DE102016123229A1 - Flow sensor assembly - Google Patents
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Abstract
Um ein Steckverbindermodul mit einer Strommessanordnung auszustatten wird vorgeschlagen, dass in oder an dem dazugehörigen Isolierkörper (2), in welchem die elektrischen Kontakte (1) angeordnet sind, für jeden der elektrischen Kontakte (1) mindestens drei Magnetfeldsensoren (3) angeordnet sind. Dadurch können die Magnetfelder der von den Magnetfeldsensoren umschlossenen elektrischen Kontakte (1) gemäß einem entsprechenden mathematischen Model von denen eventueller externer Störfelder getrennt werden, ohne dass dazu eine äußerst schwierig zu realisierende magnetische Schirmung benötigt wird.To equip a connector module with a current measuring arrangement, it is proposed that at least three magnetic field sensors (3) are arranged in or on the associated insulating body (2) in which the electrical contacts (1) are arranged for each of the electrical contacts (1). As a result, the magnetic fields of the electrical contacts (1) enclosed by the magnetic field sensors can be separated from those of any external interference fields according to a corresponding mathematical model, without the need for an extremely difficult magnetic shielding.
Description
Die Erfindung geht aus von einer Stromsensoranordnung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.The invention is based on a current sensor arrangement according to the preamble of
Derartige Stromsensoranordnung werden benötigt, um in engem Bauraum den jeweiligen Stromfluss durch mehrere elektrische Leiter zu bestimmen.Such current sensor arrangement are required in order to determine the respective current flow through a plurality of electrical conductors in a narrow installation space.
Stand der TechnikState of the art
Im Stand der Technik sind Stromsensoren auf der Basis von Hallelementen bekannt.In the prior art, current sensors based on Hall elements are known.
Die Druckschrift
Weiterhin wurden Steckverbindermodularsysteme unter Verwendung eines Modulrahmens, auch als Halterahmen oder Modularrahmen bekannt, in zahlreichen Druckschriften und Veröffentlichungen offenbart, auf Messen gezeigt und befinden sich insbesondere im industriellen Umfeld in Form von Schwerlaststeckverbindern im Einsatz. Beispielsweise werden sie in den Druckschriften
Im Stand der Technik besteht demnach ein Bedürfnis, auch in einem Steckverbindermodul Stromsensoren einzusetzen, um jeweils einen durch einzelne Kontakte des Steckverbindermoduls fließenden Strom zu messen.Accordingly, there is a need in the prior art to use current sensors also in a connector module in order to measure a current flowing through individual contacts of the connector module.
Eine große Schwierigkeit besteht dabei darin, dass der geometrische Bauraum innerhalb eines solchen Steckverbindermoduls äußerst begrenzt ist. Dadurch liegen die elektrischen Kontakte nah beieinander und ihre Magnetfelder sind somit messtechnisch schwer zu trennen. Eine konventionelle Schirmung der Kontakte ist zudem dadurch erschwert, dass magnetisch schirmende Materialien teuer sind und weiterhin in hohen Materialstärken verarbeitet werden müssen, um eine ausreichende Trennung zu gewährleisten.A major difficulty is that the geometric space within such a connector module is extremely limited. As a result, the electrical contacts are close to each other and their magnetic fields are thus difficult to separate metrologically. A conventional shielding of the contacts is also complicated by the fact that magnetically shielding materials are expensive and must continue to be processed in high material thicknesses to ensure adequate separation.
Aufgabenstellungtask
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Stromsensoranordnung anzugeben, die der vorgenannten Problematik Rechnung trägt und mit der insbesondere auch die Ströme mehrerer elektrischer Kontakte eines solchen Steckverbindermoduls separat voneinander und insbesondere auch unter Einfluss äußerer Störfelder möglichst genau gemessen werden können.The object of the invention is to provide a current sensor arrangement which takes into account the aforementioned problem and with which, in particular, the currents of a plurality of electrical contacts of such a connector module can be measured as accurately as possible separately from one another and in particular also under the influence of external interference fields.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.This object is solved by the subject matter of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Bei der Erfindung handelt es sich um eine Stromsensoranordnung zur Messung des jeweiligen Stromflusses durch mehrere elektrische Kontakte, wobei die Stromsensoranordnung in einem Steckverbindermodul angeordnet ist, wobei das Steckverbindermodul einen Isolierkörper besitzt, in dem die elektrischen Kontakte angeordnet sind, wobei die Stromsensoranordnung für jeden der elektrischen Kontakte mindestens drei Magnetfeldsensoren aufweist.The invention relates to a current sensor arrangement for measuring the respective current flow through a plurality of electrical contacts, wherein the current sensor arrangement is arranged in a connector module, wherein the connector module has an insulating body in which the electrical contacts are arranged, wherein the current sensor arrangement for each of the electrical Contacts has at least three magnetic field sensors.
Insbesondere kann es sich bei den Magnetfeldsensoren um 3D-Magnetfeldsensoren handeln, die Magnetfelder in allen drei Raumrichtungen messen können.In particular, the magnetic field sensors can be 3D magnetic field sensors which can measure magnetic fields in all three spatial directions.
Weiterhin kann es sich bei den Magnetfeldsensoren um Hallelemente handeln.Furthermore, the magnetic field sensors can be Hall elements.
Die Erfindung sieht in einer bevorzugten Ausgestaltung die Anordnung der Magnetfeldsensoren vor, die z.B. um jeden einzelnen elektrischen Kontakt herum angeordnet sein können.The invention provides in a preferred embodiment the arrangement of the magnetic field sensors, e.g. can be arranged around each individual electrical contact around.
Die genaue Anordnung der Magnetfeldsensoren ergibt sich allgemein aus der geometrischen Anordnung der elektrischen Leiter, deren Durchgangsstrom zu messen ist, also im vorliegenden Fall aus der Anordnung der elektrischen Kontakte im Isolierkörper des Moduls. Die Anzahl der Sensoren ergibt sich insbesondere sich aus der Zahl der Freiheitsgrade, die das System hat. Diese betragen mindestens das Dreifache der Anzahl der elektrischen Leiter, d.h. in diesem Fall der elektrischen Kontakte. Besitzt das Modul beispielsweise nur einen einzigen elektrischen Kontakt, so beträgt die Anzahl der Magnetfeldsensoren mindestens drei. Diese können bevorzugt auf einer konzentrischen Kreisbahn um den Kontakt herum angeordnet sein.The exact arrangement of the magnetic field sensors generally results from the geometric arrangement of the electrical conductors whose through-current is to be measured, ie in the present case from the arrangement of the electrical contacts in the insulating body of the module. The number of sensors results in particular from the number of degrees of freedom that the system has. These are at least three times the number of electrical conductors, i. in this case the electrical contacts. For example, if the module has only a single electrical contact, the number of magnetic field sensors is at least three. These may preferably be arranged on a concentric circular path around the contact.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zusätzlich dazu in oder an dem Isolierkörper für jede äußere Störungsquelle noch mindestens drei weitere Sensoren vorgesehen. In a further advantageous embodiment, at least three further sensors are additionally provided in or on the insulating body for each external source of interference.
Da die äußeren Störquellen in der Praxis meist unbekannt sind, kann in erster Näherung eine Störung für jede Raumrichtung angenommen werden, so dass sich die Zahl der Sensoren pro Kontakt verdoppelt. Im vorgenannten Beispiel können somit drei Magnetfeldsensoren für den elektrischen Kontakt vorgesehen sein und drei weitere zur Eliminierung äußerer Störfelder.Since the external sources of interference are usually unknown in practice, a disturbance for each spatial direction can be assumed as a first approximation, so that the number of sensors per contact doubles. In the aforementioned example, three magnetic field sensors can thus be provided for the electrical contact and three others for eliminating external interference fields.
Für den Fall, dass mehrere Leiter, insbesondere elektrische Kontakte, vermessen werden sollen, können die Sensoren auch außen um alle Leiter herum angeordnet werden. Die optimale Positionierung und Ausrichtung ergibt sich aus dem Anordnungsmuster der Leiter im Isolierkörper.In the event that several conductors, in particular electrical contacts to be measured, the sensors can also be arranged around the outside of all conductors around. The optimal positioning and alignment results from the arrangement pattern of the conductors in the insulating body.
Erfindungsgemäß kann so der Stromfluss durch die einzelnen Kontakte errechnet werden.According to the invention, the current flow through the individual contacts can thus be calculated.
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft, weil Magnetfelder, im Gegensatz zu elektrischen Feldern, nur sehr schwer abschirmbar sind. Eine solche magnetische Abschirmung ist nämlich nur mit speziellen Materialien möglich, welche sehr teuer sind und in hohen Materialstärken verarbeitet werden müssen.The invention is particularly advantageous because magnetic fields, in contrast to electric fields, are very difficult shielded. Such magnetic shielding is possible only with special materials, which are very expensive and must be processed in high material thicknesses.
Als Grundlage für das erfindungsgemäße Verfahren dient ein mathematisches Modell, nach dem die jeweiligen äußeren Störungen nicht abgeschirmt, sondern stattdessen aus dem Gesamtsignal herausgerechnet werden, um so das Nutzsignal zu erhalten.The basis for the method according to the invention is a mathematical model, according to which the respective external disturbances are not shielded, but instead are calculated out of the total signal so as to obtain the useful signal.
Somit kann vorteilhafterweise darauf verzichtet werden, die äußeren Magnetfelder abzuschirmen. Im Gegenteil kann es sogar als besonders vorteilhaft angesehen werden, wenn die äußeren Felder möglichst ungestört an die dafür vorgesehenen Magnetfeldsensoren gelangen, um sie gezielt bestimmen zu können.Thus, it can advantageously be dispensed with shielding the outer magnetic fields. On the contrary, it can even be regarded as particularly advantageous if the outer fields reach the magnetic field sensors provided as undisturbed as possible in order to be able to determine them in a targeted manner.
Dafür ist es besonders vorteilhaft, wenn das, den stromdurchflossenen Leiter, insbesondere den elektrischen Kontakt, umgebende Magnetfeld konzentrisch ist und ausgehend von der Oberfläche des Leiters radial mit 1/r abnimmt, wobei r den Radis, d.h. z.B. den Abstand zwischen dem elektrischen Kontakt und dem Magnetfeldsensor, bezeichnet. Schließlich ist es unmöglich, dass eine äußere Störung einen Feldverlauf mit einer derartigen Geometrie imitiert.For this, it is particularly advantageous if the magnetic field surrounding the current-carrying conductor, in particular the electrical contact, is concentric and decreases radially from the surface of the conductor by 1 / r, where r is the radis, i. e.g. the distance between the electrical contact and the magnetic field sensor referred to. Finally, it is impossible for an external perturbation to mimic a field profile with such a geometry.
Von besonderem Vorteil ist es weiterhin, wenn, z.B. aufgrund der Gehäuseabmessungen, der Mindestabstand einer externen Störquelle vom jeweiligen Leiter, insbesondere dem jeweiligen Kontakt, bekannt ist, was wiederum eine untere Grenze für geometrische Annahmen in Bezug auf Krümmungsradien magnetischer Feldlinien darstellt.It is furthermore of particular advantage if, for example, due to the housing dimensions, the minimum distance of an external source of interference from the respective conductor, in particular the respective contact, known, which in turn represents a lower limit for geometric assumptions with respect to radii of curvature of magnetic field lines.
Werden ausreichend viele Magnetfeldsensoren um die Leiter herum angeordnet, lässt sich jede äußere Störquelle aus dem gemeinsamen Datensatz der Sensoren herausrechnen. Dafür können jedoch recht aufwändige Rechnungen vor dem Hintergrund vorsimulierter Modelle notwendig sein.If a sufficient number of magnetic field sensors are arranged around the conductors, any external source of interference can be calculated out of the common data set of the sensors. However, quite complex calculations may be necessary against the background of pre-simulated models.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann ein Steckverbinder beispielsweise durch ein Rechenmodul, welches in seinem Modulsystem aufgenommen ist, zur Durchführung derartiger Rechenoperationen befähigt sein und diese dezentral durchführen. Da in diesem Fall die Rechenleistung begrenzt ist, empfiehlt es sich, die o.g. Minimalvariante zu verwenden, bei der zur Ermittlung des Stromflusses durch einen Kontakt lediglich drei Magnetfeldsensoren Anwendung finden.In a preferred embodiment, a connector, for example, by a computing module, which is included in its modular system, be capable of performing such arithmetic operations and perform this decentralized. Since in this case the computing power is limited, it is recommended that the o.g. Minimal variant to be used in which only three magnetic field sensors are used to determine the current flow through a contact.
Alternativ dazu können die Daten, z.B. über eine Netzwerkschnittstelle eines solchen Modularsystems, an ein übergeordnetes Rechensystem übertragen und von diesem ausgewertet werden. Bei diesem übergeordneten Rechensystem kann es sich beispielsweise um einen zentralen Prozessrechner, aber auch um ein intelligentes Netzwerk handeln, in dem z.B. das Rechenmodul eines benachbarten Steckverbinders diese Rechenoperation durchführt. Aufgrund der so erhöhten Rechenleistung kann die Anzahl von Sensoren auch mehr als drei pro Kontakt betragen. Die Netzwerkschnittstelle kann beispielsweise Bestandteil eines weiteren Steckverbindermoduls sein, das ebenfalls im Modularsystem angeordnet ist und das mit dem Steckverbindermodul und seiner Stromsensoranordnung über ein Bussystem verbunden ist.Alternatively, the data, e.g. be transmitted via a network interface of such a modular system, to a higher-level computing system and evaluated by this. This superordinate computing system can be, for example, a central process computer, but also an intelligent network in which e.g. the computing module of an adjacent connector performs this arithmetic operation. Due to the increased computing power, the number of sensors can be more than three per contact. The network interface may for example be part of a further connector module, which is also arranged in the modular system and which is connected to the connector module and its current sensor arrangement via a bus system.
Ein typischer Ablauf dazu enthält die folgenden Verfahrensschritte:
- 1. Messen der Daten vor Ort
- 2. Auslagern der Analyseaufgabe auf einen leistungsstarken Rechner
- 3. Rücksenden des Ergebnisses an den Sensor
- 4. Kommunikation der Ergebnisinformation an entsprechende übergeordnete Systeme
- 1. Measuring the data on site
- 2. Outsourcing the analysis task to a high-performance computer
- 3. Return the result to the sensor
- 4. Communication of the result information to corresponding higher-level systems
Wie bereits erwähnt, kann es sich bei den Magnetfeldsensoren um Hallelemente handeln. Die größten technischen Vorteile bei der Verwendung solcher Hallelementen im Vergleich zu Systemen, basierend auf Spulen oder Shunts, sind die Miniaturisierung und die Minimalinvasivität, da es ausreichend ist, die Sensoren außen am Isolierkörper anzubringen.As already mentioned, the magnetic field sensors can be Hall elements. The greatest technical advantages of using such Hall elements as compared to systems based on coils or shunts are miniaturization and minimal invasiveness, since it is sufficient to mount the sensors on the outside of the insulator.
Figurenliste list of figures
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
-
1 einen elektrischen Leiter mit mehreren Hallelementen in einem Isolierkörper; -
2 mehrere elektrische Leiter mit mehreren Hallelementen in einem Isolierkörper; -
3 einen elektrischen Leiter mit einem dazugehörigen Magnetfeld und einem weiteren Magnetfeld einer externen Quelle.
-
1 an electrical conductor with a plurality of Hall elements in an insulating body; -
2 a plurality of electrical conductors with a plurality of Hall elements in an insulating body; -
3 an electrical conductor with an associated magnetic field and another magnetic field from an external source.
Die Figuren enthalten teilweise vereinfachte, schematische Darstellungen. Zum Teil werden für gleiche, aber gegebenenfalls nicht identische Elemente identische Bezugszeichen verwendet. Verschiedene Ansichten gleicher Elemente könnten unterschiedlich skaliert sein.The figures contain partially simplified, schematic representations. In part, identical reference numerals are used for the same but possibly not identical elements. Different views of the same elements could be scaled differently.
Die
Die
Die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- elektrischer Kontakt / elektrischer Leiterelectrical contact / electrical conductor
- 22
- Isolierkörperinsulator
- 33
- 3D-Magnetfeldsensoren/Hallsensoren3D magnetic field sensors / Hall sensors
- 44
- Magnetfeld des elektrischen LeitersMagnetic field of the electrical conductor
- 55
- Magnetfeld einer externen QuelleMagnetic field of an external source
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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