EP1244920A1 - Sensor zur messung eines gleichstroms und messverfahren - Google Patents

Sensor zur messung eines gleichstroms und messverfahren

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EP1244920A1
EP1244920A1 EP00988682A EP00988682A EP1244920A1 EP 1244920 A1 EP1244920 A1 EP 1244920A1 EP 00988682 A EP00988682 A EP 00988682A EP 00988682 A EP00988682 A EP 00988682A EP 1244920 A1 EP1244920 A1 EP 1244920A1
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EP
European Patent Office
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core
current
fpc
measuring
measured
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00988682A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jürgen Hess
Mauricio Esguerra
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TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP1244920A1 publication Critical patent/EP1244920A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/18—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
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    • G01R15/186—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers using current transformers with a core consisting of two or more parts, e.g. clamp-on type
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    • H01F3/08—Cores, Yokes, or armatures made from powder
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    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/18—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers
    • G01R15/183—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers using transformers with a magnetic core

Definitions

  • AI sensors for measuring direct currents which use slotted soft magnetic cores in which a Hall sensor is arranged in the air slot.
  • the current to be measured is guided in a conductor which is wound as a winding around the soft magnetic core or which is guided through the closed core which is annular except for the air gap.
  • Other known current sensors essentially consist of a soft magnetic toroid through which a conductor with a current to be measured is passed.
  • a measuring winding secondary winding
  • the electrical voltage is measured on the measuring winding, the time derivative is formed therefrom and the duration of the positive and negative half-wave of this derivative is used to evaluate the size and direction of the direct current to be measured.
  • the measuring winding is operated with a controllable current source, which generates a linearly increasing or decreasing pump current until magnetic saturation of the core is reached, which is determined in an additional measuring winding.
  • the mean value of the pump current over time is a measure of the current to be measured.
  • a direct current sensor is known, in which in a rectangular half-wave current is fed into the measuring winding, which is to be regulated in such a way that the periodic change in flux of the core remains constant.
  • a sensor for monitoring the current strength of an alternating current is known from DE 38 27 758 C2.
  • the object of the present invention is to provide a sensor for measuring a direct current, which delivers a measured value which has a linear dependence on the current to be measured in the widest possible current range, so that the measured value is proportional to the current to be measured within the entire required measuring range is.
  • the sensor according to the invention has a soft magnetic core, which e.g. is closed in a ring, or is designed such that a closed magnetic field can form within the core.
  • At least one measuring winding is placed around the core and is connected to a device that is suitable for measuring the impedance and / or the inductance on the measuring winding.
  • the conductor carrying the current to be measured is led through the opening of the closed core so that the magnetic field can close around the conductor.
  • the magnetically closed core made of (conventional) soft magnetic material has a core area which is formed at least partially or over the entire cross section from a magnetic powder composite material in cross section.
  • This known material with soft magnetic properties consists of a matrix, in particular a polymer matrix, in which conventional soft magnetic particles made of metal or metal oxide are embedded. Also other and in particular also inorganic materials such as cement are suitable for the matrix.
  • the magnetic properties of the powder composite are determined by the soft magnetic particles, in particular by their number or density in the matrix, by their particle size and by the choice of material for the soft magnetic particles.
  • the matrix only represents the matrix which gives the necessary mechanical cohesion and which is selected so that it remains stable in the range of the permitted operating conditions of the sensor and does not have a negative influence on the magnetic properties of the powder composite.
  • a preferred powder composite is ferrite polymer composite, also called FPC for short.
  • the sensor according to the invention receives the characteristics required to reliably determine the current strength over a wide current range. In the sensor according to the invention, this is made possible by an almost linear dependency of the measured variables impedance (Z) or inductance (L) on the current intensity to be measured.
  • a corresponding sensor with a conventional soft magnetic core without a gap shows non-linear behavior of the measured variables Z or L at low currents to be measured. A steep drop in the measured variables is observed even at relatively low currents. Reliable assignment of the measured variables to the current to be measured is only possible within a limited measuring range.
  • a corresponding sensor with a core made of conventional soft magnetic material with a gap shows a constant behavior of the measured values for small currents and a non-linear drop only for large currents. A reduced measuring range is also obtained here.
  • the current sensor according to the invention with the core area consisting of magnetic powder composite material and in particular FPC compensates for these disadvantages in an advantageous manner in that the characteristics of the FPC core area overlap with the characteristics of the conventional soft magnetic residual core and thereby a linear behavior over a wide measuring range Measured variables L and Z depend on the superimposed DC current.
  • Another advantage of the sensor according to the invention is the possibility of adapting the sensor to different current measuring ranges in a simple manner by using simple parameters such as core shape, core size, material selection and FPC
  • Proportion can be varied. Even with this adaptation, the largely linear dependence of the measured variables on the direct current to be measured is retained.
  • the sensor according to the invention is simple to manufacture because of the significantly increased manufacturing tolerance compared to the known current sensor made of a slotted soft magnetic core with a Hall sensor fitted in the slit.
  • Figure 1 shows a sensor according to the invention with an annular core in a schematic representation.
  • Figure 2 shows a sensor with an E core.
  • Figure 3 shows a sensor with a U-core.
  • FIG. 4 shows in a diagram the dependence of the measured value L on the measured variable I.
  • FIG. 1 the structure of a sensor according to the invention is shown in a schematic representation.
  • the soft magnetic core K is closed in a ring and has at least one
  • Core area KB which is formed from FPC.
  • the figure shows two core areas KB consisting of FPC. This has the advantage of simple manufacture, since the two e.g. identical sub-cores K1 and K2 can be brought into corresponding positions with respect to one another and then the gap between the "ends" of the two sub-cores K1 and K2 can be filled with FPC.
  • the current conductor SL runs through the annular core K, through which the current I to be measured runs A measuring winding MW guided around the core K is used to determine the measured values Z or L.
  • the evaluation unit AE contains a circuit known per se for determining the measured values impedance Z or inductance L, which are tapped at the connection contacts AK of the measuring winding MW. These measured values can, for example, be fed to a computer or optionally via a disc play D are shown. The current intensity I, which represents the measured variable to be determined, can also be shown on the display D.
  • the geometry of the core K which is given here simply as a circle, can be varied as desired.
  • the cross section of the core which is, for example, round, oval, rectangular or polygonal or can also take any shape, is also arbitrary.
  • the proportion of the core area KB comprising FPC to the entire core K is also variable.
  • the entire core K consists of FPC.
  • compositions of suitable FPC materials can be found, for example, in the Siemens Matsushita Components data book “Ferrites and Accessories” 1999 on page 42. Suitable FPCs are identified with the reference numbers C 302, C350 and C 351. The FPC composition C 351 is particularly suitable for sensor applications. fertilize in the range up to 200 ° Celsius because the FPC material has a corresponding temperature resistance.
  • the geometry of the core area KB comprising FPC can also be varied as desired.
  • the core area KB is solid, consists entirely of FPC and has the same cross section as the rest of the core K.
  • Such is easily produced using an FPC film.
  • Such an FPC film is constructed from a polymer which is sufficiently flexible under the desired operating conditions so that the film can be shaped, folded and in particular wound in any manner.
  • the material of the remaining core K is a conventional soft magnetic material, in particular ferrite. The material is selected based on the permeability and the desired temperature behavior.
  • the measuring range to be recorded can be adjusted to a certain extent, with a high permeability leading to saturation at low currents, so that with otherwise constant parameters a core material with a higher permeability is suitable for measuring lower currents than a material with a lower permeability.
  • Another possibility for setting the measuring range of the sensor according to the invention is to vary the number of windings of the measuring winding.
  • Another variable to be considered is the frequency of the measuring current applied to the measuring winding MW.
  • a suitable measurement frequency is, for example, in the range from 1 to 100 MHz.
  • a further variation of the sensor according to the invention consists in the number and position of the core areas KB comprising FPC. In further embodiments of the invention, the number of these core areas can be increased as desired.
  • the position of the measuring winding on the core K can also be varied.
  • FIG. 2 shows a further sensor according to the invention based on a double E core.
  • the figure shows a core area KB comprising FPC in the area of the middle leg (central slug).
  • the measuring winding MW also loops through the middle slug, preferably in the area of the core area KB comprising FPC.
  • the current conductor SL is preferably also routed around the central slug as a single winding.
  • the two halves of the double E core collide without an air gap at the two remaining joints F1 and F2 of the double E core.
  • the double-E core there is also the possibility of any variations with regard to the core material, the FPC, the core cross-section, the size and the proportion of the core area relative to the residual core.
  • FIG. 1 Another embodiment of the sensor according to the invention is shown in FIG.
  • a double U-shaped core is used, which preferably has FPC-comprising core areas at both joining points where the two U-shaped core halves meet.
  • this embodiment is a modification of the core shape shown in FIG. 1.
  • the measured values (here: L) for an embodiment of a sensor according to the invention are plotted against the measured variable I to be determined, which is initially determined for calibration purposes using a conventional current measuring device.
  • the assignment of the measured values L to the measured variable I practically results in a straight line which corresponds to an almost linear dependence of the measured value L on the measured variable I. Due to the high linearity, the measurement variable I to be determined can also be assigned extremely easily, exactly and clearly and thus determined.
  • the measured values themselves are obtained with a sensor that has a double U-shaped core according to FIG. 3. From a total leg length of approx. 40 mm, the core area consisting of FPC comprises approx. 14 mm. As can be seen from FIG. 4, a measuring range between approximately 0 and 1000 amperes can thus be detected. By appropriately adapting the variable parameters, this measuring range can be expanded or shifted as desired.

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Abstract

Es wird ein induktiver Sensor auf der Basis eines ringförmig geschlossenen weichmagnetischen Kerns (K) vorgeschlagen, bei dem der zu messende Strom innerhalb des ringförmig geschlossenen magnetischen Kreises eine induktive Veränderung hervorruft, die über eine um den Kern geschlungene Messwicklung (MW) abgegriffen wird. Zur Erzielung eines linearen Verhaltens innerhalb eines breiten Messbereichs weist der ringförmig geschlossene Kern Kernbereiche (KB) auf, die einen magnetischen Puververbundwerkstoff und insbesondere ein Ferritte Polymer Composite Material (FPC) umfassen.

Description

Beschreibung
Sensor zur Messung eines Gleichstroms und Messverfahren
Zum Beispiel aus der DE 31 30 277 AI sind Sensoren zur Messung von Gleichströmen bekannt, die geschlitzte weichmagnetische Kerne verwenden, bei denen im Luftschlitz ein Hall- Sensor angeordnet ist . Der zu messende Strom wird dabei in einem Leiter geführt, der als Wicklung um den weichmagneti- sehen Kern gelegt ist oder der durch den bis auf den Luftspalt ringförmigen geschlossenen Kern geführt ist.
Diese Sensoren lassen sich jedoch nur mit einer komplizierten und aufwendigen Auswertungselektronik realisieren, da eine nichtlineare Abhängigkeit der erhaltenen Messwerte von der zu bestimmenden Messgröße besteht . Das Messergebnis ist außerdem von der Spaltgröße und dem verwendeten Hallsensor abhängig, so dass der bekannte Sensor auch mit hoher Genauigkeit gefertigt werden muss.
Andere bekannte Stromsensoren bestehen im Wesentlichen aus einem weichmagnetischen Ringkern, durch den ein Leiter mit einem zu messenden Strom geleitet wird. Um den Kern ist eine Messwicklung (Sekundärwicklung) gelegt, die mit Wechselstrom beaufschlagt wird. In einem aus der DE 36 13 991 AI bekannten Sensor wird an der Messwicklung die elektrische Spannung gemessen, davon die zeitliche Ableitung gebildet und die Dauer der positiven und negativen Halbwelle dieser Ableitung zur Bewertung von Größe und Richtung des zu messenden Gleich- Stroms herangezogen. In einem aus der DE-OS 2 300 802 bekannten Gleichstromsensor wird die Messwicklung mit einer ansteuerbaren Stromquelle betrieben, die einen linear ansteigenden oder abfallenden Pumpstrom erzeugt, bis eine magnetische Sättigung des Kerns erreicht wird, was in einer zusätzlichen Messwicklung festgestellt wird. Der zeitliche Mittelwert des Pumpstroms gilt als Maß für den zu messenden Strom. Aus der DE 22 28 867 B2 ist ein Gleichstromsensor bekannt, bei dem in die Messwicklung ein rechteckförmiger Halbwellenstrom eingespeist wird, der derart zu regeln ist, dass die periodische Flußänderung des Kerns konstant bleibt. Aus der DE 38 27 758 C2 ist ein Sensor zur Überwachung der Stromstärke eines Wech- seiStroms bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor zur Messung eines Gleichstroms anzugeben, der einen Messwert liefert, der in einem möglichst breiten Stromstärkenbereich eine möglichst lineare Abhängigkeit zur zu messenden Stromstärke aufweist, so dass der Messwert innerhalb des gesamten geforderten Messbereichs proportional zum zu messenden Strom ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Ein erfindungsgemäßes Messverfahren sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übrigen Ansprüchen hervor.
Der erfindungsgemäße Sensor weist einen weichmagnetischen Kern auf, welcher z.B. ringförmig geschlossen ist, beziehungsweise so ausgebildet ist, dass sich innerhalb des Kerns ein geschlossenes Magnetfeld ausbilden kann. Um den Kern ist zumindest eine Messwicklung gelegt, die mit einer Vorrichtung verbunden ist, die zur Messung der Impedanz und/oder der In- duktivität an der Messwicklung geeignet ist. Der Stromleiter, der den zu messenden Strom führt, wird durch die Öffnung des geschlossenen Kerns geführt, so dass sich das Magnetfeld um den Leiter herum schließen kann.
Der magnetisch geschlossene Kern aus (herkömmlichem) weichmagnetischen Werkstoff weist einen Kernbereich auf, der im Querschnitt zumindest teilweise oder über den gesamten Querschnitt aus einem magnetischen Pulververbundwerkstoff gebildet ist. Dieser an sich bekannte Werkstoff mit weichmagneti- sehen Eigenschaften besteht aus einer Matrix, insbesondere einer Polymer Matrix, in der herkömmliche weichmagnetische Partikel aus Metall oder Metalloxid eingebettet sind. Auch andere und insbesondere auch anorganische Materialien wie z.B. Zement sind für die Matrix geeignet. Die magnetischen Eigenschaften des Pulververbundwerkstoffs werden dabei durch die weichmagnetischen Partikel bestimmt, insbesondere durch deren Anzahl beziehungsweise Dichte in der Matrix, durch deren Partikelgröße und durch die Materialauswahl für die weichmagnetischen Partikel. Die Matrix stellt nur die Matrix dar, die den nötigen mechanischen Zusammenhalt gibt und die so ausgewählt ist, dass sie im Bereich der erlaubten Be- triebsbedingungen des Sensors stabil bleibt und keine negative Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften des Pulververbundwerkstoffs bewirkt.
Ein bevorzugter Pulververbundwerkstoff ist Ferrite Polymer Composite, kurz auch unter FPC genannt.
Erst mit diesem aus z.B. FPC bestehenden Kernbereich erhält der erfindungsgemäße Sensor die erforderliche Charakteristik, um die Stromstärke sicher über einen breiten Stromstärkenbe- reich zu bestimmen. Dies wird beim erfindungsgemäßen Sensor möglich durch eine nahezu lineare Abhängigkeit der Messgrößen Impedanz (Z) oder Induktivität (L) von der zu messenden Stromstärke .
Würde man hingegen für den Sensor einen Kern verwenden, der vollständig aus herkömmlichem weichmagnetischen Material besteht, so würde ein entsprechender Sensor nur in einem relativ zur Erfindung eingeschränkten Messbereich einsetzbar sein.
Ein entsprechender Sensor mit herkömmlichem weichmagnetischen Kern ohne Spalt zeigt bei niedrigen zu messenden Strömen ein nichtlineares Verhalten der Messgrößen Z bzw. L. Bereits bei relativ niedrigen Strömen wird ein steiler Abfall der Mess- großen beobachtet. Eine sichere Zuordnung der Messgrößen zum zu messenden Strom ist nur in einem eingeschränkten Messbereich möglich. Ein entsprechender Sensor mit Kern aus herkömmlichen weichmagnetischen Material mit Spalt zeigt bei kleinen Strömen ein konstantes Verhalten der Messgrößen und erst bei großen Strö- men einen nicht linearen Abfall. Auch hier wird ein reduzierter Messbereich erhalten.
Der erfindungsgemäße Stromsensor mit dem aus magnetischem Pulververbundwerkstoff und insbesondere aus FPC bestehenden Kernbereich gleicht diese Nachteile in vorteilhafter Weise aus, indem sich die Charakteristiken des FPC Kernbereichs mit der Charakteristik des herkömmlichen weichmagne ischen Rest- kerns überlagern und dabei ein über einen weiten Messbereich lineares Verhalten der Messgrößen L und Z in Abhängigkeit vom überlagerten DC-Strom ergeben.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors ist die Möglichkeit, den Sensor an unterschiedliche Strom- Messbereiche in einfacher Weise anzupassen, indem einfache Parameter wie Kernform, Kerngröße, Materialauswahl und FPC
Anteil variiert werden. Auch bei dieser Anpassung bleibt die weitgehend lineare Abhängigkeit der Messgrδßen vom zu messenden Gleichstrom erhalten.
Der erfindungsgemäße Sensor ist einfach herzustellen wegen der gegenüber dem bekannten Stromsensor aus einem geschlitzten weichmagnetischen Kern mit im Schlitz angebrachten Hall- sensor deutlich erhöhten Fertigungstoleranz.
Vorrichtungen zur Messung von Impedanz Z oder Induktivität L sind hinreichend bekannt und mit einfachen Mitteln ausführbar. Aufgrund der nahezu linearen Abhängigkeit der Messwerte Z, L von der zu messenden Größe I ist auch keine aufwendige Außwerteelektronik erforderlich, so dass eine geeignete Aus- werteschaltung unkompliziert und mit wenig Aufwand herstellbar ist. Überlagert man dem zu messenden Gleichstrom einem Basis-DC- Strom, lässt sich aus der Veränderung des Messwerts die Polarität des Stroms bestimmen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen und der dazu gehörigen vier Figuren näher erläutert .
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor mit ringförmigen Kern in schematischer Darstellung.
Figur 2 zeigt einen Sensor mit einem E-Kern.
Figur 3 zeigt einen Sensor mit einem U-Kern.
Figur 4 zeigt in einem Diagramm die Abhängigkeit des Messwerts L von der Messgröße I .
In Figur 1 ist der Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors in schematischer Darstellung wiedergegeben. Der weichmagnetische Kern K ist ringförmig geschlossen und weist zumindest einen
Kernbereich KB auf, der aus FPC gebildet ist. In der Figur sind zwei aus FPC bestehende Kernbereiche KB dargestellt. Dies hat den Vorteil einer einfachen Fertigung, da so die zwei z.B. identischen Teilkerne Kl und K2 in entsprechende Position zueinander gebracht werden können und anschließend die Lücke zwischen den „Enden" der beiden Teilkerne Kl und K2 mit FPC ausgefüllt werden kann. Durch den ringförmigen Kern K verläuft der Stromleiter SL, durch den der zu messende Strom I geführt wird. Eine um den Kern K herumgeführte Messwicklung MW dient zur Ermittlung der Messwerte Z beziehungsweise L.
Diese werden in einer Auswerteeinheit AE bestimmt, die über die Anschlußkontakte AK mit der Messwicklung MW verbunden ist. Die Auswerteeinheit AE enthält eine an sich bekannte Schaltung zur Bestimmung der Messwerte Impedanz Z oder Induk- tivität L, die an den Anschlußkontakten AK der Messwicklung MW abgegriffen werden. Diese Messwerte können beispielsweise einem Rechner zugeführt werden oder wahlweise über ein Dis- play D dargestellt werden. Auch die Stromstärke I, die die zu ermittelnde Messgröße darstellt, kann auf den Display D wiedergegeben werden .
Die Geometrie des Kerns K, die hier vereinfacht kreisförmig angegeben ist, kann beliebig variiert werden. Ebenfalls beliebig ist der Querschnitt des Kerns, der beispielsweise rund, oval, rechteckig oder polygon ist oder auch beliebige Formen annehmen kann.
Weiterhin variabel ist der Anteil des FPC umfassenden Kernbereichs KB am gesamten Kern K. In einer Ausführungsform der Erfindung besteht der gesamte Kern K aus FPC.
Zusammensetzungen geeigneter FPC Materialien finden sich beispielsweise im Siemens Matsushita Components Datenbuch „Fer- rites and Accessories" 1999 auf Seite 42. Geeignete FPC sind dort mit den Kennziffern C 302, C350 und C 351 bezeichnet. Die FPC Zusammensetzung C 351 ist besonders für Sensoranwen- düngen im Bereich bis 200° Celsius geeignet, da das FPC Material eine entsprechende Temperaturfestigkeit besitzt.
Auch die Geometrie des FPC umfassenden Kernbereichs KB ist beliebig variierbar. In einer Ausführung ist der Kernbereich KB massiv, besteht vollständig aus FPC und weist den gleichen Querschnitt wie der restliche Kern K auf. Möglich ist es jedoch auch, den Querschnitt des Kernbereichs gegenüber dem Querschnitt des übrigen Kerns zu ändern und beispielsweise einen Hohlraum zu belassen. Ein solcher wird in einfacher Weise durch Verwendung einer FPC Folie hergestellt. Eine solche FPC Folie ist aus einem Polymer aufgebaut, welches bei gewünschten Betriebsbedingungen ausreichend flexibel ist, so dass die Folie beliebig geformt, gefaltet und insbesondere gewickelt werden kann. Das Material des restlichen Kerns K ist ein herkömmliches weichmagnetisches Material, insbesondere Ferrit. Die Auswahl des Materials erfolgt über die Permeabilität und das gewünschte Temperaturverhalten. Über die Per- meabilität kann in gewisser Weise der zu erfassende Messbereich eingestellt werden, wobei eine hohe Permeabilität zum Erreichen der Sättigung bei niedrigen Strömen führt, so dass bei ansonsten gleichbleibenden Parametern ein Kernmaterial mit höherer Permeabilität zur Messung geringerer Ströme geeignet ist als ein Material mit geringerer Permeabilität.
Eine weitere Möglichkeit zur Einstellung des Messbereichs des erfindungsgemäßen Sensors besteht in der Variation der Anzahl der Wicklungen der Messwicklung. Auch der Anteil des FPC umfassenden Kernbereichs KB oder bei ansonsten gleichbleibenden Parametern die mit FPC gefüllte Spaltgröße. Eine weitere zu beachtende Größe ist die an die Messwicklung MW angelegte Frequenz des Messstroms. Eine geeignete Messfrequenz liegt beispielsweise im Bereich von 1 bis 100 MHz.
Eine weitere Variation des erfindungsgemäßen Sensors besteht in der Anzahl und Lage der FPC umfassenden Kernbereiche KB. In weiteren Ausführungen der Erfindung kann die Anzahl dieser Kernbereiche beliebig erhöht werden.
Entsprechend der Anzahl und Größe der FPC umfassenden Kernbereiche KB kann auch die Position der Messwicklung auf den Kern K variiert werden.
Figur 2 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Sensor auf der Basis eines Doppel E-Kerns. In der Figur dargestellt ist ein FPC umfassender Kernbereich KB im Bereich des mittleren Schenkels (Mittelbutzens) . Auch die Messwicklung MW utn- schlingt den Mittelbutzen, vorzugsweise im Bereich des FPC umfassenden Kernbereichs KB. Der Stromleiter SL ist vorzugsweise als Einwindungswicklung ebenfalls um den Mittelbutzen geführt. An den beiden restlichen Trennfugen Fl und F2 des Doppel E-Kerns stoßen die beiden Hälften des Doppel-E-Kerns ohne Luftspalt aufeinander. Möglich ist es jedoch auch, im Bereich dieser beiden Fügestellen Fl und F2 weitere, FPC umfassende Kernbereiche vorzusehen. Auch bei dem Doppel-E-Kern besteht die Möglichkeit beliebiger Variationen bezüglich des Kernmaterials, des FPC, des Kernquerschnitts, der Größe und dem Anteil des Kernbereichs rela- tiv zum Restkern.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ist in Figur 3 dargestellt. Hier ist ein doppelter jeweils U-förmiger Kern verwendet, der vorzugsweise an beiden Füge- stellen, an denen die beiden U-förmigen Kernhälften aufeinandertreffen, FPC umfassende Kernbereiche aufweist. Im übrigen ist diese Ausführung eine Abwandlung der in Figur 1 dargestellten Kernform.
In Figur 4 sind für eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Sensors die Messwerte (hier: L) gegen die zu bestimmende Messgröße I aufgetragen, die zu Eichzwecken zunächst mit einer herkömmlichen Strommeßeinrichtung bestimmt wird. Die Zuordnung der Messwerte L zur Messgröße I ergibt praktisch eine Gerade, die eine nahezu linearen Abhängigkeit des Messwertes L von der Messgröße I entspricht. Aufgrund der hohen Lineari- tät läßt sich auch die zu bestimmende Messgröße I äußerst einfach, exakt und eindeutig zuordnen und damit bestimmen. Die Messwerte selbst werden mit einem Sensor erhalten, der einen doppel U-förmigen Kern entsprechend Figur 3 aufweist. Von einer Gesamtschenkellänge von ca. 40 mm umfaßt der aus FPC bestehende Kernbereich ca. 14 mm. Damit ist wie aus Figur 4 ersichtlich ein Messbereich zwischen ca. 0 und 1000 Ampere erfassbar. Durch entsprechende Anpassung der variierbaren Pa- rameter läßt sich dieser Messbereich beliebig nach oben oder unten erweitern beziehungsweise verschieben.

Claims

Patentansprüche
1. Sensor zur Messung eines Gleichstroms
- mit einem weichmagnetischen Kern (K) eines gegebenen Quer- Schnitts, in dem sich ein ringförmig geschlossenes Magnetfeld ausbilden kann
- bei dem der Kern einen Kernbereich (KB) aufweist, der einen magnetischen Pulververbundwerkstoff umfasst
- mit einer Messwicklung (MW) um den Kern (K) - mit einem durch den Kern geführten und den zu messenden Strom führenden Stromleiter (SL)
- mit einer Vorrichtung, die die Impedanz oder die Induktivität des Kerns mittels einer mit der Messwicklung (MW) verbundenen Messschaltung (AE) als Messwert ermittelt und diesen der Stromstärke des Gleichstroms gemäß einer bei dem Kern gegebenen linearen Abhängigkeit zuordnet.
2. Sensor nach Anspruch 1, bei dem der magnetische Pulververbundwerkstoff ein Ferri- te Polymer Composite - FPC - ist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem die Form des Kerns (K) so ausgewählt ist, dass der Kern einen geschlossenen magnetischen Kreis bilden kann.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 - 3, bei dem der Kern (K) bis auf den genannten Kernbereich (KB) aus Ferrit besteht.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welcher zwei oder mehr teilweise oder vollständig über den gesamten Querschnitt mit FPC gefüllte Kernbereiche (KB) in dem Kern (K) aufweist.
6. Sensor nach Anspruch 5 , bei dem der Kern (K) zweiteilig klappbar ausgebildet ist, wobei die beiden Trennstellen (F) jeweils in einem der genannten FPC umfassenden Kernbereiche (KB) liegen.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der gesamte Kern (K) aus FPC besteht.
8. Verfahren zur Messung eines Gleichstroms in einem Stromleiter (SL) , der durch einen ringförmig geschlossenen weichmagnetischen Kern (K) , welcher einen aus FPC bestehenden Kernbereich (KB) aufweist, geführt wird, bei dem die Impedanz oder Induktivität des Kerns über eine um den Kern gelegte Messwicklung (MW) mittels einer damit verbundenen Messschaltung (AE) als Messwert ermittelt und der Stromstärke des Gleichstroms zugeordnet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8 , bei dem zur Messung einer höheren Stomstärke der Anteil des aus FPC bestehenden Kernbereichs (KB) erhöht und/oder die Permeabilität des Kernmaterials erniedrigt wird.
10.Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der zu messende Strom einem Basis-DC-Strom überlagert wird und aus der Veränderung des Messwerts die Polarität des Stroms bestimmt wird.
11.Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem die Dimensionierung des Kerns (K) , die Material- auswahl für Kern und FPC oder der relative Anteil des aus FPC bestehenden Kernbereichs (KB) so ausgewählt sind, dass der zu messende Strom im Bereich einer l inearen Abhängigkeit des Messwerts von der Stromstärke liegt .
EP00988682A 2000-01-04 2000-12-06 Sensor zur messung eines gleichstroms und messverfahren Withdrawn EP1244920A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

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DE10000116A DE10000116A1 (de) 2000-01-04 2000-01-04 Sensor zur Messung eines Gleichstroms und Messverfahren
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