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Die Erfindung betrifft einen Stromsensor
zur berührungslosen
Strommessung nach dem Prinzip der Messung des von einem stromführenden
Leiter erzeugten Magnetfeldes gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Stromsensoren der genannten Art arbeiten mit
einem Magnetfeldsensor, der das von einem elektrischen Leiter erzeugte
magnetische Feld misst und daraus den im Leiter fließenden Strom
ermittelt. Als Magnetfeldsensoren werden insbesondere Hall-Sensoren,
Magneto-Transistoren, magnetoresistive Widerstände, etc. verwendet.
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Eine aus dem Stand der Technik bekannte Messanordnung
ist in 1 dargestellt. 1 zeigt einen zentralen
stromdurchflossenen Leiter 1, der von einem Magnetfeldkonzentrator 2 umgeben
ist, der das vom Leiter 1 erzeugte Magnetfeld B konzentriert
und für
die Messung verstärkt.
Die Messanordnung umfasst ferner einen Magnetfeldsensor 3,
der in einem Luftspalt 4 angeordnet ist und vom Magnetfeld des
Magnetfeldkonzentrators 2 durchflutet wird.
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Magnetische Materialien, wie sie
für den
Magnetfeldkonzentrator 2 eingesetzt werden, i.A. Ferrite oder
nickel- und kobalthaltige Verbindungen, besitzen ein Hysterese-Verhalten,
auf Grund dessen auch bei fehlendem Stromfluss durch den Leiter
ein remanentes Magnetfeld zurückbleibt,
das vom Magnetfeldsensor 3 gemessen wird.
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Gerade bei der Messung kleiner Magnetfelder
verursacht diese Remanenz erhebliche Messfehler.
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Eine aus dem Stand der Technik bekannte Möglichkeit
zur Verbesserung der Messaenauigkeit eines solchen Stromsensors
ist z.B. das Closed-Loop-Verfahren, bei dem das vom Leiter 1 erzeugte
magnetische Feld nicht direkt gemessen, sondern mittels einer Spule 8 ein
Gegenfeld am Ort des Magnetfeldsensors 3 erzeugt wird,
welches so stark ist, dass sich die beiden Felder gegeneinander aufheben.
Aus der Kenntnis des von der Spule 8 erzeugten Gegenfeldes
kann unmittelbar auf das zu messende Magnetfeld zurück geschlossen
werden.
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Vorteil dieser bekannten Kompensationsmethode
liegt darin, dass nur sehr kleine Feldstärken im Flusskonzentrator erreicht
werden und somit keine, bzw. nur geringe Remanenz auftritt. Da der
Magnetfeldsensor 3 nur den Nullabgleich des Magnetfeldes messen
muss, kann ein sehr sensitiver Sensor verwendet werden. Der Magnetfeldsensor 3 wird
außerdem
nie in Sättigung
gehen, da er stets nur in der Nähe
des Nullabgleichs arbeitet.
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Der Nachteil des genannten Verfahrens
ist jedoch ein eingeschränkter
Messbereich, da durch die Kompensationsspule 8 nicht beliebig
viel Strom getrieben werden kann, d.h. das Kompensationsfeld ist
auf einen bestimmten maximalen Betrag begrenzt. Hinzu kommt, dass
die Kompensationsspule ein zusätzliches
Bauteil darstellt, welches darüber
hinaus eine aufwendige Beschaltung und zusätzlichen Bauraum benötigt.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen hochgenauen Stromsensor zu schaffen, der wesentlich einfacher
und kleiner aufgebaut und darüber
hinaus kostengünstiger
ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäss der Erfindung
durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Der wesentliche Gedanke der Erfindung
besteht darin, einen Stromsensor zur Messung des auf einem Leiter
geführten
Stromes, der einen den Leiter wenigstens teilweise umgebenden Magnetfeldkonzentrator
aufweist, mit mindestens zwei Magnetfeldsensoren auszustatten, von
denen der erste in dem vom Magnetfeldkonzentrator verstärkten Magnetfeld
und der zweite außerhalb
des vom Magnetfeldkonzentrator verstärkten Magnetfeldes angeordnet
ist. Eine solche Anordnung ist besonders einfach und kostengünstig realisierbar.
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Der Stromsensor wird vorzugsweise
derart betrieben, dass der erste, im verstärkten Magnetfeld angeordnete
Magnetfeldsensor schwache Magnetfelder misst, während stärkere Magnetfelder mit dem zweiten
Sensor erfasst werden. Für
das Umschalten der Messbereiche bzw. Sensoren sind vorzugsweise Schwellenwerte
vorgegeben, wobei z.B. eine automatische Umschaltung der Messbereiche
erfolgt, wenn eine vorgegebene Feldstärke überschritten wird. Auf diese
Weise kann ein weitaus größerer Messbereich
abgedeckt werden als bei Verwendung nur eines einzelnen Magnetfeldsensors,
wobei nur sehr geringe Mehrkosten durch den zweiten Sensor entstehen.
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Gemäss einer anderen Ausführungsform
der Erfindung werden insbesondere in einem Messbereich mit geringen
Feldstärken,
die Messsignale beider Magnetfeldsensoren ausgewertet, um die Remanenz
im Magnetfeldkonzentrator zu bestimmen (dies funktioniert nur bis
zu einer Empfindlichkeitsuntergrenze des zweiten Sensors oder wenn
das zu messende Feld Null ist). Zur Bestimmung der Remanenz im hochpermeablen
Material des Magnetfeldkonzentrators können die Messsignale der beiden
Magnetfeldsensoren beispielsweise ins Verhältnis gesetzt werden. Die Abweichung
des Verhältnis
von einem physikalisch vorgegebenen Wert bildet dabei ein Maß für die im
Magnetfeldkonzentrator vorhandene Remanenz, die dann bei der Messung
mit dem ersten, im verstärkten
Magnetfeld angeordneten, Sensor berücksichtigt und aus dem Messergebnis
herausgerechnet werden kann.
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Wahlweise kann die ermittelte Remanenz auch
dazu verwendet werden, den Magnetfeldkonzentrator z.B. mit Hilfe
einer Spule wieder zu entmagnetisieren. Hierzu wird an der Spule
z.B. ein oszillierendes Entmagnetisierfeld angelegt, mit dem im
Material des Magnetfeldkonzentrators eine hinreichend hohe Feldstärke erzeugt
wird, um das Remanenzfeld zu reduzieren und im Idealfall zu Null
werden zu lassen.
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Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der zweite Magnetfeldsensor innerhalb eines vom
Magnetfeldkonzentrator umschlossenen Gebiets positioniert, in dem
im wesentlichen nur die unverstärkte
Feldstärke
des vom Leiter erzeugten Magnetfelds herrscht. Wegen der zusätzlich abschirmenden
Wirkung des Magnetfeldkonzentrators vor externen Störfeldern
kann hierdurch die Störfestigkeit
des Stromsensors wesentlich erhöht werden.
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Gemäss einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung können
magnetische Linsen vorgesehen sein, die das vom Magnetfeldkonzentrator
verstärkte Magnetfeld
nochmals verstärken
und auf den ersten Magnetfeldsensor fokussieren. Der Abstand der
beiden Magnetfeldsensoren kann somit reduziert und Störeinflüsse minimiert
werden.
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Der Magnetfeldkonzentrator besteht
vorzugsweise aus einer Vergussmasse mit hoher magnetischer Permeabilität, in der
der Leiter und der Magnetfeldsensor eingebettet sind. Die Vergussmasse ist
besonders vorteilhaft, da sie einfach und kostengünstig hergestellt
werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst
drei Magnetfeldsensoren, von denen der erste und zweite wie vorstehend
beschrieben positioniert und der dritte Magnetfeldsensor ausserhalb
des vom Magnetfeldkonzentrator umschlossenen Bereichs angeordnet
ist. Eine Auswertung des Messsignals des zweiten und dritten Magnetfeldsensors
liefert somit zusätzliche
Information über
externe Störfelder,
die bei der Messauswertung berücksichtigt werden
können.
Das Messergebnis des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors kann
somit entsprechend korrigiert werden.
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Der Stromsensor mit zwei oder mehr
Magnetfeldsensoren kann selbstverständlich auch in Verbindung mit
der eingangs beschriebenen Kompensationsmethode verwendet werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
der beigefügten
Zeichnungen beispielhaft näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Messanordnung zur Strommessung mit einem Magnetfeldsensor gemäss dem Stand
der Technik;
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2 einen
Stromsensor mit zwei Magnetfeldsensoren gemäß der Erfindung in perspektivischer
Ansicht;
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3 eine
Seitenansicht eines Stromsensors mit einer speziellen Anordnung
von zwei, bzw. drei Magnetfeldsensoren; und
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4 eine
vergrößerte Teilansicht
eines Stromsensors mit magnetischen Linsen.
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Bezüglich der Erläuterung
von 1 wird auf die Beschreibungseinleitung
verwiesen.
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2 zeigt
einen Stromsensor, der das von einem elektrischen Leiter 1 erzeugte
Magnetfeld der Flussdichte B misst. Der Stromsensor umfasst einen um
den Leiter 1 herum angeordneten Magnetfeldkonzentrator 2,
sowie zwei Magnetfeldsensoren 3a, 3b, von denen
der erste 3a in der vom Magnetfeldkonzentrator 2 verstärkten magnetischen
Flussdichte BI und der zweite 3b in
der unverstärkten äußeren Flussdichte
BA angeordnet ist.
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Die Magnetfeldsensoren 3a, 3b sind
mit einer Auswerteeinheit 5 verbunden, die in der Lage
ist, aus den Messsignalen der beiden Magnetfeldsensoren 3a, 3b das
im Magnetfeldkonzentrator 2 vorhandene Remanenzfeld zu
ermitteln. Dieses wird insbesondere bei der Messung kleiner Magnetfelder
mit dem ersten Magnetfeldsensor 3a berücksichtigt und aus dem Messergebnis
herausgerechnet.
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Zur Ermittlung des Remanenzfeldes
kann beispielsweise das Messergebnis der beiden Magnetfeldsensoren 3a,3b ins
Verhältnis
gesetzt werden. Die Abweichung des Verhältnis von einem physikalisch
vorgegebenen Wert bildet dabei ein Maß für die im Magnetfeldkonzentrator 2 vorhandene
Remanenz, die dann bei der Messung mit dem ersten Sensor 3a berücksichtigt
und aus dem Messergebnis herausgerechnet werden kann.
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Der Stromsensor wird derart betrieben,
dass der erste, im verstärkten
Magnetfeld angeordnete Magnetfeldsensor 3a schwache Magnetfelder
B misst, während
stärkere
Magnetfelder B mit dem zweiten Sensor 3b erfasst werden.
Die Messung erfolgt hierbei alternativ entweder durch den ersten oder
zweiten Magnetfeldsensor. Bei Überschreiten einer
vorgegebenen Feldstärke
wird das Magnetfeld vorzugsweise ausschließlich vom zweiten Magnetfeldsensor 3b gemessen.
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3 zeigt
eine Seitenansicht eines Stromsensors mit einem ringförmig ausgebildeten
Magnetfeldkonzentrator 2, der um einen Leiter 1 mit
rechteckigem Leiterquerschnitt angeordnet ist. Wie zu erkennen ist,
wird die magnetische Flussdichte BI durch das
Material des Magnetfeldkonzentrators 2 verstärkt, wogegen
im Bereich zwischen Magnetfeldkonzentrator 2 und Leiter 1 nur
die vom Stromfluss I erzeugte Flussdichte BA vorherrscht.
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Der dargestellte Stromsensor umfasst
ebenfalls zwei Magnetfeldsensoren 3a,3b, wobei
der erste Magnetfeldsensor 3a im Bereich verstärkter magnetischer
Flussdichte BA, und der andere Magnetfeldsensor 3b im
Bereich unverstärkter
Flussdichte BI angeordnet ist.
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Im Gegensatz zur Anordnung von 2 ist der zweite Magnetfeldsensor 3b hier
in einem Bereich angeordnet, der vom Magnetfeldkonzentrator 2 umschlossen
wird. Externe Felder und Störeinflüsse werden
somit weitestgehend durch den Magnetfeldkonzentrator 2 abgeschirmt.
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Wie gestrichelt dargestellt ist,
kann der Stromsensor noch einen dritten Magnetfeldsensor 3c aufweisen,
der außerhalb
des vom Magnetfeldkonzentrator 2 umschlossenen Bereichs
angeordnet ist. Eine Auswertung des Messsignals des zweiten und dritten
Magnetfeldsensors 3b, 3c liefert somit zusätzliche
Information über
externe Störfelder,
die bei der Messung berücksichtigt
werden können.
Das Messergebnis des ersten oder zweiten Magnetfeldsensors 3a,3b kann
somit entsprechend korrigiert werden.
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4 zeigt
eine vergrößerte Teilansicht
eines Stromsensors, bei dem der Magnetfeldkonzentrator 2 zusätzlich magnetische
Linsen 6 aufweist, die die magnetische Flussdichte BI nochmals verstärken und auf den ersten Magnetfeldsensor 3a fokussieren. Der
Magnetfeldkonzentrator 2 ist ferner im Bereich des Magnetfeldsensors 3a verjüngt gebildet.
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Die Magnetfeldsensoren 3a, 3b sind
zusammen mit einer Auswertelogik (nicht gezeigt) auf einem Sensorchip 7 monolithisch
integriert.
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- 1
- elektrischer
Leiter
- 2
- Magnetfeldkonzentrator
- 3a,
3b, 3c
- Magnetfeldsensoren
- 4
- Luftspalt
- 5
- Auswerteeinheit
- 6
- Magnetische
Linsen
- 7
- Sensorchip
- BI
- Verstärkte magnetische
Flussdichte
- BA
- unverstärkte Flussdichte