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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Stromes mit einem Stromsensor.
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Elektrische Ströme in und aus einer Fahrzeugbatterie werden beispielsweise in der
DE 10 2009 044 992 A1 und in der
DE 10 2004 062 655 A1 mit einem Stromsensor über einen Messwiderstand, auch Shunt genannt, gemessen. Um die Genauigkeit der Strommessung zu erhöhen, wird in beiden Fällen vorgeschlagen, einen durch die am Messwiderstand abfallende Verlustleistung bedingten Temperaturanstieg zu kompensieren, um Thermospannungen zu vermeiden. Dazu wird auf den Temperaturanstieg von der Verlustleistung aus geschlossen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung das bekannte Verfahren zur Strommessung zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Stromes durch einen elektrischen Leiter in einem Fahrzeug, wobei der elektrische Leiter aus zwei Leiterabschnitten gebildet ist, zwischen denen ein Messwiderstand verschaltet ist, die Schritte:
- – Bestimmen einer über dem Messwiderstand abfallenden elektrischen Messspannung;
- – Erfassen einer ersten Korrekturspannung in Richtung des elektrischen Stromes gesehen vor einem Punkt auf dem Messwiderstand;
- – Erfassen einer zweiten Korrekturspannung in Richtung des elektrischen Stromes gesehen nach dem Punkt auf dem Messwiderstand; und
- – Bestimmen des elektrischen Stromes basierend auf der erfassten elektrischen Messspannung und einer Differenz zwischen der ersten Korrekturspannung und der zweiten Korrekturspannung.
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Dem angegebenen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass die eingangs genannten Kompensationen von Temperaturänderungen vorgenommen werden, um Messfehler zu korrigieren. Diese rühren aus Thermospannungen her, die den vom elektrischen Strom am Messwiderstand verursachten Spannungsabfall verfälscht, so dass der gemessene elektrische Strom ebenfalls fehlerbehaftet ist. Die Korrektur der Messfehler basierend auf der Verlustleistung setzt im eingangs genannten Fall jedoch eine aufwände Modellierung voraus, die in jedem Fall zeitaufwändig ist.
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Hier greift das angegebene Verfahren mit der Überlegung an, dass die Thermospannungen an den Übergängen zwischen den Leiterabschnitten und dem Messwiderstand auftreten und sich prinzipiell am Messwiderstand gegenseitig auslöschen, weil sie einander entgegengerichtet sind. Messfehler werden erst eingebracht, wenn eine die Thermospannungen hervorrufende Temperaturverteilung über den elektrischen Leiter, insbesondere an den zuvor genannten Übergängen ungleichmäßig verteilt ist. Erst dann entstehen unterschiedliche Thermospannungen, die die zu korrigierenden Messfehler einbringen.
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Hier greift das angegebene Verfahren mit dem Vorschlag an, nicht die Thermospannungen selbst oder die Temperaturen selbst, sondern nur die die Messfehler hervorrufende ungleichmäßige Verteilung der Temperaturen und/oder der Thermospannungen auf dem elektrischen Leiter zu betrachten. Die ungleichmäßige Verteilung lässt sich dabei bereits aus einer Spannungsverteilung auf dem elektrischen Leiter erkennen, zu der auch die Korrekturspannungen gehören. In diese Spannungsverteilung gehen letztendlich die Thermospannungen und somit auch die die Thermospannungen hervorrufenden Temperaturen mit eine, so dass diese nicht erst in zeitaufwendiger Weise modelliert werden müssen. Damit kann aus der Spannungsverteilung und somit aus den beiden Korrekturspannungen unmittelbar auf den Messfehler geschlossen werden, der dann bei der Messung des elektrischen Stromes mit berücksichtigt werden kann.
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Der Punkt, vor und nach dem die beiden Korrekturspannungen gemessen werden, sollte so gewählt werden, dass die erste Korrekturspannung und die zweite Korrekturspannung zu dem Punkt symmetrisch erfasst werden. Das heißt, dass einerseits die Materialeigenschaften des elektrischen Leiters zu diesem Punkt symmetrisch verlaufen sollten. Zudem sollten auch die Spannungsabgriffspunkte zu diesem Punkt symmetrisch gelegt werden. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich aus der mit den beiden Korrekturspannungen betrachteten Spannungsverteilung auch tatsächlich Temperaturdifferenzen und damit Thermospannungen über den elektrischen Leiter erkennen lassen.
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In einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens ist ein elektrischer Widerstand bei einer Bezugstemperatur über den die erste Korrekturspannung erfasst, gleich einem elektrischen Widerstand bei einer Bezugstemperatur, über dem die zweite Korrekturspannung erfasst wird. Auf diese Weise kann beispielsweise die oben genannte Symmetrie der Materialeigenschaften erreicht werden.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens besitzen beide elektrische Widerstände einen gleichen Temperaturkoeffizienten, wodurch alternativ oder zusätzlich die oben genannte Symmetrie der Materialeigenschaften erreicht werden kann.
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In einer besonderen Weiterbildung umfasst das angegebene Verfahren die Schritte:
- – Bestimmen einer Temperaturdifferenz basierend auf der Differenz zwischen der ersten Korrekturspannung und der zweiten Korrekturspannung, und
- – Bestimmen des elektrischen Stromes basierend auf der erfassten elektrischen Messspannung und der Temperaturdifferenz.
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Zum Bestimmen des elektrischen Stromes basierend auf der erfassten elektrischen Messspannung und der Temperaturdifferenz kann in an sich bekannter Weise aus der Temperaturdifferenz beispielsweise eine Differenz zwischen den Thermospannungen bestimmt werden, um die sich die Thermospannungen nicht gegenseitig aufheben. Die Messspannung um diese Differenz der Thermospannungen korrigiert werden.
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In einer anderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens können die Korrekturspannungen je über einen Übergang zwischen den Leiterabschnitten des elektrischen Leiters und dem Messwiderstand bestimmt werden. Auf diese Weise werden die Thermospannungen direkt erfasst.
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Dann kann im Rahmen des angegebenen Verfahrens die zuvor genannte Differenz zwischen den Temperaturspannungen basierend auf der Differenz zwischen den je über einen Übergang zwischen den Leiterabschnitten des elektrischen Leiters und dem Messwiderstand bestimmten Korrekturspannungen bestimmt werden, wobei der elektrische Stromes dann basierend auf der erfassten elektrischen Messspannung und der Differenz zwischen den Temperaturspannungen bestimmt werden kann.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, die beiden zuvor genannten Weiterbildungen des angegebenen Verfahrens miteinander zu kombinieren, um beispielsweise Redundanzen bei der Kompensation auszunutzen.
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In einer noch anderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens werden die beiden Korrekturspannungen an einem gemeinsamen Spannungsabgriffspunkt erfasst, um die Anzahl der bereitzustellenden Spannungsabgriffspunkte so niedrig wie möglich zu halten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Steuervorrichtung eingerichtet, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
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In einer Weiterbildung der angegebenen Steuervorrichtung weist die angegebene Vorrichtung einen Speicher und einen Prozessor auf. Dabei ist das angegebene Verfahren in Form eines Computerprogramms in dem Speicher hinterlegt und der Prozessor zur Ausführung des Verfahrens vorgesehen, wenn das Computerprogramm aus dem Speicher in den Prozessor geladen ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Computerprogramm Programmcodemittel, um alle Schritte eines der angegebenen Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer der angegebenen Vorrichtungen ausgeführt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein Computerprogrammprodukt einen Programmcode, der auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist und der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird, eines der angegebenen Verfahren durchführt.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Stromsensor zum Messen eines elektrischen Stromes einen elektrischen Messwiderstand, über den der zu messende elektrische Strom führbar ist eine der angegebenen Steuervorrichtungen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrzeug eine der angegebenen Steuervorrichtungen und/oder den angegebenen Stromsensor.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeuges mit einem elektrischen Antrieb;
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2 eine Prinzipdarstellung eines Stromsensors aus dem Fahrzeuges der 1;
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3 einen Schaltplan des Stromsensors der 2;
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4 eine Prinzipdarstellung eines alternativen Stromsensors aus dem Fahrzeuges der 1; und
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5 einen Schaltplan des alternativen Stromsensors der 4 zeigen.
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In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
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Es wird auf 1 Bezug genommen, die eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeuges 2 mit einer Fahrzeugbatterie 4 zeigt, aus der ein elektrischer Strom 6 abgegeben wird.
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Mit dem elektrischen Strom 6 werden in dem Fahrzeug 2 verschiedene elektrische Verbraucher mit elektrischer Energie 8 versorgt.
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Ein Beispiel für diese elektrischen Verbraucher ist ein Elektromotor 10, der mit der elektrischen Energie 8 die Vorderräder 12 des Fahrzeuges 2 über eine Antriebswelle 14 antreibt. Die Hinterräder 16 des Fahrzeuges 2 sind daher freilaufende Räder. Derartige, zum Antrieb des Fahrzeuges 2 verwendete Elektromotoren 10 werden in der Regel als Wechselstrommotoren ausgelegt, während der elektrische Strom 6 aus der Fahrzeugbatterie 4 ein Gleichstrom ist. In diesem Fall muss der elektrische Strom 6 zunächst über einen Konverter 18 in einen Wechselstrom gewandelt werden.
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In Fahrzeugen, wie dem Fahrzeug
2 wird in der Regel ein Stromsensor
20 verbaut, der den von der Fahrzeugbatterie
4 abgegebenen elektrischen Strom
6 misst. Basierend auf dem gemessenen elektrischen Strom
6 können dann verschiedene Funktionen realisiert werden. Zu diesen gehören beispielsweise Schutzfunktionen, wie aus der
DE 20 2010 015 132 U1 bekannt, mit denen die Fahrzeugbatterie
4 beispielsweise vor einer Tiefenentladung geschützt werden kann.
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Entspricht der mit dem Stromsensor 2 gemessene Strom 6 nur dem elektrischen Strom, der dem Konverter 18 zugeführt wird, kann dieser auch zur Regelung der Antriebsleistung des Fahrzeuges 2 verwendet werden. Die Antriebsleistung wird in der Regel über vom Fahrer des Fahrzeuges 2 mit einem Fahrerwunsch 22 vorgegeben. Eine Motorsteuerung 24 vergleicht dann einen aus dem Fahrerwunsch resultierenden elektrischen Sollstrom mit dem gemessenen elektrischen Strom 6 und steuert den Konverter 18 mit Steuersignalen 26 derart an, dass der gemessene elektrische Strom 6 an den aus dem Fahrerwunsch resultierenden Sollstrom angeglichen wird. Derartige Regelungen sind bestens bekannt und sollen daher nicht weiter vertieft werden.
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Der Stromsensor 20 umfasst einen vorzugsweise als Messwiderstand 28, auch Shunt genannt, ausgebildeten Messaufnehmer und eine Auswerteeinrichtung 30. Der Messwiderstand 28 wird im Rahmen der vorliegenden Ausführung vom elektrischen Strom 6 durchströmt, was zu einem Spannungsabfall 32 an dem Messwiderstand 28 führt. Dieser Spannungsabfall 32 wird als Messspannung durch die Auswerteeinrichtung 30 über ein in Richtung des elektrischen Stromes 6 gesehenes, eingangsseitiges elektrisches Potential 34 am Messwiderstand 28 und ein ausgangsseitiges elektrisches Potential 36 am Messwiderstand 28 erfasst. Aus diesen beiden elektrischen Potentialen 34, 36 berechnet die Auswerteeinrichtung 30 den Spannungsabfall 32 und über den Widerstandswert des Messwiderstandes 28 den elektrischen Strom 6, der durch den Messwiderstand 28 fließt.
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Der Messwiderstand 28 unterscheidet sich als elektrischer Leiter in der Regel von den übrigen elektrischen Leitern, die den elektrischen Strom 6 von der Fahrzeugbatterie 4 zum Konverter 18 führen. Bekanntermaßen ruft der thermoelektrische Effekt, auch Seeback-Effekt genannt, zwischen einem Materialübergang in einem elektrischen Leiter, der in einem Temperaturgefälle, also einer Temperaturdifferenz liegt, eine Thermospannung hervor. Ein derartiger Materialübergang ist aufgrund des Messwiderstandes 28 am Stromsensor 20 eingangsseitig und ausgangsseitig vorhanden. Eine Temperaturdifferenz entsteht prinzipbedingt, weil sich der Messwiderstand 28 aufgrund von durch den elektrischen Strom 6 hervorgerufenen elektrischen Verlustleistungen erwärmt. Die so entstehenden Thermospannungen 38 addierend sich zum Spannungsabfall 32 und verfälschen somit die Messung des elektrischen Stromes 6.
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Daher wird im Rahmen der vorliegenden Ausführung vorgeschlagen, die Messung des elektrischen Stromes 6 um die Thermospannungen 38 zu korrigieren. Dies erfolgt im Rahmen der vorliegenden Ausführung innerhalb der Auswerteeinrichtung 30 uns soll nachstehend beschrieben werden:
Es wird auf 2 und 3 Bezug genommen, die entsprechend den Stromsensor 20 in einer schematischen Darstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und einen Schaltplan des Stromsensors 20 zeigen.
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Im Rahmen der vorliegenden Ausführung umfasst der Stromsensor 20 einen elektrischen Leiter 40, der aus zwei Leiterabschnitten 42 gebildet ist, zwischen denen der Messwiderstand 28 verschaltet ist. Einer der beiden Leiterabschnitte 42 kann dabei elektrisch an die Fahrzeugbatterie 4 angeschlossen werden, während der andere der beiden Leiterabschnitte 42 elektrisch an den Konverter 18 angeschlossen werden kann. Auf diese Weise wird der Messwiderstand 28 vom zu erfassenden elektrischen Strom 6 durchflossen.
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Die beiden elektrischen Potentiale 34, 36 werden dabei an einem Übergang zwischen einem der beiden Leiterabschnitte 42 und dem Messwiderstand 28 in Fließrichtung des elektrischen Stromes 6 vor und nach dem Messwiderstand 28 erfasst und in nicht weiter dargestellter Weise über einen Schaltungsträger 44, wie beispielsweise einer Leiterplatte der Auswerteeinrichtung 30 zugeführt, wie auf dem Schaltungsträger 44 verdrahtet sein kann.
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Zur Korrektur der zuvor genannten Thermospannungen 38 wird im Rahmen der vorliegenden Ausführung vorgeschlagen, eine Temperaturverteilung auf dem elektrischen Leiter 40 über eine Spannungsverteilung auf dem elektrischen Leiter 40 zu erfassen und zu bestimmen, ob die Spannungsverteilung ungleichmäßig ist.
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Die Spannungsverteilung wird anhand wenigstens einer ersten Korrekturspannung 46 und einer zweiten Korrekturspannung 48 erfasst und ausgewertet.
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Wie in 2 gezeigt, kann die erste Korrekturspannung 46 zwischen dem eingangsseitigen Potential 34 und einem weiteren eingangsseitigen Potential 50 in Richtung des elektrischen Stromes 6 gesehen vor dem eingangsseitigen Potential 34 erfasst werden. Entsprechend kann die zweite Korrekturspannung 48 zwischen dem ausgangsseitigen Potential 36 und einem weiteren eingangsseitigen Potential 52 in Richtung des elektrischen Stromes 6 gesehen nach dem ausgangsseitigen Potential 36 erfasst werden. Prinzipiell sollten die beiden Korrekturspannungen 46, 48 von einem Punkt 54 auf dem Messwiderstand 28 aus in Richtung des elektrischen Stromes 6 gesehen entsprechend vor diesem Punkt 54 und nach diesem Punkt 54 erfasst werden.
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Zweckmäßigerweise sollte der Punkt 54 gedanklich in die Mitte des Messwiderstandes 28 gelegt werden, wobei die beiden eingangsseitigen Potentiale 34, 50, und damit die erste Korrekturspannung 46, und die beiden ausgangsseitigen Potentiale 36, 52, und damit die zweite Korrekturspannung 48, symmetrisch zu diesem Punkt 54 ausgewählt werden sollten. Das heißt, dass die beiden ein Abstand 56 zwischen den eingangsseitigen Potentiale 34, 50 gleich einem Abstand 56 zwischen den ausgangsseitigen Potentiale 36, 52 sein sollte, wobei ein Material des elektrischen Leiters zwischen diesen Abständen 56 ebenfalls gleich sein sollte.
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In der vorliegenden Ausführung kann als Material für den Messwiderstand 28 beispielsweise Manganin gewählt werden, während als Material für die Leiterabschnitte 42 Kupfer gewählt werden kann. In diesem Fall wäre das Material zwischen den Abständen 56 Kupfer. Bei dem Namen Manganin handelt es sich um einen Markennamen einer Kupfer-Mangan-Legierung mit einer Zusammensetzung von 82–84 % Kupfer und 12–15 % Mangan. Optional können auch 2–4 % Nickel enthalten sein.
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Ausgehend von den erfassten Korrekturspannungen 46, 48 und damit ausgehend von der erfassten Spannungsverteilung wird nun auf eine Temperaturverteilung geschlossen. Aus dieser Temperaturverteilung ist dann ersichtlich, ob sich die Temperatur des elektrischen Leiters 40 vor dem Messwiderstand 28 gegenüber der Temperatur des elektrischen Leiters 40 nach dem Messwiderstand 28 verändert, was dazu führen würde, dass die zuvor genannten Thermospannungen 38 betragsmäßig ungleich wären und sich daher nicht aufheben würden.
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Zur Bestimmung der Temperaturverteilung wird der Abstand 56 zwischen den eingangsseitigen Potentialen 34, 50 als erster Leiterwiderstand 58 und der zweite Abstand 56 zwischen den ausgangsseitigen Potentialen 36, 52 als zweiter Leiterwiderstand 60 betrachtet. Diese Leiterwiderstände 58, 60 sind temperaturabhängig gemäß der an sich bekannten Beziehung: R = R20(1 + α20·(T – T20)), wobei
- – R
- der Widerstandswert der Leiterwiderstände 58, 60 bei der gesuchten Temperatur;
- – R20
- der Widerstandswert der Leiterwiderstände 58, 60 bei einer Bezugstemperatur,
- – α20
- ein Temperaturkoeffizient, der die Temperaturabhängigkeit des Materials der Leiterwiderstände 58, 60 beschreibt,
- – T
- die gesuchte Temperatur; und
- – T20
- die Bezugstemperatur sind.
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Zur Korrektur der oben genannten Thermospannungen muss die Temperaturverteilung selbst nicht bekannt sein. Es reicht, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen den Korrekturspannungen 46, 48 und damit den Leiterwiderständen 58, 60 bekannt ist. Bezeichnet man beispielsweise den Widerstandswert des ersten Leiterwiderstandes 58 mit R1, den Widerstandswert des zweiten Leiterwiderstandes 60 mit R2, und entsprechend die gesuchte Temperatur des ersten Leiterwiderstandswertes 58 mit T1 und die die gesuchte Temperatur des zweiten Leiterwiderstandswertes 60 mit T2, dann kann die Temperaturdifferenz wie folgt bestimmt werden: R1 – R2 = R20(1 + α20·(T1 – T20)) – R20(1 + α20·(T2 – T20))
→ R1 – R2 = R20·α20·(T1 – T20 – T2 + T20)
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Weil die beiden Leiterwiderstände 58, 60 in dem Stromsensor 20 prinzipbedingt in Reihe geschaltet sind, hat der zu messende Strom 6 zwar einen Einfluss auf die absolute Temperatur der beiden Leiterwiderstände 58, 60, jedoch keinen Einfluss auf die Temperaturdifferenz T1 – T2 zwischen den beiden Leiterwiderständen. Diese ist rein von der Spannnungsdifferenz U1 – U2 zwischen den beiden Leiterwiderständen abhängig. Deshalb lässt sich die vorherige Gleichung wie folgt vereinfachen: T1 – T2 = (U1 – U2)/(R20·α20)
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Dabei sind U1 die erste Korrekturspannung 46 und U2 die zweite Korrekturspannung 48. Aus der Differenz (U1 – U2) der beiden Korrekturspannungen 46, 48 kann dann unmittelbar die Temperaturdifferenz (T1 – T2) über dem Messwiderstand 28 abgeleitet werden, aus der dann das Ungleichgewicht zwischen den beiden Thermospannungen 38 bestimmt werden kann, dass im erfassten elektrischen Strom 6 kompensiert werden muss.
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Die Korrekturspannungen 46, 48 können wie der Spannungsabfall 32 über dem Messwiderstand 28 mit in 3 dargestellten Differenzverstärkern 62 bestimmt werden. Aus den beiden Korrekturspannungen 46, 48 kann dann mit einem Subtraktionsglied 64 beispielsweise in der Auswerteeinrichtung 30 die der Spannungsdifferenz (U1 – U2) zwischen den beiden Korrekturspannungen 46, 48 bestimmt werden, die in 3 mit dem Bezugszeichen 66 versehen ist. Basierend auf der Spannungsdifferenz 66 kann dann in einer Temperaturdifferenzbestimmungseinrichtung 68 die Temperaturdifferenz (T1 – T2) basierend auf der obigen Gleichung bestimmt werden, die in 3 mit dem Bezugszeichen 70 versehen ist. Mit der Temperaturdifferenz 70 kann dann in einer Korrektureinrichtung 72 die Thermospannungsdifferenz 74 zwischen den Thermospannungen 38 bestimmt werden. Mit dieser Thermospannungsdifferenz 74 kann dann die Messspannung 32 vor dem Bestimmen des elektrischen Stromes 6 in einer entsprechenden Bestimmungseinrichtung 76 mit einem weiteren Subtraktionsglied 64 korrigiert werden.
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Alternativ zum Vorgehen im Rahmen der 2 und 3 können zur Kompensation der Temperaturspannungen 38 im elektrischen Strom 6 können das weitere eingangsseitige Potential 34 und das weitere ausgangsseitige Potential 36 auf ein gemeinsames Potential 78 gelegt werden, das wie in 4 gezeigt, beispielsweise auf den Punkt 54 gelegt werden kann.
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Weil der Messwiderstand 28 in der Regel so ausgewählt wird, dass sein Widerstandswert weitestgehend temperaturunabhängig ist, wie es beispielsweise beim oben genannten Manganin der Fall ist, müssen sich die so ergebenden Korrekturspannungen 46, 48 betragsmäßig aufheben. Differenzen zwischen den Beträgen der Korrekturspannungen 46, 48 können daher nur aus den Thermospannungen 38 her rühren. Daher kann die oben genannte Thermospannungsdifferenz 74 zwischen den Thermospannungen 38 auch durch einfaches Subtrahieren der beiden in 4 bestimmten Korrekturspannungen 46, 48 voneinander bestimmt werden. Die restliche Auswertung erfolgt dann analog zu 3, wie in 5 zu sehen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009044992 A1 [0002]
- DE 102004062655 A1 [0002]
- DE 202010015132 U1 [0034]
