DE69501253T2

DE69501253T2 - Stromsensor einschliesslich magnetsensoren

Info

Publication number: DE69501253T2
Application number: DE69501253T
Authority: DE
Inventors: Ahmet Worsley Manchester M28 1Xy Selcuk
Original assignee: Lem Heme Ltd
Current assignee: Lem Heme Ltd
Priority date: 1994-01-19
Filing date: 1995-01-17
Publication date: 1998-06-25
Anticipated expiration: 2015-01-18
Also published as: CA2181578C; WO1995020167A1; EP0740796B1; JP3377212B2; ATE161333T1; GB9400960D0; EP0740796A1; DE69501253D1; AU1421895A; CA2181578A1; JPH09508204A; US5825175A; DE29521238U1

Description

Magnetsensoren finden auf Gebieten Einsatz, auf denen die Fernerfassung magnetischer Felder oder von elektrischem Strom erforderlich ist.
Bei einem typischen Einsatz werden Magnetsensoren, wie beispielsweise Hall-Effekt- Sensoren in Handmeßvorrichtungen eingesetzt. Eine derartige Handmeßvorrichtung kann normalerweise ein Paar Klauen enthalten, die geöffnet und geschlossen werden können, so daß ein elektrischer Leiter zwischen ihnen hindurchlaufen kann. Wenn der elektrische Leiter positioniert worden ist, werden die Klauen geschlossen, und einer oder mehrere Magnetsensoren, die sich in den Klauen befinden, erzeugen einen elektrischen Ausgang, der von einem durch den Leiter fließenden Strom abhängt.
Bei Vorrichtungen des obenbeschriebenen Typs sind die Sensoren im allgemeinen an wenigstens eine Endfläche der Klauen angrenzend angeordnet. Der Sensor darf notwendigerweise nicht gegenüber dem elektrischen Leiter magnetisch abgeschirmt werden, der in dem durch die geschlossenen Klauen gebildeten Raum gehalten wird. Dabei sind die Endflächen der Klauen, an denen sich die Sensoren befinden, die die Form integrierter Schaltungen oder Chips haben können, normalerweise lediglich mit einer Kunststoffkappe abgedeckt. Wenn der Sensor auf diese Weise abgedeckt ist, bedeutet dies jedoch nicht nur, daß er durch Magnetfelder beeinflußt wird, die durch den Leiter erzeugt werden, sondern auch durch Streufelder von außerhalb des Bereiches beeinflußt werden kann, der durch die geschlossenen Klauen begrenzt wird, was zu falschen oder ungenauen Meßergebnissen führen kann.
Die deutsche Patentanmeldung DE-A-3,817,299 offenbart eine Magnetsensoranordnung, die einen Teil einer elektrischen Meßvorrichtung bildet, die eine Einrichtung aufweist, die um einen elektrischen Leiter herumgepaßt wird, um eine mit dem Leiter verbundene Eigenschaft zu messen, wobei die Sensoranordnung wenigstens teilweise gegenüber einer oder mehreren Störquellen abgeschirmt ist. Dies wird erreicht, indem ein Stromsensorelement in einer Aussparung aus Kernmaterial angeordnet wird und der Stromsensor mit einem Erdungselement und einer Abdeckplatte abgedeckt wird.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist eine Magnetsensoranordnung, die einen Teil einer elektrischen Meßvorrichtung bildet, wobei die Vorrichtung eine Einrichtung aufweist, die um einen elektrischen Leiter herumgepaßt wird, um eine mit dem Leiter verbundene Eigenschaft zu messen, wobei die Sensoranordnung wenigstens einen Sensor umfaßt, der in einer Aussparung angebracht ist, die in wenigstens einem Paar Arme aus einem bestimmten Material ausgebildet ist, wobei die Arme so angebracht sind, daß sie sich aufeinander zu und voneinander weg bewegen können, wobei die Arme die Einrichtung bilden, die um einen elektrischen Leiter herumgepaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Abschlußflächen der Arme so freiliegen, daß, wenn sich die Arme in einer geschlossenen Stellung befinden, ein ununterbrochener Kreis des Materials entsteht, so daß der bzw. jeder Sensor gegenüber einer oder mehreren Störungsquellen abgeschirmt wird.
Bei der Störung kann es sich um magnetische Störung handeln.
Es kann ein Paar Sensoren vorhanden sein.
Vorzugsweise ist der bzw. jeder Sensor an oder in der Einrichtung angebracht, die um einen elektrischen Leiter herumgepaßt wird.
Die Arme sind vorzugsweise an einem Körperelement in bezug auf das Körperelement beweglich angebracht.
Die Arme bzw. die Schleife umfassen vorzugsweise magnetisch permeables Material.
Das Material kann aus einer Reihe von Blechpaketen bestehen.
Als Alternative dazu kann das Material einen Wickelkern umfassen.
Wenn das Material ein Wickelkern ist, können die Aussparungen durch Fräsen hergestellt werden. Wenn das Material eine Reihe von Blechpaketen umfaßt, kann die Form der Blechpakete so gestaltet werden, daß sie die Aussparung bzw. die Aussparungen bilden.
Die Aussparungen sind vorzugsweise so ausgebildet, daß der bzw. jeder Sensor einem Magnetfeld ausgesetzt ist, das durch den elektrischen Leiter erzeugt wird, gegenüber Streufeldern jedoch abgeschirmt ist.
Vorzugsweise sind elektrische Wicklungen um die Arme herum vorhanden und der bzw. jeder Sensor bilden einen Teil einer Steuerschaltung, wobei ein in dem elektrischen Leiter fließender Primärstrom einen ersten magnetischen Fluß in dem Material der Arme induziert, und ein Ausgang von dem bzw. jedem Sensor genutzt wird, um einen Sekundärstrom zu steuern, der in den Wicklungen fließt. Vorzugsweise induziert der Sekundärstrom einen Sekundärfluß in dem Material, der dem Primärfluß, der von dem Leiter erzeugt wird, entgegengesetzt ist, und der bzw. jeder Sensor steuert den Betrag des Sekundärstroms so, daß ein Punkt erreicht wird, an dem der Sekundärfluß den Primärfluß genau ausgleicht und der Ausgang von dem bzw. jedem Sensor an diesem Punkt gleich Null ist.
Das obenbeschriebene Verfahren ist als Fluß-Nullen (flux-nulling) bekannt, und mit diesem Verfahren kann der Wert des Primärstroms sehr genau bestimmt werden.
Vorzugsweise umfaßt der Magnetsensor einen Hall-Effekt-Sensor.
Vorzugsweise ist die Aussparung in einer Abschlußfläche eines der Arme ausgebildet.
Gemäß einem zweiten Aspekt erstreckt sich die vorliegende Erfindung auf eine elektrische Meßvorrichtung, die die Magnetsensoranordnung nach dem ersten Aspekt einschließt. Jedes Merkmal bzw. jede Kombination von Merkmalen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung kann mit der Vorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt kombiniert werden.
Als Beispiel wird eine spezielle Ausführung der vorliegenden Erfindung im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine Handmeßvorrichtung zeigt, bei der ein Paar Magnetsensoren eingesetzt wird;
Fig. 2 ein Paar Arme zeigt, die Magnetsensoren enthalten;
Figuren 3, 4 und 5 unterschiedliche Arten von Blechpaketen zeigen, die für die Herstellung der Arme in Fig. 2 eingesetzt werden können; und
Fig. 6 eine Anordnung zeigt, bei der die Arme der Vorrichtung als Schalter zum Steuern der Funktion der Vorrichtung genutzt werden können.
In der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist ein Gehäuse 10 vorhanden, das einen im allgemeinen rechteckigen Abschnitt 11 aufweist, der in der Hand gehalten wird. Aus dem Abschnitt 11 steht ein Paar Klauen 12, 13 vor, die durch Betätigung eines Drückers 14 geöffnet werden können, um die Vorrichtung um einen elektrischen Leiter herum zu klemmen. In Funktion erstreckt sich der Leiter auf der Achse 15, die in Fig. 1 dargestellt ist, im Inneren der geschlossenen Klauen 12 und 13, die ein Paar Arme aus ferromagnetischem Material enthalten, in dem Ströme durch das elektromagnetische Feld induziert werden, das der Leiter erzeugt. Die Klauen 12, 13 enthalten darüber hinaus ein Paar Magnetsensoren, wobei es sich bei der beschriebenen Ausführung um Hall-Effekt- Sensoren handelt, die einen Ausgang erzeugen, der von dem in dem Leiter fließenden Strom abhängt.
In Fig. 2 ist ein Paar Arme 20, 21 dargestellt. Die Anne 20, 21 sind als im allgemeinen halbkreisförmig dargestellt, sie können jedoch jeden beliebigen Aufbau haben.
Die Arme 20, 21 bestehen aus aufeinanderfolgenden Blechpaketen 22 - 34, die übereinandergestapelt sind. Die Blechpakete bestehen aus einem elektrisch leitenden Material. Die Blechpakete 22 bis 25 sowie 32 bis 34 haben einen ersten Aufbau, der in Fig. 3 und 4 dargestellt ist, und die Blechpakete 26 bis 31 haben einen zweiten Aufbau, der in Fig. 5 dargestellt ist. Diese beiden Formen von Blechpaketen bilden in Kombination die Aussparungen 35, 36 in Endabschnitten des Arms 20. Die beiden Aussparungen 35, 36 nehmen jeweils einen Hall-Effekt-Sensor 37, 38 auf.
Die Hall-Effekt-Sensoren 37, 38 haben jeweils Ausgangsanschlüsse 39 bis 42. Obwohl diese Anschlüsse in dem Schema in Fig. 2 als nicht angeschlossen dargestellt sind, sind sie in Funktion mit Drähten verbunden, die zu einer elektrischen Meßvorrichtung in der Vorrichtung 10 in Fig. 12 führen würden.
Die Arme 20, 21 weisen Vorsprünge 43, 44, 45 und 46 auf, die als Splintelemente zur Aufnahme einer Kunststoffabdeckung oder dergleichen (nicht dargestellt) dienen, so daß elektrische Isolierung an Innen-, Außen-, Ober- und Unterseiten 47, 48, 49, 50 der Klauen gewährleistet ist. Die Kunststoffabdeckung erstreckt sich nicht über die Abschlußflächen der Arme 20, 21.
Die Kunststoffabdeckung, die in Fig. 2 nicht dargestellt ist, jedoch in Fig. 1 zu sehen ist, schützt den Benutzer einer Vorrichtung wie beispielsweise der Vorrichtung 10.
In Funktion werden die Arme 20, 21, die in den Klauen 12, 13 als Teil der Vorrichtung 10 enthalten sind, geöffnet, so daß ein elektrischer Leiter zwischen ihnen positioniert werden kann. Wenn der elektrische Leiter positioniert ist, werden die Klauen geschlossen.
Die elektrische Vorrichtung 10 kann dann dazu verwendet werden, einen beliebigen einer Reihe von Parametern bezüglich des Stroms zu messen, der durch den Leiter fließt.
Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Ein Primärstrom, der in einem zwischen den Klauen 12, 13 positionierten Leiter fließt, erzeugt ein magnetisches Feld um den Leiter herum. Das magnetische Feld bewirkt, daß ein erster Magnetfluß in dem magnetisch permeablen Material der Klauen induziert wird. Elektrische Wicklungen sind um die Klauen herum in der Kunststoffabdeckung vorhanden, und diese Wicklungen dienen dazu, einen zweiten Magnetfluß in den Klauen zu erzeugen, der dem ersten Fluß entgegengesetzt ist.
Der Gesamtmagnetfluß wird von den Hall-Effekt-Sensoren 37, 38 erfaßt, deren Ausgänge in einem System mit Rückführung genutzt werden, um den Pegel des Sekundärstroms und damit den Sekundärfluß zu steuern.
Wenn einen Situation eintritt, in der der Ausgang der Hall-Effekt-Sensoren im wesentlichen 0 ist, ist ein Zustand erreicht, in dem der Sekundärstrom der in der Vorrichtung 10 erzeugt wird, das in den Klauen durch den Primärstrom induzierte Magnetfeld genau aufhebt. Auf diese Weise kann der Primärstrom leicht und genau bestimmt werden.
Das obenbeschriebene Meßverfahren ist als Fluß-Nullen (flux-nulling) bekannt.
Da die Hall-Effekt-Sensoren 37, 38 in Aussparungen positioniert sind, die in den Armen 20, 21 ausgebildet sind, sind die Wandler 37, 38 gegenüber jeglichen äußeren Streufeldern abgeschirmt, die nicht aus den geschlossenen Klauen austreten.
Aufgrund der Tatsache, daß die Abschlußflächen der Arme freiliegen, bildet das Paar Arme 20, 21, wenn sie miteinander verbunden sind, einen geschlossenen Magnetkreis. Dieser Kreis stellt einen wirkungsvollen magnetischen Leiter dar und verleiht der Vorrichtung 10 sehr gute Hochfrequenzeigenschaften.
Aufgrund des Abschirmeffektes, der durch Aufnahme der Hall-Effekt-Sensoren 37, 38 in den Aussparungen 35, 36 bewirkt wird, weist die Vorrichtung normalerweise Streufeldeffekte in einer Größenordnung bis zum Zehnfachen der Vorrichtungen ab, die nicht abgeschirmte Magnetsensoren enthalten.
Als Alternative zu den Armen 20, 21, die aus Blechpaketen bestehen, können die Arme aus einem Wickelkern bestehen, der Aussparungen aufweist, die in die Abschlußflächen eingefräßt oder auf andere Weise in ihnen hergestellt wurden, um die Hall-Sensoren 37, 38 aufzunehmen.
Wenn die Klauen 12, 13 geschlossen sind und die Abschlußflächen der Arme 20, 21 in Kontakt miteinander sind, kann, wie bereits erwähnt, die elektrische Vorrichtung 10 in Funktion genommen werden, um relevante Parameter zu messen. Fig. 6 zeigt eine beispielhafte Schaltung, die anzeigt, wenn die Klauen geschlossen sind.
An den Armen 20, 21 sind, wie in Fig. 6 dargestellt, elektrische Anschlüsse angebracht, so daß, wenn sich die Klauen 12, 13, schließen, ein Kurzschluß zwischen den Knoten 51, 52 hergestellt wird. Durch die Verbindung der Knoten 51 und 52 kann der Transistor T&sub1; durchschalten und eine Ausgangsspannung Vout für die Vorrichtung 10 erzeugen. In diesem Fall beträgt Vout, da die beiden Widerstände R einen identischen Wert haben, 0,5Vcc. Wenn die Klauen offen und die Arme 20, 21 voneinander getrennt sind, sind die Knoten 51 und 52 nicht verbunden, und Transistor T&sub1; kann nicht durchsteuern. Unter diesen Umständen ist Vout an Massespannung. Aus dieser Erläuterung ist zu ersehen, daß, wenn die Klauen 12, 13 der Vorrichtung 10 als Schalter genutzt werden, eine sehr einfache Einrichtung geschaffen wird, die anzeigt, wenn die Klauen geschlossen sind.
Es können verschiedene andere Konstruktionen der Arme oder Klauen eingesetzt werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann eine Klaue stationär und die andere beweglich sein.

Claims

1. Magnetsensoranordnung, die einen Teil einer elektrischen Meßvorrichtung (10) bildet, wobei die Vorrichtung (10) eine Einrichtung aufweist, die um einen elektrischen Leiter herumgepaßt wird, um eine mit dem Leiter verbundene Eigenschaft zu messen, wobei die Sensoranordnung wenigstens einen Sensor (37,38) umfaßt, der in einer Aussparung (35,36) angebracht ist, die in wenigstens einem Paar Arme aus einem bestimmten Material (20,21) ausgebildet ist, wobei die Arme so angebracht sind, daß sie sich aufeinander zu und voneinander weg bewegen können, wobei die Arme (20,21) die Einrichtung bilden, die um einen elektrischen Leiter herumgepaßt wird, und dadurch gekennzeichnet, daß Abschlußflächen der Arme so freiliegen, daß, wenn sich die Arme (20,21) in einer geschlossenen Stellung befinden, ein ununterbrochener Kreis des Materials entsteht, so daß der bzw. jeder Sensor gegenüber einer oder mehreren Störungsquellen abgeschirmt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Störung um magnetische Störung handelt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Paar Sensoren (37,38) vorhanden ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der bzw. jeder Sensor (37,38) an oder in der Einrichtung angebracht ist, die um einen elektrischen Leiter herumgepaßt wird.

5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Arme (20,21) jeweils an einem Körperelement in bezug auf das Körperelement beweglich angebracht sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, wobei die Arme (20,21) magnetisch permeables Material umfassen.

7. Anordnung nach Anspruch 6, wobei das Material aus einer Reihe von Blechpaketen (22 - 31) besteht.

8. Anordnung nach Anspruch 6, wobei das Material einen Wickelkern umfaßt.

9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aussparung bzw. Aussparungen (35,36) durch Fräsen hergestellt werden.

10. Anordnung nach Anspruch 7, wobei die Blechpakete (22 - 31) so ausgebildet sind, daß sie die Aussparung bzw. Aussparungen (35,36) bilden.

11. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aussparung bzw. Aussparungen (35,36) so ausgebildet sind, daß der bzw. jeder Sensor (37,38) einem Magnetfeld ausgesetzt ist, das durch den elektrischen Leiter erzeugt wird, gegenüber Streufeldern jedoch abgeschirmt ist.

12. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei elektrische Wicklungen um die Arme (20,21) herum vorhanden sind und der bzw. jeder Sensor (37,38) einen Teil einer Steuerschaltung bildet, so daß ein in dem elektrischen Leiter fließender Primärstrom einen ersten magnetischen Fluß in dem Material der Arme induziert, und ein Ausgang von dem bzw. jedem Sensor (37,38) genutzt wird, um einen Sekundärstrom zu steuern, der in den Wicklungen fließt.

13. Anordnung nach Anspruch 12, wobei der Sekundärstrom einen Sekundärfluß in dem Material induziert, der dem Primärfluß, der von dem Leiter erzeugt wird, entgegengesetzt ist, und der bzw. jeder Sensor (37,38) den Betrag des Sekundärstroms so steuert, daß ein Punkt erreicht wird, an dem der Sekundärfluß den Primärfluß genau ausgleicht und der Ausgang von dem bzw. jedem Sensor (37,38) an diesem Punkt gleich Null ist.

14. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Sensor bzw. die Sensoren (37,38) einen Hall-Effekt-Sensor bzw. -Sensoren umfassen.

15. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Aussparung in einer Abschlußfläche eines der Arme ausgebildet ist.

16. Elektrische Meßvorrichtung (10), die die Magnetsensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche einschließt.