DE102021206756A1

DE102021206756A1 - Strommesseinrichtung zur berührungslosen Strommessung, Verwendung, Magnetfeldsensoreinheit zur berührungslosen Messung sowie Verfahren zur berührungslosen Strommessung

Info

Publication number: DE102021206756A1
Application number: DE102021206756.5A
Authority: DE
Inventors: Philipp Ziegler; Jörg Haarer
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2021-06-29
Filing date: 2021-06-29
Publication date: 2022-12-29

Abstract

Strommesseinrichtung (20) zur berührungslosen Strommessung eines Stromes eines stromführenden Leiters (10), aufweisend: mindestens einen Magnetfeldsensor (31, 32, 33, 34, 40) und eine Signalverarbeitungseinheit (50), wobei der mindestens eine Magnetfeldsensor (31, 32, 33, 34, 40) einen Abstand r zum stromführenden Leiter (10) aufweist und konfiguriert ist, eine effektive magnetische Feldstärke(|H→eff|)in Richtung einer Messachse (E) zu messen, wobei die Messachse(E→)des mindestens einen Magnetfeldsensors (31, 32, 33, 34, 40) gegenüber einer Magnetfeldrichtung (H) eines Magnetfeldes des stromführenden Leiters (10) einen Winkel größer als 0° bildet und dadurch die effektive magnetische Feldstärke(|H→eff|)kleiner als die magnetische Feldstärke des Magnetfeldes(|H→|)im Abstand r zum stromführenden Leiter (10) ist und wobei die Signalverarbeitungseinheit (50) konfiguriert ist, eine Stromstärke (I) im stromführenden Leiter (10) basierend auf der gemessenen effektiven magnetischen Feldstärke(|H→eff|)des mindestens einen Magnetfeldsensors (31, 32, 33, 34, 40) und dem Abstand r des mindestens einen Magnetfeldsensors (31, 32, 33, 34, 40) zum stromführenden Leiter (10) zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strommesseinrichtung zur berührungslosen Strommessung eines Stromes eines stromführenden Leiter und deren Verwendung, eine Magnetfeldsensoreinheit zur berührungslosen Messung einer magnetischen Feldstärke eines Magnetfeldes eines stromführenden Leiters sowie ein Verfahren zur berührungslosen Strommessung eines Stromes eines stromführenden Leiter.
Elektrische Anwendungen benötigen sehr häufig Messeinrichtungen, welche die Stärke eines elektrischen Stroms in einem stromführenden Leiter bestimmen können. Hierbei ist es aber in vielen Fällen, beispielsweise in der Leistungselektronik, der Fahrzeugtechnik oder der Charakterisierung von Leistungshalbleitern, nicht möglich die Strommessung durch einen direkten elektrischen Kontakt der Messeinrichtung mit dem stromführenden Leiter durchzuführen. Stattdessen werden hierzu häufig berührungslose Messmethoden eingesetzt, die auf Sensoren zur Messung eines magnetischen Feldes um den stromführenden Leiter herum beruhen. Der große Vorteil einer solchen berührungslosen Messung des magnetischen Feldes ist eine galvanische Entkopplung zwischen der Messeinrichtung und dem stromführenden Leiter.
Für berührungslose Strommesseinrichtungen werden dabei Magnetfeldsensoren verwendet, welche das Magnetfeld des stromführenden Leiters in Richtung ihrer sensitiven Achse messen. Auf verschiedenen physikalischen Effekten beruhend, eignen sich hierzu unter anderem TMR-Sensoren (tunnel-magnetoresistance, TMR), GMR-Sensoren (giant magnetoresistance, GMR) und AMR-Sensoren (anisotropic magnetoresistance, AMR), die alle magnetoresistive Effekte ausnutzen, sowie Hall-Sonden und Rogowski-Spulen. Diese Sensoren weisen alle einen linearen Betriebsbereich auf, in welchem ein linearer Zusammenhang zwischen einer Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors und der magnetischen Feldstärke des Magnetfelds des stromführenden Leiters gilt. Außerhalb dieses linearen Bereiches tritt aufgrund der magnetischen Feldstärke ein nichtlinearer Sättigungseffekt auf, der keine Rückschlüsse auf das Magnetfeld zulässt. Da die magnetische Feldstärke des Magnetfeldes um den stromführenden Leiter herum mit wachsendem Abstand zum Leiter abnimmt, resultiert aus der Vorgabe zur Nutzung des linearen Bereiches des Magnetfeldsensors und dem zu erwartenden Betrags der Stromstärke im Leiter der zu wählende Abstand der Magnetfeldsensoren zum Leiter. Durch den festgelegten Abstand der Magnetfeldsensoren zum Leiter wird damit auch der Messbereich sowie die Sensitivität des Magnetfeldsensors und letztlich auch die der Strommesseinrichtung festgelegt. Gerade bei hohen zu messenden Strömen führt dieser Zusammenhang zu großen Abmessungen der Strommesseinrichtung.
In berührungslosen Strommesseinrichtungen wird der Abstand r zwischen Leiter und Magnetsensor so gewählt, dass der lineare Bereich möglichst effizient genutzt werden kann. Dies führt aber regelmäßig zu großen Abmessungen der Strommesseinrichtung. Diese großen Abmessungen machen zudem die Strommesseinrichtung anfälliger für externe Störeinflüsse. Zudem wird durch die Positionierung der Magnetfeldsensoren mit einem festen Abstand zum stromführenden Leiter auch der Strommessbereich sowie die Sensitivität der Strommesseinrichtung festgelegt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strommesseinrichtung bereitzustellen, welche verringerte Abmessungen ermöglicht, den Strommessbereich variabel einstellbar macht und die Störeinflüsse auf die Strommesseinrichtung verringert.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Sofern nichts anderes angegeben ist, wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung unter dem Begriff „Verbinden“ stets ein elektrisches Verbinden verstanden.
Ein Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Strommesseinrichtung zur berührungslosen Strommessung eines Stroms eines stromführenden Leiters, aufweisend: mindestens einen Magnetfeldsensor und eine Signalverarbeitungseinheit, wobei der mindestens eine Magnetfeldsensor einen Abstand r zum stromführenden Leiter aufweist und konfiguriert ist, eine effektive magnetische Feldstärke in Richtung einer Messachse zu messen, wobei die Messachse des mindestens einen Magnetfeldsensors gegenüber einer Magnetfeldrichtung eines Magnetfeldes des stromführenden Leiters einen Winkel größer als 0° bildet und dadurch die effektive magnetische Feldstärke kleiner als die magnetische Feldstärke des Magnetfeldes im Abstand r zum stromführenden Leiter ist und wobei die Signalverarbeitungseinheit konfiguriert ist, eine Stromstärke im stromführenden Leiter basierend auf der gemessenen effektiven magnetischen Feldstärke des mindestens einen Magnetfeldsensors und dem Abstand r des mindestens einen Magnetfeldsensors zum stromführenden Leiter zu bestimmen.
Dabei bietet die Strommesseinrichtung den Vorteil, dass sie sehr flexibel mit ein oder mehreren Magnetfeldsensoren konfiguriert werden kann und alle Sensortypen einsetzbar sind, bei denen die Amplitude des Sensorausgangsignals bei konstantem Magnetfeld und konstantem Abstand zum stromführenden Leiter durch Veränderung der Sensorlage im Raum variiert werden kann.
Grundlage für die Anordnung der ein oder mehreren Magnetfeldsensoren sind dabei die physikalischen Gesetzmäßigkeiten, die sich für die räumliche Ausbreitung eines Magnetfeldes um einen stromführenden Leiter ergeben. Hierbei dreht sich das magnetische Feld nach dem Durchflutungsgesetz zylindrisch um den stromführenden Leiter. Das bedeutet, dass der Betrag der magnetischen Feldstärke, also der Betrag des magnetischen Feldvektors, entlang des stromführenden Leiters in einem konstanten Radius um den Leiter den gleichen Wert aufweist und eine zylinderförmige Feldlinie um den Leiter bildet. Dabei ergibt sich für die magnetische Feldstärke folgender Zusammenhang aus dem Abstand r und der Stromstärke I im Leiter: $| \vec{H} (r, I) | = \frac{I}{2 π r}$
Die magnetische Feldstärke fällt also bei konstantem Strom in Radiusrichtung reziprok ab. Die Stromstärke im Leiter kann demnach mittels des Radius bezüglich des Messpunkts im Magnetfeldsensor und der magnetischen Feldstärke im Messpunkt ermittelt werden. Die magnetische Feldstärke ist durch den Magnetfeldsensor indirekt über die Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors messbar. Vorteilhafterweise befindet sich der Magnetfeldsensor zur Messung der magnetischen Feldstärke in seinem linearen Arbeitsbereich, um besonders gute Messergebnisse zu ermöglichen. Besonders vorteilhaft wird vermieden, den Magnetfeldsensor in seinem Sättigungsbereich zu betreiben. Bevorzugt ist vor der Strommessung der zu erwartende Strommessbereich und damit auch der zu erwartende Betrag der auftretenden magnetischen Feldstärke bekannt und der Radius wird so gewählt, damit der Magnetfeldsensor bei einer Messung im linearen Bereich arbeitet. Für die Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors ergibt sich somit im linearen Bereich mit einer Konstante K: $u_{S e n s o r} = K \frac{I}{2 π r}$
Dabei ist anzumerken, dass die hier betrachteten Magnetfeldsensoren eine Vorzugsrichtung zur Messung der magnetischen Feldstärke besitzen, wobei die Magnetfeldsensoren nur den Anteil an der magnetischen Feldstärke messen, der vektoriell in diese Vorzugsrichtung zeigt. Diese magnetfeldsensitive Vorzugsrichtung wird im Folgenden auch als Messachse des Magnetfeldsensors bezeichnet.
Herkömmlich wurden bei der räumlichen Anordnung der Magnetfeldsensoren in der Strommessanordnung die Magnetfeldsensoren derart konfiguriert, dass sie den gesamten Betrag der magnetischen Feldstärke messen. Hierzu stimmt die Richtung der Messachse des Magnetfeldsensors zumindest annähernd mit der Richtung des zu messenden Magnetfelds überein. Dabei steht eine magnetfeldsensitive Grundfläche des Magnetfeldsensors senkrecht zur Messachse und der Magnetfeldsensor misst den gesamten Betrag der magnetischen Feldstärke. Ist nun die magnetische Feldstärke für den linearen Bereich des Magnetfeldsensors zu groß, muss stattdessen der Radius zwischen dem Magnetfeldsensor und dem Leiter vergrößert werden.
Vorteilhafterweise wird bei der erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung die Messachse der Magnetfeldsensoren bezüglich der Richtung der magnetischen Feldstärke des Magnetfelds gekippt, insbesondere in eine beliebige Richtung gekippt. Dadurch verringert sich auch die magnetfeldsensitive Grundfläche der Magnetfeldsensoren senkrecht zur Richtung der magnetischen Feldstärke des Magnetfelds. Dabei verringert sich auch die vom Magnetfeldsensor gemessene magnetische Feldstärke, die hier auch als effektive magnetische Feldstärke bezeichnet wird. Der Magnetfeldsensor misst somit vorteilhafterweise eine geringere effektive magnetische Feldstärke als die tatsächliche magnetische Feldstärke des zu messenden Magnetfelds. Entsprechend wird bevorzugt die Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors bezüglich des Kippwinkels noch korrigiert. Dabei kann der Kippwinkel einen Neigungsanteil mit dem Winkel φ und/oder einen Drehanteil mit dem Winkel α aufweisen. Wenn der Kippwinkel nur einen Neigungsanteil aufweist, ergibt sich die Korrektur zu: $U_{S e n s o r} = K \frac{I}{2 π r} \cdot cos φ$
Bei einem Kippwinkel nur mit Drehanteil ergibt sich die Korrektur zu: $U_{S e n s o r} = K \frac{I}{2 π r} \cdot cos α$
Bei einem Kippwinkel mit Neigungs- und Drehanteil ergibt sich die Korrektur zu: $U_{S e n s o r} = K \frac{I}{2 π r} \cdot cos φ \cdot cos α$
Durch das Kippen der Magnetfeldsensoren vergrößert sich nun - bei vorgegebener tatsächlicher Magnetfeldstärke - vorzugsweise der lineare Messbereich der Magnetfeldsensoren und/oder der Abstand r zwischen stromführenden Leiter und Magnetfeldsensoren kann kleiner gewählt werden. In anderen Worten kann aufgrund des gekippten Magnetfeldsensors der Abstand des Magnetfeldsensors zu einem stromführenden Leiter verringert werden, und der Magnetfeldsensor gleichzeitig bei linearer Messsensitivität, d.h. im linearen Messbereich betrieben werden. Somit können durch die gezeigte Strommesseinrichtung die räumlichen Abmessungen im Vergleich zu einer herkömmlichen Strommesseinrichtung verringert werden. Außerdem verringern die kleineren Dimensionen der Strommesseinrichtung auch den Einfluss von externen Störgrößen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Strommesseinrichtung ist der Winkel zwischen der Messachse des mindestens einen Magnetfeldsensors und der Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes des stromführenden Leiters einstellbar und optional ist der Winkel derart einstellbar, dass bis zu einer bei der Messung der magnetischen Feldstärke maximal zu erwartenden magnetischen Feldstärke des Magnetfeldes des stromführenden Leiters ein linearer Zusammenhang zwischen einer Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors und der magnetischen Feldstärke des Magnetfelds des stromführenden Leiters gilt.
Durch die Verwendung von Magnetfeldsensoren, welche verstellbar in Hinblick auf ihren Kippwinkel sind, kann zudem ein Strommessbereich und die damit zusammenhängende Sensitivität der Strommesseinrichtung unter Berücksichtigung des linearen Bereichs der Magnetfeldsensoren variabel einstellbar konfiguriert werden. Insbesondere kann die bevorzugte Strommesseinrichtung bei gleichbleibenden Abmessungen auf verschiedene zu messende Stromgrößen angepasst bzw. eingestellt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Strommesseinrichtung ist die Messachse des mindestens einen Magnetfeldsensors um eine Radiusrichtung des stromführenden Leiters neigbar und/oder die Messachse des mindestens einen Magnetfeldsensors ist um eine Achsrichtung parallel zur Stromflussrichtung des stromführenden Leiters drehbar.
Dabei lässt sich die Kipprichtung der Magnetfeldsensoren in einen Anteil in Richtung um die Radiusrichtung des stromführenden Leiters und in einen Anteil in um eine Achsrichtung parallel zur Stromflussrichtung des stromführenden Leiters aufteilen. Im Weiteren wird der Kippanteil um die Radiusrichtung auch als Neigungswinkel φ des Magnetfeldsensors und der Kippanteil um die parallele Stromflussrichtung auch als Drehwinkel α bezeichnet. Hierbei weist vorzugsweise ein Neigen der Magnetfeldsensoren um den Winkel φ einen annähernd linearen Zusammenhang zwischen einer Ausgangsspannung des Magnetfeldsensors und der magnetischen Feldstärke des Magnetfelds des stromführenden Leiters für einen großen Betriebsbereich auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Strommesseinrichtung weist der mindestens eine Magnetfeldsensor einen festen Abstand r₀ zum stromführenden Leiter auf oder der Abstand r des mindestens einen Magnetfeldsensors zum stromführenden Leiter ist einstellbar.
Durch die Verwendung von Magnetfeldsensoren, welche verstellbar in Hinblick auf Abstand zum stromführenden Leiter sind, kann ein Strommessbereich und die damit zusammenhängende Sensitivität der Strommesseinrichtung noch variabler eingestellt werden. Hierbei ist auch eine Konfiguration möglich, bei der nur eine Teilmenge der Magnetfeldsensoren in ihrem Abstand zum Leiter verstellbar sind, während die anderen, restlichen Magnetfeldsensoren der Magnetfeldsensoren der Strommesseinrichtung einen festen Abstand behalten. Auch auf diese Art kann der Strommessbereich beeinflusst werden. Beispielsweise kann beim Einsatz von TMR-Sensoren und einer Rogowski-Spule als Magnetfeldsensoren die TMR-Sensoren ortsfest und die Rogowski-Spule in ihrem Abstand zum Leiter verstellbar sein. Hierbei messen die TMR Sensoren einen großen Gleichstrom, während ein kleiner Wechselstromanteil mit einer großen Rogowski-Spule gemessen werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Strommesseinrichtung erfolgt die Messung der magnetischen Feldstärke des Magnetfeldes des stromführenden Leiters durch den mindestens einen Magnetfeldsensor auf Basis eines magnetoresistiven Effekts, des Hall-Effekts und/oder durch eine Rogowski-Spule.
Magnetfeldsensoren basierend auf einem magnetoresistiven Effekt sind hier beispielsweise TMR-Sensoren, GMR-Sensoren und AMR-Sensoren. Hierbei können bei der Konfiguration der Strommesseinheit mit mehreren Magnetfeldsensoren neben der Verwendung ausschließlich eines Sensortyps auch Konfigurationen mit gemischten Sensortypen verwendet werden. Dabei ergibt sich vorzugsweise, außer beim Einsatz zumindest einer Rogowski-Spule, die Verwendung einer geraden Anzahl von Magnetfeldsensoren des gleichen Typs, um symmetrische Eigenschaften der Strommesseinheit zu erhalten. Der Einsatz einer ungeraden Anzahl von Magnetfeldsensoren des gleichen Typs ist ebenso möglich. Generell ist hierbei jedwede Anzahl an Magnetfeldsensoren möglich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Strommesseinrichtung weist die Strommesseinrichtung eine Mehrzahl von Magnetfeldsensoren auf, wobei bei allen Magnetfeldsensoren der Mehrzahl von Magnetfeldsensoren der Winkel zwischen der Messachse und der Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes des stromführenden Leiters fest konfiguriert ist oder wobei bei einer Teilmenge der Mehrzahl von Magnetfeldsensoren der Winkel zwischen der Messachse und der Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes des stromführenden Leiters einstellbar und bei den restlichen Magnetfeldsensoren der Winkel fest konfiguriert ist oder wobei bei allen Magnetfeldsensoren der Mehrzahl von Magnetfeldsensoren der Winkel zwischen der Messachse und der Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes des stromführenden Leiters einstellbar ist.
Durch die hohe Zahl von möglichen Konfigurationen mit festen und einstellbaren Winkeln der Magnetfeldsensoren ist wiederum eine hohe Flexibilität bezüglich des Strommessbereichs möglich. Dabei kann die Konfiguration aus festen und/oder einstellbaren Winkeln der Magnetfeldsensoren insbesondere darauf ausgerichtet sein, eine Strommesseinrichtung mit einem festen und/oder einem variablen Messbereich bereitzustellen. Es ist auch eine Konfiguration möglich, bei der ein fester Messbereich festgelegt ist und ein variabler Messbereich kann zusätzlich generiert und/oder umgeschaltet werden.
Hierbei werden die Ausgangssignale der Mehrzahl von Magnetfeldsensoren an die Signalverarbeitungseinheit weitergeleitet und dort zu einem kombinierten Signal für die weitere Berechnung zusammengefügt und/oder verknüpft. Die Verknüpfung kann dabei auf einer geeigneten elektrischen Schaltung beruhen, die für die Anzahl der Magnetfeldsensoren optimiert ist und/oder statistische Methoden anwendet.
Vorzugsweise arbeiten die Mehrzahl von Magnetfeldsensoren hierbei in ihrem jeweiligen linearen Bereich. Durch die Verknüpfung der einzelnen Ausgangssignale der Mehrzahl von Magnetfeldsensoren ergibt sich hier vorzugsweise wiederum ein Ausgangssignal der Signalverarbeitungseinheit, welches einen linearen Zusammenhang mit dem magnetischen Feld hat. Somit ist das Ausgangssignal der Signalverarbeitungseinheit auch proportional zum gemessenen Strom.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Strommesseinrichtung weist die Strommesseinrichtung eine Mehrzahl von Magnetfeldsensoren auf, wobei ein Magnetfeldsensor der Mehrzahl von Magnetfeldsensoren eine Rogowski-Spule ist und wobei die Strommessung durch die Mehrzahl von Magnetfeldsensoren nach dem HOKA-Prinzip erfolgt.
Beim HOKA-Prinzip werden die Frequenz-Antworten von tiefpassgefilterten Magnetfeldsensoren auf Basis eines magnetoresistiven Effekts oder des Hall-Effekts mit der Frequenz-Antwort einer tiefpassgefilterten Rogowski-Spule kombiniert. Hierbei bilden die Magnetfeldsensoren auf Basis eines magnetoresistiven Effekts oder des Hall-Effekts ein Ringintegral gemäß dem Durchflutungsgesetz. Eine resultierende Frequenzantwort der gesamten Strommesseinheit reicht dabei von einem Gleichspannungsbereich bis zu einer Wechselspannung mit einer festgelegten oberen Grenzfrequenz. Die Grenzfrequenz kann hier beispielsweise 240 MHz oder 380 MHz oder eine andere für Rogowski-Spulen übliche Grenzfrequenz sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Strommesseinrichtung weist die Strommesseinrichtung mindestens zwei Magnetfeldsensoren auf und der Winkel zwischen der Messachse und der Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes des stromführenden Leiters ist von mindestens zwei der Magnetfeldsensoren ungleich konfiguriert oder ungleich einstellbar und optional weist der Winkel von jeweils zwei Magnetfeldsensoren einen annähernd gleichen Winkelbetrag bei unterschiedlichem Winkelvorzeichen auf.
Durch die Verwendung von mindesten zwei Magnetfeldsensoren mit gleichem Winkelbetrag bei unterschiedlichem Winkelvorzeichen können sich vorzugsweise winkelabhängige Störeinflüsse gegenseitig aufheben.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Strommesseinrichtung weist die Strommesseinrichtung mindestens zwei Magnetfeldsensoren auf und bei einer geraden Anzahl von Magnetfeldsensoren sind jeweils zwei der Magnetfeldsensoren punktsymmetrisch zur Stromflussrichtungsachse des stromführenden Leiters angeordnet.
Vorzugsweise wird bei einer Konfiguration ohne eine Rogowski-Spule eine gerade Anzahl von Magnetfeldsensoren verwendet, wobei vorzugsweise bei einer kreisförmigen Anordnung der Magnetfeldsensoren um den Leiter die Winkel zwischen den Magnetfeldsensoren gleich oder annähernd gleich sind. Eine Konfiguration mit einer ungeraden Anzahl von Magnetfeldsensoren kann dennoch sinnvoll sein. Beispielsweise kann bei einer solchen Konfiguration der Winkel zwischen den Magnetfeldsensoren um den Leiter herum gleich sein. Vorzugsweise wird eine Konfiguration mit mindestens vier Magnetfeldsensoren eingesetzt, da somit eine ausreichende Kompensation von Bauteilstreuungen möglich ist. Eine Konfiguration mit deutlich mehr als vier Magnetfeldsensoren, beispielsweise mit zwölf Magnetfeldsensoren, ist ebenso möglich, allerdings steigt damit auch die Komplexität im Aufbau der Strommesseinrichtung.
Im Besonderen ist bei der Auswahl der Magnetfeldsensoren darauf zu achten, dass die Bauteile wie TMR-, GMR- und AMR-Sensoren sowie Hall-Sonden und Rogowski-Spulen eine möglichst hohe Bandbreite aufweisen. Zudem sollte die Bauart der Magnetfeldsensoren auf die zu messenden Stromstärke angepasst sein. Beispielsweise ist der Einsatz von TMR Magnetfeldsensoren TMR 2102, TMR 2103 und TMR 2104 von Multidimensions Technology Limited möglich, ist aber nicht auf diese Sensoren beschränkt.
Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Verwendung einer Strommesseinrichtung zur berührungslosen Strommessung in einem stromführenden Leiter wie zuvor beschrieben.
Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Magnetfeldsensoreinheit zur berührungslosen Messung einer magnetischen Feldstärke eines Magnetfeldes eines stromführenden Leiters, aufweisend: mindestens einen Magnetfeldsensor, wobei der mindestens eine Magnetfeldsensor einen Abstand r zum stromführenden Leiter aufweist und konfiguriert ist, eine effektive magnetische Feldstärke in Richtung einer Messachse zu messen, wobei die Messachse des mindestens einen Magnetfeldsensors gegenüber einer Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes des stromführenden Leiters einen Winkel größer als 0° bildet und dadurch die effektive magnetische Feldstärke kleiner als die magnetische Feldstärke des Magnetfeldes im Abstand r zum stromführenden Leiter ist und wobei die Magnetfeldsensoreinheit konfiguriert ist, die vom mindestens einen Magnetfeldsensor gemessene effektive magnetische Feldstärke des mindestens einen Magnetfeldsensors in eine Ausgangsspannung umzuwandeln und an einem Ausgang der Magnetfeldsensoreinheit bereitzustellen.
Die obigen Ausführungen zur Strommesseinrichtung gelten sinngemäß für die Magnetfeldsensoreinheit.
Ein weiterer Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Strommessung eines Stromes eines stromführenden Leiters, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer Strommesseinrichtung wie zuvor beschrieben, Anordnen der Strommesseinrichtung um einen stromführenden Leiter, Messen der effektiven magnetischen Feldstärke in Richtung der Messachse durch den mindestens einen Magnetfeldsensor der Strommesseinrichtung und Bestimmen einer Stromstärke im stromführenden Leiter basierend auf der effektiven Feldstärke sowie einem Abstand r des mindestens einen Magnetfeldsensors zum stromführenden Leiter. Die Bestimmung der der Stromstärke kann mittels Berechnung basierend auf der gemessenen effektiven Feldstärke sowie dem gemessenen oder bekannten Abstand r des mindestens einen Magnetfeldsensors zum stromführenden Leiter erfolgen. Die Bestimmung kann auch durch Entnehmen des Wertes aus einer vorab erstellten Tabelle erfolgen, in der Werte der Stromstärke Werten der gemessenen effektiven Feldstärke sowie Werten des gemessenen oder bekannten Abstandes r des mindestens einen Magnetfeldsensors zum stromführenden Leiter zugeordnet sind. Hierbei ist es möglich, dass ausgehend von Werten der gemessenen effektiven Feldstärke und/oder Werten des gemessenen oder bekannten Abstandes r des mindestens einen Magnetfeldsensors zum stromführenden Leiter interpoliert bzw. extrapoliert wird, um zugehörige Werte der Tabelle zu entnehmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weist die Strommesseinrichtung eine Mehrzahl von Magnetfeldsensoren auf und das Verfahren weist zudem auf: Mitteln der magnetischen Feldstärken gemessen durch die Mehrzahl von Magnetfeldsensoren und Mitteln der Abstände der Mehrzahl von Magnetfeldsensoren zum stromführenden Leiter.
Für die oben genannten Aspekte und insbesondere für diesbezügliche bevorzugte Ausführungsformen gelten auch die vor- oder nachstehend gemachten Ausführungen zu den Ausführungsformen der jeweils anderen Aspekte.
Im Folgenden werden einzelne Ausführungsformen zur Lösung der Aufgabe anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei weisen die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen zum Teil Merkmale auf, die nicht zwingend erforderlich sind, um den beanspruchten Gegenstand auszuführen, die aber in bestimmten Anwendungsfällen gewünschte Eigenschaften bereitstellen. So sollen auch Ausführungsformen als unter die beschriebene technische Lehre fallend offenbart angesehen werden, die nicht alle Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Ferner werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, bestimmte Merkmale nur in Bezug auf einzelne der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Es wird darauf hingewiesen, dass die einzelnen Ausführungsformen daher nicht nur für sich genommen, sondern auch in einer Zusammenschau betrachtet werden sollen. Anhand dieser Zusammenschau wird der Fachmann erkennen, dass einzelne Ausführungsformen auch durch Einbeziehung von einzelnen oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsformen modifiziert werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass eine systematische Kombination der einzelnen Ausführungsformen mit einzelnen oder mehreren Merkmalen, die in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben werden, wünschenswert und sinnvoll sein kann und daher in Erwägung gezogen und auch als von der Beschreibung umfasst angesehen werden soll.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung eines stromführenden Leiters und dem daraus resultierenden magnetischen Feld.
2 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer berührungslosen Strommesseinrichtung basierend auf vier TMR Magnetfeldsensoren.
3 zeigt einen internen Aufbau eines TMR-Magnetfeldsensors
4 zeigt eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines TMR Magnetfeldsensors.
5 zeigt eine schematische Darstellung der Nutzung einer Winkelabhängigkeit von einem Magnetfeldsensor gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer berührungslosen Strommesseinrichtung mit mindestens einem Magnetfeldsensor gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt einen Ausgangsspannungsverlauf eines TMR Magnetfeld-sensors in Abhängigkeit zu dessen Neigungswinkel bei einer konstanten magnetischen Feldstärke gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt einen Ausgangsspannungsverlauf eines TMR Magnetfeld-sensors in Abhängigkeit zur magnetischen Feldstärke bei einem konstanten Neigungswinkel gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt ein elektrotechnisches Ersatzschaltbild einer Rogowski-Spule.
10 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer berührungslosen Strommesseinrichtung basierend auf einer Rogowski-Spule.
11 zeigt eine schematische Darstellung der Nutzung einer Winkelabhängigkeit einer Rogowski-Spule gemäß der vorliegenden Erfindung.
12 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer berührungslosen Strommesseinrichtung basierend auf einer Kombination von vier Magnetfeldsensoren und einer Rogowski-Spule nach dem HOKA Prinzip gemäß der vorliegenden Erfindung.
13 zeigt ein Blockdiagramm der Strommesseinrichtung aus 12.
14 zeigt eine kombinierte Frequenzantwort der Strommesseinrichtung aus 12.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines stromführenden Leiters 10 mit einer Stromstärke I und dem daraus resultierenden magnetischen Feld $\vec{H} .$
Dabei ergibt sich das magnetische Feld $\vec{H}$
aus der Stromflussrichtungsachse $\vec{I},$
dem Radius r und dem Durchflutungsgesetz zylindrisch um den stromführenden Leiter 10. Der Betrag $| \vec{H} |$
der magnetischen Feldstärke entlang des stromführenden Leiters in einem konstanten Radius um den stromführenden Leiter 10 weist dabei einen konstanten Wert auf. Zusätzlich zum Zylinderkoordinatensystem des magnetischen Feldes ist auch ein orthogonales Koordinatensystem mit den Achsen $\vec{r}, \vec{y}$
und $\vec{z}$
für die Lage eines Sensors relativ zum Magnetfeld zugeordnet.
Die 2 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer berührungslosen Strommesseinrichtung 20 basierend auf vier TMR Magnetfeldsensoren 31, 32, 33 und 34. Die TMR Magnetfeldsensoren 31, 32, 33 und 34 sind in diesem Beispiel paarweise punktsymmetrisch mit dem Radius r um den stromführenden Leiter angeordnet. In anderen Beispielen kann auch eine andere Anzahl von Magnetfeldsensoren verwendet werden, die nicht punktsymmetrisch sein muss. Jeder der Magnetfeldsensoren 31, 32, 33 und 34 weist eine Messachse $\vec{E}$
auf, deren Richtungen in ihrem Messpunkt mit der Richtung des magnetischen Feldes $\vec{H}$
übereinstimmt. Die TMR Magnetfeldsensoren 31, 32, 33 und 34 bilden als Gesamtheit eine Magnetfeldsensoreinheit 30. Die einzelnen TMR Magnetfeldsensoren 31, 32, 33 und 34 sind über elektrische Leiter 35 mit einer Signalverarbeitungseinheit 50 verbunden und übertragen jeweils eine Ausgangsspannung v_Sensor an die Signalverarbeitungseinheit 50, welche das Signal verarbeitet und als eine Ausgangsspannung v_out proportional zum gemessenen Strom / ausgibt. Die elektrischen Leiter 35 sind dabei in 2 nur schematisch als gemeinsame Leiter für die Magnetfeldsensoren 31, 32, 33 und 34 aufgezeigt. In einer Konfiguration mit vier Magnetfeldsensoren ergeben sich hierbei beispielsweise jeweils zwei elektrische Leitungen 35 zur Signalverarbeitungseinheit 50 für einen Sensor, also insgesamt acht elektrische Leitungen 35.
Die 3 zeigt einen internen Aufbau eines TMR-Magnetfeldsensors wie er beispielsweise für die Magnetfeldsensoren 31, 32, 33 und 34 aus 2 verwendet werden kann.
Die 4 zeigt eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines TMR Magnetfeldsensors 31, 32, 33 und 34. Dabei weist jeder TMR Magnetfeldsensor 31, 32, 33 und 34 ein magnetoresistives Element, hier ein Magnetic Tunnel Junction, MTJ, Element auf. Diese MTJ Element besteht aus einer Freien Schicht 36, einer Abstandsschicht 37 und einer Angehefteten Schicht 38, wobei die Schichten 36, 37 und 38 parallel aufeinanderfolgend angeordnet sind. Dabei ist nur die Freie Schicht 36 magnetoresistiv, richtet sich also in seiner Struktur nach dem anliegenden magnetischen Feld aus. Die Angeheftete Schicht 38 hat dagegen eine festgelegte Ausrichtung seiner Struktur. Bei antiparallelen Ausrichtungen der Freien Schicht 36 und der Angehefteten Schicht 38 befindet sich das MTJ Element in Richtung senkrecht zu den Schichten 36, 37 und 38 in einem hochohmigen Zustand. Richtet sich die Freie Schicht 36 durch ein anliegendes magnetisches Feld $\vec{H}$
aber parallel zur Ausrichtung der Angehefteten Schicht 38 aus, befindet sich das MTJ Element in einem leitenden, niederohmigen Zustand.
Die 5 zeigt eine schematische Darstellung der Nutzung einer Winkelabhängigkeit von einem Magnetfeldsensor 31 gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei wird der Magnetfeldsensor 31 im oberen Teil der 5 mit seiner Messachse $\vec{E}$
in Richtung des anliegenden magnetischen Feldes $\vec{H}$
dargestellt. Dabei steht eine magnetfeldsensitive Grundfläche des Magnetfeldsensors senkrecht zur Messachse E und der Magnetfeldsensor 31 misst den gesamten Betrag der magnetischen Feldstärke $| \vec{H} | .$
In den darunter liegenden Abbildungen der 5 wird nun der Magnetfeldsensor 31 bezüglich seiner räumlichen Ausrichtung im magnetfeldsensorspezifischen orthogonalen Koordinatensystem mit den Achsen $\vec{r}, \vec{y}$
und $\vec{z}$
verändert. Dabei wird in der zweitobersten Abbildung der Magnetfeldsensor 31 um die Achse $\vec{r}$
mit dem Winkel φ geneigt und die vom Magnetfeldsensor 31 effektiv gemessene magnetische Feldstärke $| {\vec{H}}_{eff} |$
des Magnetfeldes ist deutlich kleiner als die magnetische Feldstärke $| \vec{H} |$
im Messpunkt. Durch eine Drehung um die Achse $\vec{y}$
mit dem Winkel β wie in der zweituntersten Abbildung bleibt dagegen die Messachse E parallel zu der magnetischen Feldstärke $| \vec{H} |$
und die effektiv gemessene magnetische Feldstärke $| {\vec{H}}_{eff} |$
ist die Gleiche wie die magnetische Feldstärke $| \vec{H} |$
im Messpunkt. Bei einer Drehung um die Achse $\vec{z}$
mit dem Winkel α wie in der untersten Abbildung verringert sich wiederum die effektiv gemessene magnetische Feldstärke $| {\vec{H}}_{eff} |$
des Magnetfeldes im Vergleich zur magnetischen Feldstärke $| \vec{H} |$
im Messpunkt.
Die 6 zeigt eine schematische Darstellung einer berührungslosen Strommesseinrichtung 20 mit mindestens einem Magnetfeldsensor 31 gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei ist der Magnetfeldsensor 31 mit dem Winkel φ um die Achse $\vec{r}$
geneigt.
Die 7 zeigt einen Ausgangsspannungsverlauf v_Sensor eines TMR Magnetfeldsensors 31 in Abhängigkeit zu dessen Neigungswinkel φ bei einer konstanten magnetischen Feldstärke $| \vec{H} |$
gemäß der vorliegenden Erfindung und gemäß der Anordnung in 6. Dabei zeigt die Darstellung die theoretisch zu erwartenden cosinus-förmigen Ausgangsspannungsverläufe und durch Messung erzielte Ausgangsspannungsverläufe bei unterschiedlich starker magnetischer Feldstärke $| \vec{H} | .$
Dabei wird deutlich, dass für Neigungswinkel über 45° auch bei hohen magnetischen Feldstärken die theoretischen Werte mit den gemessenen Werten annähernd übereinstimmen.
Die 8 zeigt einen Ausgangsspannungsverlauf v_Sensor eines TMR Magnetfeldsensors 31 in Abhängigkeit zur magnetischen Feldstärke $| \vec{H} |$
bei einem konstanten Neigungswinkel φ gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei zeigt die Darstellung die theoretisch linearen Ausgangsspannungsverläufe und durch Messung erzielte Ausgangsspannungsverläufe bei unterschiedlich starker magnetischer Feldstärke $| \vec{H} | .$
Dabei zeigt der maximal zu erwartende Wert $| {\vec{H}}_{max} |$
für die magnetische Feldstärke an, bei welcher magnetischen Feldstärke der TMR Magnetfeldsensor 31 ohne Neigungswinkel noch im linearen Bereich arbeitet. Hierbei wird deutlich, dass durch die Neigung des TMR Magnetfeldsensors 31 der lineare Messbereich deutlich vergrößert wird.
Die 9 zeigt ein elektrotechnisches Ersatzschaltbild einer Rogowski-Spule 40. Die Rogowski-Spule 40 gibt wiederum eine Sensor-Ausgangsspannung v_Sensor aus, welche abhängig von der induzierten Spannung ist.
Die 10 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer berührungslosen Strommesseinrichtung 20 basierend auf einer Rogowski-Spule 40. Dabei stellt die Rogowski-Spule eine Luftspule dar, deren Fläche zur Messung der magnetischen Feldstärke $| \vec{H} |$
durch die Größen L und b festgelegt werden. Dabei ist die Fläche durch eine einzelne Wicklung festgelegt und die Vielzahl von Windungen umspannen bei konstantem Radius den stromführenden Leiter 10.
Die 11 zeigt eine schematische Darstellung der Nutzung einer Winkelabhängigkeit einer Rogowski-Spule 40 gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei wird die in 10 gestrichelt angezeigte Windung um den Winkel φ geneigt.
Auf diese Weise wird auch bei der Rogowski-Spule 40 die Messachse E, wie zuvor beim TMR Sensor 31 dargelegt, geneigt und eignet sich somit auch für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung 20.
Die 12 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer berührungslosen Strommesseinrichtung 20 basierend auf einer Kombination von vier Magnetfeldsensoren 31, 32, 33 und 34 und einer Rogowski-Spule 40 nach dem HOKA Prinzip gemäß der vorliegenden Erfindung. Dabei umspannen die Magnetfeldsensoren 31, 32, 33 und 34 und die Rogowski-Spule 40 jeweils bei konstantem Radius den stromführenden Leiter 10.
Die 13 zeigt ein Blockdiagramm der Strommesseinrichtung 20 aus 12. Dabei ist die Stromstärke I die Eingangsgröße für die Magnetfeldsensoren 31, 32, 33 und 34 und die Rogowski-Spule. Die Ausgangsspannungen v_Sensor der Sensoren werden dabei in der Signalverarbeitungseinheit 50 zusammengeführt und intern im Tiefpassfilter 52 und im Verstärker 54 tiefpassgefiltert und verstärkt. Das Ausgangssignal v_out ist dabei proportional zur gemessenen Stromstärke I.
Die 14 zeigt eine kombinierte Frequenzantwort der Strommesseinrichtung 20 aus 12. Demnach misst die Strommesseinheit 20 den Strom I im Gleichstrombereich bis in den kHz-Bereich hauptsächlich auf Basis der Magnetfeldsensoren 31, 32, 33 und 34 und dann bis zu einer oberen Grenzfrequenz auf Basis der Rogowski-Spule 40.
Bezugszeichenliste

10: stromführender Leiter
20: Strommesseinrichtung
30: Magnetfeldsensoreinheit
31, 32, 33, 34: Magnetfeldsensoren auf Basis eines magnetoresistiven Effekts und/oder des Hall-Effekts
35: elektrische Leiter
36: Freie Schicht eines Magnetic Tunnel Junction, MTJ, Elements
37: Abstandsschicht eines MTJ Elements
38: Angeheftete Schicht eines MTJ Elements
40: Rogowski-Spule
50: Signalverarbeitungseinheit
52: aktiver Tiefpassfilter
54: Verstärker
: magnetische Feldstärke des Magnetfeldes im Abstand r zum stromführenden Leiter
: maximal zu erwartende magnetische Feldstärke
: effektiv gemessene magnetische Feldstärke des Magnetfeldes im Abstand r zum stromführenden Leiter
: Magnetfeldrichtung eines Magnetfeldes des stromführenden Leiters
: Messachse eines Magnetfeldsensors
I: Stromstärke im stromführenden Leiter
: Stromflussrichtungsachse
r: Abstand eines Magnetfeldsensors zum stromführenden Leiter
: Radiusrichtung
φ: Neigungswinkel um Radiusrichtung
: Achsrichtung parallel zur Magnetfeldrichtung
β: Drehwinkel um Achsrichtung parallel zur Magnetfeldrichtung
: Achsrichtung parallel zur Stromflussrichtung
α: Drehwinkel um Achsrichtung parallel zur Stromflussrichtung
vSensor: Ausgangsspannung eines Magnetfeldsensor
vout: Ausgangsspannung der Strommesseinheit
U0,: Versorgungsspannung für die Magnetfeldsensoren

Claims

Strommesseinrichtung (20) zur berührungslosen Strommessung eines Stromes eines stromführenden Leiters (10), aufweisend: mindestens einen Magnetfeldsensor (31, 32, 33, 34, 40); und eine Signalverarbeitungseinheit (50); wobei der mindestens eine Magnetfeldsensor (31, 32, 33, 34, 40) einen Abstand r zum stromführenden Leiter (10) aufweist und konfiguriert ist, eine effektive magnetische Feldstärke $(| {\vec{H}}_{eff} |)$
in Richtung einer Messachse $(\vec{E})$
zu messen; wobei die Messachse $(\vec{E})$
des mindestens einen Magnetfeldsensors (31, 32, 33, 34, 40) gegenüber einer Magnetfeldrichtung $(\vec{H})$
eines Magnetfeldes des stromführenden Leiters (10) einen Winkel größer als 0° bildet und dadurch die effektive magnetische Feldstärke $(| {\vec{H}}_{eff} |)$
kleiner als die magnetische Feldstärke des Magnetfeldes $(| \vec{H} |)$
im Abstand r zum stromführenden Leiter (10) ist; und wobei die Signalverarbeitungseinheit (50) konfiguriert ist, eine Stromstärke (I) im stromführenden Leiter (10) basierend auf der gemessenen effektiven magnetischen Feldstärke $(| {\vec{H}}_{eff} |)$
des mindestens einen Magnetfeldsensors (31, 32, 33, 34, 40) und dem Abstand r des mindestens einen Magnetfeldsensors (31, 32, 33, 34, 40) zum stromführenden Leiter (10) zu bestimmen.
Strommesseinrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei der Winkel zwischen der Messachse (E) des mindestens einen Magnetfeldsensors (31, 32, 33, 34, 40) und der Magnetfeldrichtung $(\vec{H})$
des Magnetfeldes des stromführenden Leiters (10) einstellbar ist; und wobei optional der Winkel derart einstellbar ist, dass bis zu einer bei der Messung der magnetischen Feldstärke maximal zu erwartenden magnetischen Feldstärke des Magnetfeldes $(| {\vec{H}}_{max} |)$
des stromführenden Leiters (10) ein linearer Zusammenhang zwischen einer Ausgangsspannung (v_Sensor) des Magnetfeldsensors (31, 32, 33, 34, 40) und der magnetischen Feldstärke des Magnetfelds $(| \vec{H} |)$
des stromführenden Leiters (10) gilt.
Strommesseinrichtung (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Messachse $(\vec{E})$
des mindestens einen Magnetfeldsensors (31, 32, 33, 34, 40) um eine Radiusrichtung $(\vec{r})$
des stromführenden Leiters (10) neigbar ist; und/oder wobei die Messachse $(\vec{E})$
des mindestens einen Magnetfeldsensors (31, 32, 33, 34, 40) um eine Achsrichtung parallel zur Stromflussrichtung $(\vec{z})$
des stromführenden Leiters (10) drehbar ist.
Strommesseinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der mindestens eine Magnetfeldsensor (31, 32, 33, 34, 40) einen festen Abstand r₀ zum stromführenden Leiter (10) aufweist; oder wobei der Abstand r des mindestens einen Magnetfeldsensors (31, 32, 33, 34, 40) zum stromführenden Leiter (10) einstellbar ist.
Strommesseinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Messung der magnetischen Feldstärke des Magnetfeldes $(| \vec{H} |)$
des stromführenden Leiters (10) durch den mindestens einen Magnetfeldsensor (31, 32, 33, 34, 40) auf Basis eines magnetoresistiven Effekts, des Hall-Effekts und/oder durch eine Rogowski-Spule (40) erfolgt.
Strommesseinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend: eine Mehrzahl von Magnetfeldsensoren (31, 32, 33, 34, 40); wobei bei allen Magnetfeldsensoren der Mehrzahl von Magnetfeldsensoren (31, 32, 33, 34, 40) der Winkel zwischen der Messachse $(\vec{E})$
und der Magnetfeldrichtung $(\vec{H})$
des Magnetfeldes des stromführenden Leiters (10) fest konfiguriert ist; oder wobei bei einer Teilmenge der Mehrzahl von Magnetfeldsensoren (31, 32, 33, 34, 40) der Winkel zwischen der Messachse (E) und der Magnetfeldrichtung (H) des Magnetfeldes des stromführenden Leiters (10) einstellbar und bei den restlichen Magnetfeldsensoren der Winkel fest konfiguriert ist; oder wobei bei allen Magnetfeldsensoren der Mehrzahl von Magnetfeldsensoren (31, 32, 33, 34, 40) der Winkel zwischen der Messachse (E) und der Magnetfeldrichtung $(\vec{H})$
des Magnetfeldes des stromführenden Leiters (10) einstellbar ist.
Strommesseinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, aufweisend: eine Mehrzahl von Magnetfeldsensoren (31, 32, 33, 34, 40); wobei ein Magnetfeldsensor der Mehrzahl von Magnetfeldsensoren (31, 32, 33, 34, 40) eine Rogowski-Spule (40) ist; und wobei die Strommessung durch die Mehrzahl von Magnetfeldsensoren (31, 32, 33, 34, 40) nach dem HOKA-Prinzip erfolgt.
Strommesseinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Strommesseinrichtung (20) mindestens zwei Magnetfeldsensoren (31, 32, 33, 34, 40) aufweist; und wobei der Winkel zwischen der Messachse $(\vec{E})$
und der Magnetfeldrichtung $(\vec{H})$
des Magnetfeldes des stromführenden Leiters (10) von mindestens zwei der Magnetfeldsensoren (31, 32, 33, 34, 40) ungleich konfiguriert oder ungleich einstellbar ist; und wobei optional der Winkel von jeweils zwei Magnetfeldsensoren (31, 32, 33, 34, 40) einen annähernd gleichen Winkelbetrag bei unterschiedlichem Winkelvorzeichen aufweist.
Strommesseinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Strommesseinrichtung (20) mindestens zwei Magnetfeldsensoren (31, 32, 33, 34, 40) aufweist; und wobei bei einer geraden Anzahl von Magnetfeldsensoren (31, 32, 33, 34, 40) jeweils zwei der Magnetfeldsensoren (31, 32, 33, 34, 40) punktsymmetrisch zur Stromflussrichtungsachse $(\vec{I})$
des stromführenden Leiters (10) angeordnet sind.
Verwendung einer Strommesseinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur berührungslosen Strommessung in einem stromführenden Leiter (10).
Magnetfeldsensoreinheit (30) zur berührungslosen Messung einer magnetischen Feldstärke eines Magnetfeldes $(| \vec{H} |)$
eines stromführenden Leiters (10), aufweisend: mindestens einen Magnetfeldsensor (31, 32, 33, 34, 40); wobei der mindestens eine Magnetfeldsensor (31, 32, 33, 34, 40) einen Abstand r zum stromführenden Leiter (10) aufweist und konfiguriert ist, eine effektive magnetische Feldstärke $(| {\vec{H}}_{eff} |)$
in Richtung einer Messachse $(\vec{E})$
zu messen; wobei die Messachse $(\vec{E})$
des mindestens eines Magnetfeldsensors (31, 32, 33, 34, 40) gegenüber einer Magnetfeldrichtung $(\vec{H})$
des Magnetfeldes des stromführenden Leiters (10) einen Winkel größer als 0° bildet und dadurch die effektive magnetische Feldstärke $({\vec{H}}_{eff})$
kleiner als die magnetische Feldstärke des Magnetfeldes $(| \vec{H} |)$
im Abstand r zum stromführenden Leiter (10) ist; und wobei die Magnetfeldsensoreinheit (30) konfiguriert ist, die vom mindestens einen Magnetfeldsensor (31, 32, 33, 34, 40) gemessene effektive magnetische Feldstärke $(| {\vec{H}}_{eff} |)$
des mindestens einen Magnetfeldsensors (31, 32, 33, 34, 40) in eine Ausgangsspannung (v_Sensor) umzuwandeln und an einem Ausgang der Magnetfeldsensoreinheit (30) bereitzustellen.
Verfahren zur berührungslosen Strommessung eines Stromes eines stromführenden Leiters (10), wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer Strommesseinrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9; Anordnen der Strommesseinrichtung (20) um einen stromführenden Leiter (10); Messen der effektiven magnetischen Feldstärke $(| {\vec{H}}_{eff} |)$
in Richtung der Messachse $(\vec{E})$
durch den mindestens einen Magrietfeldsensor (31, 32, 33, 34, 40) der Strommesseinrichtung (20); und Bestimmen einer Stromstärke (I) im stromführenden Leiter (10) basierend auf der effektiven Feldstärke $(| {\vec{H}}_{eff} |)$
sowie einem Abstand r des mindestens einen Magnetfeldsensors (31, 32, 33, 34, 40) zum stromführenden Leiter (10).
Verfahren nach Anspruch 12; wobei die Strommesseinrichtung (20) eine Mehrzahl von Magnetfeldsensoren (31, 32, 33, 34, 40) aufweist und das Verfahren zudem aufweist: Verknüpfen der magnetischen Feldstärken gemessen durch die Mehrzahl von Magnetfeldsensoren (31, 32, 33, 34, 40) mit Hilfe einer Signalverarbeitungseinheit (50) zu einem Ausgangssignal i.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Ausgangssignal i bis zu einer Grenzfrequenz im Wesentlichen proportional zur Stromstärke (I) im stromführenden Leiter (10) ist.