DE60008119T2

DE60008119T2 - Stromsensor

Info

Publication number: DE60008119T2
Application number: DE60008119T
Authority: DE
Inventors: Nicholas Andrew DAMES; Grellier Edward COLBY
Original assignee: Sentec Ltd
Current assignee: Sentec Ltd
Priority date: 1999-08-06
Filing date: 2000-07-24
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2020-07-25
Also published as: ATE259070T1; PT1206705E; CA2380934A1; GB9918539D0; BR0013073B1; GB0018142D0; MXPA02001161A; CA2380934C; US6414475B1; BR0013073A; KR20020035847A; EP1206705A1; EP1206705B1; WO2001011376A1; KR100450012B1; ES2219362T3; GB2353099B; DE60008119D1; CN1161619C; CN1379860A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Sensor, der zur Messung des Stroms verwendet werden kann, der in einem Leiter fließt. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich diese Erfindung auf einen Stromsensor, der Bestandteil eines Wechselstromzählers für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs sein kann und dazu dient, die Energiemenge zu messen, die von einem Energieversorgungsunternehmen an eine Firma oder einen Privathaushalt geliefert wurde.
Eine Reihe von verschiedenen Verfahren zur Messung von Strom ist schon bekannt. Die wichtigsten der den Anmeldern bekannten vorausgehenden Patente sind:

– EP-A-0 710 844 (ENERMET)
– US-A-5 066 904 (BULLOCK)
– US-A-4 706 017 (WILSON)

ENERMET spezifiziert eine Anordnung, zu der ein Gradiometer gehört. BULLOCK spezifiziert Anordnungen, in denen effektiv ein Leiter (Messwiderstand) koaxial in das Innere eines anderen Leiters (Nebenschlusswiderstand) montiert ist. WILSON spezifiziert eine Anordnung, bei der ein ferromagnetischer Flusskonzentrator auf einer Leiterplatte befestigt ist, wobei der Flusskonzentrator durch eine auf die Leiterplatte gedruckte Spule hindurchgeht.
Jede dieser Anordnungen weist Beispiele von bekannten Transformator-Sensoren auf, die trotzdem gegen äußere, nicht homogene Magnetfelder (d. h. deren Feldstärke räumlich variiert) empfindlich sind, wie sie durch Ströme hervorgerufen werden können, deren Frequenz mit der des erfassten Stroms identisch ist, und die Drähte durchfließen, die in der Nähe des Stromsensors angeordnet sind.
Wird der Stromsensor als Bestandteil eines Elektrizitätszählers für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs verwendet, dann ist besonders wichtig, dass der Zähler gegen den Einfluss äußerer Felder nicht unangemessen empfindlich ist. Es gibt mehrere veröffentlichte Standards für die Leistung von Elektrizitätszählern für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs, zum Beispiel ANSI C12-1993, „Elektrizitätsmessung" und IEC 1036, zweite Auflage 1996-09. Insbesondere ANSI C12.16 „Festkörper-Elektrizitätszähler", Abschnitt 10.2.4 „Wirkung des äußeren Magnetfelds Versuch Nr. 16" spezifiziert den möglichen Grad der Beeinflussung eines Elektrizitätszählers für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs durch ein äußeres Magnetfeld. Der Versuch spezifiziert, dass sich der Zählerstand um höchstens 1% ändern darf, wenn ein Strom von 3 A durch den Zähler fließt, der Zähler an einer von drei vorgeschriebenen Stellen innerhalb einer Schleife von 1,5 m _× 1,5 m positioniert wird und ein Strom von 100 A (mit derselben Frequenz und Phase wie der den Zähler durchfließende Strom) die Schleife durchfließt.
Deshalb besteht Bedarf – die Vorschläge von ENERMET, BULLOCK und WILSON bieten dabei keine Lösung – an einem Stromsensor, der kostengünstig ist, den zu messenden Strom isoliert, sich in moderne Produktionsmethoden integrieren lässt und im Wesentlichen unempfindlich ist gegen:

(i) Magnetfelder, wie sie z. B. von entfernten (Fernfeld) magnetischen Quellen hervorgerufen werden;
(ii) nicht homogene Magnetfelder, wie sie z. B. durch starke Ströme hervorgerufen werden, die durch benachbarte Leiter fließen (d. h. Feldgradienten); und
(iii) Magnetfelder, wie sie im ANSI-Standard spezifiziert werden.

Als Resümee formuliert: Wie man Stromfluss in einer gewickelten Spulenanordnung erfassen und messen kann, ohne die Sensormessung durch die zwangsläufig erzeugten Magnetfelder zu verzerren.
Die vorliegende Erfindung löst das Gesamtproblem, indem sie zwei Spulen benutzt; Erfassungs- und Ausgleichswicklung werden jeweils so überlagernd angeordnet, dass die resultierende Nähe Unempfindlichkeit gegen Magnetfeldinterferenz verleiht.
Die Art, in der die zwei Spulen beabstandet und überlagert werden, um dieses Resultat zu erreichen, kann im Vergleich zu bekannten Anordnungen dieser Art durch mindestens vier voneinander unabhängig realisierbare, aber erfindungsgemäß zusammenhängende Lösungen erzielt werden, und zwar:

1. die jeweiligen magnetischen Dipolzentren der Wicklungen werden im Wesentlichen zusammengelegt;
2. die jeweiligen Wicklungen werden koaxial angeordnet;
3. es werden nicht ferromagnetisch gekoppelten Windungen verwendet;
4. eine einheitliche Leiterplattenimplementierung.

Es handelt sich dabei um unabhängige, selbständige Erfindungen, die das gleiche technische Resultat erzielen und alle das Problem lösen. Auf diese Weise bieten sie alternative Lösungen für ein bestimmtes Problem, wobei alle zu einem einzigen erfinderischen Konzept gehören.
Wie hierin spezifisch beansprucht wird, liefert die vorliegende Erfindung einen Stromsensor, der Folgendes umfasst:
einen Magnetfeldgenerator, um einen zu erfassenden Strom zu empfangen und als Reaktion darauf ein entsprechendes örtliches Magnetfeld zu erzeugen; und
Erfassungsmittel zum Erfassen des vom Magnetfeldgenerator erzeugten lokalen Magnetfelds und zum Ausgeben eines Ausgangssignals, das für den zu erfassenden Strom bezeichnend ist, wobei die Erfassungsmittel Folgendes umfassen:
eine Sensorwicklung mit einer oder mehreren Leiterwindungen, die ein effektives Magnetzentrum der Sensorwicklung zum Erfassen von Magnetfeldern und zum Erzeugen eines erfassten Signals definieren, das mit dem erfassten Magnetfeld variiert; und
eine Kompensationswicklung mit einer oder mehreren Leiterwindungen, die ein effektives Magnetzentrum der Kompensationswicklung zum Erfassen von Magnetfeldern und zum Erzeugen eines Kompensationssignals definieren, das mit dem erfassten Magnetfeld variiert;
Mittel zum Ermitteln einer Differenz zwischen dem Kompensationssignal und dem erfassten Signal, um ein Differenzsignal zu erzeugen; und
Mittel zum Erzeugen des Ausgangssignals in Abhängigkeit von dem ermittelten Differenzsignal;
wobei die Sensorwicklung und die Kompensationswicklung so angeordnet sind, dass ihre effektiven Magnetzentren im Wesentlichen zusammenfallen.
Ein derartiger Sensor kann als Leiterplatte hergestellt werden, wodurch ein kostengünstiges Produktionsverfahren bereitsteht, das ausgezeichnete Toleranzen erzielen kann und damit eine gute Reproduzierbarkeit hinsichtlich der Platzierung der Leiter, die als Spulenbestandteile dienen.
Unter einem zweiten Aspekt liefert die vorliegende Erfindung einen Stromsensor, der Folgendes umfasst:
einen Magnetfeldgenerator zum Empfang eines zu erfassenden Stroms und zum Erzeugen eines entsprechenden örtlichen Magnetfelds als Reaktion auf diesen Strom; und
Erfassungsmittel zum Erfassen des örtlichen Magnetfelds, das vom Magnetfeldgenerator erzeugt wird, und zum Ausgeben eines Ausgangssignals, das für den zu erfassenden Strom bezeichnend ist, wobei die Erfassungsmittel Folgendes umfassen:
eine Sensorwicklung mit einer oder mehreren Leiterwindungen, die ein effektives Magnetzentrum der Sensorwicklung zum Erfassen von Magnetfeldern und zum Erzeugen eines erfassten Signals definieren, das mit dem erfassten Magnetfeld variiert; und
eine Kompensationswicklung mit einer oder mehreren Leiterwindungen, die ein effektives Magnetzentrum der Kompensationswicklung zum Erfassen von Magnetfeldern und zum Erzeugen eines Kompensationssignals definieren, das mit dem erfassten Magnetfeld variiert;
Mittel zum Ermitteln der Differenz zwischen dem Kompensationssignal und dem erfassten Signal, um ein Differenzsignal zu erzeugen; und
Mittel zum Erzeugen des Ausgangssignals in Abhängigkeit von dem ermittelten Differenzsignal;
wobei die Sensorwicklung und die Kompensationswicklung so angeordnet sind, dass ihre effektiven Magnetzentren im Wesentlichen koaxial sind.
Unter einem weiteren Aspekt liefert die vorliegende Erfindung einen Stromsensor, der einen Magnetfeldgenerator zum Empfang eines zu erfassenden Stroms und zum Erzeugen eines entsprechenden örtlichen Magnetfelds als Reaktion auf diesen Strom enthält; und
Erfassungsmittel zum Erfassen des örtlichen Magnetfelds, das vom Magnetfeldgenerator erzeugt wird, und zum Ausgeben eines Ausgangssignals, das für den zu erfassenden Strom bezeichnend ist, wobei die Erfassungsmittel Folgendes umfassen:
eine Sensorwicklung mit einer oder mehreren Leiterwindungen, die ein effektives Magnetzentrum der Sensorwicklung zum Erfassen von Magnetfeldern und zum Erzeugen eines erfassten Signals definieren, das mit dem erfassten Magnetfeld variiert; und
eine Kompensationswicklung mit einer oder mehreren Leiterwindungen, die ein effektives Magnetzentrum der Kompensationswicklung zum Erfassen von Magnetfeldern und zum Erzeugen eines Kompensationssignals definieren, das mit dem erfassten Magnetfeld variiert;
Mittel zum Ermitteln einer Differenz zwischen dem Kompensationssignal und dem erfassten Signal, um ein Differenzsignal zu erzeugen; und
Mittel zum Erzeugen des Ausgangssignals in Abhängigkeit von dem ermittelten Differenzsignal;
wobei die Sensorwicklung und die Kompensationswicklung relativ zum Magnetfeldgenerator so angeordnet sind, dass die Sensorwicklung und die Kompensationswicklung nicht ferromagnetisch an den Magnetfeldgenerator gekoppelt sind, wenn der Magnetfeldgenerator also Reaktion auf einen zu erfassenden Strom ein Magnetfeld erzeugt.
Unter einem vierten Aspekt liefert die vorliegende Erfindung einen Stromsensor, der einen Magnetfeldgenerator zum Empfang eines zu erfassenden Stroms und zum Erzeugen eines entsprechenden örtlichen Magnetfelds als Reaktion auf diesen Strom enthält; und
Erfassungsmittel zum Erfassen des örtlichen Magnetfelds, das vom Magnetfeldgenerator erzeugt wird, und zum Ausgeben eines Ausgangssignals, das für den zu erfassenden Strom bezeichnend ist, wobei die Erfassungsmittel Folgendes umfassen:
eine Sensorwicklung mit einer oder mehreren Leiterwindungen, die ein effektives Magnetzentrum der Sensorwicklung zum Erfassen von Magnetfeldern und zum Erzeugen eines erfassten Signals definieren, das mit dem erfassten Magnetfeld variiert; und
eine Kompensationswicklung mit einer oder mehreren Leiterwindungen, die ein effektives Magnetzentrum der Kompensationswicklung zum Erfassen von Magnetfeldern und zum Erzeugen eines Kompensationssignals definieren, das mit dem erfassten Magnetfeld variiert;
Mittel zum Ermitteln einer Differenz zwischen dem Kompensationssignal und dem erfassten Signal, um ein Differenzsignal zu erzeugen; und
Mittel zum Erzeugen des Ausgangssignals in Abhängigkeit von dem ermittelten Differenzsignal;
wobei die Sensorwicklung und die Kompensationswicklung so angeordnet sind, dass sie als Leiterbahnen auf einer gemeinsamen Leiterplatte ausgebildet sind.
Unter allen Aspekten der vorliegenden Erfindung wird im Übrigen Folgendes in Aussicht genommen:

– ein Stromsensor, in dem die Bahnen einen Luftkern durch die Leiterplatte umschließen;
– ein Elektrizitätszähler mit einem Stromsensor, der außerdem Folgendes umfasst: Messmittel zum Bereitstellen eines Messwerts für die Spannung einer Stromspeisung, die den vom Stromsensor zu erfassenden Strom liefert; und Rechenmittel zum Ermitteln und Ausgeben einer Anzeige für einen elektrischen Kennwert einer Last, die mit dem erfassten Strom in Abhängigkeit von dem Strommesswert und dem Spannungsmesswert gespeist werden soll; und
– ein Elektrizitätszähler, in dem der Stromsensor, die Messmittel und die Rechenmittel auf einer gemeinsamen Leiterplatte ausgeführt sind.

Exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden jetzt mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben:
1 ist eine perspektivische Explosionszeichnung eines Teils eines Elektrizitätszählers für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs, der für den Gebrauch in den USA geeignet ist und zwei Laststromleiter und einen Stromsensor enthält.
2 ist eine Draufsicht einer Leiterplatte, die ein Bestandteil des in 1 gezeigten Stromsensors ist, und veranschaulicht Spulenanordnungen für den Stromsensor.
3a ist eine Querschnittsansicht durch den Abschnitt XX' in 1. Sie veranschaulicht das mit einem in den Laststromleitern fließenden Strom verknüpfte Magnetfeld und zeigt die Wechselwirkung zwischen diesem Magnetfeld und der Spulenanordnung von 2;
3b ist eine Querschnittsansicht durch den Abschnitt XX' in 1. Sie veranschaulicht ein (von einer örtlichen Magnetquelle erzeugtes) Magnetfeld, dessen Stärke über der Ebene der Spulenanordnung in 2 linear variiert.
4 ist ein schematisches Blockdiagramm des Elektrizitätszählers für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs in 1;
5a zeigt die gedruckten Leiter auf einer obersten Schicht eines vorteilhaften Leiterplatten-Stromsensors, der die Erfindung verwirklicht;
5b zeigt die gedruckten Leiter auf der untersten Schicht (von der obersten Schicht her gesehen) des vorteilhaften Leiterplatten-Stromsensors;
6a–6c zeigt ein Schaltbild eines vorteilhaften Elektrizitätszählers für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs, der sich zum Gebrauch in Verbindung mit dem Stromsensor der 5a und 5b eignet;
7 zeigt eine Laststromleiter-Anordnung, die sich für das Messen von Drehstrom eignet, und zeigt außerdem eine alternative Ausführungsform eines Stromsensorsystems; und
8 zeigt eine alternative Anordnung der Sensorwicklungen, die im Stromsensorsystem von 1 benutzt werden kann.
1 zeigt eine teilweise auseinander gezogene Darstellung eines Elektrizitätszählers für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs 20, der aus Folgendem besteht:
einem Zählerunterteil 30, einem Netzeingang 21, einem Netzausgang 22 und einem Stromsensor 1. Der Stromsensor 1 besteht aus einem ersten Laststromleiter 2 und einem zweiten Laststromleiter 32, die zwischen Netzeingang 21 und Netzausgang 22 verbunden sind und durch die der Netzstrom fließt. Der Netzeingang 21 kann an eine einphasige Netzversorgung, wie sie in den USA für Privathaushalte üblich ist, angeschlossen sein, mit „2S"-Dreileiterformat, 240 V (120 V) Effektivwert, 60 Hz und Mittelanzapfung, der ein Strom mit einem Effektivwert von 0 A bis 200 A entnommen werden kann. Der Netzausgang 22 kann an einen Privathaushalt angeschlossen sein. Der Stromsensor 1 enthält auch eine Sensor-Leiterplatte 5, auf der eine Stromsensorspule 4 ausgebildet ist, die einen Sensorteil 6 und einen Kompensationsteil 7 aufweist. Bei dieser Ausführungsform ist der Sensorteil 6 ringförmig und liegt koaxial innerhalb des Kompensationsteils 7, das ebenfalls ringförmig ist. An der Sensor-Leiterplatte 5 ist die Sensorschaltung 9 befestigt, die den Output der Stromsensorspule 4 verarbeitet, und ein LCD-Display 10 zum Anzeigen der dem Netz entnommenen kumulativen Energie (in Kilowattstunden).
In dieser Ausführungsform sind die Laststromleiter 2, 32 aus Kupfer, mit einer Dicke von 2,5 mm und einer Breite von 5 mm. Wie 1 veranschaulicht, ist der Laststromleiter 2 so geformt, dass ein Teil Schleifenform 2a hat, mit einem Innendurchmesser von 9,8 mm und einem Außendurchmesser, der etwa die Länge des Außendurchmessers des Sensorteils 6 hat. Obwohl der Laststromleiter 32 durch die Sensor-Leiterplatte 5 verdeckt ist, hat auch der Laststromleiter 32 einen Schleifenteil, der im Wesentlichen mit dem des Lastromleiters 2 identisch ist. Wie 1 veranschaulicht, sind die Laststromleiter und die Sensor-Leiterplatte 5 so angeordnet, dass die Gerade durch die effektiven Magnetzentren der Schleifenteile im Wesentlichen senkrecht zur Sensor-Leiterplatte 5 verläuft. Bei der 2S-Dreileiterformatspeisung fließt der meiste Strom (im Allgemeinen) entweder durch Laststromleiter 2 oder durch Laststromleiter 32 zu den Lasten, die mit einem Neutralleiter verbunden sind; der Rückstrom von den Lasten zur Stromquelle fließt durch den Neutralleiter (der Neutraldraht ist der „dritte" Draht der 2S-Format-Speisung und ist nicht an den Zähler angeschlossen). Es ist möglich, dass andere Ströme vom Laststromleiter 2 über eine Last zum Laststromleiter 32 fließen, ohne durch den Neutralleiter zur Stromquelle zurückzufließen. Die elektrischen Verbindungen am Netzeingang 21 und Netzausgang 22 gehen über die 19,5 mm breiten Blattabschnitte 12a, b, c, d. Die Blattabschnitte sind mit ihren passenden Laststromleitern 2, 32 durch 12 mm breite Kupferleiter verbunden.
In dieser Ausführungsform ist die Sensor-Leiterplatte 5 von den Lastromleitern 2, 32 mittels Isolierfolien (nicht abgebildet) zwischen ihr und den Laststromleitern isoliert. Eine isolierte NE-Klemmschraube (nicht abgebildet) klemmt die Laststromleiter 2, 32, die Isolierfolien und die Sensor-Leiterplatte 5 zusammen. Außerdem werden elektrostatische Abschirmungen (nicht abgebildet) zwischen den Laststromleitern 2, 32 und der Sensor-Leiterplatte 5 bereitgestellt, um kapazitive Kopplung der netzgetragenen Interferenz (oder des Potentials der Wechselstromnetzspannung) von den Laststromleitern 2, 32 an die Stromsensorspule 4 zu reduzieren.
Überblick über den Betrieb
Während des Betriebs fließt Wechselstrom zwischen Netzeingang 21 und Netzausgang 22 durch die Schleifenteile der Laststromleiter 2, 32 und begründet auf diese Weise in der Nähe der Stromsensorspule 4 ein zeitvariantes Magnetfeld. Dieses Magnetfeld induziert eine elektromotorische Kraft (EMK) in der Spule 4, die dem in den Laststromleitern 2, 32 fließenden Strom proportional ist. Die induzierte EMK wird dann von der Sensorschaltung 9 verarbeitet, um den in den Laststromleitern 2, 32 fließenden Strom zu messen. Der Strommesswert wird dann mit dem Messwert der Spannung zwischen den Laststromleitern 2, 32 kombiniert, um einen Messwert für die Momentanenergie abzuleiten, die von einer mit dem Netzausgang 22 (über die Laststromleiter 2, 32) verbundenen Last verbraucht wird. Die Momentanenergie wird dann nach der Zeitvariablen integriert, um die von der Last verbrauchte Energie zu bestimmen. Diese verbrauchte Energie wird dann auf dem LCD-Display 10 in Kilowattstunden angezeigt.
Sensor-Leiterplatte
2 zeigt die Sensor-Leiterplatte 5 und veranschaulicht auch, auf mehr Einzelheiten eingehend, das Verhältnis zwischen dem Sensorteil 6 und dem Kompensationsteil 7 der Stromsensorspule 4. In dieser Ausführungsform ist die Sensor-Leiterplatte 5 eine einseitige Leiterplatte, und die auf der Sensor-Leiterplatte 5 aus Kupfer geformte Struktur wird mit durchgezogenen Linien gezeigt. Die punktierte Linie 8 in 2 zeigt die Position der Drahtverbindung, die das innerste Ende des Sensorteils 6 mit der Sensorschaltung 9 verbindet.
Wie 2 zeigt, ist der Sensorteil 6 eine Spiralspule mit 4 Windungen, deren jede im Wesentlichen einen Radius r1 hat. Der Kompensationsteil 7 hat eine einzige Windung mit Radius r2. Die effektiven magnetischen Dipolzentren von Sensorteil 6 und Kompensationsteil 7 sind im Wesentlichen zusammenliegend und werden an den Punkten 15a bzw. 15b angezeigt. Das effektive Magnetzentrum einer Spule wird durch die Position und Richtung eines infinitesimalen Dipols (angemessener Magnetfeldstärke) definiert, sodass Spule und Dipol ununterscheidbar sind, wenn sie in ihren Fernfeldern beobachtet werden. Der Radius des Kompensationsteils 7 ist im Wesentlichen doppelt so lang wie der des Sensorteils 6. Obwohl also der Sensorteil 6 und der Kompensationsteil 7 eine unterschiedliche Anzahl von Windungen und unterschiedliche Größen aufweisen, so haben sie im Wesentlichen dasselbe Produkt von Windungen und Fläche.
Wie 2 zeigt, ist die äußere Windung des Sensorteils 6 mit dem Kompensationsteil 7 verbunden, wobei die anderen Enden des Sensorteils 6 und des Kompensationsteils 7 mit der Sensorschaltung 9 verbunden sind. Wie gezeigt ist, sind Sensorteil 6 und Kompensationsteil 7 so verbunden, dass sie effektiv in entgegengesetzten Richtungen gewunden sind. Deshalb sind die im Sensorteil 6 induzierten EMKs den im Kompensationsteil 7 induzierten EMKs entgegengesetzt. Da im Übrigen die Produkte Windungen mal Fläche des Sensorteils 6 und des Kompensationsteils 7 im Wesentlichen gleich sind, wird die im Sensorteil 6 als Reaktion auf ein entferntes (und daher räumlich homogenes) zeitvariables Magnetfeld induzierte EMK die im Kompensationsteil 7 als Reaktion auf dasselbe zeitvariable Magnetfeld induzierte EMK wegkompensieren. Deshalb ist der Stromzähler 1 relativ immun gegen die Interferenz von Hintergrund-Magnetfeldern.
3a zeigt einen Querschnitt der Sensor-Leiterplatte 5 durch eine Ebene, die den in 1 gezeigten Abschnitt X-X' und die effektiven Dipolzentren 15a, 15b enthält. Der Querschnitt zeigt den Sensorteil 6 und den Kompensationsteil 7 in einer im Wesentlichen gemeinsamen Ebene und zeigt den Laststromleiter 2 in einer parallelen Ebene knapp über dem Sensorteil 6. 3a zeigt auch nicht verbindende Feldlinien 3a, sensorverbindene Feldlinien 3b und kompensationsverbindende Feldlinien 3c, wobei alle das Magnetfeld repräsentieren, das um den Laststromleiter 2 herum entsteht, wenn ihn ein Strom durchfließt. Die Feldlinien 3 werden zu einem bestimmten Zeitpunkt gezeigt (wenn der Strom durch den Laststromleiter seinen positives Scheitelwert erreicht).
Zur besseren Verständlichkeit wird der zweite Laststromleiter 32 in 3a nicht gezeigt, er liegt aber auf der dem Laststromleiter 2 gegenüberliegenden Seite der Sensor-Leiterplatte 5, wobei eine Spiegelsymmetrie bezüglich der Ebene der Stromsensorspule 4 und der Position des Laststromleiters 2 besteht. Der zweite Laststromleiter 32 ist zwischen dem Netzeingang 21 und Netzausgang 22 so verbunden, dass das Magnetfeld, das durch den ihn durchfließenden Strom entsteht, zu dem Magnetfeld summiert wird, das durch den Laststrom (I_s) erzeugt wird, der den Laststromleiter 2 durchfließt.
Die Laststromleiter-Magnetfeldlinien 3 bilden geschlossene Schleifen um den Laststromleiter 2. Die nicht verbindenden Feldlinien 3a bilden nur um den Laststromleiter 2 geschlossene Schleifen und induzieren deshalb weder im Sensorteil 6 noch im Kompensationsteil 7 eine EMK. Die sensorverbindenden Feldlinien 3b bilden sowohl um den Laststromleiter 2 als auch um den Sensorteil 6 geschlossene Feldlinien, aber nicht um den Kompensationsteil 7, und deshalb koppeln diese Feldlinien nur mit dem Sensorteil 6. Die kompensationsverbindenden Feldlinien 3c koppeln den Laststromleiter 2 sowohl mit dem Sensorteil 6 als auch mit dem Kompensationsteil 7 und bleiben deshalb ohne Einfluss auf die Sensorspule 4 (da der Sensorteil 6 im entgegengesetzten Sinn zum Kompensationsteil 7 gewickelt ist).
Daraus folgt: Da ein größerer Teil des Magnetfelds 3, das durch den im Laststromleiter 2 fließenden Strom erzeugt wird, mit dem Sensorteil 6 als mit dem Kompensationsteil 7 gekoppelt ist, wird in den Wicklungen der Stromsensorspule 4 eine Netto-EMK erzeugt, die in Abhängigkeit von dem den Laststromleiter 2 durchfließenden Strom variiert. Wie oben erklärt wurde, kann diese EMK dazu benutzt werden, den Strom zu berechnen, den die an das Netz angeschlossene Last verbraucht.
Obwohl die vorhergehende Erklärung mit Bezug auf die Magnetfeldlinien 3a, b, c gegeben wurde, werden Fachleuten verstehen, dass diese Erklärung eine vereinfachte Beschreibung der wirklichen Situation war. So ist es beispielsweise möglich, eine auf Finiter-Elemente-Modellierung beruhende vollständige Vektorfeldanalyse auszuführen, um das magnetische Vektorfeld und die in den Spulen induzierte EMK zu berechnen.
Feldgradienten
Wie oben beschrieben wurde, ist die Empfindlichkeit gegen magnetische Interferenz eine der wichtigen Leistungsaspekte eines Elektrizitätszählers für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs, wie z. B. in ANSI C12.16 spezifiziert ist. Wie unten erklärt werden wird, ist die Sensorspule 4 effektiv immun gegen lineare Feldgradienten, wenn der Sensorteil 6 und der Kompensationsteil 7 so angeordnet werden, dass ihre Magnetzentren 15a, 15b im Wesentlichen zusammenfallen. Ein Feldgradient ist linear, wenn seine erste Ableitung nach der Positionsvariablen konstant ist und seine höhere Ableitungen im Wesentlichen verschwinden.
3b zeigt die Stärke eines Feldgradienten zu einem bestimmten Zeitpunkt als Produkt einer örtlichen, zeitvariablen magnetischen Quelle. Die örtliche Quelle ist in diesem Falle ausreichend stark und befindet sich ausreichend nahe der Stromsensorspule 4, sodass sie ein Magnetfeld mit einem signifikanten nicht homogenen Bestandteil erzeugt. Ein Beispiel für eine örtliche Quelle ist ein Leiter, der von der Stromsensorspule 4 sagen wir 0,2 m entfernt ist und der einen starken Strom der gleichen Phase und Frequenz führt wie der durch den Elektrizitätszähler für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs 20 zu messende Strom. Im Allgemeinen wird eine solche Quelle ein Magnetfeld mit drei orthogonalen Komponenten erzeugen. Zwei dieser orthogonalen Komponenten haben Magnetfeldlinien in der Ebene der Stromsensorspule 4 und können deshalb nicht mit der Stromsensorspule 4 gekoppelt sein. Die andere orthogonale Komponente hat Magnetfeldlinien, die senkrecht zur Ebene der Stromsensorspule 4 liegen, sodass der zu diesen Feldlinien gehörende Magnetfluss mit dem Sensorteil 6 und Kompensationsteil 7 gekoppelt wird. Im Falle eines linearen Feldgradienten ist die Flussdichte der Magnetfeldlinien dieser orthogonalen Komponente über der Stromsensorspule 4 linearvariant, was in 3b durch die Gerade 16 veranschaulicht wird.
Wie 3b zeigt, ist die Magnetfeldstärke 16 auf der linken Seite des Sensorteils 6 und des Kompensationsteils 7 relativ groß, fällt aber über der Stromsensorspule 4 in Richtung auf die rechte Seite des Sensorteils 6 und des Kompensationsteils 7 linear ab. Wegen der Variation der Magnetfeldstärke 16 über der Stromsensorspule 4, ist die linke Seite des Kompensationsteils 7 einem relativ starken Magnetfeld ausgesetzt, während auf die rechte Seite des Kompensationsteils 7 ein relativ schwaches Magnetfeld einwirkt. Auf ähnliche Weise wirkt auf die linke Seite des Sensorteils 6 ein schwächeres Magnetfeld als auf die linke Seite des Kompensationsteils 7, aber die rechte Seite des Sensorteils 6 ist einem stärkeren Magnetfeld ausgesetzt als die rechte Seite des Kompensationsteils 7. Daraus folgt: Da die Magnetzentren 15a und 15b des Sensorteils 6 und des Kompensationsteils 7 im Wesentlichen zusammenfallen, hebt sich die Wirkung der Magnetfeldstärke 16 auf den Sensorteil 6 gegen ihre Wirkung auf den Kompensationsteil 7 im Wesentlichen auf. (Wenn das Magnetfeld 16 rein linear ist, dann heben sich Sensorteil 6 und Kompensationsteil 7 völlig gegeneinander auf.)
Verarbeitungselektronik
4 veranschaulicht ein schematisches Diagramm des Elektrizitätszählers für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs 20 und zeigt, dass der Netzeingang 21 über einen ersten spannungsführenden Leiter L1 und einen zweiten spannungsführenden Leiter L2 mit dem Netzausgang 22 verbunden ist. Ein Strom I_s fließt durch den spannungsführenden Leiter L1, vom Netzeingang 21 über den Laststromleiter 2 des Stromsensors 1 zum Netzausgang 22. Der Strom I_s kann durch den spannungsführenden Leiter L2 vom Netzausgang 22 über den zweiten Laststromleiter 32 des Stromsensors 1 zum Netzeingang 21 zurückfließen. Der Laststromleiter 2 und der zweite Laststromleiter 32 sind so angeordnet, dass sie sich gegenseitig verstärkende Magnetfelder erzeugen, wenn sie der Strom I_s durchfließt.
Die Sensorschaltung 9 umfasst einen Integrierer 23, einen Spannungssensor 25, einen Mikrokontroller 24, der einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU) 26 enthält, und einen Display 10. Die Schaltungstechnik enthält auch ein Netzteil 28, das die Netzversorgung über L1 und L2 in Gleichspannung umwandelt, die sich dazu eignet, den Rest der Schaltungstechnik 9 zu speisen.
Der Integrierer 23 integriert die Ausgangs-EMK von der Stromsensorspule 4 und erzeugt eine Ausgangsspannung, die der Spannung des in den Laststromleitern 2, 32 fließenden Stroms proportional ist, aber unabhängig von der Frequenz des fließenden Stroms ist. Der integrierte Wert wird dann vom ADU 26 des Mikrokontrollers 24 digitalisiert. Wie Fachleuten verständlich sein wird, kompensiert der Integrierer 23 für die Tatsache, dass die Ausgangs-EMK der Stromsensorspule 4 der Änderungsgeschwindigkeit des die Laststromleiter 2, 32 durchfließenden Stroms proportional ist, und gewährleistet auf diese Weise, dass das durch den ADU 26 digitalisierte Signal ein wahres Maß des Speisestroms ist.
Um die Energie zu messen, die über den Netzausgang 22 an eine Last geliefert wird, muss der Elektrizitätszähler für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs 20 sowohl die Spannung V_s als auch den Strom I_s kennen. Die Spannung V_s (eine Nennspannung von 240 V, da sowohl L1 als auch L2 eine Nennspannung von 120 V führen, aber um 180° gegeneinander versetzt sind) wird vom Spannungssensor 25 gemessen, der die Spannung von L2 relativ zu L1 misst und einen vorausbestimmten Teil der Messung an einen anderen Kanal des ADU 26 zur Digitalisierung abgibt. Der Mikrokontroller 24 multipliziert dann die digitalisierten Werte für die Spannung V_s und den Strom I_s, um die Momentanleistung P_s zu messen, die von einer an den Netzausgang 22 angeschlossenen Last benutzt wird. Der Mikrokontroller 24 integriert dann die Momentanleistung P_s nach der Zeitvariablen, um die Energie E_s zu bestimmen, die an die Last geliefert wird. Die an die Last gelieferte kumulative Energie wird dann auf dem Display 10 angezeigt.
Wie schon beschrieben wurde, gestattet der Stromsensor 1 die Konstruktion eines Elektrizitätszählers für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs 20, in dem die Laststromleiter 2, 32 vom Stromsensor 1 galvanisch getrennt sind und der im Wesentlichen gegen lineare Magnetfeldgradienten und homogene Magnetfelder immun ist.
Alternative Ausführungsformen
Ein vorteilhafter Stromsensor 101 soll jetzt mit Bezug auf die 5 und 6 beschrieben werden. Der Stromsensor 101 ähnelt dem Stromsensor 1, hat aber eine andere Stromsensorspule 104, wie in 5a und 5b gezeigt ist. Die differenzielle Stromsensorspule 104 ist auf den obersten und untersten Lagen einer Leiterplatte mit der Standardicke von 1,6 mm geformt. 5a zeigt die Leiterbahn auf der obersten Lage der Leiterplatte, und 5b zeigt die Leiterbahn auf der untersten Lage der Leiterplatte (von der Oberseite der Leiterplatte her gesehen). Wie 5a veranschaulicht, umfasst die oberste Lage der differenziellen Stromsensorspule 104 einen Leiter, der von einem Mittelabgriff (CT) in 12 Windungen zu einer im Uhrzeigersinn anwachsenden Spirale gewickelt wird. Der Leiter wird dann in umgekehrter Richtung in 5 Windungen zu einer gegen den Uhrzeigersinn anwachsenden Spirale gewickelt. Die Spiralwickelungen im Uhrzeigersinn definieren einen inneren Sensorteil 106, und die Spiralwickelungen gegen den Uhrzeigersinn definieren einen äußeren Kompensationsteil 107. Auf ähnliche Weise weist die unterste Lage der Leiterplatte einen Leiter auf, der vom Mittelabgriff (CT) in 12 Windungen zu einer gegen den Uhrzeigersinn anwachsenden Spirale und dann in 5 Windungen zu einer im Uhrzeigersinn anwachsenden Spirale gewickelt wird. Die anwachsenden Windungen gegen den Uhrzeigersinn definieren einen inneren Sensorteil 106', und die Windungen im Uhrzeigersinn definieren einen äußeren Kompensationsteil 107'. In dieser Ausführungsform sind die Windungen auf den obersten und untersten Lagen der Leiterplatte durch ein Kontaktloch am Mittelabgriff (CT) verbunden, und die anderen Enden der Windungen sind mit der Verarbeitungselektronik verbunden (nicht abgebildet).
Beim Stromsensor 101 hat jede der beiden inneren Sensorteile 106 und 106' einen Innenradius von 5 mm und einen Außenradius von 10 mm, und jede der beiden äußeren Kompensationsteile 107 und 107' einen Innenradius von 12 mm und einen Außenradius von 14 mm. Die Bahnbreite der Sensor- und Kompensationsteile setzt man bequemerweise auf 0,008'' (0,20 mm). Die Stromsensorspule 104 wird vorzugsweise mit Laststromleitern benutzt, die Schleifenteile (wie sie in 1 gezeigt werden) mit einem Innenradius von ungefähr 5 mm und einem Außenradius von ungefähr 10 mm aufweisen. Die Laststromleiter werden vorzugsweise aus einem Kupferblech mit einer Dicke von Dicke 2,5 mm gestanzt, sodass sie einen Nennstrom von 200 A führen können, ohne sich zu überhitzen. Die Laststromleiter werden vorzugsweise so angeordnet, dass sie 0,5 mm von den obersten und untersten Lagen der Leiterplatte entfernt sind. Bei dieser Konfiguration kann die differenzielle Stromsensorspule 104 mit einer Ausgangsspannung von 20 mV Effektivwert als Reaktion auf einen von den Laststromleitern geführten Laststrom von 200 A Effektivwert und 60 Hz betrieben werden.
6a, 6b und 6c zeigen ein schematisches Diagramm für einen vorteilhaften Elektrizitätszähler für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs 120 mit einer alternativen Sensorschaltung 109, die zum Betrieb mit dem differenziellen Stromsensor 101 geeignet ist. Der in 6 gezeigte vorteilhafte Elektrizitätszähler für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs 120 kann auch mit einem 2S-Dreileiterformat der US-Netzversorgung betrieben werden.
Wie die Abbildung zeigt, umfasst der Elektrizitätszähler für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs 120 einen Netzeingang 121, der mit den zwei spannungsführenden Phasen einer Netzversorgung im 2S-Dreileiterformat von 240 V (120 V) mit Mittelanzapfung verbunden ist. Für die zwei spannungsführenden Phasen, die mit L1 beziehungsweise L2 bezeichnet werden, gilt 120 V Effektivwert 60 Hz Frequenz, auf den Neutralleiter (nicht abgebildet) bezogen, wobei zwischen ihnen eine Phasenverschiebung von 180° besteht, sodass sich daraus eine Spannung von 240 V Effektivwert ergibt. Der Zähler 120 ist nicht mit dem Neutralleiter verbunden. Der spannungsführende Leiter L1 bildet eine Verbindung vom Netzeingang 121 über einen Laststromleiter 102 zum Netzausgang 122. Auf ähnliche Weise bildet der spannungsführende Leiter L2 eine Verbindung vom Netzeingang 121 über einen Laststromleiter 132 zum Netzausgang 122. Die Laststromleiter 102, 103 sind so angeordnet, dass die Ströme, die längs der spannungsführenden Phasen fließen, Magnetfelder erzeugen, die sich beim Stromsensor 101 gegenseitig verstärken.
Wie in 6a gezeigt wird, weist der Stromsensor 101 die vorhergehend beschriebene differenzielle Stromsensorspule 104 auf, deren Ausgabe von einem differenziellen Integrierer 123 integriert wird. Die Ausgaben des differenziellen Integrierers 123 gehen dann durch ein verstärkungseinstellendes Netz 129, das die Ausgabe des differenziellen Integrierers 123 mit Hilfe des Regelwiderstands R16 einstellt. Das verstärkungseinstellende Netz 129 hat auch Anti-Aliasing-Netze R29, C25 und R30, C26, die eine Drei-db-Grenzfrequenz von 5 kHz aufweisen. Diese Anti-Aliasing-Netze haben bei 60 Hz eine kleine Phasenverschiebung von etwa 0,2°. Die Ausgaben des verstärkungseinstellenden Netzes 129 werden dann in den Prozessor 124 zur Digitalisierung und anschließenden gemeinsamen Verarbeitung mit einer Messung der von einem Spannungssensor 125 (in 6b gezeigt) bestimmten Speisespannung eingegeben.
Der Spannungssensor 125 misst die Spannung des spannungsführenden Leiters L1 relativ zum spannungführenden Leiter L2. Diese Messung ermöglicht es dem Elektrizitätszähler für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs 120, aus dem Produkt der Netzspannung und dem an den Netzausgang 122 gelieferten Strom die an die Last gelieferte Energie zu berechnen. Der Spannungssensor 125 hat drei Funktionselemente (von denen einige bestimmte Bauelemente teilen): einen Spannungsdämpfer, um die Netzversorgungsspannung auf ein für die Digitalisierung durch den Prozessor 124 angemessenes Niveau zu reduzieren, Anti-Aliasing-Netze und ein Phasenausgleichsnetz, das bei der Netzfrequenz von 60 Hz eine Phasenverschiebung von einigen wenigen Graden aufweist. Das Phasenausgleichsnetz wird in erste Linie durch die Zusammenarbeit von C29, C6 mit dem Rest der Bauelemente des Spannungssensors 125 gebildet und dient dazu, die akkumulierten Phasenverschiebungen durch die Spannungssensorteile und Stromsensorteile des Elektrizitätszähler für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs 120 abzugleichen (einschließlich der durch die Anti-Aliasing-Netze eingeführten kleinen Phasenverschiebungen).
Wie Fachleuten verständlich sein wird, schließt der Spannungssensor 125 einen Phasenausgleich ein, um der Tatsache Rechnung zu tragen, dass der Integrierer 123 kein perfekter Integrierer ist. (Die EMK-Ausgabe durch die differenzielle Spule 104 ist der Änderungsgeschwindigkeit der die Laststromleiter 102, 132 durchfließenden Ströme proportional; diese EMK hat deshalb relativ zum Strom eine voreilende Phasenverschiebung von 90°.) Ein perfekter Integrierer hätte eine nacheilende Phasenverschiebung von 90°, sodass sich die voreilenden und nacheilenden Phasenverschiebungen von 90° gegenseitig aufheben könnten und die Ausgangsspannung des Integrierers in Phase mit dem durch die Laststromleiter 102, 132 fließenden Strom wäre. In der Praxis hat der differenzielle Integrierer 123 jedoch keine nacheilende Phasenverschiebung von genau 90°, weshalb die Phasenaufhebung unvollständig bleibt, sodass seine Ausgangsspannung im Vergleich mit dem die Laststromleiter 102, 132 durchfließenden Strom eine restlichen Phasenverschiebung von bis zu einigen wenigen Graden hat. Das Phasenausgleichsnetz kompensiert für die restliche Phasenverschiebung, um sicherzustellen, dass die beiden Signale (sie repräsentieren die Netzversorgungsspannung bzw. den Strom), die zwecks Digitalisierung an den Prozessor 124 gegeben werden, genau gleichphasig sind (vorzugsweise besser als 0,1°).
Das ist wichtig, weil manche Lasten, die mit dem Netzausgang 122 verbunden sein können, eine reaktive Komponente enthalten können, was zur Folge hat, dass die an die Last gelieferte Energie einen von eins verschiedenen Energiefaktor hat (d. h. cos 0 ≠⁣ 1). Eine genaue Bewahrung der Stromphase relativ zur Spannungsphase durch den Elektrizitätszähler für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs 120 gestattet deshalb dem Zähler 120 im Gegensatz zur Scheinenergie die an den Netzausgang 122 gelieferte wirkliche Energie zu messen.
In dieser Ausführungsform ist der Prozessor 124 die von Analogue Devices hergestellte integrierte Schaltung AD7750. Die AD7750 umfasst zwei 20-Bit A/D-Wandler mit Differenzeingang und einer für die Analogeingabe typischen Bandbreite von 3,5 kHz, wodurch ermöglicht wird, dass die Eingangssignale (die Spannung und Strom repräsentieren, die an die Last geliefert werden) ungefähr 180-mal pro 60 Hz-Netzzyklus digitalisiert werden. Die AD7750 umfasst außerdem einen digitalen Multiplizierer und einen Tiefpassfilter, der es der AD7750 gestattet, die von einer an den Netzausgang 122 angeschlossenen Last verbrauchte Energie zu berechnen. Die AD7750 signalisiert die Energie durch eine Impulsfolge und durch Variation der Frequenz dieser Pulsfolge im Verhältnis zu der von der Last verbrauchten Energie (jeder Impuls meldet also ein Energiequant). Diese Impulse werden von einem Display 110 gezählt, sodass die angezeigte Zahl die an die Last gelieferte akkumulierte Energiemenge angibt.
Die Energie für die Sensorschaltung 109 wird von einem Netzanschluss 128 (siehe 6c) geliefert. Ein Kondensator (C2) wird benutzt, um die Netzspannung herabzusetzen, die dann gleichgerichtet und reguliert wird, sodass eine +5 V Gleichstromzuführung zur Verfügung steht. Der Netzanschluss 128 enthält auch eine Reservebatterie, sodass der vom Display 110 angezeigte Zählwert im Falle eines Netzausfalls gesichert ist. In dieser Ausführungsform ist der spannungsführende Leiter L1 Bezugserde für die Sensorschaltung 109, sodass die Sensorschaltung 109 auf der Spannung des spannungsführenden Leiters L1 „schwebt". Der Mittelabgriff (CT), der differenzielle Integrierer 123 und die ADUs im Prozessor 124 sind an eine gefilterte und relativ geräuschfreie Version dieser Bezugserde angeschlossen.
In dieser Ausführungsform ist zwischen den Laststromleitern 102, 132 und den Sensor-/Kompensationsteilen 106, 106'/107, 107' eine elektrostatische Abschirmung (nicht abgebildet) vorgesehen, um die kapazitive Kopplung von Störimpulsen und Wechselstromnetz-Potential mit dem differenziellen Integrierer 123 zu reduzieren. Um wirksam zu sein, wird die elektrostatische Abschirmung mit der Bezugs-„Erde" (dem spannungsführenden Leiter L1) verbunden.
In den obigen Ausführungsformen wurde ein Messsystem für Einphasenstrom beschrieben. Mit Bezug auf 7 wird jetzt ein Messsystem für Dreiphasenstrom beschrieben. Dieses System kann beispielsweise dazu verwendet werden, um den Stromabgleich zwischen den Laststromleitern eines Dreiphasensystems zu prüfen oder die von einem Dreiphasensystem benutzte Energie zu messen. Wie 7 zeigt, werden drei identische Baugruppen veranschaulicht, die mit den Suffixen a, b bzw. c bezeichnet werden, und jeweils drei Laststromleiter 40a, 40b, 40c, Stromsensoren 41a, 41b, 41c, Slots 42a, 42b, 42c, Signalaufbereitungsschaltungen 43a, 43b, 43c und Leiter 44a, 44b, 44c enthalten. Jeder der Laststromleiter 40 ist eine Sammelschiene mit einer im Wesentlichen ebenen schleifenförmigen Region. Wie 7 zeigt, ist für jeden dieser schleifenförmigen Regionen ein Slot 42 vorgesehen, in den ein entsprechender Stromsensor 41 gesteckt wird und dort durch einen Haltebügel (nicht gezeigt) relativ zu seinem entsprechenden Laststromleiter 40 festgehalten wird. Wie gezeigt wird, sind die Stromsensoren 41 im Wesentlichen eben und relativ zu ihrem entsprechenden Laststromleiter 40 so angeordnet, dass der durch die schleifenförmigen Regionen konzentrierte Magnetfluss im Wesentlichen senkrecht durch die Ebenen der Stromsensoren 41 fließt.
Jeder der Stromsensoren 41 enthält die entsprechende örtliche Signalaufbereitungsschaltung 43, um ein Signal zu erzeugen, das mit dem in dem entsprechenden Laststromleiter 40 fließenden Signal variiert. In dieser Ausführungsform wird dieses Signal über die entsprechende Leitung 44 an ein Überwachungssystem (nicht abgebildet) ausgegeben.
Die Laststromleiter 40 sind so voneinander beabstandet, dass die Abstände ausreichen, eine magnetische Kopplung zwischen benachbarten Stromsensoren 41a, b, c für den von der Anwendung geforderten Genauigkeitsgrad ausreichend niedrig zu halten. So ist die Messung des von jedem der Stromsensoren 41 gelieferten Stroms im Wesentlichen unabhängig von dem durch die anderen, benachbarten Phasenleiter 40 fließenden Strom.
In den obigen Ausführungsformen wurden kreisförmige Sensorspulen verwendet. Wie Fachleuten verständlich sein wird, können andere geometrische Anordnungen verwendet werden, die immer noch die Vorteile der Erfindung bieten. So zeigt beispielsweise 8 eine alternative Stromsensorspule, die einen dreieckigen Sensorteil 6'' im Inneren eines quadratischen Kompensationsteils 7'' aufweist. Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen sind die Positionen und Richtungen der effektiven magnetischen Dipolzentren des dreieckigen Sensorteils 6'' und des quadratischen Kompensationsteils 7'' im Wesentlichen zusammengelegt und in derselben Richtung ausgerichtet, und die Produkte ihrer Windungen und Flächen sind im Wesentlichen gleich. Obwohl sich die vorhergehenden Ausführungsformen des Elektrizitätszählers für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs 20, 120 auf die Verwendung von spiralförmigen Stromsensorspulen 4, 104 bezogen, ist es außerdem in der Praxis relativ schwierig, wirklich spiralförmige Spulen zu entwerten und herzustellen. Deshalb hat der vorteilhafte Typ der spiralförmigen Spule eine Form, die durch halbkreisförmige Segmente mit progressiv länger/kürzer werdendem Durchmesser approximiert wird.
Verschiedene Modifikationen sollen jetzt beschrieben werden, die an den obigen Ausführungsformen vorgenommen werden können. Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsformen einen Laststromleiter 2 benutzten, der im Wesentlichen eine Windung umfasst, gibt es andere mögliche Anordnungen. Beispielsweise kann der Laststromleiter 2 mehrere Windungen enthalten, um eine stärkeres Magnetfeld zu erzeugen und die Empfindlichkeit des Stromsensorsystems 1 zu erhöhen. Zu den Nachteilen der Verwendung eines gewundenen Laststromleiters gehören erhöhte Herstellungskosten und exzessive Selbsterhitzung. In einer weiteren Ausführungsform kann Draht anstelle der kupfernen Sammelschiene benutzt werden, um den Laststromleiter 2 zu formen. Die Verwendung von Draht macht es möglich, den Draht in eine Halterung (nicht abgebildet) zu klemmen, um die schleifenförmige Region zu bilden. Diese Halterung kann ein Kunststoffformteil sein, das an der Sensor-Leiterplatte befestigt ist. Zu den Nachteilen der Verwendung von Draht gehören eine nicht optimale Konfiguration des Magnetfelds und, verglichen mit einem vorgeformten Laststromleiter, eine verminderte Reproduzierbarkeit.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein eiserner Klemmbolzen verwendet werden, um die Sensor-Leiterplatte am Laststromleiter festzuklemmen. Dieser eiserne Klemmbolzen kann dann als magnetisches Bauteil wirken, um die Laststromleiter-Magnetfeldlinien 3 zu konzentrieren, sodass die Flussverkettung zwischen dem Laststromleiter 2 und dem Sensorteil 6 erhöht wird. Ein potentieller Nachteil der Verwendung eines eisernen Klemmbolzens entsteht jedoch dadurch, dass der Lastwechselstrom durch den Laststromleiter 2 fließt und im Klemmbolzen Wirbelströme induziert, die zu seiner exzessiven Erhitzung führen können. Ist der Laststromleiter 2 isoliert oder ist eine Isolation nicht notwendig, dann kann ein Klemmbolzen ohne Isolation benutzt werden. In einer weiteren Ausführungsform können als Alternative Ferritkernstücke benutzt werden, um einen geschlossenen Magnetkreis um den Laststromleiter 2, den Sensorteil 6 und den Kompensationsteil 7 zu bilden, damit die magnetische Kopplung zwischen dem Laststromleiter 2 und dem Sensorteil 6 weiter erhöht wird.
In den obigen Ausführungsformen wurden die Stromsensoren 1, 41, 101 alle mit Bezug auf Leiterplatten mit Leiterstrukturen beschrieben, wobei die Leiterstrukturen geformt waren, um Sensorteile und Kompensationsteile zu erzeugen. Während Leiterplatten typischerweise eine relativ kostengünstige Herstellung der Stromsensoren mit guter Reproduzierbarkeit ermöglichen, werden auch andere Ausführungsformen in Aussicht genommen. Beispielsweise könnte Draht passend gewunden werden, um die Sensor- und Kompensationsteile herzustellen. Als Alternative könnte die Struktur der Sensor- und Kompensationsteile (und wahlweise auch der Laststromleiter) im Siebdruckverfahren (mit leitfähiger Tinte) auf ein keramisches Substrat als Teil eines hybriden Bauelements gedruckt werden.
In 2 sind Sensorteil 6 und Kompensationsteil 7 beide auf derselben Lage der Sensor-Leiterplatte angeordnet. Dadurch wird sichergestellt, dass die effektiven Zentren der Dipolmomente im Wesentlichen zusammenfallen. Nicht koplanare Spulenanordnungen können jedoch bei gleichzeitiger Beibehaltung der Vorteile der ersten Ausführungsform auch benutzt werden, vorausgesetzt, dass die effektiven magnetischen Dipolzentren des Sensorteils und des Kompensationsteils im Wesentlichen zusammengelegt werden. In einer alternativen Ausführungsform konnte beispielsweise eine dreilagige Leiterplatte verwendet werden, in der das Kompensationsteil auf der Mittellage und das Sensorteil in Form von vollständigen Windungen sowohl auf der untersten als auch der obersten Lage gebildet ist. In einer derartigen Ausführungsform bestimmt man die Verteilung der Windungen des Sensorteils auf die obersten und untersten Lagen der Leiterplatte und den Durchmesser dieser Windungen, indem man die Trennung zwischen mittleren und obersten Lagen sowie die Trennung zwischen den mittleren und untersten Lagen berücksichtigt, damit sich aus der Kombination der obersten und untersten Lagen ein Sensorteil 6 ergibt, dessen effektives magnetisches Dipolzentrum mit dem des Kompensationsteils auf der mittleren Lage zusammenfällt.
Um genereller die Vorteile der ersten Ausführungsform zu erzielen, sollten die magnetischen Dipole des Sensorteils und des Kompensationsteils im Wesentlichen zusammenliegen und entlang derselben Achse ausgerichtet sein. Obwohl also in den bisher vorgestellten Spulenanordnungen Sensor- und Kompensationsteile nicht überlappten, ist eine überlappende Anordnung möglich. Ein Beispiel einer überlappenden Anordnung würde eine kleinere rechteckige Spule mit vielen Windungen und eine größere rechteckige Spule mit einer einzigen Windung umfassen, wobei das Produkt von Windungen und Fläche der größeren Spule dem der kleineren Spule gleich ist. Die kleineren und größeren Spulen würden so angeordnet, dass ihre Längsachsen im Wesentlichen orthogonal und so dimensioniert sind, dass die kleinere Spule länger ist als die größere Spule breit ist und so, dass die größere Spule länger ist als die kleinere Spule breit ist. In einer derartigen Ausführungsform würde der Laststromleiter parallel zu und knapp außerhalb einer der längeren Seiten der kleineren rechteckigen Spule verlaufen. Als weitere Variante einer derartigen Ausführungsform könnten zwei ebene rechteckige Spulen, jede mit einer Windung und von gleicher Größe, in einer gemeinsamen Ebene orthogonal angeordnet werden. Der Laststromleiter wäre mit beiden Spulen gekoppelt, wäre aber am stärksten mit der Spule gekoppelt, wenn der Laststromleiter nahe ihrer längeren Seite verläuft.
Obwohl bis jetzt Ausführungsformen beschrieben wurden, in denen die Sensor- und Kompensationsteile im Wesentlichen zusammenfallen und im Wesentlichen auf dieselbe Richtung ausgerichtet sind, könnten in einer alternativen Ausführungsform die Sensor- und Kompensationsteile im Wesentlichen voneinander getrennt sein, wobei aber die Achsen der magnetischen Dipole des Sensor- und Kompensationsteils im Wesentlichen koaxial bleiben. Wegen der Trennung zwischen den Ebenen des Sensorteils und des Kompensationsteils, wird aber eine derartige weitere Ausführungsform gegen Magnetfeldgradienten entlang der koaxialen Achse der Teile empfindlich sein. Allerdings wäre eine derartige Ausführungsform gegen Magnetfeldgradienten, die im Wesentlichen orthogonal zur koaxialen Achse liegen (wie vorhergehend mit Bezug auf die „linke Seite" und „rechte Seite" des Sensorteils und des Kompensationsteils erklärt wurde) weiterhin unempfindlich.
In den obigen Ausführungsformen waren der Sensorteil und der Kompensationsteil auf der Leiterplatte in Serie angeordnet. Wie Fachleuten verständlich sein wird, kann dasselbe Resultat erzielt werden, indem diese Teile in der Verarbeitungsschaltung effektiv verbunden werden. In einer derartigen Ausführungsform könnten die vom Sensorteil und vom Kompensationsteil erzeugten EMKs separat verstärkt, integriert und digitalisiert werden, bevor sie vom Prozessor kombiniert werden, um ein Signal zu liefern, das im Wesentlichen gegen äußere Magnetfelder unempfindlich ist. Außerdem können bei einer derartigen Ausführungsform der Sensorteil und der Kompensationsteil verschieden Produkte von Windungen und Fläche haben, da die im Sensorteil und im Kompensationsteil induzierten EMKs um verschieden Größen verstärkt werden können. Hat beispielsweise der Sensorteil ein Produkt von Windungen und Fläche, das ein Drittel des entsprechenden Produkts des Kompensationsteils ausmacht, dann wäre die Verstärkung für den Verstärker des Sensorteils dreimal so hoch einzustellen wie die für den Verstärker des Kompensationsteils.
In den obigen Ausführungsformen war der Laststromleiter so dimensioniert, dass die Kopplung mit den inneren Windungen (Sensorteil) stärker ist als mit den äußeren Windungen (Kompensationsteil). In einer alternativen Ausführungsform kann der Laststromleiter so dimensioniert werden, dass die Kopplung mit den äußeren Windungen stärker ist als mit den inneren Windungen. Belässt man jedoch den Sensorteil 6 auf der Innenseite, dann kann die Größe des Stromsensors 1 minimiert werden, was vorteilhaft ist, da eine Reduktion der linearen Dimensionen des Stromsensors 1 um die Hälfte dazu führt, dass seine Empfindlichkeit gegen nicht homogene Magnetfelder auf etwa ein Zehntel reduziert wird. Ein Faktor, der jedoch den Grad der Miniaturisierung der Stromsensoren 1, 101 beschränkt, ist die Verlustleistung der Laststromleiter 2, 32. Insbesondere müssen die Laststromleiter 2, 32 so dimensioniert werden, dass sie einen angemessen niedrigen Widerstand haben und dass die Wärme wirkungsvoll aus ihren schleifenförmigen Regionen abgeleitet wird.
Während bis jetzt beschrieben wurde, dass die Sensorteile 6, 106 und die Kompensationsteile 7, 107 der Stromsensoren 1, 101 in derselben Ebene liegen und ihre effektiven magnetischen Dipolzentren zusammenfallen und koaxial sind, so kann in der Praxis eine gewisse Abweichung toleriert werden. Der Grad der Abweichung, der toleriert werden kann, hängt von der Anwendung ab: Eine vergrößerte Abweichung reduziert die Fähigkeit des Stromsensors, unerwünschte Magnetfelder abzuweisen. Sind beispielsweise die Sensor- und Kompensationsteile nicht koplanar, dann ist der Stromsensor gegen Magnetfeldgradienten empfindlich, die orthogonal zu den Ebenen der Sensor- und Kompensationsteile sind. Auf ähnliche Weise führt die Asymmetrie zwischen den Sensor- und Kompensationsteilen oder zwischen ihren jeweiligen Verstärkern zu einer gewissen Empfindlichkeit des Stromsensors sowohl gegen homogene Magnetfelder als auch gegen Felder mit einem Feldgradienten. Wenn schließlich die Richtungen der effektiven magnetischen Dipole der Sensor- und Kompensationsteile nicht im Wesentlichen gleichgerichtet sind, dann wird der Stromsensor sowohl gegen homogene Felder als auch gegen Gradienten empfindlich.
Die zweite Ausführungsform zeigt die Sensorteile 106, 106' und ihre entsprechenden Kompensationsteile 107, 107' in entgegengesetzter Richtung gewunden. In einer alternativen Ausführungsform könnten die Sensorteile in derselben Richtung gewunden sein wie ihre entsprechenden Kompensationsteile, dabei aber mit einer Polarität verbunden sein, die der ihrer entsprechenden Kompensationsteile entgegengesetzt ist. Ein Vorteil, die Sensorteile 106, 106' und ihre entsprechenden Kompensationsteile 107, 107' in entgegengesetzter Richtung zu winden liegt jedoch darin, dass die Zwischenverbindungen zwischen den Sensorteilen 106, 106' und ihren entsprechenden Kompensationsteilen 107, 107' auf bequeme Weise gemacht werden können, indem die äußere Windung der Sensorteile 106, 106' direkt an die innere Windung ihrer entsprechenden Kompensationsteile 107, 107' angeschlossen wird, wodurch Kontaktlöcher oder Drahtbrücken überflüssig werden (die sonst gebraucht würden, um die Spulenwindungen zu überspannen und die Zwischenverbindungen herzustellen).
In einer weiteren Modifikation der differenziellen Stromsensorspule 104 könnte auf den Mittelabgriff (CT) (der geerdet ist) verzichtet werden, sodass wie bei der Stromsensorspule der ersten Ausführungsform ein unsymmetrischer Ausgang entsteht. Wie Fachleuten verständlich sein wird, besteht eine derartige Spule ohne Mittelabgriff praktisch aus zwei Spulen in Serie (eine auf der obersten Lage der Sensor-Leiterplatte 105, die andere auf der untersten Lage) und erzeugt deshalb die doppelte EMK einer anderweitig äquivalenten einlagigen Sensorspule. Da jede Lage im Wesentlichen gegen Magnetfeldgradienten unempfindlich ist, könnten mehrere solcher Lagen aufeinander gestapelt werden, um ein Solenoid zu bilden, im Gegensatz zu einer ebenen Stromsensorspule. Bei einer derartigen Ausführungsform sollte dafür gesorgt werden, dass die Zwischenverbindungen sowohl zwischen den Lagen als auch von den Solenoiden zur Sensorschaltung nicht selbst dem Magnetfluss eine signifikante Schleifenfläche zuwenden, sodass äußere EMKs entstehen. Als Alternative kann ein Solenoid-Stromsensor gebildet werden, indem eine gestreckte schraubenförmige Spule in das Innere einer anderen platziert wird, anstatt die Lagen aufeinander zu stapeln.
In den obigen Ausführungsformen wurde die Signalausgabe der Sensorspule durch einen Analogintegrierer integriert. In einer alternativen Ausführungsform kann diese Integration von einem Mikrokontroller numerisch ausgeführt werden. Als weitere Alternative kann auf die Integration des von der Stromsensorspule gelieferten Signals verzichtet werden. Ohne eine derartige Integration ist aber das Signal von der Stromsensorspule 4 sowohl dem Speisestrom I_s als auch der Frequenz der Netzeinspeisung 21 proportional (typischerweise 60 Hz und jeweils ein Vielfaches von 60 Hz für harmonische Komponenten). In den meisten Situationen ist ein beträchtlicher Teil der Energie harmonisch, d. h. seine Frequenz ist ein Vielfaches der Netzfrequenz. Da die Ausgabe der Stromsensorspule 4 der Änderungsgeschwindigkeit des Flusses proportional ist, werden daher die harmonischen Ströme mit überproportional großen Ablesungen gemessen. Dieser Effekt könnte ausgeglichen werden, indem man die schnelle Fourier-Transformation (FFT) des gemessenen Stroms bestimmt und die Amplituden der harmonischen Komponenten proportional zu den Konstanten reduziert, mit denen die Grundfrequenz jeweils multipliziert ist. Um diese Verarbeitungsprobleme zu vermeiden, sollten deshalb die vom Stromsensor empfangenen Signale vorzugsweise integriert werden. Die Integration ermöglicht außerdem die Messung eines Gleichstroms, der den Laststromleiter 2 durchfließt, indem die Gleichstromänderungen integriert werden.
Selbst wenn keine Integration des Stromsignals ausgeführt wird, ist im Allgemeinen eine Phasenverschiebung des Stromwegs um 90° noch erforderlich (um die durch den Stromsensor 1, 101 verursachte voreilende Phasenverschiebung um 90° auszugleichen), um Spannungs- und Stromsignale in Phase zu bringen, sodass die von der Last verbrauchte wirkliche Energie gemessen werden kann. Als Alternative könnte man Spannungs- und Stromsignale in Phasenquadratur verwenden (d. h. man belässt das Stromsignal bei +90° relativ zum Spannungssignal), um die von der Last verbrauchte Blindleistung zu messen. Die Kenntnis sowohl der an eine Last gelieferten Wirkleistung als auch der Blindleistung ermöglicht die Berechnung des Leistungsfaktors der Last.
In einer weiteren Ausführungsform kann auf den Spannungssensor 25 im Elektrizitätszähler für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs 20 verzichtet werden. Der Spannungssensor 25 wurde dazu benutzt, die Istspannung des Netzeingangs 21, im Gegensatz zu seiner Nennspannung, zu berechnen. In Situationen, bei denen die Spannung des Netzeingangs 21 hinreichend stabil ist oder eine geringere Genauigkeit annehmbar ist, kann ein Nennwert benutzt werden, um die an die Last gelieferte Energie zu messen. Die Verwendung eines Nennspannungsmesswerts bewirkt außerdem, dass nur ein einziger ADU-Digitalisierungskanal erforderlich ist.
Die bis jetzt beschriebene Ausführungsform des Elektrizitätszählers für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs 120 kann auf verschiedene Weise modifiziert werden. Beispielsweise kann dem differenziellen Integrierer 123 eine weitere Schaltung hinzugefügt werden, um von 60 Hz abweichende Frequenzkomponenten herauszufiltern. Eine weitere Modifikation sieht die Verwendung der von Analogue Devices hergestellten integrierten Schaltung AD7756 Active Metering vor, anstelle der vorher beschriebenen AD7750. Die AD7756 ist ein anspruchsvolleres Gerät mit einer seriellen Schnittstelle, das die Bereitstellung einer automatischen Kalibrierschnittstelle erleichtert. Außerdem werden On-Chip-Register zum Kalibieren der Energiemessung hinzugefügt, wodurch der Gebrauch von Auswahl-nach-Test- oder Trimmer-Bauelementen überflüssig wird, sowie ein Register für den Phasenausgleich. Phasenausgleich ermöglicht die digitalen Abgleichung der Phasen der Signale vom Integrierer 123 und vom Spannungssensor 125, wodurch das Phasenausgleichsnetz des Spannungssensors 125 vereinfacht oder ganz überflüssig wird. In einer weiteren Ausführungsform kann der Display Strom, Spannung, Energie oder Zeit entweder außer oder anstatt der akkumulierten Energiemenge anzeigen.
Verschiedene Alternative der in 7 gezeigten Ausführungsform sind möglich. Ist beispielsweise bekannt, dass die in den drei Laststromleitern 40 geführten Ströme symmetrisch sind, dann müssen nur zwei der Laststromleiter 40 gemessen werden, der Strom des dritten Phasenleiters 40 kann von den beiden anderen Messungen hergeleitet werden. Obwohl sich die Stromsensoren 41 aus einer herkömmlichen Leiterplatte zusammenbauen lassen, kann es außerdem bei Hochspannungsanwendungen empfehlenswerter sein, wenn mindestens ein Teil der drei Stromsensorbaugruppen 41 aus einem hochgradigen Isolator besteht, beispielsweise aus Aluminium. Eine solche Konstruktion könnte die Zulassung durch Aufsichtsbehörden wie UL, CSA und VDE fördern. Obwohl es besser ist, dass jede der Stromsensorbaugruppen 41 über eine eigene Signalaufbereitungsschaltung 43 verfügt, ist außerdem eine Anordnung möglich, in der die Leitungen 44 die EMKs, die von den entsprechenden Sensor- und Kompensationsteilen erzeugt werden, einer Fern-Signalaufbereitungsschaltung zuführen. Eine derartigen Anordnung hat den Nachteil, dass ein Fluss, der von einer Querschnittsfläche innerhalb der Leitung 44 eingefangen wird, dazu führt, dass eine Fehler-EMK das erwünschte Signal überlagert.
7 zeigt jeden Stromsensor 41 im jeweiligen Slot 42, im jeweiligen Laststromleiter 40 installiert. Als Alternative können die Stromsensoren 41 anstatt in einen Slot 42 auf eine Seitenfläche der schleifenförmigen Region ihrer entsprechenden Laststromleiter 40 montiert werden. Für Anwendungen, die eine größere Genauigkeit erfordern, kann jeder Laststromleiter 40 mit zwei Stromsensoren 41 versehen werden, wobei je einer auf die beiden Seitenflächen der schleifenförmigen Region montiert wird. Die Signale der beiden Stromsensoren 41 können dann kombiniert werden, beispielsweise durch Berechnung ihres Mittelwerts, und verarbeitet werden, um einen besseren Messwert des durch den Laststromleiter 40 fließenden Stroms zu liefern.
In einer anderen Ausführungsform kann ein einzelner Stromsensor verwendet werden, um gleichzeitig die durch die beiden Laststromleiter fließenden Ströme zu messen. Diese Ausführungsform lässt sich einfach implementieren, indem man einen Laststromleiter an eine Seite des Stromsensors und einen zweiten Laststromleiter an die andere Seite des Stromsensors montiert. Der Stromsensor würde dann die Überlagerung der durch die beiden Phasenleiter erzeugten Magnetfelder messen.
In den obigen Ausführungsformen waren die Elektrizitätszähler für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs 20, 120 direkt mit einem der spannungsführenden Leiter der Netzversorgung verbunden, um eine Bezugserde zu liefern. In einer modifizierten Ausführungsform kann die Zählerschaltung beispielsweise auf Erdpotential sein. Ein solcher Zähler wäre vom Netz völlig isoliert und könnte durch kapazitive Kopplung an das Netz elektrische Energie und eine Messung der Netzspannung beziehen.
Obwohl die Stromsensoren 1, 41, 101 in Elektrizitätszählern für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs 20, 120 veranschaulicht wurden, eignen sie sich auch für andere Anwendungen, einschließlich Einschaltstrom-Erfassung/Regulierung für Elektromotoren und Stromerfassung zur Leistungsfaktor-Korrektur u. A. Als Alternative könnten die Stromsensoren dazu benutzt werden, um die von der Last beanspruchte Leistung anzuzeigen (im Gegensatz zur akkumulierten Energiemenge).
Vorhergehend wurden Beispiele von Elektrizitätszählern für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs beschrieben, die Stromsensoren 1, 41, 101 benutzen, die im Wesentlichen gegen Magnetfeldgradienten unempfindlich sind. In anderen Ausführungsformen werden konventionellere Stromsensoren auf einer Leiterplatte als Bauelemente für einen Elektrizitätszähler für die Abrechnung des Elektrizitätsverbrauchs ausgebildet. In einem Beispiel für einen konventionelleren Stromsensor werden zwei Spiralspulen, eine im Uhrzeigersinn, die andere gegen den Uhrzeigersinn, auf der Leiterbahnlage einer einseitigen Leiterplatte ausgebildet. Die beiden Spulen sind symmetrisch, außer dass ein Laststromleiter durch das Zentrum der im Uhrzeigersinn gewundenen Spule (durch ein passend dimensioniertes Loch in der Leiterplatte) geführt wird. Eine Drahtverbindung auf der Bauelementseite der Leiterplatte wird dazu benutzt, die innerste Windung beider Spulen zu verbinden. Obwohl dieses Beispiel eines konventionelleren Stromsensors den Nachteil hat, gegen Magnetfeldgradienten empfindlich zu sein, so hat es aber den Vorzug, auf einer Leiterplatte ausgebildet zu sein; dadurch wird eine einfache Integration mit der Signalverarbeitungselektronik ermöglicht, besonders dann, wenn die Signalverarbeitungselektronik auf derselben Leiterplatte ausgebildet ist wie der Sensor.

Claims

Stromsensor (1; 101; 41), der Folgendes umfasst: einen Magnetfeldgenerator (2a, 32a), um einen zu erfassenden Strom (Is) zu empfangen und als Reaktion darauf ein entsprechendes örtliches Magnetfeld (3) zu erzeugen, und Erfassungsmittel (4; 104) zum Erfassen des örtlichen Magnetfelds (3), das von dem genannten Magnetfeldgenerator (2a, 32a) erzeugt wird, und zum Ausgeben eines Ausgangssignals, das für den zu erfassenden Strom Indikativ ist, wobei die Erfassungsmittel (4; 104) Folgendes umfassen: eine Sensorwicklung (6; 106, 106'; 6'') mit einer oder mehreren Leiterwindungen, die ein effektives Magnetzentrum der Sensorwicklung (15a) zum Erfassen von Magnetfeldern (3) und zum Erzeugen eines erfassten Signals definieren, das mit dem erfassten Magnetfeld (3) variiert; und eine Kompensationswicklung (7; 107, 107', 7'') mit einer oder mehreren Leiterwindungen, die ein effektives Magnetzentrum der Kompensationswicklung (15b) zum Erfassen von Magnetfeldern (3) und zum Erzeugen eines Kompensationssignals definieren, das mit dem erfassten Magnetfeld (3) variiert; Mittel zum Ermitteln der Differenz zwischen dem Kompensationssignal und dem erfassten Signal, um ein Differenzsignal (8; 44) zu erzeugen; und Mittel zum Erzeugen des genannten Ausgangssignals (23; 123) in Abhängigkeit von dem ermittelten Differenzsignal (8; 44); wobei die Sensorwicklung (6; 106, 106'; 6'') und die Kompensationswicklung (7; 107, 107'; 7'') so angeordnet sind, dass ihre effektiven Magnetzentren (15a, 15b) im Wesentlichen kolokal sind.
Stromsensor nach Anspruch 1, bei dem die Sensorwicklung (6; 106, 106'; 6'') und die Kompensationswicklung (7; 107, 107'; 7'') so angeordnet sind, dass ihre effektiven Magnetzentren (15a, 15b) im Wesentlichen koaxial sind.
Stromsensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Sensorwicklung (6; 106, 106'; 6'') und die Kompensationswicklung (7; 107, 107'; 7'') relativ zu dem genannten Magnetfeldgenerator so angeordnet sind, dass, wenn der genannte Magnetfeldgenerator (2a, 32a) ein Magnetfeld (3) als Reaktion auf einen zu erfassenden Strom erzeugt, die genannte Sensorwicklung (6; 106, 106'; 6'') und die genannte Kompensationswicklung (7; 107, 107'; 7'') nichtferromagnetisch mit dem genannten Magnetfeldgenerator (2a, 32a) gekoppelt sind.
Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Sensorwicklung (6; 106, 106'; 6'') und die Kompensationswicklung (7; 107, 107'; 7'') so angeordnet sind, dass sie als Leiterbahnen auf einer gemeinsamen Leiterplatte (5; 105) ausgebildet sind.
Stromsensor nach Anspruch 4, bei dem die Bahnen einen Luftkern durch die Leiterplatte (5; 105) umschließen.
Stromzähler (20; 120), umfassend einen Stromsensor nach einem der vorherigen Ansprüche, der ferner Folgendes umfasst: Messmittel (25; 125) zum Bereitstellen eines Messwertes für die Spannung einer Stromspeisung (28; 128), die den von dem genannten Stromsensor zu erfassenden Strom zuführt; und Rechenmittel (23, 123) zum Ermitteln und Ausgeben einer Anzeige für einen elektrischen Kennwert einer Last (2, 32; 102, 132; 40), die mit dem erfassten Strom in Abhängigkeit von dem Strommesswert (Is) und dem Spannungsmesswert (Vs) gespeist werden soll.
Stromzähler (20; 120) nach Anspruch 6, bei dem der genannte Stromsensor, die genannten Messmittel (25; 125) und die genannten Rechenmittel (23; 123) auf einer gemeinsamen Leiterplatte (5; 105) ausgeführt sind.