. Ferner weist die Auswerteeinrichtung mindestens einen Temperatursensor auf. Die ratiometrischen Signale der Magnetfeldsonden werden bevorzugt simultan mit deren Versorgungsspannung in der Auswerteeinrichtung vorzugsweise mit mehreren AD-Wandlern oder einer Sample & Hold-Einrichtung mit einem AD-Wandler und einem Multiplexer erfasst. Die Auswerteeinrichtung kann durch Überwachung aller zu messenden Parameter kontinuierlich eine Selbstdiagnose bewirken und diese über die Datenschnittstelle weiterleiten. Ferner kann die Auswerteeinrichtung bei länger anhaltenden, besonders niedrigen Strömen eigenständig in ein Stromsparmodus übergehen. Zweckmäßigerweise kann die Auswerteeinrichtung weitere Parameter, wie vorzugsweise die Spannung und/oder die Temperatur, der Batterie erfassen und vorzugsweise einen Teil des Batteriemanagementsystems übernehmen. In die Auswerteeinrichtung kann ein Batteriemanagementsystem integriert sein.
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Für die Positionierung des Stromleiters in dem vorliegenden Stromsensorsystem können besonders bevorzugt abnehmbare Durchführungen für den Stromleiter vorgesehen werden, damit der Stromleiter oder das Stromsensorsystem ausgewechselt werden kann, ohne dass die Justierung des Stromsensorsystems neu vorgenommen werden muss. In dem Stromsensorsystem können bei einer Weiterbildung der Erfindung weitere Feldkonzentratoren mit gleichen oder unterschiedlichen Eigenschaften eingebettet sein, die entweder eine Redundanz ermöglichen oder für unterschiedliche Messbereiche justiert werden.
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Im Folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltung im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Darstellung zur Erläuterung der Funktion der Magnetfeldsensoren des erfindungsgemäßen Stromsteuersystems,
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2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromsensorsystems,
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3 ein Blockschaltbild der Auswerteeinrichtung des vorliegenden Stromsteuersystems,
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4 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stromsensorsystems,
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5a und 5b Darstellungen zur Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung,
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6 den zeitlichen Verlauf der Signale zweier Magnetfeldsensoren, bei Einwirkung eines Störfeldes,
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7 die Kennlinien zweier Hall-Sensoren,
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8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktion eines bekannten Magnetfeldsensors und
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9 die Kennlinie eines bekannten Hall-Sensors.
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Gemäß der 1, die eine schematische Darstellung des vorliegenden Stromsensorsystems zeigt, umfasst dieses im Wesentlichen zwei ferromagnetische Kernteile 6, 7, die ringförmig angeordnet sind und zwischen sich zwei Luftspalte 8, 9 bilden, die sich vorzugsweise diametral gegenüberliegen. In dem von den beiden Kernteilen 7, 8 umschlossenen Raum ist mittig der Stromleiter 10 angeordnet. Die beiden Kernteile 6, 7 bilden einen Feldkonzentrator.
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In jedem der Luftspalte 8, 9 befindet sich eine Magnetfeldsonde 11 bzw. 12, bei der es sich vorzugsweise um eine Hall-Sonde handelt.
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Im Zusammenhang mit der 2 wird im Folgenden eine erste Ausführungsform des vorliegenden Stromsensorsystems erläutert. Einzelheiten der 2, die bereits im Zusammenhang mit der 1 erläutert wurden, sind in der entsprechenden Weise bezeichnet.
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Das Sensorsystem besteht aus dem Stromleiter 2 von beliebiger Querschnittsform, der in einem lediglich schematisch angedeuteten Gehäuse 14 angeordnet, vorzugsweise vergossen ist. In dem den Stromleiter 2 umschließenden Gehäuse 14 befindet sich der Feldkonzentrator, der aus den beiden ferromagnetischen Kernteilen 7, 8 besteht, zwischen denen die beiden Luftspalte 9, 10 gebildet sind. In jedem der Luftspalte 9, 10 ist mindestens eine Magnetfeldsonde 11 bzw. 12 angeordnet.
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Um die Maße der Luftspalte 9, 10 konstant zu halten, werden Abstandshalter 15, 16, die beispielsweise die Form von Pfosten- oder Stabteilen aufweisen und aus einem nichtferromagnetischen Werkstoff, beispielsweise aus einem Keramikmaterial bestehen, in die Luftspalte 9, 10 eingesetzt, wie dies die 2 zeigt, oder neben den Luftspalten 9, 10 positioniert und mit mindestens einem Kernteil 7, 8, vorzugsweise durch Kleben oder Sintern, fest verbunden. Eine weitere Möglichkeit besteht in einer formschlüssigen Gestaltung der Kernteile 7, 8 und der Abstandhalter 15, 16, so dass auf eine feste Verbindung verzichtet werden kann.
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Durch die vorliegende Erfindung wird das Problem der Justierung im Wartungsfall dadurch gelöst, dass in das Gehäuse 14 auch eine Auswerte- und Steuereinrichtung 6 (3) mit einer Justiereinrichtung integriert wird. Einige Einflussparameter werden anhand einer Parameterstudie erfasst und zusammen mit den Einflussparametern der Komponenten, die am Ende der Fertigungslinie des Stromsensorsystems gemessen werden, als entsprechende Korrekturfaktoren in den Datenspeicher 17 der Auswerteeinrichtung 6 abgelegt. Mehrere Korrekturfaktoren sind von den Betriebsbedingungen des Stromsensorsystems abhängig. Um eine Korrelation zwischen den Betriebsbedingungen und den Korrekturfaktoren zu erreichen, werden die aktuellen Bedingungen, wie z. B. die Betriebstemperatur mit einem Temperatursensor 18 und Betriebsspannung mit einem Spannungssensor 19 während des Betriebs des Stromsensorsystems ständig erfasst. Die Auswertung aller Messdaten ermöglicht auch eine tiefergehende Systemdiagnose.
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Der Aufbau der Auswerteeinrichtung 6 ist in der 3 dargestellt. Die Magnetfeldsensoren 11, 12 sind vorzugsweise lineare Hall-Effekt-Sensoren, die die magnetische Flussdichte als proportionale Spannung ratiometrisch zu deren Versorgungsspannung ausgeben. Die Versorgungsspannung +UBat der Magnetfeldsensoren 11, 12 wird von einem Spannungsregler 20 nahezu konstant gehalten. Der Mikrokontroller 21 kann von demselben Spannungsregler 20 oder einem weiteren, eventuell integrierten Spannungsregler versorgt werden. Die Temperatur der Magnetfeldsensoren 11, 12 und der ferromagnetischen Kernteile 7, 8 wird von einem oder mehreren Temperatursensoren 18 gemessen. Ein oder mehrere AD-Wandler 22 können als eigenständige Komponenten eingesetzt werden oder, wie gezeigt, in dem Mikrokontroller 21 integriert sein. Um den Einfluss der Restwelligkeit der Spannungsregler 19, 20 und der Rauschsignale weitgehend zu eliminieren, wird die geregelte Spannung zweckmäßigerweise simultan mit den Sensorsignalen gemessen. Das wird entweder durch den simultanen Einsatz mehrerer AD-Wandler oder durch eine Sample & Hold-Einrichtung mit einem Multiplexer und einem AD-Wandler erreicht.
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Der anhand der verarbeiteten Daten berechnete Strom wird zusammen mit weiteren Informationen, z. B. der Temperatur, der Selbstdiagnose des Systems u. a., über eine digitale Datenschnittstelle 23 ausgegeben.
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Der Mikrokontroller 21 der Auswerteeinrichtung 6 kann über ausreichende Ressourcen verfügen, die die Erfassung weiterer Daten, wie z. B. der Batteriespannung, ermöglichen. Auch die Integration eines Batteriemanagementsystems in die Auswerteeinrichtung ist einfach zu realisieren.
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Wegen der Luftspalte 9, 10 und besonders bei unsymmetrischen Kernteilen 7, 8 hängen die Felddichten in den Luftspalten 9, 10 von der genauen Position des Stromleiters 2 nicht vernachlässigbar ab. Die Fixierung des Stromleiters 2 innerhalb der Kernteile 7, 8 ist daher notwendig, um eine hohe Genauigkeit zu erreichen. Dies wird vorzugsweise dadurch gelöst, dass der Stromleiter 2 mit den Kernteilen 7, 8 oder einer mit dem vorliegenden Stromsensorsystem verbundenen Leiterplatte 24 (4) oder dem Gehäuse 14 fest verbunden wird. Diese Verbindung erfolgt vorzugsweise durch Kleben oder Vergießen. Eine weitere Möglichkeit zur Verbindung besteht vorzugsweise darin, dass zwei demontierbare Durchführungen (z. B. Propfen) für den Stromleiter 2 während des Justiervorgangs an dem Gehäuse 14 angebracht werden. Nach der Justierung können diese Durchführungen abgenommen werden, um den Stromleiter 2 vom Stromsensorsystem zu trennen. Für die Anwendung werden diese demontierbaren Teile wieder eingesetzt werden. Dadurch ergibt sich für die Anwendung der Vorteil, den Stromleiter 2 oder das Stromsensorsystem jederzeit und ohne Neujustierung auswechseln zu können. Zweckmäßigerweise ist die Ausleseeinrichtung 6 an der Leiterplatte 24 angeordnet und mit dieser elektrisch verbunden.
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Der Feldkonzentrator des erfindungsgemäßen Stromsensorsystems besteht vorzugsweise aus den beiden weichferromagnetischen Kernteilen 7, 8, die aus einem gängigen Ferritmaterial mit einer hohen Sättigungsdichte und einer ausreichend niedriger Remanenz hergestellt werden.
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Im Folgenden wird die Funktion der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den 5a und 5b näher erläutert. Einzelheiten dieser Figuren, die bereits im Zusammenhang mit den 1 bis 4 beschrieben wurden, sind in der entsprechenden weise bezeichnet. Der Feldkonzentrator weist, wie bereits erläutert, die beiden Luftspalte 9, 10 zwischen den Kernteilen 7, 8 auf. Die magnetische Flussdichte, die durch den Strom in dem Stromleiter 2 erzeugt wird, ist bei gleichen Maßen der Luftspalte 9, 10 betragsgleich aber entgegensetzt orientiert (5a). In den Luftspalten 9, 10 ist jeweils eine eindimensionale Magnetfeldsonde 11 bzw. 12 so eingesetzt und orientiert, dass deren Messachsen parallel zu den Feldlinien in den Luftspalten 9, 10 aber mit unterschiedlicher Messrichtung verlaufen. Dadurch werden die Signale beider Magnetfeldsonden 11, 12 gleich, wenn das Magnetfeld in den Luftspalten 9, 10 nur durch den zu messenden Strom erzeugt wird.
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Ein externes, beispielsweise durch den Magneten 13 in der dargestellten Polarisierung erzeugtes Magnetfeld polarisiert die Kernteile 11, 12 immer so, dass die magnetische Flussdichte in den beiden Luftspalten 9, 10 denselben Betrag und dieselbe Orientierung aufweist, wie dies in der 5a durch die Pfeile 25, 26 dargestellt ist. Durch die Superposition der beiden Felder wird die Flussdichte in einem Luftspalt 9 erhöht und in dem anderen Luftspalt 10 um denselben Betrag erniedrigt. Das führt zu unterschiedlichen Signalen der Magnetfeldsonden 9, 10. Die 5b zeigt den Zustand (Pfeile 25', 26') einer Störung durch den Magneten 13', mit einer zum Magneten 13 der 5a entgegengesetzten Polarisierung.
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In der 6 ist der zeitliche Verlauf der Signale von zwei Magnetfeldsensoren 11, 12 in der Form von linearen Hall-Sensoren dargestellt. Der Strom wurde über die Zeit in zwei Stufen: 0 A, 50 A, 100 A erhöht. Bei jeder Stufe wurde zeitweise ein Magnet 13 zur Erzeugung eines Störsignals als Störung an das Gehäuse 14 des Stromsensorsystems gelegt. Ohne die Störung sind die beiden Signale gleich. Durch die Störung wird ein Signal erhöht und das andere um denselben Betrag erniedrigt. Der Mittelwert der beiden justierten Signale wird mit oder ohne Störung gleich bleiben.
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Die Kennlinien der beiden Hall-Sensoren sind in der 7 dargestellt.
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Ein weiteres Problem beim Erzielen einer hohen Genauigkeit besteht bei der Auswahl der Empfindlichkeit und der Betriebsspannung der linearen Hall-Effekt-Sensoren. Wählt man einen Hall-Sensor mit einer hohen Empfindlichkeit, wird die Genauigkeit erhöht, der Strommessbereich wird jedoch kleiner. Ein Hall-Sensor mit niedriger Empfindlichkeit ermöglicht zwar einen größeren Strommessbereich, reduziert aber die Genauigkeit. Um den Strommessbereich bei besserer Genauigkeit zu erhöhen, werden oft mehrere Hall-Effekt-Sensoren mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten in einem Magnetfeldsensor 11, 12 integriert. Eine weitere Lösung bieten Hall-Sensoren mit höherer Betriebsspannung. Eine Erhöhung der Betriebsspannung (soweit eine Erhöhung vom Hersteller vorgesehen ist) führt zu der Erhöhung der Empfindlichkeit des Hall-Sensors und zu einer Vergrößerung des Messbereiches. Dadurch wird eine hohe Signaldynamik realisiert. Wählt man nun eine höhere Betriebsspannung des Hall-Sensors, muss die Kalibriereinrichtung ebenfalls mit der höheren Spannung betrieben werden. Diese Forderung ist in der Praxis schlecht zu erreichen, zumal alle Zukunftstechnologien für Halbleiter zu niedrigeren Betriebsspannungen tendieren. Bei den Hall-Sensoren ist dieser Trend jedoch derzeit nicht absehbar und auch aus physikalischen Gründen schwer vorstellbar. Nach dem derzeitigen Stand der Technik arbeiten lineare Hall-Effekt-Sensoren mit hoher Genauigkeit mit Betriebsspannungen im Bereich von ca. 5–10 V. Die standardmäßigen Betriebsspannungen für ADCs, Mikrokontroller und Datenspeicher liegen derzeit bei 2,7–5,5 V, wobei die Tendenz fallend ist. Dies bedeutet, dass derzeit eine Kompatibilität der Hall-Effekt-Sensoren ohne Adaptation an die restliche Hardware nur bei Betriebsspannungen von ca. 5 V gewährleistet ist.
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Im stromlosen Zustand (magnetische Flussdichte = 0) erzeugen die Hall-Effekt-Sensoren im Allgemeinen ein Signal, das der halben Betriebsspannung UReg-Hall entspricht. Oberhalb dieser Spannung ist das Signal proportional der magnetischen Flussdichte in „positiver” magnetischer Richtung, unterhalb in „negativer” magnetischen Richtung (7).
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann eine hohe Genauigkeit des Stromsensors erreicht werden, indem man in dem ausgesparten Luftspalt 9 und/oder 10 neben dem Hall-Effekt-Sensor jeweils einen weiteren Hall-Effekt-Sensor derart anordnet, dass seine Messrichtung in dem Magnetfeld entgegengesetzt zu dem einen Hall-Effekt-Sensor liegt, wie dies die 7 zeigt. Durch diese Anordnung kann die halbe Betriebsspannung des Hall-Effekt-Sensors nur etwas unterhalb der Betriebsspannung der Justiereinrichtung liegen. Der eine Hall-Effekt-Sensor misst die Stromwerte in positiver Stromflussrichtung und der andere, weitere Hall-Effekt-Sensor in der negativen Stromflussrichtung. Die Empfindlichkeit und der Messbereich können auf diese Art erweitert werden, ohne dass aufwendige Anpassungen für die Stromversorgungen und Signalverstärkungen notwendig sind.
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Als zusätzlicher Vorteil kann auch die sich dabei ergebende Redundanz im Bereich niedriger Ströme (bzw. niedriger magnetischen Flussdichte) verwendet werden.
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In der 4 ist eine weitere vorteilhafte Anordnung der Komponenten des Sensorsystems dargestellt. Der symmetrische Aufbau ist für die Funktionalität nicht zwingend notwendig, ergibt jedoch fertigungstechnisch größere Vorteile.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetfeldsonde
- 2
- Stromleiter
- 3
- Kern
- 4
- Spalt
- 5
- Spule
- 6
- Auswerteeinrichtung
- 7
- Kernteil
- 8
- Kernteil
- 9
- Luftspalt
- 10
- Luftspalt
- 11
- Magnetfeldsonde
- 12
- Magnetfeldsonde
- 13
- Magnet
- 13'
- Magnet
- 14
- Gehäuse
- 15
- Abstandshalter
- 16
- Abstandshalter
- 17
- Datenspeicher
- 18
- Temperatursensor
- 19
- Spannungsregler
- 20
- Spannungsregler
- 21
- Mikrokontroller
- 22
- AD-Wandler
- 23
- Digitale Datenschnittstelle
- 24
- Leiterplatte
- 25
- Pfeil
- 25'
- Pfeil
- 26
- Pfeil
- 26'
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3431769 A1 [0004]
- DE 102005043322 A1 [0004]
- DE 19549181 A1 [0008]
- DE 19741417 A1 [0008]
- DE 10240241 [0013]
- DE 102005036552 A1 [0014]
- DE 602004004636 T2 [0015]
- US 2006/0284613 A1 [0016]
- DE 102009029209 A1 [0017]
