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Es wird eine Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter angegeben. Weiterhin werden eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Messung einer Stromstärke angegeben.
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Zur Strommessung sind resistive, induktive und magnetische Lösungen bekannt. Resistive Lösungen zeichnen sich durch einen großen Messbereich kombiniert mit einer hohen Messgenauigkeit bei kleinen Strömen aus, können aber nur durch eine aufwändige Signalverarbeitung galvanisch getrennt werden und stören unter Umständen aufgrund eines Spannungsabfalls bei Spitzenlasten. Induktive Verfahren nutzen das Induktionsgesetz aus, beispielsweise in sogenannten Rogowskispulen oder Stromtransformatoren, und sind somit ohne aufwändige integrierende Schaltung nur wechselstromfähig. Bei magnetischen Stromsensoren wird die Stärke eines von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugten Magnetfeldes gemessen. Diese Lösungen sind somit wechselstrom- und gleichstromfähig.
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Als magnetische Feldsonden kommen insbesondere Hallsensoren, AMR-Sensoren (AMR, „anisotropic magnetoresistance“ bzw. „anisotroper Magnetowiderstand“), GMR-Sensoren (GMR, „giant magnetoresistance“ bzw. „Riesenmagnetowiderstand“) und Fluxgate-Sonden zum Einsatz. Zur Verstärkung des magnetischen Feldes am Messort und zur Abschirmung von externen Feldern werden dabei in der Regel ferromagnetische Kerne eingesetzt, die aber aufgrund ihrer Hysterese bei sogenannten Open-Loop-Verfahren die Messgenauigkeit bei kleinen Strömen wegen der Restmagnetisierung im Material begrenzen. In sogenannten Closed-Loop-Verfahren wird die Magnetsonde dazu verwendet, mittels eines Regelkreises und einer zusätzlichen Spule um den Kern die Magnetisierung im Kern auf null zu halten. Dadurch verbessert sich die Messgenauigkeit bei kleinen Strömen. Bei der Verwendung von empfindlichen feldstärkesensitiven AMR- oder GMR-Elementen wäre in einem Open-Loop-Aufbau nur eine Messung in einem eingeschränkten Strombereich möglich, da die Sensoren aufgrund der Sättigung der Elemente nicht über einen großen dynamischen Bereich verfügen.
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Es ist eine zu lösende Aufgabe zumindest einiger Ausführungsformen, eine Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter anzugeben, welche sich durch eine hohe Strommessgenauigkeit über einen weiten Messbereich auszeichnet. Weitere Aufgaben zumindest einiger Ausführungsformen sind es, eine Anordnung sowie ein Verfahren zur Messung einer Stromstärke anzugeben.
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Diese Aufgaben werden durch einen Gegenstand, eine Anordnung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Gegenstände gehen weiterhin aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen hervor.
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Eine Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein magnetfeldgebendes Element, das ein Referenzmagnetfeld erzeugt, und ein Magnetfeldwinkelsensitives Element auf. Das Magnetfeldwinkel-sensitive Element misst die Ausrichtung eines Gesamtmagnetfeldes im Raum, das durch eine Überlagerung des Referenzmagnetfeldes und eines Primärmagnetfeldes, das vom stromdurchflossenen Primärleiter erzeugt wird, entsteht. Vorzugsweise sind das Primärmagnetfeld und das Referenzmagnetfeld am Ort des Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements nicht parallel zueinander. In anderen Worten sind die magnetischen Feldlinien des Primärmagnetfeldes an der Position des Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements vorzugsweise nicht parallel zu den magnetischen Feldlinien des Referenzmagnetfeldes. Aus der Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes im Raum ist die Stromstärke des durch den Primärleiter fließenden Stroms ermittelbar. Insbesondere kann das Magnetfeldwinkel-sensitive Element, welches beispielsweise mit einer Auswertevorrichtung verbunden sein kann, die Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes im Raum messen, wodurch sich die Stromstärke des durch den Primärleiter fließenden Stroms bestimmen lässt.
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Das Magnetfeldwinkel-sensitive Element ist dabei nicht zur Messung des Betrages der magnetischen Feldstärke oder Flussdichte, sondern zur Messung der Richtung der magnetischen Feldstärke und/oder Flussdichte des Gesamtmagnetfeldes ausgelegt. Das magnetfeldgebende Element ist dabei vorzugsweise so angeordnet, dass am Ort des Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements das Primärmagnetfeld und das Referenzmagnetfeld in einem Winkel zueinander stehen, sodass das Magnetfeldwinkel-sensitive Element die Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes misst, welches sich aus der Überlagerung des Primärmagnetfeldes und des Referenzmagnetfeldes ergibt.
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Ist der Betrag des Referenzmagnetfeldes bekannt, so ist der gemessene Feldwinkel ein Maß für die Feldstärke des Primärmagnetfeldes und somit für den durch den stromdurchflossenen Primärleiter fließenden Strom.
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Vorteilhafterweise werden magnetische Winkelmessungen mit sehr hoher Genauigkeit ermöglicht, so dass die Vorrichtung eine hohe Strommessgenauigkeit über einen weiten Messbereich aufweist. Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Vorrichtung ergibt sich daraus, dass der Messbereich der Vorrichtung in einfacher Art und Weise durch ein Ändern der Feldstärke des vom magnetfeldgebenden Element erzeugten Referenzmagnetfeldes an die gestellten Anforderungen angepasst werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Magnetfeldwinkel-sensitive Element zumindest zwei Hall-Elemente auf. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Magnetfeldwinkel-sensitive Element genau zwei Hall-Elemente auf. Weiterhin ist es möglich, dass das Magnetfeldwinkel-sensitive Element aus zwei Hall-Elementen besteht. Vorteilhafterweise weisen die zwei Hall-Elemente jeweils eine Sensorachse auf, wobei die zwei Hall-Elemente in einer Ebene und mit ihren Sensorachsen rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Das Magnetfeldwinkel-sensitive Element kann auch drei Hall-Elemente umfassen, welche mit ihren Sensorachsen jeweils orthogonal zueinander angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Magnetfeldwinkel-sensitive Element eine oder mehrere AMR-Brücken (AMR, „anisotropic magnetoresistance“) auf oder besteht aus einer oder mehreren AMR-Brücken. Beispielsweise kann die AMR-Brücke eine Vielzahl von AMR-Streifen umfassen, welche Widerstände einer oder mehrerer Wheatstone-Brücken bilden können. Weiterhin ist es möglich, dass das Magnetfeldwinkel-sensitive Element eine oder mehrere GMR-Brücken (GMR, „giant magnetoresistance“) und/oder eine oder mehrere TMR-Brücken (TMR, „tunnel magnetoresistance“) aufweist oder daraus besteht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Magnetfeldwinkel-sensitive Element eine oder mehrere Spinventil-GMR-Brücken und/oder eine oder mehrere Spinventil-TMR-Brücken auf. Weiterhin kann das Magnetfeldwinkelsensitive Element aus einer oder mehreren Spinventil-GMR-Brücken und/oder aus einer oder mehreren Spinventil-TMR-Brücken bestehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das magnetfeldgebende Element einen Permanentmagneten auf. Der Permanentmagnet kann je nach Anforderung eine Stabform, Ringform oder eine andere geometrische Form aufweisen. Es ist auch möglich, dass das magnetfeldgebende Element aus einem Permanentmagneten besteht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das magnetfeldgebende Element eine Spule auf oder besteht aus einer Spule. Zum Beispiel kann das Magnetfeldwinkel-sensitive Element innerhalb des magnetfeldgebenden Elements, beispielsweise innerhalb der Spule, angeordnet sein. Damit kann vorteilhafterweise erreicht werden, dass Primär- und Referenzmagnetfeld am Ort des Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements nicht parallel zueinander sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Referenzmagnetfeld so gewählt, dass es im Betrag dem Primärmagnetfeld bei Maximalstrom Imax entspricht und in seiner Richtung senkrecht zum Primärmagnetfeld angeordnet ist. Dadurch liegt der zu messende Winkelbereich für Primärströme zwischen I = –Imax und I = Imax zwischen –45° bis 45.
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Die hier beschriebene Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter weist eine Reihe von Vorteilen auf. So sind beispielsweise Winkelmessungen mit modernen Spinventil basierten, magnetoresistiven Brücken auf 0,1° Winkelgenauigkeit möglich. Somit kann der Strom, unter Vernachlässigung anderer Störgrößen, mit einer Messungenauigkeit von unter 0,25 %·Imax gemessen werden. Die beschriebene Vorrichtung zeichnet sich insbesondere durch die Nutzung der hohen Genauigkeit von Magnetwinkelmessungen zur Strommessung aus. Weiterhin erfolgt vorteilhafterweise eine Erhöhung des dynamischen Bereichs insbesondere bei Verwendung von AMR-, GMR- oder TMR-Magnetfeldwinkel-sensitiven Elementen. Darüber hinaus ist eine Umschaltung des Messbereichs durch eine Variation des magnetfeldgebenden Elements möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung ein hartmagnetisches Element auf, das den Primärleiter und/oder das magnetfeldgebende Element zumindest teilweise umschließt. Das hartmagnetische Element kann beispielsweise ein magnetischer Kern aus einem hartmagnetischen Material sein und dient der magnetischen Abschirmung des Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements. Durch die magnetische Abschirmung kann erreicht werden, dass Magnetfelder, die auf das Magnetfeldwinkel-sensitive Element und/oder das magnetfeldgebende Element wirken würden, zumindest teilweise abgeschirmt beziehungsweise zumindest abgeschwächt werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das hartmagnetische Element als ein durch ein Luftspalt geöffneter Ringkern ausgebildet. Vorzugsweise umschließt der Ringkern den Primärleiter zumindest teilweise. Das Magnetfeldwinkelsensitive Element kann beispielsweise im Luftspalt des geöffneten Ringkerns angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umschließt das hartmagnetische Element das magnetfeldgebende Element und das Magnetfeldwinkel-sensitive Element zur Abschirmung äußerer Magnetfelder zumindest teilweise. Beispielsweise kann das hartmagnetische Element U-förmig ausgebildet sein und derart zum Primärleiter angeordnet sein, dass das hartmagnetische Element und der Primärleiter das magnetfeldgebende Element und das Magnetfeldwinkel-sensitive Element vollständig umschließen.
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Es wird des Weiteren eine Anordnung einer Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke angegeben, wobei die Vorrichtung eine Vorrichtung mit einem oder mehreren Merkmalen der vorgenannten Ausführungsformen umfasst und derart zu einem stromdurchflossenen Primärleiter angeordnet wird, dass aus einer Ermittlung der Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes im Raum, welches durch eine Überlagerung eines durch den Primärleiter erzeugten Primärmagnetfeldes mit einem Referenzmagnetfeld entsteht, eine Messung der Stromstärke des durch den Primärleiter fließenden Stroms erfolgt.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter angegeben. Dabei kann beispielsweise eine Vorrichtung mit einem oder mehreren Merkmalen der vorgenannten Ausführungsformen zum Einsatz kommen. Die vorher und im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen gelten somit gleichermaßen für die Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke wie auch für das Verfahren zur Messung der Stromstärke.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein stromdurchflossener Primärleiter, der ein Primärmagnetfeld erzeugt, bereitgestellt. Weiterhin wird eine Vorrichtung, die ein Referenzmagnetfeld erzeugendes magnetfeldgebendes Element sowie ein Magnetfeldwinkel-sensitives Element aufweist, bereitgestellt. Die Vorrichtung wird derart zum Primärleiter angeordnet, dass das Magnetfeldwinkel-sensitive Element die Ausrichtung eines Gesamtmagnetfeldes, das durch eine Überlagerung des Primärmagnetfeldes und Referenzmagnetfeldes entsteht, im Raum misst. Vorzugsweise sind dabei das Primärmagnetfeld und das Referenzmagnetfeld am Ort des Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements nicht parallel zueinander. Aus der Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes im Raum wird die Stromstärke des durch den Primärleiter fließenden Stroms ermittelt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Feldstärke des Referenzmagnetfeldes zur Anpassung des Messbereichs der Vorrichtung variiert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Referenzmagnetfeld mit einer Elektronik nachgeführt, um die gemessene Ausrichtung eines Gesamtmagnetfelds konstant zu halten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Feldstärke des Referenzmagnetfeldes vom Betrag derart gewählt, dass es der Feldstärke des Primärmagnetfeldes bei Maximalstrom entspricht.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den 1 bis 5 beschriebenen Ausführungsformen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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2 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
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3 und 4 schematische Ansichten einer Vorrichtung zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter mit einem der Abschirmung dienenden hartmagnetischen Element gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, und
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5 ein Verfahren zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen. Vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Bauteile und Bereiche zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 100 zur Messung einer Stromstärke gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 weist ein magnetfeldgebendes Element 2 auf, das ein schematisch angedeutetes Referenzmagnetfeld 20 erzeugt. Das magnetfeldgebende Element 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Spule 5 ausgebildet. Alternativ kann das magnetfeldgebende Element 2 beispielsweise als Permanentmagnet ausgeführt sein. Die Vorrichtung 100 weist weiterhin ein Magnetfeldwinkel-sensitives Element 3 auf. Das Magnetfeldwinkel-sensitive Element 3 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel innerhalb der Spule 5 angeordnet. Zur Messung der Stromstärke in einem Primärleiter 1, durch den ein Strom IP in der mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichneten Stromrichtung 9 fließt und der dadurch ein schematisch angedeutetes Primärmagnetfeld 10 erzeugt, wird die Vorrichtung 100 derart angeordnet, dass das Primärmagnetfeld 10 und das Referenzmagnetfeld 20 am Ort des Magnetfeldwinkelsensitiven Elements 3 nicht parallel zueinander sind. Das Magnetfeldwinkel-sensitive Element 3 misst die Ausrichtung eines Gesamtmagnetfeldes, das durch eine Überlagerung des Primärmagnetfeldes 10 und des Referenzmagnetfeldes 20 entsteht. Aus der Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes im Raum ist die Stromstärke des durch den Primärleiter 1 fließenden Stroms IP ermittelbar.
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Insbesondere ist der mittels des Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements 3 gemessene Feldwinkel des Gesamtmagnetfeldes ein Maß für die Feldstärke des Primärmagnetfeldes 10 und somit für den durch den stromdurchflossenen Primärleiter 1 fließenden Strom IP.
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Die Vorrichtung weist einen galvanisch getrennten Aufbau auf und eignet sich für die Messung von Wechsel- und Gleichstrom. Sie zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Strommessgenauigkeit über einen weiten Messbereich aus, da magnetische Winkelmessungen mit sehr hoher Genauigkeit möglich sind.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung 100. Das magnetfeldgebende Element 2 ist als Spule 5 ausgeführt. Das Magnetfeldwinkel-sensitive Element 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel zwei Hall-Elemente 4 auf, die innerhalb der Spule 5 angeordnet sind. Die Hall-Elemente 4 weisen jeweils eine Sensorachse 41 auf, welche orthogonal zueinander angeordnet sind. Weiterhin ist es möglich, dass für jede Sensorachse 41 mehrere parallel zueinander angeordnete Hall-Elemente 4 vorgesehen sind und dass die Messsignale dieser Hall-Elemente 4 gemittelt werden. Alternativ zu den Hall-Elementen 4 kann das Magnetfeldwinkelsensitive Element 3 auch eine AMR-Brücke, eine GMR-Brücke, eine TMR-Brücke, eine Spinventil-GMR-Brücke und/oder eine Spinventil-TMR-Brücke aufweisen oder daraus bestehen.
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In 3 ist eine Vorrichtung 100 zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Vorrichtung 100 umfasst ein magnetfeldgebendes Element 2, das ein Referenzmagnetfeld 20 erzeugt, ein Magnetfeldwinkelsensitives Element 3, das als Spule ausgebildet ist, sowie ein hartmagnetisches Element 6, das den Primärleiter 1 umschließt. Das hartmagnetische Element 6 ist dabei als Ringkern 7 ausgebildet, welcher einen Luftspalt 8 aufweist, in dem das magnetfeldgebende Element 2 und das Magnetfeldwinkel-sensitive Element 3 angeordnet sind. Das hartmagnetische Element 7 dient dabei zur Abschirmung äußerer Magnetfelder. Durch das hartmagnetische Element 6 kann erreicht werden, dass Magnetfelder, die auf das Magnetfeldwinkel-sensitive Element 3 und/oder das magnetfeldgebende Element 2 wirken würden, zumindest teilweise abgeschirmt werden können.
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4 zeigt eine Vorrichtung 100 zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter 1, die ein magnetfeldgebendes Element 2, ein Magnetfeldwinkelsensitives Element 3 und ein hartmagnetisches Element 6 aufweist. Das hartmagnetische Element 6 ist U-förmig ausgebildet und weist zwei gegenüberliegende Schenkel sowie einen die zwei Schenkel verbindenden Teil auf. Sie ist derart zum Primärleiter 1 angeordnet, dass das hartmagnetische Element 6 und der Primärleiter 1 das magnetfeldgebende Element 2 und das Magnetfeldwinkel-sensitive Element 3 umschließen, so dass äußere Felder abgeschirmt werden können. In anderen Worten ist das hartmagnetische Element 6 derart am Primärleiter 1 angeordnet, dass die freiliegenden Enden der sich gegenüberliegenden Schenkel des hartmagnetischen Elements 6 direkt benachbart zum Primärleiter 1 angeordnet sind, und dass sich das magnetfeldgebende Element 2 und das Magnetfeldwinkel-sensitive Element 3 innerhalb dieser Anordnung befinden.
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5 zeigt ein Verfahren zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei werden in einem ersten Verfahrensschritt A ein stromdurchflossener Primärleiter 1, der ein Primärmagnetfeld 10 erzeugt, sowie eine Vorrichtung 100, die ein magnetfeldgebendes Element 2 und ein Magnetfeldwinkel-sensitives Element 3 aufweist, bereitgestellt. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt B wird die Vorrichtung 100 derart zum Primärleiter 1 angeordnet, dass das Magnetfeldwinkel-sensitive Element 3 die Ausrichtung eines Gesamtmagnetfeldes, das durch eine Überlagerung des Primärmagnetfeldes 10 und des Referenzmagnetfeldes 20 entsteht, im Raum misst. Das Primärmagnetfeld 10 und das Referenzmagnetfeld 20 sind dabei am Ort des Magnetfeldwinkel-sensitiven Elements 3 nicht parallel zueinander. In einem weiteren Verfahrensschritt C wird die Stromstärke des durch den Primärleiter 1 fließenden Stroms aus der Ausrichtung des Gesamtmagnetfeldes im Raum ermittelt.
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Die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele können alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß den Ausführungsformen der allgemeinen Beschreibung aufweisen. Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Primärleiter
- 2
- magnetfeldgebendes Element
- 3
- Magnetfeldwinkel-sensitives Element
- 4
- Hall-Element
- 5
- Spule
- 6
- hartmagnetisches Element
- 7
- Ringkern
- 8
- Luftspalt
- 9
- Stromrichtung des durch den Primärleiter fließenden Stroms IP
- 10
- Primärmagnetfeld
- 20
- Referenzmagnetfeld
- 41
- Sensorachse
- 100
- Vorrichtung
- A, B, C
- Verfahrensschritt
