Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromerfassungsvorrichtung, und insbesondere eine Stromerfassungsvorrichtung zur Erfassung eines in einem Leiter fließenden Stroms durch Erfassen des den Leiter umgebenen Magnetfelds mit einer verminderten Störungsempfindlichkeit.The present invention relates to a current detecting apparatus, and more particularly to a current detecting apparatus for detecting a current flowing in a conductor by detecting the magnetic field surrounding the conductor with a reduced disturbance sensitivity.
Die Erfassung eines in einem Leiter fließenden Stroms kann in bekannter Weise mittels entsprechender Messeinrichtungen durchgeführt werden, wobei diese einen sogenannten Nebenschlusswiderstand (englisch: shunt) verwenden und die erfasste Spannung an diesem Widerstand ein Maß für den Strom bei einem bekannten Widerstandswert ist. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass für diese direkte Strommessung ein sehr genauer Widerstand eingesetzt werden muss, und dass eine galvanische Verbindung zwischen der Messeinrichtung und dem zu erfassenden Stromkreis besteht. Ferner treten an den Kontaktstellen des Nebenschlusswiderstands Übergangswiderstände auf, die infolge eines geringen Spannungsabfalls an dem niedrigen Widerstandwert des Nebenschlusswiderstands Messergebnisse verfälschen können.The detection of a current flowing in a conductor can be carried out in a known manner by means of appropriate measuring devices, which use a so-called shunt resistor and the detected voltage across this resistor is a measure of the current at a known resistance value. The disadvantage here, however, that for this direct current measurement, a very accurate resistance must be used, and that there is a galvanic connection between the measuring device and the circuit to be detected. Furthermore, contact resistances occur at the contact points of the shunt resistor, which can falsify measurement results as a result of a small voltage drop across the low resistance value of the shunt resistor.
Vorteilhaft ist demgegenüber die Anwendung einer berührungslosen und potentialfreien Messung mittels entsprechender für das Magnetfeld empfindlicher Sensoren, wie beispielsweise Hall-Sensoren. Gemäß dem bekannten Hall-Effekt tritt nach Anlegen einer Spannung in einem elektrischen Leiter ein Strom proportional zu einem auf den Sensor einwirkenden Magnetfeld (Feldintensität) auf. Es erfolgt somit eine Strommessung indirekt über die Erfassung der Stärke oder Intensität des Magnetfelds.In contrast, the use of a non-contact and potential-free measurement by means of corresponding sensors sensitive to the magnetic field, such as, for example, Hall sensors, is advantageous. According to the known Hall effect, when a voltage in an electrical conductor is applied, a current occurs in proportion to a magnetic field (field intensity) acting on the sensor. There is thus a current measurement indirectly via the detection of the strength or intensity of the magnetic field.
Die Druckschrift DE 102 43 645 A1 offenbart eine galvanisch getrennte und damit potenzialfreie Strommessung, wobei ein Hauptleiter in im Wesentlichen parallel angeordnete Leiterzweige aufgeteilt ist und in der Nähe der Leiterzweige ein oder mehrere Hall-Sensoren angebracht sind. Diese erfassen das Magnetfeld, das durch die Ströme in den Leiterzweigen hervorgerufen wird. Die Hall-Sensoren sind außerhalb der Leiterzweige und insbesondere oberhalb oder unterhalb der Leiterzweige angeordnet.The publication DE 102 43 645 A1 discloses a galvanically isolated and thus potential-free current measurement, wherein a main conductor is divided into substantially parallel arranged conductor branches and in the vicinity of the conductor branches one or more Hall sensors are mounted. These detect the magnetic field caused by the currents in the conductor branches. The Hall sensors are arranged outside the conductor branches and in particular above or below the conductor branches.
Des Weiteren offenbart die Druckschrift DE 197 41 417 ein Strommessgerät mit Hall-Sensoren, wobei in einer für mehrere Phasen eines Leistungsversorgungssystems an vorbestimmten Stellen in entsprechend geformten bandförmigen Leitern in einem gemeinsamen Gehäuse die Hall-Sensoren auf einer separaten Leiterplatte oder Platine angeordnet sind. Die Hall-Sensoren in Verbindung mit dieser Anordnung können das den jeweiligen Leiter umgebende Magnetfeld und somit den in dem jeweiligen leiterfließendem Strom nach einer entsprechenden Auswertung erfassen.Furthermore, the document discloses DE 197 41 417 a current measuring device with Hall sensors, wherein in a for several phases of a power supply system at predetermined locations in correspondingly shaped band-shaped conductors in a common housing, the Hall sensors are arranged on a separate circuit board or board. The Hall sensors in conjunction with this arrangement can detect the magnetic field surrounding the respective conductor and thus the current flowing in the respective conductor after a corresponding evaluation.
Schließlich offenbart die Druckschrift DE 10 2008 039 568 A1 eine Stromerfassungsvorrichtung, bei der eine Mehrzahl von magnetempfindlichen Sensoren (Sensorelemente) in der Nähe jeweiliger stromdurchflossener Leiter angeordnet ist. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in 6 gezeigt.Finally, the document discloses DE 10 2008 039 568 A1 a current detecting device in which a plurality of magnetosensitive sensors (sensor elements) are disposed in the vicinity of respective current-carrying conductors. Such an arrangement is for example in 6 shown.
Gemäß der Darstellung in 6 umfasst eine Leiteranordnung oder ein Leiter 1 in einem vorbestimmten Bereich zwei Leiterteile 11 und 12, wobei die Querschnittsfläche des Leiters 1 im einteiligen Bereich etwa der gesamten Querschnittsfläche der beiden Leiterteile 11 und 12 im aufgeteilten Bereich entspricht, sodass in dem Leiter 1 eine im Wesentlichen gleichmäßige Stromdichte bezüglich des Gesamtstroms Ig vorliegt. Der Gesamtstrom Ig teilt sich in die beiden Teilströme I1 und I2 auf, die infolge gleichartiger Querschnitte auch annähernd gleich sind.As shown in 6 includes a conductor assembly or a conductor 1 in a predetermined area two ladder parts 11 and 12 , where the cross-sectional area of the conductor 1 in the one-piece area about the entire cross-sectional area of the two conductor parts 11 and 12 in the split area, so in the ladder 1 a substantially uniform current density with respect to the total current Ig is present. The total current Ig is divided into the two partial flows I1 and I2, which are also approximately the same due to similar cross sections.
In dem vorbestimmten Bereich der Ausbildung der beiden Leiterteile 11 und 12 wird ein Zwischenraum 2 gebildet, der vorzugsweise in Längsrichtung des Leiters 1 verläuft und mit einem annähernd gleichförmigen Abstand oder einer Höhe d ausgebildet ist. In den beiden Leiterteilen 11 und 12 des stromdurchflossenen Leiters 1 fließt somit der Strom in gleicher Richtung.In the predetermined area of the formation of the two conductor parts 11 and 12 becomes a gap 2 formed, preferably in the longitudinal direction of the conductor 1 runs and is formed with an approximately uniform distance or a height d. In the two ladder sections 11 and 12 of the current-carrying conductor 1 Thus, the current flows in the same direction.
Zur Erfassung des Magnetfelds, das durch den Gesamtstrom Ig oder die beiden Teilströme I1 und I2 gebildet wird, sind im Bereich der beiden Leiterteile 11 und 12 zu beiden Seiten des Leiters 1 magnetfeldempfindliche Sensoren wie beispielsweise Hall-Sensoren vorgesehen, die nachstehend als Sensorelemente 3 bezeichnet werden. In einer Schnittdarstellung gemäß 7 entsprechend der in 6 gezeigten Schnittlinie A-A ist die Anordnung der Sensorelemente 3 auf einem gemeinsamen Träger 4 veranschaulicht.For detecting the magnetic field, which is formed by the total current Ig or the two partial currents I1 and I2, are in the region of the two conductor parts 11 and 12 on both sides of the leader 1 Magnetic field-sensitive sensors such as Hall sensors provided hereinafter as sensor elements 3 be designated. In a sectional view according to 7 according to the in 6 shown section line AA is the arrangement of the sensor elements 3 on a common carrier 4 illustrated.
Ein durch die jeweiligen Teilströme I1 und I2 der beiden Leiterteile 11 und 12 hervorgerufenes Magnetfeld B (Induktion bzw. magnetische Flussdichte, vektorielle Größe) durchdringt die Sensorelemente 3 auf beiden Seiten der Leiterteile 11 und 12, sodass den Sensorelementen 3 entsprechend diesem Magnetfeld ein Ausgangssignal entnommen und verarbeitet werden kann. Die Sensorelemente 3 können mit dem gemeinsamen Träger 4 in den Zwischenraum 2 in einem Bereich S eingesetzt werden. Es können hierbei die Sensorelemente 3 auch auf einem gemeinsamen Chip oder Substrat angeordnet sein, wobei entsprechende Anschlussleitungen der Sensorelemente 3 zu einer Auswertungseinrichtung zur Vereinfachung der Darstellung in den 6 und 7 weggelassen sind. Mit der beschriebenen Sensoranordnung sind diese gegenüber dem Potential des Leiters 1 oder der Leiterteile 11 und 12 isoliert. Es besteht daher keine galvanische Verbindung zu dem Leiter 1.A through the respective partial currents I1 and I2 of the two conductor parts 11 and 12 caused magnetic field B (induction or magnetic flux density, vectorial size) penetrates the sensor elements 3 on both sides of the ladder parts 11 and 12 so that the sensor elements 3 according to this magnetic field, an output signal can be taken and processed. The sensor elements 3 can with the common carrier 4 in the gap 2 be used in an area S. It can here the sensor elements 3 also be arranged on a common chip or substrate, wherein corresponding connecting lines of the sensor elements 3 to an evaluation device for simplifying the representation in the 6 and 7 are omitted. With the described sensor arrangement, these are opposite to the potential of the conductor 1 or the ladder parts 11 and 12 isolated. There is therefore no galvanic connection to the conductor 1 ,
8 zeigt eine weitere Anordnung einer Stromerfassungsvorrichtung, bei der anstelle eines einfachen stabförmig ausgeführten Leiters 1 gemäß 6 der entsprechende Leiter 1 mehrfach gebogen ist, sodass er aus zwei U-förmigen Teilstücken mit einem gemeinsamen Leiterabschnitt besteht und jeweilige offene Seiten in entgegengesetzter Richtung entlang einer Längsausdehnung des Leiters (gestrichelte Linie R in 8) ausgerichtet sind. Es entstehen hierdurch zwei Leiterschleifen mit innerhalb der U-förmigen Teilstücke angeordneten Feldbereichen F. In den Feldbereichen F tritt ein verstärktes Magnetfeld auf infolge von Teilen des Leiters 1, die in entsprechender Weise von dem Gesamtstrom Ig durchflossen werden und in denen eine feldverstärkende Wirkung durch gleichsinnige Überlagerung der jeweiligen Magnetfelder der benachbarten Leiterteilstücke zum jeweiligen Feldbereich F. Gemäß 8 sind die jeweiligen Sensorelemente 3 in diesen Bereichen mit einem stärkeren Magnetfeld (d. h. mit größerer Induktion B) angeordnet. 8th shows a further arrangement of a current detection device, in which instead of a simple rod-shaped conductor 1 according to 6 the appropriate leader 1 is bent several times so that it consists of two U-shaped sections with a common conductor section and respective open sides in the opposite direction along a longitudinal extent of the conductor (dashed line R in FIG 8th ) are aligned. This results in two conductor loops with arranged within the U-shaped sections field areas F. In the field areas F occurs an amplified magnetic field due to parts of the conductor 1 , Which are traversed in a corresponding manner by the total current Ig and in which a field-enhancing effect by the same direction superimposition of the respective magnetic fields of the adjacent conductor sections to the respective field region F. According 8th are the respective sensor elements 3 arranged in these areas with a stronger magnetic field (ie with greater induction B).
Mit der gleichsinnigen Überlagerung der entsprechenden Magnetfelder der Ströme in den jeweils U-förmig ausgebildeten Leiterteilstücken tritt die verstärkende Wirkung des Magnetfelds in den Feldbereichen F auf, sodass mit der gewählten Anordnung auch kleinere Ströme mit schwächeren Magnetfeldern erfasst werden können.With the same direction superimposition of the corresponding magnetic fields of the currents in the respective U-shaped conductor sections, the amplifying effect of the magnetic field in the field regions F occurs, so that smaller currents with weaker magnetic fields can be detected with the selected arrangement.
Bei einer entsprechenden Auswertung der Ausgangssignale der beiden in 8 gezeigten Sensorelemente 3 ist grundsätzlich eine gute Stromerfassung möglich. Hierbei können in gleicher Weise wie in den 6 und 7 die Sensorelemente 3 auf den Träger 4 angeordnet sein, der seinerseits in den Zwischenraum 2 des Leiters 1 eingesetzt ist. Auch in 8 sind erforderliche Anschlussleitungen zu dem Träger 4 und den Sensorelementen 3 zu Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt.In a corresponding evaluation of the output signals of the two in 8th shown sensor elements 3 is basically a good current detection possible. Here, in the same way as in the 6 and 7 the sensor elements 3 on the carrier 4 be arranged, in turn, in the space 2 of the leader 1 is used. Also in 8th are required connection lines to the carrier 4 and the sensor elements 3 not shown for simplicity of illustration.
Erfolgt mit den Anordnungen gemäß den 6 und 8 eine Erfassung des den betreffenden Leiter 1 umgebenden Magnetfelds zur Bestimmung des in dem Leiter 1 fließenden Storms, so kann das erfasste Magnetfeld infolge unvermeidbarer äußerer Einflüsse verändert werden, sodass in Verbindung mit von außen einwirkenden Magnetfeldern oder von außen bestehenden Störungen des Magnetfelds die Messung verfälscht werden kann. Insbesondere bei geringen Strömen können diese nicht mit der erforderlichen Genauigkeit und Verlässlichkeit gemessen werden.Done with the arrangements according to 6 and 8th a recording of the head in question 1 surrounding magnetic field for determining the in the conductor 1 flowing storms, so the detected magnetic field due to unavoidable external influences can be changed, so that in conjunction with externally applied magnetic fields or external disturbances of the magnetic field, the measurement can be falsified. Especially at low currents, these can not be measured with the required accuracy and reliability.
9 veranschaulicht in einer schematischen Darstellung die Einflüsse von außen einwirkender Störungen. Ein in der Nähe der Stromerfassungsvorrichtung (Messanordnung) vorbeiführender elektrischer Leiter L mit dem Storm I umfasst in bekannter Weise das durch die magnetische Induktion B dargestellte Magnetfeld, das in Abhängigkeit von den Abstandsbedingungen ebenfalls auf die Sensorelemente 3 der Stromerfassungsvorrichtung einwirken kann. Dies gilt in gleicher Weise für das Magnetfeld eines Permanentmagneten P oder auch eines in ähnlicher Weise aufgebauten Elektromagneten, der sich in der Nähe der Stromerfassungsvorrichtung und somit der Sensoren 3 befindet. Auch in diesem Fall können die Sensoren 3 in gleichartiger oder unterschiedlicher Weise in Abhängigkeit von den Abstandbedingungen von dem Magnetfeld beispielsweise des Permanentmagneten P durchdrungen werden, sodass auch dieses Magnetfeld die Messung beeinflussen kann. 9 illustrates in a schematic representation of the influences of external disturbances. An electrical conductor L with the current I passing in the vicinity of the current-sensing device (measuring arrangement) comprises, in a known manner, the magnetic field represented by the magnetic induction B, which likewise depends on the sensor elements as a function of the distance conditions 3 the current detection device can act. This applies equally to the magnetic field of a permanent magnet P or a similarly constructed electromagnet located in the vicinity of the current detection device and thus the sensors 3 located. Also in this case, the sensors can 3 be penetrated in the same or different manner depending on the distance conditions of the magnetic field, for example, the permanent magnet P, so that this magnetic field can affect the measurement.
Darüberhinaus besteht ebenfalls die Möglichkeit, dass nicht-magnetisierte jedoch magnetische Materialien, wie beispielsweise Eisenwerkstoffe, in der Nähe der Stromerfassungsvorrichtung angeordnet sind, sodass diese mit dem Magnetfeld des Leiters 1 verkettet sind und dieses Magnetfeld beeinflussen. Das beeinflusste Magnetfeld kann zu einer ungenauen oder fehlerhafter Messung und damit einer ungenauen Erfassung des Stroms Ig führen.Moreover, there is also the possibility that non-magnetized but magnetic materials, such as ferrous materials, are disposed in the vicinity of the current sensing device, so that they interfere with the magnetic field of the conductor 1 are linked and affect this magnetic field. The influenced magnetic field can lead to an inaccurate or erroneous measurement and thus an inaccurate detection of the current Ig.
Die schematische Darstellung in 9 dient lediglich zur Veranschaulichung der möglichen Einflüsse, wobei auch in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen der Messeinrichtung mehrere Einflüsse gleichzeitig und auch in wechselnder Stärke einwirken können. Auch können sich die verschiedenen Störquellen relativ zur Stromerfassungsvorrichtung bewegen, so dass auch wechselnde Störungen auftreten.The schematic representation in 9 serves only to illustrate the possible influences, and depending on the environmental conditions of the measuring device several influences can act simultaneously and in varying strength. Also, the various sources of interference can move relative to the current detection device, so that changing interference occur.
Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zu Grunde, eine Stromerfassungsvorrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass magnetfeldempfindliche Sensoren auf einfache Weise ein um einen stromdurchflossenen Leiter gebildetes Magnetfeld erfassen können, wobei die Empfindlichkeit der Messanordnung gegenüber äußeren Störeinflüssen erheblich vermindert ist.The present invention is based on the object, a current detection device of the type mentioned in such a way that magnetic field sensitive sensors can easily detect a magnetic field formed by a current-carrying magnetic field, the sensitivity of the measuring device is significantly reduced from external interference.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Stromerfassungsvorrichtung mit den in den beigefügten Schutzansprüchen angegebenen Merkmalen.According to the invention, this object is achieved by a current detection device having the features specified in the attached claims.
Die Erfindung betrifft eine Stromerfassungsvorrichtung zur Erfassung eines durch einen Leiter fließenden Stroms durch Erfassen eines den Leiter umgebenden Magnetfelds, mit einer Mehrzahl von auf einem Trägerteil vorgesehenen Sensoren zur Erfassung des Magnetfelds, wobei die Sensoren in einem vorbestimmten Bereich des Leiters in dessen Magnetfeld angeordnet sind, und wobei die Mehrzahl der Sensoren zumindest vier Sensoren umfasst, die auf dem Trägerteil in einer geraden Linie angeordnet sind.The invention relates to a current detection device for detecting a current flowing through a conductor by detecting a magnetic field surrounding the conductor, having a plurality of Sensors provided on a support member for detecting the magnetic field, wherein the sensors are arranged in a predetermined region of the conductor in the magnetic field, and wherein the plurality of sensors comprises at least four sensors which are arranged on the support member in a straight line.
Die erfindungsgemäße Stromerfassungsvorrichtung zur Erfassung eines durch einen Leiter fließenden Stroms durch Erfassen des den Leiter umgebenen Magnetfelds umfasst die Anordnung der Sensorelemente, sodass einerseits eine sehr genaue Stromerfassung gewährleistet ist und andererseits eine erheblich verminderte Empfindlichkeit bezüglich auf das Messergebnis einwirkender äußerer Magnetfelder oder weiterer Störungen besteht. In Verbindung mit der Auswertung kann der Einfluss äußerer Magnetfelder oder entsprechender Verzerrungen des Magnetfelds des zu überprüfenden Leiters kompensiert werden. Es ergibt sich somit ein genaueres Messergebnis insbesondere bei kleinen Strömen, sodass eine verlässliche und störungsarme Erfassung des Magnetfelds gewährleistet ist und daraus ein genauer Wert des durch den Leiter fließenden Stroms bestimmt werden kann. Aufwendige Abschirmungsmaßnahmen zur Vermeidung externen Felder oder einer externen Beeinflussung des Magnetfelds des stromdurchflossenen Leiters können entfallen, wodurch eine Vereinfachung und speziell eine Verkleinerung der gesamten Anordnung möglich ist.The current detection device according to the invention for detecting a current flowing through a conductor by detecting the magnetic field surrounding the conductor comprises the arrangement of the sensor elements, so on the one hand a very accurate current detection is ensured and on the other hand there is a significantly reduced sensitivity to the measurement result acting external magnetic fields or other disorders. In conjunction with the evaluation, the influence of external magnetic fields or corresponding distortions of the magnetic field of the conductor to be tested can be compensated. This results in a more accurate measurement result, especially at low currents, so that a reliable and low-interference detection of the magnetic field is ensured and from this a precise value of the current flowing through the conductor can be determined. Elaborate shielding measures to avoid external fields or an external influence on the magnetic field of the current-carrying conductor can be omitted, whereby a simplification and especially a reduction of the entire arrangement is possible.
Weitere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Unteransprüchen angegeben.Further embodiments of the present invention are indicated in the appended subclaims.
Der Leiter kann in dem vorbestimmten Bereich mehrere Leiterteile aufweisen, die gleichsinnig von dem zu messenden Strom durchflossen und um einen vorbestimmten Abstand zueinander beabstandet sind und einen Zwischenraum bilden, und es kann das Trägerteil derart in den Zwischenraum eingesetzt werden, dass die zumindest vier Sensoren außerhalb des Zwischenraums benachbart zu diesem in dem Magnetfeld des Leiters angeordnet sind, und jeweils auf einer Seite des Leiters zwei der vier Sensoren angeordnet sind.The conductor may have in the predetermined area a plurality of conductor parts, which are traversed in the same direction by the current to be measured and spaced from each other by a predetermined distance and form a gap, and it may be the support member inserted into the space such that the at least four sensors outside of the gap adjacent to it are arranged in the magnetic field of the conductor, and are arranged on one side of the conductor two of the four sensors.
Das Trägerteil kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein, und jedes Trägerteil kann zumindest einen der vier Sensoren tragen. Es kann ferner das Trägerteil zweiteilig ausgeführt sein, und es können die jeweiligen Teile des Trägerteils auf unterschiedlichen Seiten des Leiters angeordnet sein und eine gleiche oder unterschiedliche Anzahl von Sensoren tragen.The support member may be made in one or more parts, and each support member may carry at least one of the four sensors. Furthermore, the carrier part can be made in two parts, and the respective parts of the carrier part can be arranged on different sides of the conductor and carry an identical or different number of sensors.
Der Leiter kann eine Leiterachse in Richtung seiner Längsausdehnung aufweisen, und es kann die gerade Linie rechtwinklig auf der Leiterachse oder in einem vom rechten Winkel abweichenden Winkel zur Leiterachse angeordnet sein. Die Abstände der Sensoren zueinander entlang der geraden Linie können gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein.The conductor can have a conductor axis in the direction of its longitudinal extent, and the straight line can be arranged at right angles to the conductor axis or at a different angle to the conductor axis from the right angle. The distances of the sensors from each other along the straight line may be the same or different.
Die Sensorvorrichtung kann eine Steuerungseinrichtung aufweisen, die ausgebildet ist zur Bestimmung des durch den Leiter fließenden Stroms auf der Basis von jeweiligen Erfassungssignalen der Sensoren sowie der jeweiligen Position der Sensoren entlang der geraden Linie.The sensor device may comprise a control device which is designed to determine the current flowing through the conductor on the basis of respective detection signals of the sensors as well as the respective position of the sensors along the straight line.
Die mehreren Leiterteile können in dem vorbestimmten Bereich zwei U-förmige Ausbildungen aufweisen mit drei im Wesentlichen parallelen Leiterteilstücken mit einem mittleren gemeinsamen Leiterteilstück, durch welche zumindest zwei Feldbereiche zwischen den Leiterteilstücken gebildet werden, deren offene Seiten jeweils in entgegengesetzter Richtung entlang der Leiterachse des Leiters ausgerichtet sind, und wobei in jedem Feldbereich zumindest ein Sensor angeordnet sein kann.The plurality of conductor parts may have in the predetermined area two U-shaped formations with three substantially parallel conductor sections having a central common conductor section through which at least two field regions are formed between the conductor sections, the open sides of which are respectively aligned in opposite directions along the conductor axis of the conductor and wherein at least one sensor can be arranged in each field region.
In jedem der Feldbereiche kann jeweils einer der Sensoren angeordnet sein, und es können die weiteren Sensoren entlang des Verlaufs der geraden Linie außerhalb des Leiters benachbart zu diesem angeordnet sein.One of the sensors may be arranged in each of the field regions, and the further sensors may be arranged along the course of the straight line outside the conductor adjacent thereto.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Es zeigen:The present invention will be described in more detail below by means of embodiments with reference to the figures. Show it:
1A eine perspektivische Darstellung eines Teilstücks einer Leiteranordnung mit zugehörigen Sensorelementen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, und 1B die Schnittansicht dieser Leiteranordnung entlang einer Schnittlinie X-X, 1A a perspective view of a portion of a conductor arrangement with associated sensor elements according to a first embodiment of the present invention, and 1B the sectional view of this ladder arrangement along a section line XX,
2 eine perspektivische Ansicht auf eine Leiteranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, 2 a perspective view of a conductor arrangement according to a second embodiment of the present invention,
3 eine Draufsicht auf die Leiteranordnung gemäß 2 in Verbindung mit einer Sensoranordnung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, 3 a plan view of the conductor arrangement according to 2 in connection with a sensor arrangement according to the third embodiment of the present invention,
4A eine Draufsicht auf die Leiteranordnung gemäß 1A, und 4B eine grafische Darstellung einer Kennlinie des Verlaufs des magnetischen Felds um den Leiter gemäß 4A in Verbindung mit der Sensoranordnung, 4A a plan view of the conductor arrangement according to 1A , and 4B a graphical representation of a characteristic of the course of the magnetic field around the conductor according to 4A in connection with the sensor arrangement,
5A zeigt in einer schematischen Draufsicht eine weitere Anordnung der Sensorvorrichtung mit ungleichförmiger Sensoranordnung, 5A shows a schematic plan view of a further arrangement of the sensor device with non-uniform sensor arrangement,
5B zeigt in einer schematischen Draufsicht eine weitere Anordnung der Sensorvorrichtung mit einer unsymmetrischen Sensoranordnung und einem geneigten mehrteiligen Trägerteil, 5B shows a schematic plan view of a further arrangement of the sensor device with a single-ended sensor arrangement and an inclined multi-part support member,
6 eine perspektivische Darstellung eines Teilstücks einer Leiteranordnung gemäß dem Stand der Technik mit zugehörigen Sensorelementen, 6 3 a perspective view of a section of a conductor arrangement according to the prior art with associated sensor elements,
7 eine Schnittansicht der bekannten Leiteranordnung gemäß 6 entlang einer Schnittlinie A-A, 7 a sectional view of the known conductor arrangement according to 6 along a section line AA,
8 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf eine Leiteranordnung mit zugehörigen Sensorelementen entsprechend einer weiteren bekannten Ausführung, und 8th a schematic representation of a plan view of a conductor arrangement with associated sensor elements according to another known embodiment, and
9 eine Draufsicht auf die Leiteranordnung gemäß 8 mit schematisch angedeuteten äußeren Einflüssen des Magnetfelds des stromdurchflossenen Leiters oder durch fremde Magnetfelder. 9 a plan view of the conductor arrangement according to 8th with schematically indicated external influences of the magnetic field of the current-carrying conductor or by external magnetic fields.
Beschreibung der bevorzugten AusführungsbeispieleDescription of the preferred embodiments
Erstes AusführungsbeispielFirst embodiment
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den 1A und 1B in Zusammenhang mit einer Leiteranordnung der Stromerfassungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.The present invention will hereinafter be described in connection with the 1A and 1B in connection with a conductor arrangement of the current detection device according to a first embodiment.
1A zeigt eine Leiteranordnung einer Stromerfassungsvorrichtung mit einem Leiter 1, in welchem entsprechend der Darstellung in 1A von rechts nach links ein Gesamtstrom bzw. Strom Ig fließt. Mit der erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung soll die Größe des Stroms Ig als Gesamtstrom der Leiteranordnung bzw. des Leiters 1 erfasst werden. 1A shows a conductor arrangement of a current detection device with a conductor 1 , in which according to the representation in 1A From right to left, a total current or current Ig flows. With the current detection device according to the invention, the size of the current Ig as the total current of the conductor arrangement or of the conductor 1 be recorded.
Der Leiter 1 ist in einem vorbestimmten Abschnitt oder Bereich S zweiteilig ausgeführt, wobei ein erster Leiterteil 11 und ein zweiter Leiterteil 12 gebildet werden, die zueinander im Wesentlichen parallel geführt sind. Zwischen den beiden Leiterteilen 11 und 12 befindet sich ein Spalt oder Zwischenraum 2, der vorzugsweise in Längsrichtung des Leiters 1 verläuft und eine gleichförmige Höhe d aufweist. Die beiden hierdurch gebildeten Leiterteile 11 und 12 nehmen jeweils Teilströme des gesamten Stroms Ig auf. Es können bei den beiden Leiterteilen 11 und 12 die stromdurchflossenen Querschnittsflächen gleich oder auch unterschiedlich sein. Bei der vorliegenden Darstellung wird zur Vereinfachung derselben von einer annähernd gleichen stromdurchflossenen Querschnittsfläche in beiden Leiterteilen 11 und 12 ausgegangen, sodass gebildete Teilströme I1 und I2 des jeweiligen ersten und zweiten Leiterteils 11 und 12 annähernd gleich sind. Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung wird nicht beeinflusst, wenn die stromdurchflossenen Querschnittsflächen der beiden Leiterteile 11 und 12 nicht gleich groß sind und damit ungleiche Teilströme I1 und I2 gebildet werden.The leader 1 is in two parts in a predetermined section or area S, wherein a first conductor part 11 and a second ladder section 12 are formed, which are guided substantially parallel to each other. Between the two ladder parts 11 and 12 there is a gap or gap 2 preferably in the longitudinal direction of the conductor 1 runs and has a uniform height d. The two conductor parts formed thereby 11 and 12 each take partial currents of the total current Ig. It can with the two ladder parts 11 and 12 the current-carrying cross-sectional areas are the same or different. In the present illustration, to simplify the same of an approximately same current-carrying cross-sectional area in both ladder parts 11 and 12 so that formed partial currents I1 and I2 of the respective first and second conductor part 11 and 12 are approximately equal. The operation of the current detection device according to the invention is not affected when the current-carrying cross-sectional areas of the two conductor parts 11 and 12 are not the same size and thus unequal partial currents I1 and I2 are formed.
1B zeigt eine Schnittdarstellung entsprechend der Schnittlinie X-X von 1A, wobei die beiden Teilströme I1 und I2 infolge der Leiteranordnung gleichsinnige Stromrichtung in den beiden Leiterteilen 11 und 12 aufweisen. In 1B ist das durch jeden der beiden Teilströme I1 und I2 hervorgerufene Magnetfeld durch den Teil einer Feldlinie der Induktion B (vektorielle Größe) schematisch angedeutet. Es wird somit im Einzelnen durch die Messung bzw. Erfassung der Stärke oder Intensität des Magnetfelds (Wirbelfeld) in der Auswertung des Erfassungsergebnisses ein dieses Magnetfeld hervorrufender Strom bestimmt. 1B shows a sectional view corresponding to the section line XX of 1A , wherein the two partial currents I1 and I2 due to the conductor arrangement in the same direction current direction in the two conductor parts 11 and 12 exhibit. In 1B the magnetic field caused by each of the two partial currents I1 and I2 is schematically indicated by the part of a field line of the induction B (vectorial size). It is thus determined in detail by the measurement or detection of the strength or intensity of the magnetic field (vortex field) in the evaluation of the detection result, a current inducing this magnetic field.
Zur Erfassung des Magnetfelds (bzw. der Intensität des Magnetfelds) der beiden Teilströme I1 und I2 sind magnetempfindliche Sensorelemente, beispielsweise Hall-Sensoren vorgesehen, wobei mehrere als Sensoren bezeichnete Sensorelemente vorgesehen sind und in ihrer Gesamtheit als Sensoranordnung 3 bezeichnet werden. Gemäß den 1A und 1B sind beispielsweise vier einzelne Sensoren vorgesehen, sodass die Sensoranordnung 3 aus einem ersten Sensor 31, einen zweiten Sensor 32, einem dritten Sensor 33 und einem vierten Sensor 34 besteht. Die Sensoren 31 bis 34 bzw. die Sensoranordnung 3 ist auf einem gemeinsamen Trägerteil 4 ausgebildet, sodass die Möglichkeit besteht, die Sensoranordnung 3 in Verbindung mit dem Trägerteil 4 modular aufzubauen. Die gesamte Anordnung des Trägerteils 4 mit der Sensoranordnung 3 kann als eine Baugruppe in den Zwischenraum 2 zwischen den beiden Leiterteilen 11 und 12 eingesetzt werden. Wird die gesamte Baugruppe in den Leiter 1 und insbesondere in den Zwischenraum 2 eingesetzt, dann ergibt sich der in den 1A und 1B dargestellte Aufbau der erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel.For detecting the magnetic field (or the intensity of the magnetic field) of the two partial currents I1 and I2 magnetically sensitive sensor elements, such as Hall sensors are provided, wherein a plurality of sensor elements are provided as sensor elements and in their entirety as a sensor array 3 be designated. According to the 1A and 1B For example, four individual sensors are provided so that the sensor assembly 3 from a first sensor 31 , a second sensor 32 , a third sensor 33 and a fourth sensor 34 consists. The sensors 31 to 34 or the sensor arrangement 3 is on a common carrier part 4 designed so that there is the possibility of the sensor assembly 3 in connection with the carrier part 4 build modular. The entire arrangement of the carrier part 4 with the sensor arrangement 3 can act as an assembly in the gap 2 between the two ladder parts 11 and 12 be used. Is the entire assembly in the ladder 1 and especially in the gap 2 used, then results in the 1A and 1B illustrated construction of the current detection device according to the invention in conjunction with the first embodiment.
Das Trägerteil 4 dient einerseits zum Tragen und Befestigen der Sensoren 31 bis 34 und andererseits in Verbindung mit dem modularen Aufbau als Baugruppe zum exakten Positionieren der Sensoren 31 bis 34 in unmittelbarer Nähe zu den Leiterteilen 11 und 12 mit einer vorbestimmten Lage hierzu. Es kann die Höhe d des Zwischenraums 2 in dem Leiter 1 derart gewählt werden, dass sie nur geringfügig größer ist als die Dicke des Trägerteils 4 einschließlich der Sensoren 31 bis 34, sodass einerseits ein sicherer Sitz des Trägerteils 4 in dem Leiter 1 gewährleistet ist und andererseits die an dem Trägerteil 4 angeordneten Sensoren 31 bis 34 unmittelbar benachbart zu den jeweiligen Leiterteilen 11 und 12 angeordnet werden können. In der in den 1A und 1B gezeigten Anordnung sind die jeweiligen Sensoren 31 bis 34 außerhalb des Zwischenraums 2 zwischen den Leiterteilen 11 und 12 angeordnet.The carrier part 4 serves on the one hand for carrying and attaching the sensors 31 to 34 and, on the other hand, in conjunction with the modular design as an assembly for accurately positioning the sensors 31 to 34 in the immediate vicinity of the ladder sections 11 and 12 with a predetermined position for this purpose. It can be the height d of the gap 2 in the ladder 1 be chosen so that it is only slightly larger than the thickness of the support member 4 including the sensors 31 to 34 , so on the one hand, a secure fit of the support member 4 in the ladder 1 guaranteed and on the other hand, on the support part 4 arranged sensors 31 to 34 immediately adjacent to the respective ladder sections 11 and 12 can be arranged. In the in the 1A and 1B The arrangement shown are the respective sensors 31 to 34 outside the gap 2 between the ladder parts 11 and 12 arranged.
Entsprechend dem Verlauf des magnetischen Felds außerhalb der Leiterteile 11 und 12 infolge der Teilströme I1 und I2 sind die Sensoren 31 bis 34 in einem Bereich eines starken Magnetfelds angeordnet, sodass auch bei einem kleinen Gesamtstrom Ig in dem Leiter 1 eine ausreichende und sichere Erfassung dieses Stroms durch die hohe Messempfindlichkeit der Anordnung gewährleistet ist. Aus dem gesamten Leiterquerschnitt (stromdurchflossener Querschnitt) des Leiters 1 wurden somit 2 vorzugsweise aber nicht zwingend gleich große Leiterteile 11 und 12 gebildet, sodass einerseits eine Aufteilung des Gesamtstroms Ig erreicht wird, und andererseits zwischen die mit einem Zwischenraum 2 im Abstand d beabstandeten Leiterteile 11 und 12 das Trägerteil 4 mit den Sensoren 31 bis 34 eingesetzt werden kann, wobei gleichzeitig eine genaue und optimierte Positionierung der Sensoren 31 bis 34 in dem gesamten Magnetfeld der Teilströme I1 und I2 gewährleistet ist.According to the course of the magnetic field outside the conductor parts 11 and 12 due to the partial currents I1 and I2 are the sensors 31 to 34 arranged in a region of strong magnetic field, so that even with a small total current Ig in the conductor 1 a sufficient and secure detection of this current is ensured by the high sensitivity of the arrangement. From the entire conductor cross-section (current-carrying cross-section) of the conductor 1 were thus 2 preferably but not necessarily the same size ladder parts 11 and 12 formed so that on the one hand a division of the total current Ig is achieved, and on the other hand between those with a gap 2 at a distance d spaced ladder parts 11 and 12 the carrier part 4 with the sensors 31 to 34 can be used, at the same time an accurate and optimized positioning of the sensors 31 to 34 is ensured in the entire magnetic field of the partial currents I1 and I2.
Zur besseren Handhabung der Sensoren 31 bis 34 können diese gemeinsam auf einem Chip oder Substrat angeordnet sein, das seinerseits auf dem Trägerteil 4 angeordnet ist. Neben einer derartigen Anordnung der Sensoren 31 bis 34 auf einem gemeinsamen Chip oder Substrat können auch weitere elektronische Bauelemente und Schaltungsteile angeordnet werden, mittels denen zumindest eine Vorbearbeitung der Ausgangssignale oder Erfassungssignale der Sensoren 31 bis 34 und damit eine erleichterte Auswertung erfolgen kann. Die Sensoren 31 bis 34 und die weiteren möglichen elektronischen Bauelemente und Schaltungsteile sind dabei auf dem Substrat integriert angeordnet. Die erforderlichen Verbindungsleitungen zu den einzelnen Sensoren der Sensoranordnung 3 sind zur Vereinfachung der Darstellung in den 1A und 1B sowie auch in den weiteren Figuren weggelassen. Es können die einzelnen Sensoren 31 bis 34 einzeln angesteuert werden, sodass individuelle Sensorausgangssignale als Erfassungssignale zeitlich unabhängig voneinander gewonnen werden können. Es können auch die Sensoren 31 bis 34 gleichzeitig oder in vorbestimmten Gruppen angesteuert werden, so dass mit einer vorbestimmten zeitlichen Abfolge die Ausgangs- oder Erfassungssignale erhalten werden. Ferner kann das Trägerteil 4 in den Zwischenraum 2 zwischen den beiden Leiterteilen 11 und 12 derart eingesetzt werden, dass beispielsweise eine Längskante des Trägerteils mit einer Richtung der Längsausdehnung des Leiters 1 in einen vorbestimmten Winkel ausgerichtet ist. Dies wird nachstehend im Einzelnen noch beschrieben.For better handling of the sensors 31 to 34 These may be arranged together on a chip or substrate, which in turn on the support part 4 is arranged. In addition to such an arrangement of the sensors 31 to 34 On a common chip or substrate and other electronic components and circuit parts can be arranged, by means of which at least a pre-processing of the output signals or detection signals of the sensors 31 to 34 and thus a simplified evaluation can take place. The sensors 31 to 34 and the other possible electronic components and circuit parts are arranged integrated on the substrate. The required connection lines to the individual sensors of the sensor arrangement 3 are to simplify the presentation in the 1A and 1B and also omitted in the other figures. It can be the individual sensors 31 to 34 be controlled individually, so that individual sensor output signals can be obtained as detection signals temporally independent of each other. It can also be the sensors 31 to 34 be driven simultaneously or in predetermined groups, so that the output or detection signals are obtained with a predetermined time sequence. Furthermore, the carrier part 4 in the gap 2 between the two ladder parts 11 and 12 be used such that, for example, a longitudinal edge of the support member with a direction of the longitudinal extent of the conductor 1 is aligned at a predetermined angle. This will be described in detail later.
Die Sensoren 31 bis 34 auf dem Trägerteil 4 weisen somit bezüglich des Potenzials des Leiters 1 oder eines der Leiterteile 11 und 12 eine galvanische Trennung auf. Eine Verbindung zu den elektrischen Werten des Leiters 1 besteht lediglich in der Verkettung mit dem Magnetfeld des Gesamtstroms Ig oder den Teilströmen I1 und I2.The sensors 31 to 34 on the support part 4 thus indicate the potential of the conductor 1 or one of the ladder parts 11 and 12 a galvanic isolation on. A connection to the electrical values of the conductor 1 exists only in the concatenation with the magnetic field of the total current Ig or the partial currents I1 and I2.
Wie es in den 1A und 1B erkennbar ist, sind die Sensoren 31 bis 34 der Sensoranordnung 3 auf dem Trägerteil 4 in einer Linie (zueinander fluchtend) angeordnet. Hierbei bedeutet die Anordnung in einer Linie, dass ein gedachter Mittelpunkt jedes Sensors 31 bis 34 auf einer Geraden liegt, und somit die einzelnen Sensoren 31 bis 34 entlang dieser Gerade angeordnet sind. Der gedachte Mittelpunkt eines Sensors 31 bis 34 sei ein gedachtes Zentrum der sensitiven Fläche des jeweiligen Sensors 31 bis 34. Die Sensoren 31 bis 34 weisen ebenfalls zueinander entlang der Geraden, die nachstehend auch als Sensorlinie L bezeichnet wird, einen vorbestimmten Abstand zueinander auf. Hierbei kann der Abstand zwischen den jeweiligen Sensorelementen gleich sein, oder er kann unterschiedlich ausgeführt sein. Die Sensorlinie L ist in den 1A und 1B angegeben.As it is in the 1A and 1B is recognizable, are the sensors 31 to 34 the sensor arrangement 3 on the support part 4 arranged in a line (aligned with each other). Here, the arrangement in a line means that an imaginary center of each sensor 31 to 34 lying on a straight line, and thus the individual sensors 31 to 34 are arranged along this straight line. The imaginary center of a sensor 31 to 34 be a thought center of the sensitive area of the respective sensor 31 to 34 , The sensors 31 to 34 also have a predetermined distance from one another along the straight line, which is also referred to below as the sensor line L. Here, the distance between the respective sensor elements may be the same, or it may be designed differently. The sensor line L is in the 1A and 1B specified.
Mit der Sensoranordnung 3 der Sensoren 31 bis 34 in einer Reihe bzw. entlang der Sensorlinie L besteht die Möglichkeit, eine zu einer fehlerhaften oder ungenauen Erfassung führende Beeinflussung des Magnetfelds des stromdurchflossenen Leiters 1 von außen sowie durch Magnetfelder weiterer stromdurchflossener Leiter oder von Permanentmagneten durch eine entsprechende Auswertung zu vermeiden oder derartige Einflüsse zumindest erheblich zu vermindern, sodass die gewünschte genaue Erfassung des Magnetfelds und damit des Stroms Ig im Leiter 1 gewährleistet ist. In Verbindung mit der speziellen geometrischen Anordnung der in den 1A und 1B gezeigten vier Sensoren 31 bis 34 in einer Anordnung entlang der Sensorlinie L können die unerwünschten äußeren Einflüsse auf die Magnetfelderfassung in Verbindung mit einer entsprechenden Auswertung mittels eines Algorithmus kompensiert werden.With the sensor arrangement 3 the sensors 31 to 34 in a row or along the sensor line L, there is the possibility of influencing the magnetic field of the conductor through which current flows to an erroneous or inaccurate detection 1 From the outside and by magnetic fields of other current-carrying conductors or permanent magnets by a corresponding evaluation to avoid or at least significantly reduce such influences, so that the desired accurate detection of the magnetic field and thus the current Ig in the head 1 is guaranteed. In conjunction with the special geometric arrangement of the in the 1A and 1B shown four sensors 31 to 34 in an arrangement along the sensor line L, the unwanted external influences on the magnetic field detection in conjunction with a corresponding evaluation can be compensated by means of an algorithm.
In 1A nimmt das Trägerteil 4 zur Aufnahme der Sensoranordnung 3 (d. h. der einzelnen Sensoren 31 bis 34) nicht den gesamten durch den Zwischenraum 2 gebildeten Raum zwischen den beiden Leiterteilen 11 und 12 ein. Das Trägerteil kann sich jedoch auch über den gesamten Zwischenraum 2 in dem vorbestimmten Bereich S erstrecken, und es kann somit der Zwischenraum 2 bezüglich des vorbestimmten Bereichs S (entsprechend der Länge des Zwischenraums 2 entlang der Ausdehnung des Leiters 1) an die Abmessungen des Trägerteils 4 angepasst werden.In 1A takes the carrier part 4 for receiving the sensor arrangement 3 (ie the individual sensors 31 to 34 ) not the whole through the gap 2 formed space between the two ladder sections 11 and 12 one. However, the support member may also over the entire space 2 extend in the predetermined area S, and thus it may be the gap 2 with respect to the predetermined area S (corresponding to the length of the gap 2 along the extent of the conductor 1 ) to the dimensions of the carrier part 4 be adjusted.
Es ist ferner zu beachten, dass die Darstellung in den 1A und 1B lediglich vereinfacht und schematisch ist und dass die vorliegende Erfindung auf die dargestellten Abmessungen und Proportionen nicht beschränkt ist.It should also be noted that the representation in the 1A and 1B is merely simplified and schematic and that the present invention is not limited to the dimensions and proportions shown.
Zweites AusführungsbeispielSecond embodiment
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 wird nachstehend die Stromerfassungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Gleiche oder gleichartige Teile in der Darstellung erhalten zur Vereinfachung gleiche Bezugszeichen, wie sie in den 1A und 1B verwendet werden.With reference to the 2 and 3 In the following, the current detecting apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described. The same or similar parts in the illustration are given the same reference numerals as in the 1A and 1B be used.
2 zeigt in perspektivischer Ansicht und 3 in der Draufsicht einen Leiter 1 mit einer größeren Ausdehnung, wobei der Leiter 1 in dem lediglich dargestellten und interessierenden Bereich zur Magnetfeld- bzw. Stromerfassung eine Leiterschleife in vorbestimmter Weise bildet. Der zur Vereinfachung der Darstellung im wesentlichen stabförmige Leiter 1 ist in analoger Weise, wie es in 1A gezeigt ist, in einem vorbestimmten Bereich S zweiteilig ausgeführt, sodass ein Gesamtstrom Ig des Leiters 1 in zwei vorzugsweise aber nicht zwingend gleich große Ströme aufgeteilt wird. In dem vorbestimmten Bereich S wird der gesamte Leiter 1 aus einem ersten Leiterteil 11 und einem zweiten Leiterteil 12 gebildet, wobei zwischen beiden Leiterteilen 11 und 12 innerhalb des vorbestimmten Bereichs S ein Zwischenraum 2 gebildet wird. In dem vorbestimmten Bereich S der Schleife des Leiters 1 ist der Zwischenraum 2 zwischen den beiden Leiterteilen 11 und 12 derart angeordnet, dass sich die Öffnung des Zwischenraums 2 in Breite und Höhe d durch sämtliche Leiterteile 11 und 12 erstreckt. In der Darstellung in 2 ist der erste Leiterteil 11 oberhalb des Zwischenraums 2 und der zweite Leiterteil 12 unterhalb des Zwischenraums 2 angeordnet. 2 shows in perspective view and 3 in the plan view a ladder 1 with a greater extent, the conductor 1 formed in the only illustrated and interesting area for magnetic field or current detection a conductor loop in a predetermined manner. The simplistic presentation of the substantially rod-shaped conductor 1 is analogous to how it is in 1A is shown in a predetermined range S in two parts, so that a total current Ig of the conductor 1 is divided into two preferably but not necessarily equal streams. In the predetermined area S, the entire conductor becomes 1 from a first ladder part 11 and a second ladder section 12 formed, with between two ladder parts 11 and 12 within the predetermined area S a gap 2 is formed. In the predetermined area S of the loop of the conductor 1 is the gap 2 between the two ladder parts 11 and 12 arranged such that the opening of the gap 2 in width and height d through all ladder parts 11 and 12 extends. In the illustration in 2 is the first ladder part 11 above the gap 2 and the second ladder part 12 below the gap 2 arranged.
Zur Bildung einer Leiterschleife ist die Anordnung des Leiters 1 insbesondere in dem vorbestimmten Bereich S derart ausgeführt, dass zwei große U-förmige Teilstücke mit einem gemeinsamen mittleren Leiterabschnitt entstehen und wobei deren offene Seiten jeweils in entgegengesetzter Richtung entlang einer Längsausdehnung des Leiters 1 in Form einer Leiterachse R ausgerichtet sind. Diese Anordnung ist ebenfalls in der Draufsicht der 3 erkennbar.To form a conductor loop is the arrangement of the conductor 1 in particular in the predetermined area S designed such that two large U-shaped sections with a common middle conductor section arise and wherein the open sides in each case in the opposite direction along a longitudinal extent of the conductor 1 are aligned in the form of a conductor axis R. This arrangement is also in the plan view of 3 recognizable.
Entsprechend der Darstellung in den 2 und 3 geht in einer Anordnung von links nach rechts der zuerst einstückige Leiter 1 in die beiden Leiterteile 11 und 12 im vorbestimmten Bereich S über, wobei ein erstes Leiterteilstück 5 zusammen mit einem zweiten Leiterteilstück 6 in der Mitte der jeweiligen Darstellungen gebildet werden. Das zweite Leiterteilstück 6 stellt den gemeinsamen Schenkel dar, und das zweite U-förmige Teilstück der Leiterschleife wird durch das zweite Leiterteilstück 6 und ein drittes Leiterteilstück 7 auf der rechten Seite in den 2 und 3 in Verbindung mit dem ersten Leiterteil 11 (oben) und dem zweiten Leiterteil 12 (unten) gebildet. Die beiden Leiterteile 11 und 12 bilden somit übereinanderliegend in dem vorbestimmten Bereich S und um den Abstand d zueinander beabstandet die jeweiligen U-förmigen Teilstücke.As shown in the 2 and 3 goes in an arrangement from left to right, the first one-piece ladder 1 in the two ladder parts 11 and 12 in the predetermined area S above, wherein a first conductor section 5 together with a second conductor section 6 be formed in the middle of the respective representations. The second ladder section 6 represents the common leg, and the second U-shaped portion of the conductor loop is through the second conductor section 6 and a third conductor section 7 on the right in the 2 and 3 in conjunction with the first ladder section 11 (above) and the second ladder section 12 formed (below). The two ladder parts 11 and 12 thus form superimposed in the predetermined area S and spaced by the distance d from each other, the respective U-shaped sections.
Wie es aus den 2 und 3 erkennbar ist, kann die Anordnung des Leiters 1 mit den beiden U-förmigen Teilstücken vorzugsweise im Wesentlichen punktsymmetrisch zu einer Mitte des zweiten (mittleren) Leiterteilstücks 6 ausgebildet und bezüglich des Zwischenraums 2 im vorbestimmten Bereich S spiegelbildlich ausgeführt sein, sodass in dem vorbestimmten Bereich S zwischen den beiden Leiterteilen 11 und 12 der Zwischenraum 2 vollständig ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auf die punktsymmetrische Anordnung der U-förmigen Teilstücke nicht beschränkt, vielmehr können die U-förmigen Teilstücke auch ungleich bzw. unsymmetrisch ausgebildet sein, da dies das Erfassungsergebnis allenfalls in vernachlässigbarer Weise beeinflusst.As it is from the 2 and 3 can be seen, the arrangement of the conductor 1 with the two U-shaped sections preferably substantially point-symmetrical to a center of the second (middle) conductor section 6 trained and with respect to the gap 2 be executed in mirror image in the predetermined range S, so that in the predetermined area S between the two ladder parts 11 and 12 The gap 2 is completely formed. However, the present invention is not limited to the point-symmetrical arrangement of the U-shaped sections, but the U-shaped sections may also be unequal or asymmetrical, since this affects the detection result at most in a negligible manner.
Ferner sind die U-förmigen Teilstücke gemäß den 2 und 3 derart ausgebildet, dass die Leiterteilstücke 5 und 7 im Wesentlichen parallel geführt sind. Es kann dies eine bevorzugte (symmetrische) Anordnung des Leiters 1 sein. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch auf diese Anordnung nicht beschränkt. Vielmehr können die Leiterteilstücke 5 und 7 mit dem (mittleren) Leiterteilstück 6 derart verbunden sein, dass sich keine parallelen Leiterteilstücke 5 und 7 ergeben, sondern eine unsymmetrische Anordnung mit vorbestimmten (auch ungleichen) Winkeln gebildet wird.Furthermore, the U-shaped sections according to the 2 and 3 formed such that the conductor sections 5 and 7 are guided essentially in parallel. This can be a preferred (symmetrical) arrangement of the conductor 1 be. However, the present invention is not limited to this arrangement. Rather, the conductor sections 5 and 7 with the (middle) ladder section 6 be connected so that no parallel conductor sections 5 and 7 but an unbalanced arrangement with predetermined (even unequal) angles is formed.
Innerhalb eines jeweiligen U-förmigen Teilstücks der in den 2 und 3 dargestellten Leiterschleife sind freie Räume ausgebildet, die auch als ein erster und zweiter Feldbereich 8 und 9 bezeichnet werden. Die Feldbereiche 8 und 9 sind in der Draufsicht von 3 erkennbar. In den jeweiligen Feldbereichen 8 und 9 besteht entsprechend dem Feldverlauf durch die jeweiligen Teilströme in den einzelnen Leiterleiten 11 und 12 sowie auch durch die U-förmige Ausbildung der Leiterschleife ein Raum mit einer erhöhten Intensität des Magnetfelds, sodass in diesem Bereich Sensorelemente zur Erfassung der Intensität des Magnetfeld angeordnet werden.Within a respective U-shaped portion of the in the 2 and 3 illustrated conductor loop free spaces are formed, which are also as a first and second field area 8th and 9 be designated. The field areas 8th and 9 are in the top view of 3 recognizable. In the respective field areas 8th and 9 exists according to the field profile through the respective partial currents in the individual conductor lines 11 and 12 as well as by the U-shaped configuration of the conductor loop a space with an increased intensity of the magnetic field, so that sensor elements are arranged for detecting the intensity of the magnetic field in this area.
Im Einzelnen zeigt hierzu 3 die Anordnung eines Trägerteils 4, das in den Zwischenraum 2 im vorbestimmten Bereich S zwischen die beiden Leiterteile 11 und 12 eingesetzt ist. In gleichartiger Weise wie es in den 1A und 1B gezeigt ist, weist das Trägerteil 4 eine Sensoranordnung 3 auf, die aus beispielsweise 4 Sensoren 31 bis 34 besteht und wobei im vorliegenden Fall innerhalb der Feldbereiche 8 und 9 die Sensoren 32 und 31 (zweiter und erster Sensor) angeordnet sind. Mittels der beiden Sensoren 31 (Feldbereich 9) und 32 (Feldbereich 8) wird das Magnetfeld in diesem Raum erfasst.In detail shows this 3 the arrangement of a support member 4 that in the interspace 2 in the predetermined area S between the two conductor parts 11 and 12 is used. In similar Way like that in the 1A and 1B is shown, the carrier part 4 a sensor arrangement 3 on that, for example, 4 sensors 31 to 34 and in the present case within the field areas 8th and 9 the sensors 32 and 31 (second and first sensor) are arranged. By means of the two sensors 31 (Field area 9 ) and 32 (Field area 8th ) the magnetic field in this room is detected.
Gemäß 3 sind zwei weitere Sensoren in Form eines dritten und eines vierten Sensors 33 und 34 vorgesehen, die ebenfalls vorzugsweise auf dem Trägerteil 4 angeordnet und zusammen mit dem ersten und zweiten Sensor 31 und 32 in einer Linie angeordnet sind. Somit sind die vier Sensoren 31 bis 34 mit einem gedachten Mittelpunkt Ihrer jeweiligen räumlichen Ausdehnung entlang der in 3 gezeigten Sensorlinie L angeordnet. Die Anordnung ist gemäß der Darstellung in 3 in der Weise gewählt, dass der erste und zweite Sensor 31 und 32 in den beiden Feldbereichen 8 und 9 mit einem verstärkten Magnetfeld liegen, und die beiden weiteren Sensoren 33 und 34 jeweils außerhalb der beiden U-förmigen Ausbildungen der Leiterteile 11 und 12 angeordnet sind. Es sollen des Weiteren bei der vorstehend angegebenen auch unsymmetrischen Anordnung mit nicht parallelen Leiterteilstücken 5 und 7 die Feldbereiche 8 und 9 zwischen den Leiterteilstücken derart ausgebildet sein, dass bei eingesetzter Sensoranordnung 3 entsprechende Sensoren (beispielsweise die Sensoren 31 und 32) in den Feldbereichen 8 und 9 angeordnet sind.According to 3 are two more sensors in the form of a third and a fourth sensor 33 and 34 provided, which also preferably on the support part 4 arranged and together with the first and second sensor 31 and 32 arranged in a line. Thus, the four sensors 31 to 34 with an imaginary center of their respective spatial extent along the in 3 shown sensor line L arranged. The arrangement is as shown in FIG 3 chosen in such a way that the first and second sensor 31 and 32 in the two field areas 8th and 9 with a stronger magnetic field, and the other two sensors 33 and 34 in each case outside the two U-shaped formations of the ladder parts 11 and 12 are arranged. It should also be in the above-mentioned also asymmetrical arrangement with non-parallel conductor sections 5 and 7 the field areas 8th and 9 be formed between the conductor sections such that when inserted sensor arrangement 3 corresponding sensors (for example, the sensors 31 and 32 ) in the field areas 8th and 9 are arranged.
Mit der Ausbildung des Zwischenraums 2 in sämtlichen Teilen des Leiters 1 in dem vorbestimmten Bereich S kann der vorzugsweise gemeinsame Trägerteil 4 für die Sensoranordnung 3 in den Zwischenraum 2 eingesetzt und innerhalb des Zwischenraums 2 in entsprechender Weise ausgerichtet werden. In der beispielhaften Anordnung gemäß 3 weist die Sensorlinie L einen vorbestimmten Winkel zur Leiterachse R auf, der nicht 90° beträgt. Entsprechend einer Ausbildung der beiden Feldbereiche 8 und 9 innerhalb der beiden U-förmigen Ausbildungen der Leiterteile 11 und 12 ist es jedoch möglich, bei gleicher Wirkung der vorliegenden Erfindung das Trägerteil 4 mit der Sensoranordnung 3 derart in den Zwischenraum 2 einzusetzen, dass die Sensorlinie L und die Leiterachse R einen Winkel von etwa 90° bilden. Die Wirkung der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht von einer derartigen Winkelanordnung abhängig. Vielmehr können weitere Winkel der Sensorlinie L zur Leiterachse R gewählt werden, sofern die Sensoranordnung die Sensoren entlang der Sensorlinie L aufweist. In jedem Fall besteht die Möglichkeit, in Abhängigkeit von den Dimensionen der U-förmigen Ausbildungen der Leiterteile 11 und 12 und somit auch der beiden Feldbereiche 8 und 9 eine optimierte Positionierung der Sensoranordnung 3 in Verbindung mit dem Positionieren des Trägerteils 4 vorzunehmen.With the formation of the gap 2 in all parts of the leader 1 in the predetermined area S, the preferably common carrier part 4 for the sensor arrangement 3 in the gap 2 used and within the gap 2 be aligned in a corresponding manner. In the exemplary arrangement according to 3 the sensor line L has a predetermined angle to the conductor axis R, which is not 90 °. According to a training of the two field areas 8th and 9 within the two U-shaped formations of the ladder parts 11 and 12 However, it is possible for the same effect of the present invention, the support member 4 with the sensor arrangement 3 so in the gap 2 insert that the sensor line L and the conductor axis R form an angle of about 90 °. However, the effect of the present invention does not depend on such an angular arrangement. Rather, further angles of the sensor line L to the conductor axis R can be selected, provided that the sensor arrangement has the sensors along the sensor line L. In any case, it is possible, depending on the dimensions of the U-shaped formations of the ladder parts 11 and 12 and thus also the two field areas 8th and 9 an optimized positioning of the sensor arrangement 3 in connection with the positioning of the carrier part 4 make.
Die gesamte Anordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel und der Darstellung in den 2 und 3 weist die gleichen Vorteile auf wie die Anordnung gemäß den 1A und 1B, wobei in Verbindung mit den beiden U-förmigen Ausbildungen der Leiterteile 11 und 12 und der Bildung von zwei entsprechenden Feldbereichen 8 und 9 Bereiche um den Leiter 1 gebildet werden mit einem erhöhten Magnetfeld, sodass auch bei einem geringen Wert des Stroms Ig eine zuverlässige Erfassung des Magnetfelds (Intensität) und damit des zu erfassenden Stroms gewährleistet ist.The entire arrangement according to the second embodiment and the representation in the 2 and 3 has the same advantages as the arrangement according to the 1A and 1B , wherein in conjunction with the two U-shaped formations of the ladder parts 11 and 12 and the formation of two corresponding field regions 8th and 9 Areas around the ladder 1 be formed with an increased magnetic field, so that even at a low value of the current Ig reliable detection of the magnetic field (intensity) and thus the current to be detected is ensured.
Mit der linienförmigen Anordnung der Sensoren 31 bis 34 innerhalb des Magnetfelds des zu erfassenden Leiterstroms (Strom Ig) entlang der Sensorlinie L besteht ebenfalls die Möglichkeit, einerseits eine sehr genaue Messung durchzuführen und andererseits den Einfluss von nicht vermeidbaren äußeren Störungen oder Störfeldern zu vermeiden oder in erheblichem Umfang zu vermindern. In Verbindung mit einer Auswertung entsprechend eines vorbestimmten Algorithmus kann die Auswertung in der Weise erfolgen, dass der Einfluss von Störfeldern vermindert oder beseitigt wird.With the linear arrangement of the sensors 31 to 34 Within the magnetic field of the conductor current to be detected (current Ig) along the sensor line L, there is also the possibility of performing a very accurate measurement on the one hand and avoiding or considerably reducing the influence of unavoidable external disturbances or interference fields on the other hand. In conjunction with an evaluation according to a predetermined algorithm, the evaluation can be carried out in such a way that the influence of interference fields is reduced or eliminated.
Die Ausgestaltung der Stromerfassungsvorrichtung gemäß der Darstellung in 3 ist ferner optimiert im Hinblick auf einerseits die Feldkonzentration und Feldverstärkung des Magnetfelds in den Feldbereichen 8 und 9, sowie ferner im Hinblick auf die Stromtragfähigkeit der gesamten Anordnung des Leiters 1, und insbesondere im zweiten mittleren und bezüglich der zweifachen U-förmigen Ausgestaltung gemeinsamen Leiterteilstück 6 der jeweiligen ersten und zweiten Leiterteile 11 und 12. Das zweite Leiterteilstück 6 ist zur im wesentlichen Aufrechterhaltung der ursprünglichen Stromdichte der ersten und dritten Leiterteilstücke 5 und 7 in seiner Querschnittsfläche vergrößert, sodass die Stromtragfähigkeit verbessert und der Einfluss einer Widerstanderhöhung vermindert wird. In-folge der Ausbildung etwa gleichartiger Stromdichten in den verschiedenen Bereichen des Leiters 1 wird der Ausbildung eines Wärmepols im vorbestimmten Bereich S auch bei einer geringfügigen Erhöhung des Widerstands der Leiterteile 11 und 12 (in dem gemeinsamen Leiterteilstück 6) entgegengewirkt.The embodiment of the current detection device as shown in FIG 3 is further optimized with regard to on the one hand the field concentration and field amplification of the magnetic field in the field regions 8th and 9 , as well as with regard to the current carrying capacity of the entire arrangement of the conductor 1 , and in particular in the second middle and with respect to the double U-shaped configuration common conductor section 6 the respective first and second ladder parts 11 and 12 , The second ladder section 6 is for substantially maintaining the original current density of the first and third conductor sections 5 and 7 increased in its cross-sectional area, so that the current carrying capacity is improved and the influence of a resistance increase is reduced. As a result of the formation of approximately similar current densities in the different areas of the conductor 1 becomes the formation of a heat pole in the predetermined area S even with a slight increase in the resistance of the conductor parts 11 and 12 (in the common conductor section 6 ) counteracted.
Weitere Aspekte der ErfindungFurther aspects of the invention
Unter Bezugnahme auf die 4A und 4B werden weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.With reference to the 4A and 4B Further aspects of the present invention are illustrated.
4A zeigt eine zu der Anordnung gemäß den 1A und 1B gleichartige Anordnung, bei der in dem Leiter 1 der Zwischenraum 2 in dem vorbestimmten Bereich S gebildet ist. Auf dem Trägerteil 4 als gemeinsamer Träger ist die Sensoranordnung 3 in Verbindung mit den vier Sensoren 31 bis 34 vorgesehen, und es sind die Sensoren 31 bis 34 in einer geraden Linie entsprechend der Sensorlinie L angeordnet. Die Sensorlinie L ist nicht notwendigerweise symmetrisch zu der Ausbildung des Trägerteils 4, sondern es sind lediglich die einzelnen Sensoren 31 bis 34 entlang der Sensorlinie L und damit in einer Reihe angeordnet. Der Leiterteil 4 ist derart in den Zwischenraum 2 eingesetzt, dass der erste und zweite Sensor 31 und 32 jeweils außerhalb des Zwischenraums unmittelbar benachbart zu dem Leiter 1 angeordnet sind, und die weiteren Sensoren in Form des dritten und vierten Sensors 33 und 34 jeweils im wesentlichen symmetrisch zu dem Leiter 1 beabstandet sind. Hierbei kann die Sensorlinie L rechtwinklig zu der Leiterachse R angeordnet sein, oder auch einen anderen vorbestimmten und von 90° abweichenden Winkel (beispielsweise der Winkel α gemäß 5B) bilden. Die grundlegende Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung ist von dem Winkel zwischen der Sensorlinie L und der Leiterachse R unabhängig. 4A shows one to the arrangement according to the 1A and 1B similar arrangement, at the one in the ladder 1 The gap 2 is formed in the predetermined area S. On the support part 4 as a common carrier is the sensor array 3 in conjunction with the four sensors 31 to 34 provided, and it is the sensors 31 to 34 arranged in a straight line corresponding to the sensor line L. The sensor line L is not necessarily symmetrical to the formation of the support member 4 but it is only the individual sensors 31 to 34 along the sensor line L and thus arranged in a row. The ladder part 4 is so in the gap 2 used that the first and second sensor 31 and 32 each outside the gap immediately adjacent to the conductor 1 are arranged, and the other sensors in the form of the third and fourth sensor 33 and 34 each substantially symmetrical to the conductor 1 are spaced. Here, the sensor line L may be arranged at right angles to the conductor axis R, or else another predetermined and deviating from 90 ° angle (for example, the angle α in accordance with 5B ) form. The basic operation of the present invention is independent of the angle between the sensor line L and the conductor axis R.
4B zeigt in Form einer Kennlinie K die um den Leiter 1 bestehende Feldverteilung, sowie im Hinblick auf die geometrische Anordnung der einzelnen Sensoren 31 bis 34 in der Kennlinie K die jeweilige Position der Sensoren. Das um den Leiter 1 gebildete und zu erfassende Magnetfeld ist von Strom Ig sowie von dem Abstand zum Leiter 1 abhängig. Es ist dabei erkennbar, dass die näher an dem Leiter 1 liegenden Sensoren 31 und 32 eine höhere Feldintensität (eine höhere Magnetische Induktion B) erfassen, während die bezüglich des Leiters 1 weiter beabstandete Sensoren 33 und 34 eine geringere Feldintensität erfassen. Jeweilige Erfassungssignale der Sensoren 31 bis 34 werden in einer Steuerungseinrichtung 20 unter weitere Berücksichtigung der vorliegenden geometrischen Bedingungen (Positionen der Sensoren entlang der Sensorlinie L relative zum Leiter 1) verarbeitet. Die jeweiligen Erfassungssignale stehen in Beziehung zur Position der entsprechenden Sensoren 31 bis 34, da die Sensoren an die an ihrer jeweiligen Position herrschende Magnetfeldstärke erfassen. 4B shows in the form of a characteristic K around the conductor 1 existing field distribution, as well as with regard to the geometric arrangement of the individual sensors 31 to 34 in the characteristic K, the respective position of the sensors. That around the leader 1 formed and to be detected magnetic field of current Ig and the distance to the conductor 1 dependent. It can be seen that the closer to the conductor 1 lying sensors 31 and 32 detect a higher field intensity (a higher Magnetic Induction B) while those with respect to the conductor 1 further spaced sensors 33 and 34 capture a lower field intensity. Respective detection signals of the sensors 31 to 34 are in a control device 20 with further consideration of the present geometric conditions (positions of the sensors along the sensor line L relative to the conductor 1 ) processed. The respective detection signals are related to the position of the respective sensors 31 to 34 because the sensors detect the magnetic field strength prevailing at their respective position.
In 4A ist ein kartesisches Achsensystem mit einer x-Achse, einer y-Achse und einer z-Achse eingezeichnet, wobei der Leiter 1 zur Vereinfachung der Darstellung mit seiner Leiterachse R in Richtung der x-Achse verläuft, während die Sensoranordnung 3 mit den einzelnen Sensoren 31 bis 34 in Verbindung mit der Sensorlinie L entlang der x-Achse ausgerichtet ist. Hierzu senkrecht steht die z-Achse. Die Erfindung ist nicht darauf festgelegt, dass die Sensorlinie L und die Leiterachse R aufeinander senkrecht stehen.In 4A is a Cartesian axis system with an x-axis, a y-axis and a z-axis drawn, wherein the conductor 1 for ease of illustration with its conductor axis R in the direction of the x-axis, while the sensor assembly 3 with the individual sensors 31 to 34 aligned with the sensor line L along the x-axis. The z-axis is perpendicular to this. The invention is not specified that the sensor line L and the conductor axis R are perpendicular to each other.
Die interessierende Verteilung des Magnetfelds (Induktion B, vektorielle Größe) gemäß 4B verläuft entlang der x-Achse und damit gemäß der Darstellung in 4A entlang der Sensorachse L.The interesting distribution of the magnetic field (induction B, vectorial quantity) according to 4B runs along the x-axis and thus as shown in FIG 4A along the sensor axis L.
Mit der geometrischen Anordnung der vier Sensoren 31 bis 34 entlang der Sensorlinie L (ungeachtet eines Winkels der Sensorlinie L zur Leiterachse R abweichend von 90°) ist das verfügbare Nutzsignal der Gesamtheit der Sensoren 31 bis 34 zumindest eine Größenordnung (1 Grad) höher als äußere Störsignale, die durch die Sensoren erfasst werden, bedingt durch magnetisch wirksame Metalle, weitere stromführende Leiter oder (insbesondere bewegliche) Permanentmagneten in der Nähe der Sensoranordnung 3, wenn diese sich in einem eingesetztem Zustand in dem Zwischenraum 2 des Leiters 1 befindet. Hierbei wird als ein Störsignal die zusätzliche Beeinflussung des mittels der Sensoranordnung 3 zu erfassenden Magnetfelds des Leiters 1 (hervorgerufen durch den Strom Ig) betrachtet.With the geometric arrangement of the four sensors 31 to 34 along the sensor line L (regardless of an angle of the sensor line L to the conductor axis R deviating from 90 °) is the available useful signal of the totality of the sensors 31 to 34 at least one order of magnitude ( 1 Degrees) higher than external interfering signals detected by the sensors due to magnetically active metals, other live conductors or (in particular movable) permanent magnets in the vicinity of the sensor arrangement 3 when they are in an inserted state in the gap 2 of the leader 1 located. Here, as an interference signal, the additional influence of the means of the sensor array 3 to be detected magnetic field of the conductor 1 (caused by the current Ig) considered.
5A zeigt in einer schematischen Draufsicht eine weitere Anordnung der Sensorvorrichtung zur Erfassung eines durch einen Leiter 1 fließenden Stroms durch Erfassen eines den Leiter 1 umgebenden Magnetfelds. Gleiche oder gleichartige Teile in der Darstellung erhalten zur Vereinfachung gleiche Bezugszeichen, wie sie in den 1 bis 4 verwendet werden. 5A shows in a schematic plan view of another arrangement of the sensor device for detecting a through a conductor 1 flowing current by detecting a conductor 1 surrounding magnetic field. The same or similar parts in the illustration are given the same reference numerals as in the 1 to 4 be used.
Gemäß 5A fließt durch den Leiter 1 (mit quadratischer, runder oder beliebiger Querschnittsfläche) der Strom I, der ein den Leiter 1 umgebendes Magnetfeld erzeugt. Mittels der Sensoren 31 bis 34 wird dieses Magnetfeld erfasst und auf der Basis entsprechender Erfassungssignale zur Bestimmung des Stroms I ausgewertet.According to 5A flows through the conductor 1 (with square, round or any cross-sectional area) the current I, the one the conductor 1 surrounding magnetic field generated. By means of the sensors 31 to 34 This magnetic field is detected and evaluated on the basis of corresponding detection signals for determining the current I.
Während in den Darstellungen der 1B, 3 und 4A die Abstände zwischen den einzelnen Sensoren im Wesentlichen symmetrisch zum Leiter 1 und untereinander paarweise (unter Berücksichtigung von Toleranzen im Wesentlichen) gleich sind, sind in der Darstellung von 5A ungleichförmige Abstände zwischen den Sensoren 31 bis 34 vorgesehen. Die Erfindung ist somit nicht auf gleichförmige Abstände zwischen den Sensoren 31 bis 34 sowie auf eine symmetrische Anordnung der Sensoren 31 bis 34 relativ zum Leiter 1 festgelegt. Die in 5A gezeigte Sensoranordnung 3 umfasst beispielsweise einen zweiteiligen Trägerteil 4. An beiden Seiten des Leiters 1 ist ein Trägerteil angeordnet und weist jeweils zwei der Sensoren 31 bis 34 auf, wobei der Leiter 1 ohne einen Zwischenraum 2 in dem vorbestimmten Bereich S ausgebildet ist. Die beiden Trägerteile 4 sind vollständig außerhalb des Leiters 1 angeordnet. Somit sind anstelle einer Anordnung in dem Zwischenraum 2 wischen Leiterteilen des Leiters 1 die Trägerteile 4 der Sensoranordnung 3 in dem vorbestimmten Bereich S benachbart zu dem Leiter 1 angeordnet 5A und 5B). Der vorbestimmte Bereich S betrifft somit den Bereich oder Abschnitt des Leiters 1, an dem die Sensoranordnung 3 neben oder auch oberhalb oder unterhalb des Leiters 1 (in jedem Fall innerhalb des Magnetfelds) angeordnet ist. Somit kann der Trägerteil 4 symmetrisch oder unsymmetrisch zum Leiter 1 (zur Leiterachse R) oberhalb oder auch unterhalb des Leiters 1 angeordnet werden. Die Anordnung in einer geraden Linie bzw. der Sensorlinie L wird beibehalten.While in the representations of the 1B . 3 and 4A the distances between the individual sensors are substantially symmetrical to the conductor 1 and mutually in pairs (taking into account tolerances in essence) are the same, are in the representation of 5A non-uniform distances between the sensors 31 to 34 intended. The invention is thus not at uniform distances between the sensors 31 to 34 as well as a symmetrical arrangement of the sensors 31 to 34 relative to the ladder 1 established. In the 5A shown sensor arrangement 3 For example, includes a two-part support member 4 , On both sides of the conductor 1 is arranged a support member and each has two of the sensors 31 to 34 on, the leader 1 without a gap 2 is formed in the predetermined area S. The two support parts 4 are completely outside the leader 1 arranged. Thus, instead of being located in the space 2 wipe ladder parts of the ladder 1 the carrier parts 4 the sensor arrangement 3 by doing predetermined area S adjacent to the conductor 1 disposed 5A and 5B ). The predetermined area S thus relates to the area or section of the conductor 1 to which the sensor arrangement 3 next to or above or below the ladder 1 (in any case, within the magnetic field) is arranged. Thus, the carrier part 4 symmetric or unbalanced to the conductor 1 (to the conductor axis R) above or below the conductor 1 to be ordered. The arrangement in a straight line or the sensor line L is maintained.
In 5A stehen die Sensorlinie L und die Leiterachse R (unter Berücksichtigung von Toleranzen) im Wesentlichen senkrecht aufeinander. Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht festgelegt, vielmehr können die Sensorlinie L und die Leiterachse R auch zueinander einen von 90° abweichenden Winkel bilden.In 5A are the sensor line L and the conductor axis R (taking into account tolerances) substantially perpendicular to each other. However, the invention is not fixed thereto, but rather the sensor line L and the conductor axis R can also form an angle deviating from 90 ° to one another.
Eine derartige Anordnung ist in 5B gezeigt. Die Sensorlinie L und die Leiterachse R sind zueinander in einem von 90° abweichenden Winkel α geneigt. Es liegt ebenfalls ein zweiteiliger Trägerteil 4 vor, wobei jedoch im Vergleich zu der Anordnung gemäß 5A die Anordnung neben dem von 90° abweichenden Winkel α auch die Verteilung der Sensoren 31 bis 34 auf die Komponenten der Trägerteile 4 ungleichförmig ist. Die in 5B gezeigte rechte (d. h. rechts vom Leiter 1 angeordnete) Komponente des Trägerteils 4 weist drei Sensoren 31, 33 und 34 auf, während der die linke Komponente des Trägerteils 4 den Sensor 31 aufweist. Die Erfindung ist somit auf eine symmetrische Anordnung der Sensoren 31 bis 34 relativ zum Leiter 1 nicht festgelegt.Such an arrangement is in 5B shown. The sensor line L and the conductor axis R are inclined relative to one another at an angle α deviating from 90 °. There is also a two-part support part 4 before, however, compared to the arrangement according to 5A the arrangement in addition to the deviating from 90 ° angle α and the distribution of the sensors 31 to 34 on the components of the support parts 4 is non-uniform. In the 5B shown right (ie right of the ladder 1 arranged) component of the support member 4 has three sensors 31 . 33 and 34 on while the left component of the carrier part 4 the sensor 31 having. The invention is thus based on a symmetrical arrangement of the sensors 31 to 34 relative to the ladder 1 not fixed.
Mit den in den 1 bis 5 gezeigten Sensoranordnungen 3 werden grundsätzlich dieselben Vorteile erreicht, wie sie in Verbindung mit dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel im Einzelnen genannt sind.With the in the 1 to 5 shown sensor arrangements 3 basically the same advantages are achieved, as they are mentioned in detail in connection with the first and second embodiments.
Nachstehend wird in Verbindung mit den vorstehend angegebenen Ausführungsbeispielen und weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung die Wirkungsweise beschrieben.Hereinafter, the operation will be described in connection with the above-mentioned embodiments and other aspects of the present invention.
Magnetfeldstärken nehmen mit dem Abstand zum Ursprung des Magnetfelds (hier: des Leiters 1) ab, wobei die mit linearen und nicht-linearen Anteilen erfolgt. Es gilt ferner für Magnetfelder das Prinzip der Überlagerung, gemäß dem bei einer Messung der Magnetfeldstärke (Intensität des Magnetfelds) eines stromdurchflossenen Leiters (bzw. in dessen naher Umgebung) sich Magnetfelder unterschiedlichen und unabhängigen Ursprungs überlagern. Es werden daher dem zu erfassenden Nutzfeld des stromdurchflossenen Leiters 1 störende Gleich- und Wechselstromfelder überlagert. Diese überlagerten Magnetfelder bilden eine das Erfassungsergebnis störende oder verfälschende Komponente des Erfassungssignals. Die aufgrund der angegebenen Umgebungsbedingungen in Verbindung mit magnetisch wirksamen Metallen oder weiteren magnetischen Störfeldern zu erwartenden Störsignale verhalten sich mit einer Abhängigkeit von einem Abstand r gemäß 1/r2 zuzüglich einer entsprechenden Winkelabhängigkeit, da sich eine Störquelle in der Umgebung des zu erfassenden Leiters 1 auch hinsichtlich ihres Ortes und ihrer Lage verändern kann. Hieraus ergibt sich, dass eine Störfeldkompensation mit mindestens quadratischer Ordnung notwendig ist.Magnetic field strengths increase with the distance to the origin of the magnetic field (here: the conductor 1 ), with linear and non-linear proportions. Furthermore, the principle of superimposition applies to magnetic fields, according to which magnetic fields of different and independent origin are superimposed upon measurement of the magnetic field strength (intensity of the magnetic field) of a conductor (or in its vicinity) through which current flows. There are therefore the field of use to be detected of the current-carrying conductor 1 interfering DC and AC fields superimposed. These superimposed magnetic fields form a component of the detection signal which disturbs the detection result or falsifies it. The due to the specified environmental conditions in connection with magnetically active metals or other magnetic interference fields expected interference behave with a function of a distance r according to 1 / r 2 plus a corresponding angular dependence, as a source of interference in the vicinity of the conductor to be detected 1 also in terms of their location and their location. It follows that an interference field compensation with at least quadratic order is necessary.
Gemäß der Darstellung in 4B ist die Verteilung des Magnetfelds (Verteilung der Magnetfeldstärke) durch die Gesamtanordnung gegeben Ferner müssen die Sensororte, d. h. die Positionen der Sensoren 31 bis 34 auf dem (ein- oder mehrteiligen) Trägerteil 4 und relativ zum Leiter 1 ungefähr bekannt sein. Mittels des vorbestimmten Algorithmus ist es möglich, bei den bekannten geometrischen Vorgaben gemäß den vorstehend beschriebenen 1 bis 5 Einflüsse durch magnetische Störfelder (Gleich- oder Wechselfelder) zu erfassen und relativ zum Nutzsignal zu eliminieren. Durch einen Vergleich der mit den einzelnen Sensoren 31 bis 34 gemessenen oder erfassten Magnetfeldstärken (am jeweiligen Ort des betreffenden Sensors) können die jeweiligen Anteile des Nutzsignals und der Störsignale voneinander getrennt werden. Homogene Störfelder, wie beispielsweise das Erdmagnetfeld können bereits mit differenziell messenden Sensoren und durch eine geeignete Auswertung zugunsten des Nutzsignals eliminiert werden.As shown in 4B the distribution of the magnetic field (distribution of magnetic field strength) is given by the overall arrangement Furthermore, the sensor locations, ie the positions of the sensors 31 to 34 on the (one or more parts) carrier part 4 and relative to the leader 1 be known about. By means of the predetermined algorithm, it is possible, in the known geometric specifications according to the above-described 1 to 5 Influences due to magnetic interference fields (DC or alternating fields) to detect and to eliminate relative to the useful signal. By comparing with the individual sensors 31 to 34 measured or detected magnetic field strengths (at the respective location of the relevant sensor), the respective portions of the useful signal and the interference signals can be separated from each other. Homogeneous interference fields, such as the earth's magnetic field can already be eliminated with differential measuring sensors and by a suitable evaluation in favor of the useful signal.
Im Allgemeinen treten jedoch auch inhomogene Störfelder auf, wie beispielsweise von Elektromagneten, bewegten Permanentmagneten oder weiteren stromdurchflossenen Leitern. Je kleiner der räumliche Abstand zum Ursprung der magnetischen Störquellen, desto stärker weichen diese magnetischen Störeinflüsse an den Orten der Sensoren 31 bis 34 von einem homogenen Verlauf ab. Diese Einflüsse lassen sich näherungsweise durch die Annahme eines zumindest quadratischen Störfeldverlaufs in Verbindung mit dem Nutzsignalverlauf voneinander trennen (herausrechnen). Es kann dann der durch den Leiter 1 fließende Strom über ein von Störeinflüssen weitgehen befreites und erfasstes Magnetfeld bestimmt werden, so dass ein Stromwert weitgehend ohne Störeinflüsse erfassbar ist.In general, however, inhomogeneous interference fields occur, such as electromagnets, moving permanent magnets or other conductors through which current flows. The smaller the spatial distance to the origin of the magnetic interference sources, the stronger these magnetic interference effects at the locations of the sensors 31 to 34 from a homogeneous course. These influences can be approximately separated from one another by the assumption of an at least quadratic interference field profile in conjunction with the useful signal profile. It can then by the conductor 1 flowing current can be determined by a far away from disturbing influences liberated and detected magnetic field, so that a current value can be detected largely without interference.
Mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 3 und ihrer Positionierung relativ zu dem Leiter 1 kann eine Form des Erfassungssignals (Nutzsignalform, Kennlinie K) ähnlich einer Polynomfunktion dritter Ordnung gebildet werden, wobei hierbei die Anordnung der Sensoren 31 bis 34 entlang der Sensorlinie L vorgesehen ist. Mit der sich ergebenden Polynomfunktion dritter Ordnung können durch die mathematische Orthogonalität von Polynomfunktionen zweiter Ordnung durch je eine Messung an vier unterschiedlichen Orten Korrekturen vorgenommen werden. Eine Kompensation der inhomogenen Störfelder (quadratische inhomogene Störfelder) ist somit möglich. Die jeweiligen Messungen an den vier unterschiedlichen Orten (Positionen der Sensoren 31 bis 34 relativ zum Leiter 1) sind durchzuführen. Hierbei werden die vier Sensoren 31 bis 34 verwendet, die entlang der Sensorlinie L und damit an vier unterschiedlichen Orten relativ zu dem Leiter 1 angeordnet sind. Die in 4A dargestellte Steuerungseinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, die einzelnen Sensoren 31 bis 34 der Sensoranordnung 3 jeweils nacheinander in vorbestimmter Weise, in vorbestimmten Gruppen oder alle Sensoren 31 bis 34 gleichzeitig anzusteuern und jeweilige gemeinsame oder individuelle Erfassungssignale aufzunehmen. Hierzu ist die Sensoranordnung 3 bzw. das Trägerteil 4 über Leitungsverbindungen 21 mit der Steuerungseinrichtung 20 verbunden. Es kann der (ein- oder mehrteilige) Trägerteil 4 mit den darauf angeordneten Sensoren 31 bis 34 in Verbindung mit einem Kalibiervorgang hinsichtlich der Positionierung im Magnetfeld des Leiters 1 optimiert werden, wobei die Empfindlichkeit der Anordnung verbessert werden kann.With the sensor arrangement according to the invention 3 and their positioning relative to the conductor 1 For example, a shape of the detection signal (useful waveform, characteristic K) similar to a third-order polynomial function can be formed, in which case the arrangement of the sensors 31 to 34 is provided along the sensor line L. With the resulting third-order polynomial function can by the mathematical orthogonality of polynomial functions of second order by making one measurement at four different locations corrections are made. Compensation of the inhomogeneous interference fields (square inhomogeneous interference fields) is thus possible. The respective measurements at the four different locations (positions of the sensors 31 to 34 relative to the ladder 1 ) are to be carried out. Here are the four sensors 31 to 34 used along the sensor line L and thus at four different locations relative to the conductor 1 are arranged. In the 4A illustrated control device 20 is designed to the individual sensors 31 to 34 the sensor arrangement 3 one after another in a predetermined manner, in predetermined groups or all sensors 31 to 34 simultaneously to drive and record respective common or individual detection signals. For this purpose, the sensor arrangement 3 or the carrier part 4 via line connections 21 with the control device 20 connected. It may be the (one or more parts) carrier part 4 with the sensors arranged on it 31 to 34 in connection with a calibration procedure with regard to the positioning in the magnetic field of the conductor 1 can be optimized, whereby the sensitivity of the arrangement can be improved.
Im Hinblick auf die durchzuführenden Messungen gilt für ein Nutzsignal (Erfassungssignal) n-ter Ordnung, dass (n + 1) Messungen benötigt werden, wobei sich (n – 1) Korrekturmöglichkeiten ergeben. Es wird somit das Erfassungssignal der Sensoranordnung mit zumindest einer Ordnung höher erfasst als das Störfeld.With regard to the measurements to be carried out, for a useful signal (detection signal) of the nth order it is necessary that (n + 1) measurements are required, whereby (n-1) correction possibilities result. Thus, the detection signal of the sensor arrangement is detected higher than the interference field with at least one order.
Die entsprechende Auswertung des Nutzsignals (Erfassungssignal) der Sensoranordnung 3 bzw. der einzelnen Sensoren 31 bis 34 erfolgt in Verbindung mit dem vorbestimmten mathematischen Algorithmus gemäß den vorstehend angegebenen Bedingungen, wenn die geometrischen Bedingungen hinsichtlich der Sensoranordnung 3 (d. h. ihre Positionen entlang der Sensorlinie L) relativ zum Leiter 1 bekannt sind. Es werden die Erfassungssignale sämtlicher Sensoren 31 bis 34 für eine umfassende Erfassung herangezogen und verarbeitet. Mit der Anordnung der erforderlichen Sensoren 31 bis 34 (der Sensoranordnung 3) entsprechend der Sensorlinie L (gerade Linie) kann die Auswertung in Verbindung mit der in 4B gezeigten Kennlinie K und dem mathematischen Algorithmus vereinfacht werden.The corresponding evaluation of the useful signal (detection signal) of the sensor arrangement 3 or the individual sensors 31 to 34 takes place in conjunction with the predetermined mathematical algorithm according to the conditions given above, if the geometric conditions with respect to the sensor arrangement 3 (ie their positions along the sensor line L) relative to the conductor 1 are known. It will be the detection signals of all sensors 31 to 34 used for a comprehensive collection and processed. With the arrangement of the required sensors 31 to 34 (the sensor arrangement 3 ) according to the sensor line L (straight line), the evaluation in conjunction with the in 4B shown characteristic curve K and the mathematical algorithm are simplified.
Für sämtliche der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele geltend ist es mit der erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung möglich, die Vorteile einer sehr nahen Position der einzelnen Sensorelemente 31 bis 34 an dem Leiter 1 in einem Bereich eines sehr starken Magnetfelds zur Messung kleinster Ströme mit dem Vorteil einer einfachen Anordnung und einer erleichterten Handhabung zu verbinden. Die erleichterte Handhabung wird im Wesentlichen durch die Anordnung der vorzugsweise vier Sensoren 31 bis 34 oder einer größeren Anzahl der Sensoren auf dem gemeinsamen Trägerteil 4 und in Abhängigkeit von den Rahmenbedingungen auch vorzugsweise auf einem gemeinsamen Substrat unterstützt.For all of the embodiments described above, it is possible with the current detection device according to the invention, the advantages of a very close position of the individual sensor elements 31 to 34 on the ladder 1 in an area of a very strong magnetic field for measuring minute currents to combine with the advantage of a simple arrangement and easier handling. The easier handling is essentially due to the arrangement of the preferably four sensors 31 to 34 or a larger number of the sensors on the common carrier part 4 and preferably supported on a common substrate depending on the framework conditions.
Die einzelnen Sensorelemente 31 bis 34 liegen in vorbestimmten Positionen in einem Bereich des starken Magnetfelds, das den zu erfassenden Leiter umgibt, so dass weitere Maßnahmen und Komponenten oder Elemente zur Verstärkung des Magnetfelds, wie beispielsweise Eisenmetall oder Ferrite entbehrlich sind. Es ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Stromerfassungsvorrichtung kostengünstigere und in den Abmessungen kleine Anordnungen bei gleichzeitig hoher Messempfindlichkeit sowie einer verminderten Empfindlichkeit gegenüber inhomogenen Störfeldern.The individual sensor elements 31 to 34 lie in predetermined positions in a region of the strong magnetic field surrounding the conductor to be detected, so that further measures and components or elements for amplifying the magnetic field, such as iron metal or ferrites are dispensable. With the current detection device according to the invention, more cost-effective and dimensionally small arrangements with simultaneously high measuring sensitivity as well as a reduced sensitivity to inhomogeneous interference fields result.
Die erfindungsgemäße Stromerfassungsvorrichtung kann bei jeglicher Art von Leistungsversorgungseinrichtungen und zugehörigen Stromschienen oder Stromleitern angewendet werden. Dies betrifft insbesondere die Möglichkeit einer Anwendung in Kraftfahrzeugen im Hinblick auf die Stromversorgung (Ladung) von Batterien und insbesondere von Elektrofahrzeugen mit einem erhöhten Leistungsbedarf und damit auch einer notwendigen genauen Erfassung von Strömen in Leitern. Somit ist eine Anwendung in Hybridfahrzeugen mit einer Hochleistungsbatterie angezeigt. Der Ladezustand jeweiliger Batterien kann über die Erfassung der Ladeströme und der Entladeströme sowie der Klemmenspannung und der Batterietemperatur verlässlich und kontinuierlich bestimmt werden.The current detection device according to the invention can be applied to any type of power supply devices and associated bus bars or conductors. This relates in particular to the possibility of use in motor vehicles with regard to the power supply (charge) of batteries and in particular of electric vehicles with an increased power requirement and thus also a necessary accurate detection of currents in conductors. Thus, an application is indicated in hybrid vehicles with a high-performance battery. The state of charge of respective batteries can be reliably and continuously determined via the detection of the charging currents and the discharge currents as well as the terminal voltage and the battery temperature.
Neben der Ausbildung des Leiters als ein einzelner Stromleiter oder ein Leiterbündel ist die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung auch zur Erfassung von Strömen ausgebildet, die auf Leiterbahnen in elektronischen Schaltungen oder auf Leiterplatten vorhanden sind. Es können an beliebigen Strombahnen in Geräten und Maschinen Erfassungen oder Messungen erfolgen. Es ist auf diese Weise möglich, eine Stromerfassung über eine Erfassung eines Magnetfelds in einer Vielzahl von Anwendungen auf einfache Weise durchzuführen, wobei Ströme unterschiedlicher Größe sicher erfasst werden können.In addition to the formation of the conductor as a single conductor or a bundle of conductors, the sensor device according to the invention is also designed to detect currents that are present on tracks in electronic circuits or on printed circuit boards. Detections or measurements can be made on any current paths in devices and machines. In this way, it is possible to easily carry out a current detection via a detection of a magnetic field in a multiplicity of applications, whereby currents of different sizes can be reliably detected.
Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Figuren beschrieben. Es ist jedoch für den auf diesem Gebiet tätigen Fachmann selbstverständlich, dass die Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gemäß den vorstehend beschriebenen Figuren und die für die jeweiligen Bauteile und Komponenten verwendeten Bezugszeichen in den Figuren und der Beschreibung sowie die beispielhaften Angaben nicht einschränkend auszulegen sind. Auch sind die in den einzelnen Figuren angegebenen Proportionen nur beispielhaft und lediglich für ein besseres Verständnis schematisch dargestellt. Die Erfindung ist auf die angegebenen Formen und Proportionen nicht beschränkt. Vielmehr werden als zur Erfindung gehörig sämtliche Ausführungsformen und Varianten angesehen, die unter die beigefügten Schutzansprüche fallen.The present invention has been described above on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the associated figures. However, it is understood by those skilled in the art that the embodiment of the present invention according to the figures described above and the reference numerals used for the respective components and components in the figures and the description and the by way of example only and not restrictively. Also, the proportions given in the individual figures are only exemplary and shown schematically only for a better understanding. The invention is not limited to the specified shapes and proportions. Rather, all embodiments and variants are considered as belonging to the invention, which fall under the appended claims.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE 10243645 A1 [0004] DE 10243645 A1 [0004]
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DE 19741417 [0005] DE 19741417 [0005]
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DE 102008039568 A1 [0006] DE 102008039568 A1 [0006]
