EP1328818A2 - Anordnung zur potentialfreien messung hoher ströme - Google Patents

Anordnung zur potentialfreien messung hoher ströme

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Publication number
EP1328818A2
EP1328818A2 EP01987882A EP01987882A EP1328818A2 EP 1328818 A2 EP1328818 A2 EP 1328818A2 EP 01987882 A EP01987882 A EP 01987882A EP 01987882 A EP01987882 A EP 01987882A EP 1328818 A2 EP1328818 A2 EP 1328818A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
current
conductor
arrangement according
bypass branch
bypass
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP01987882A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Preusse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Original Assignee
Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vacuumschmelze GmbH and Co KG filed Critical Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Publication of EP1328818A2 publication Critical patent/EP1328818A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • 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
    • G01R15/185—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 with compensation or feedback windings or interacting coils, e.g. 0-flux sensors

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for the potential-free measurement of high currents.
  • the measurement of high currents is particularly important in the automotive sector, for example when recording the on-board electrical system current or battery current for safety purposes and simple control functions. These are currents of up to 400 A, whereby the accuracy requirements are moderate.
  • a resistor is inserted into a circuit, at which the voltage drop is measured. This resistance can also simply be a piece of the existing conductor.
  • the disadvantages associated with this technology are, on the one hand, the dependence of the measurement result on the conductor temperature. On the other hand, in the interest of accuracy, either extremely low voltages must be measured or a relatively large resistance must be selected. However, high resistances lead to heating and thus to power loss.
  • a shunt cannot be used in many areas because it cannot tolerate short-term, significantly higher currents than the maximum current to be measured, as is the case with car batteries, for example, where currents of up to 1500 A occur when starting.
  • Toroidal current sensor The conductor is led through the opening of a magnetic toroid.
  • the core is magnetized by the magnetic field of the current.
  • the magnetization in a slot in the core is measured by a magnetically sensitive element (e.g. Hall IC).
  • the signal from this probe is either used directly as an output signal (direct imaging sensor) or fed via an amplifier to a compensation coil on the toroid, which compensates for the magnetization of the core to zero (compensation sensor).
  • the second variant has the higher accuracy and the far better linearity.
  • the assembly process is extremely unfavorable because the conductor has to be led through the opening of the sensor.
  • toroidal current sensors are comparatively expensive due to their size.
  • Magnetic field probe Magnetic field sensitive probes (eg Hall sensors or magnetoresistive sensors) are attached to the conductor, through which the current is measured via the magnetic field of the conductor.
  • the measured value depends on the distance from the probe to the conductor, so that the mechanical tolerances of the arrangement are clearly included in the accuracy.
  • the magnetic field probes so usually a structurally ⁇ -ended and costly shielding aufwen required also sensitive to external (interference) fields.
  • Such sensors are also used as gradient sensors in which the difference in magnetic fields is measured at two locations becomes. This partially eliminates the disadvantage of sensitivity to interference.
  • Bypass sensor The current path is divided and the smaller part is measured with a sufficiently accurate toroidal sensor. This sensor is then smaller and less expensive because it is designed for lower currents.
  • a disadvantage of the bypass sensors currently used is the difficulty in keeping the distribution factor constant over a longer period of time and when the temperature changes, since the contact resistances at the contact points between the two conductors are subject to corrosion influences and mechanical stresses. In addition, both paths are difficult to maintain at the same temperature, so that the division ratio becomes temperature-dependent.
  • the object of the present invention is therefore to provide an arrangement for measuring high currents, which rather at least partially avoids the disadvantages listed above. It is a particular object of the present invention to provide a reliable but inexpensive current sensor which has a measurement accuracy which is at least equal to that of the conventional current sensors.
  • the arrangement according to the invention for the potential-free measurement of high currents in a current conductor comprises a current sensor, which has a bypass conductor, via which a small but defined part of the current is conducted in parallel to a specific section of the current conductor, and a current probe, which measures the current in the bypass branch, from which the total current can be determined using the known division ratio.
  • a current sensor which has a bypass conductor, via which a small but defined part of the current is conducted in parallel to a specific section of the current conductor
  • a current probe which measures the current in the bypass branch, from which the total current can be determined using the known division ratio.
  • the cross-section of the bypass conductor is reduced so much in comparison to the main conductor that the division ratio is significantly greater than 10: 1, preferably greater than 50: 1 to 1000: 1, the contact resistance becomes negligible and the division ratio is only reduced to Cross-section, material and length of the bypass conductor determined in comparison to the bridged section of the main conductor.
  • the senor is designed with a bypass branch and a current probe, which essentially does not introduce any additional resistance into the bypass branch. It is designed according to the bypass principle with a high division ratio, preferably a division ratio of 50: 1 to 1000: 1st
  • the division ratio can, for example, be designed such that the maximum current to be measured in the bypass branch is below 20 A, preferably in the range of 1 and 2 A.
  • the actual measurement of the current does not take place on or on the conductor, but in the bypass branch.
  • a current probe is selected for the actual measurement, which has good accuracy (for example in the range of 20 A) and in particular does not introduce any additional resistance into the bypass branch.
  • the current probe which measures the current in the bypass branch, must not, on the one hand, introduce any additional resistance into the bypass branch and, on the other hand, must be suitable for measuring small currents, that is to say in particular have a high resolution and a low offset.
  • the low offset (current) results in particular from the use of a closed core and is less than 50 A, preferably less than 20 mA and in particular 10 mA.
  • Direct imaging low-current sensors are suitable for this purpose, which have a small toroidal core made of amorphous or nanocrystalline metal, which is wound with a coil of copper wire. Such probes are characterized by a particularly high impedance ratio (greater than 4: 1, for example 10: 1) between the saturated and the unsaturated state of the magnetic core.
  • the bypass conductor is passed through the inner hole of the wound core.
  • This probe is preferably operated by evaluation electronics, which reverses the polarity of the current in the toroidal core coil as soon as it exceeds a certain limit value.
  • the probe core is constantly magnetized at high frequency until saturation.
  • the magnetic reversal time differs depending on the direction of the current, the difference being proportional to the current to be measured.
  • PWM pulse width modulated
  • the current sensor with bypass conductor and current probe and optionally also the evaluation electronics is implemented on a small circuit board or another suitable carrier. This carrier can be firmly connected to the conductor.
  • the current sensor is preferably thermally coupled to the current conductor, so that different temperatures of the current conductor and current sensor are avoided and the division ratio remains constant.
  • bypass branch can be designed as a wire over at least part of its length and this wire can be at least partially wound up into a coil. This ensures that the influence of the skin effect that is noticeable at high frequencies is largely compensated for.
  • the current sensor is preferably attached to the current conductor via the printed circuit board by means of clips or screws.
  • One or both outer sides of the circuit board can be metallized all around.
  • the metallization on the underside can then be used as a contact area for the connection between the printed circuit board and the current bracket and should advantageously be designed to be sufficiently large.
  • the me- The metalization on the underside can also be connected to the conductor tracks on the top side by means of a via, so that metallization of the circuit board around the ends is not necessary.
  • a toroidal core current probe is provided as the current probe, in which the sensing element is a wound toroidal core made of amorphous or nanocrystalline metal.
  • a cover in particular a cylinder made of magnetically conductive material, preferably a highly permeable nickel-iron alloy, can be arranged around the current probe and shields the current probe from the outside.
  • a cover in particular a cylinder made of magnetically conductive material, preferably a highly permeable nickel-iron alloy, can be arranged around the current probe and shields the current probe from the outside.
  • the current probe can have evaluation electronics, which are preferably in the form of an integrated circuit (e.g.
  • ASIC is executed and mounted on the guide plate and contains, for example, all essential elements except the sensor.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram for a bypass solution
  • FIG. 2 shows a preferred construction of a current probe with connected evaluation electronics
  • 3 shows the basic circuit diagram of this evaluation electronics
  • FIG. 4 shows a preferred embodiment of a current sensor in a schematic representation.
  • R- j _ is the resistance of the conductor section over which the bypass branch (resistance Rgy) is placed.
  • R ⁇ are contact resistances.
  • I- ⁇ _ and I By denote currents through the conductor section or the bypass branch.
  • the primary side of the sensor has zero resistance (toroid inserted over the conductor).
  • the division ratio is calculated as follows:
  • a high division ratio results when the resistance of the bypass branch R By is large compared to the resistance of the bridged conductor section.
  • the extent to which the contact resistances can be minimized without great effort is limited by the size of the main conductor (for example the size of the possible contact surface of the relevant metallization on the underside of the circuit board).
  • With high division ratio it is therefore possible to keep easily the contact resistances R ⁇ so small that they are vernach ⁇ ILbar against the resistance of the bypass conductor Rg y in general. At least variations in the contact resistances then only have an insignificant influence on the division ratio
  • the bypass can - Branch are formed by a wire with a diameter of 0.28 mm, which has the same length as the bridged conductor piece.
  • the current probe uss accordingly has a high measuring accuracy at currents from 10 mA to 2 A.
  • the bypass branch is in good thermal contact with the main conductor due to the arrangement of the bypass branch on or in a printed circuit board, which in turn is fastened directly on the current conductor. Different temperatures of the two conductors are avoided and the division ratio remains constant.
  • the contact to the current clamp is made appropriately, the contact resistances are negligible. Because of the low current through the bypass branch or due to the significantly larger cross section of the contact points compared to the bypass conductor, no additional heating of the contact points occurs.
  • FIG. 2 A preferred current probe is shown in FIG. 2 together with the
  • Evaluation electronics shown. It is a current probe for the potential-free measurement of small currents, whereby the sensing element consists of a wound toroid. Exemplary dimensions are 010 mm x 04 mm x 4 mm. DE 197 05 770 and DE 198 44 729 are also simple
  • the current probe is suitable for applications with moderate accuracy requirements for currents up to about 20 A. to
  • the sensor T is shown with the circuit symbol of a transformer (equivalent circuit diagram).
  • the sensor T is driven on the primary side with a current I to be measured. This is generally the current through the conductor inserted through the inner hole of the wound toroid, alternatively it may be a few windings around the toroid instead of this conductor.
  • the secondary winding designates the actual toroidal winding of the current probe with inductance L.
  • a comparator K evaluates a current i through the secondary winding by comparing the absolute value of the voltage drop across the upstream resistor R with a predetermined value. Depending on the comparison result, a switching device S is controlled by the comparator K, which reverses the polarity of the direct voltage of the amount U at the series circuit of a resistor R and the inductor L as soon as the absolute amount of the current i through the resistor R and inductor L exceeds a certain value.
  • a square-wave signal is thus generated on the series circuit of resistor R and inductance L, which serves as output signal U ou t of the current sensor and whose pulse duty factor Q behaves as follows:
  • T + and T_ represent the pulse durations of the signal levels "High” and “Low” and N stands for the number of turns of the secondary winding of the current sensor (probe winding).
  • the current in the toroidal coil of sensor L is therefore reversed as soon as it exceeds a certain limit value.
  • the probe core is constantly magnetized at high frequency until saturation.
  • the remagnetization time differs depending on the direction of the current, the difference being proportional to the current to be measured.
  • PWM pulse width modulated
  • FIG. 1 A particularly advantageous development of the invention is shown schematically in FIG. 1
  • the current conductor 1 is a copper bracket.
  • the current sensor 1 is implemented on a small circuit board 2 with dimensions of 15 mm x 20 mm.
  • the narrower sides of the circuit board 2 are metallized all around.
  • the circuit board 2 is pressed onto the copper bracket by suitable clamps or by screws or by other suitable methods such that there is good contact from the bracket 1 to the metallized end surfaces of the circuit board 2.
  • the bypass branch is designed as a conductor track 3 on the printed circuit board 2.
  • the current probe comprises a wound toroidal core made of amorphous or nanocrystalline metal, the dimensions of which, including the winding, are approximately 4 mm inner diameter x 10 mm outer diameter x 4 mm height.
  • the toroidal core of the current probe 5 is placed flat on the circuit board 2.
  • the first part of the conductor track 3 leads under the winding of the current probe 5 through its inner hole. There it is electrically connected to a U-shaped wire bracket 4, which through the inner hole 5 over the edge thereof to the first part of the lead Terbahn 1 opposite side of the circuit board 2 leads. From there, the bypass branch closes via the second part of the conductor track 1 and the second metallized end face of the circuit board 2.
  • the bypass branch can also be designed as a wire over part of its length.
  • the wire is wound over a certain length into a coil according to a preferred embodiment.
  • it also has a certain inductance, which can compensate for the temporally leading behavior of the bypass branch within certain limits.
  • a cover preferably a cylinder, made of a magnetically conductive material, which covers the cross section of the current probe to the outside, is arranged around the current probe 5.
  • said cylinder is designed about 1 to 2 mm higher than the current probe.
  • the evaluation electronics 7 for the current probe are also mounted on the printed circuit board 2. This can preferably be rationally integrated on an ASIC (with RC circuitry) (the placement area is only 15x25 mm 2, for example, even with a discrete structure).
  • Outputs are a PWM signal (0 / 5V), the pulse width ratio of which depends on the current to be measured, and an overcurrent output that is below a certain limit value at potential "Low” and above this limit value at potential "High”.
  • the PWM output can be counted in a microprocessor (no A / D converter is required) or integrated with the help of a simple RC element.
  • bypass branch 3 is in good thermal contact with the current conductor 1, so that different temperatures of the two conductors are avoided and the division ratio remains constant.
  • bypass branch 3 is laser-adjusted for the exact setting of the division ratio.

Landscapes

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Abstract

Die Anordnung umfasst einem Stromsensor, der einen einem bestimmten Abschnitt des Stromleiters (1) elektrisch parallel geschalteten Bypass-Zweig (3) wosie eine Stromsonde (5) zur Messung des Stromes im Bypass-Zweig (3) aufweist, wobei zwischen Bypass-Zweig (3) und dem überbrückten Abschnitt des Stromleiters (1) ein festes Teilungsverhältnis der sie durch-fliessenden Ströme gegeben ist. Das Teilungsverhältnis und damit der elektrische Widerstand des Bypass-Zweiges (3) gegenüber dem Widerstand des überbrückten Abschnitts des Stromleiters (1) sind dabei derart hoch, dass die Kontaktwiderstände (Rk) zwischen Stromleiter (1) und Bypass-Zweig (3) gegenüber dem Widerstand (RBY) des Bypass-Zweiges (3) vernachlässigbar sind.

Description

Beschreibung
Anordnung zur potentialfreien Messung hoher Ströme
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur potentialfreien Messung hoher Ströme.
Die Messung hoher Ströme ist insbesondere im Automobilbereich von großer Bedeutung wie beispielsweise bei der Erfassung des Bordnetzstromes bzw. Batteriestromes für Sicherungszwecke und einfache Steuerungsfunktionen. Dabei handelt es sich um Ströme von bis zu 400 A, wobei die Genauigkeitsanforderungen moderat sind.
Des Weiteren ist eine Messung hoher Ströme bei der Erfassung des Batteriestromes für Batterie-Energie-Management-Systeme von Bedeutung. Dabei handelt es sich um Ströme von bis zu 400 A, wobei die Genauigkeitsanforderungen hoch sind.
Bei der Erfassung des Phasenstromes in einer Umrichter- betriebenen-elektrischen Maschine wie Startergenerator oder Antriebsmotor von Hybrid- bzw. Elektrofahrzeugen werden Ströme von bis zu 1300 A verarbeitet, wobei die Genauigkeitsanforderungen meist zwischen den beiden erstgenannten liegen.
Neben geringen Herstellungskosten wird an derartige Stromsensoren auch die Forderung einer kompakten Bauform gestellt, weil für deren Einbau nur wenig Einbauraum zur Verfügung steht .
Bisher kamen die folgenden Stromsensoren zum Einsatz:
Shunt : In einen Stromkreis wird ein Widerstand eingefügt, an dem der Spannungsabfall gemessen wird. Dieser Widerstand kann auch einfach ein Stück des vorhandenen Leiters sein. Die mit dieser Technik verbundenen Nachteile liegen einerseits in der Abhängigkeit des Messergebnisses von der Leitertemperatur. Andererseits müssen im Interesse der Genauigkeit entweder extrem kleine Spannungen gemessen oder aber ein relativ großer Widerstand gewählt werden. Hohe Widerstände führen aber zu Erwärmung und damit zu Verlustleistung. Darüber hinaus ist ein Shunt insofern in vielen Bereichen nicht einsetzbar, weil er keine kurzzeitig auftretenden, deutlich höheren Ströme als den maximal zu messenden Strom vertragen kann, wie dies beispielsweise bei Autobatterien der Fall ist, wo beim Anlassen Ströme von bis zu 1500 A auftreten.
Ringkern-Stromsensor: Der Leiter wird durch die Öffnung eines magnetischen Ringkerns geführt. Der Kern wird durch das Magnetfeld des Stromes magnetisiert . In einem Schlitz des Kernes wird die Magnetisierung durch ein magnetempfindliches Element (z.B. Hall-IC) gemessen. Das Signal dieser Sonde wird entweder direkt als Ausgangssignal genutzt (direkt abbildender Sensor) oder über einen Verstärker einer Kompensationsspule auf dem Ringkern zugeführt, welche die Magnetisierung des Kerns zu Null kompensiert (Kompensationssensor) . Die zweite Variante hat die höhere Genauigkeit und die weitaus bessere Linearität . Der Montageprozess gestaltet sich aber äußerst ungünstig, da der Leiter durch die Öffnung des Sensors geführt werden muss . Außerdem sind Ringkern- Stromsensoren aufgrund ihrer Baugröße vergleichsweise kostenintensiv.
Magnetfeldsonde: Am Leiter werden magnetfeldempfindliche Sonden angebracht (z.B. Hall-Sensoren oder magnetoresistive Sensoren) , durch die der Strom über das Magnetfeld des Leiters gemessen wird. Nachteilig ist aber, dass der Messwert vom Ab- stand der Sonde zum Leiter abhängig ist, so dass die mechanischen Toleranzen der Anordnung deutlich in die Genauigkeit eingehen. Außerdem sind die Magnetfeldsonden auch empfindlich auf externe (Stör- ) Felder , so dass meist eine baulich aufwen¬ dige und kostenintensive Abschirmung erforderlich ist. Derar- tige Sensoren werden auch als Gradienten-Sensoren eingesetzt, in dem die Differenz der Magnetfelder an zwei Orten gemessen wird. Dadurch wird der Nachteil der Störempfindlichkeit teilweise aufgelöst.
Bypass-Sensor : Der Strompfad wird aufgeteilt und der kleinere Teil mit einem ausreichend genauen Ringkern-Sensor gemessen. Dieser Sensor ist dann kleiner und kostengünstiger, da er auf geringere Ströme ausgelegt ist. Nachteilig bei den gegenwärtig verwendeten Bypass-Sensoren ist die Schwierigkeit den Aufteilungsfaktor über einen längeren Zeitraum und bei Tempe- raturwechsel konstant zu halten, da die Übergangswiderstände an den Kontaktstellen zwischen den beiden Leitern Korrosionseinflüssen und mechanischen Beanspruchungen unterliegen. Außerdem sind beide Pfade nur schwer auf der gleichen Temperatur zu halten, so dass das Teilungsverhältnis temperaturab- hängig wird.
Obwohl mit den gemäß dem Stand der Technik verwendeten Sensoren zur Messung hoher Ströme durchaus brauchbare Ergebnisse erzielt werden, sind diese aber aufwendig, kostenintensiv, zum Teil nicht zuverlässig und damit insgesamt unbefriedigend.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung hoher Ströme bereitzustellen, wel- eher die oben aufgeführten Nachteile zumindest teilweise vermeidet. Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen zuverlässigen, aber kostengünstigen Stromsensor bereitzustellen, welcher eine den herkömmlichen Stromsensoren zumindest ebenbürtige Messgenauigkeit aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur potentialfreien Messung hoher Ströme in einem Stromleiter umfasst einen Stromsensor, der einen Bypassleiter aufweist, über den ein kleiner aber definierter Teil des Stromes parallel zu einem bestimmten Abschnitt des Stromleiters geführt wird, und eine Stromsonde, die den Strom im Bypasszweig misst, woraus sich über das bekannte Teilungsverhaltnis der Gesamtstrom ermitteln lässt. Dabei besteht zwischen Bypasszweig und Stromleiter ein derart hohes Teilungsverhältnis, dass die Übergangswiderstände an den Kontaktstellen zwischen den beiden Leitern das Teilungsverhältnis nicht wesentlich beeinflussen können.
Dem liegt die folgende Überlegung zugrunde: Bei üblichen Teilungsverhältnissen von 1:1 bis 5:1, bezogen auf das Verhältnis des Stromes im Hauptleiter zum Strom im Bypassleiter, haben der Hauptleiter und der Bypassleiter vergleichbare Quer- schnitte und ohne den Einsatz aufwendiger Maßnahmen werden die Übergangswiderstände an den Kontaktstellen in der gleichen Größenordnung wie der Widerstand des Bypassleiters sein. Diese Übergangswiderstände sind, wie oben bereits erwähnt, nur schwer konstant zu halten. Sie beeinflussen das Teilungs- Verhältnis, was eine genaue Messung unmöglich macht. Wird a- ber der Querschnitt des Bypassleiters im Vergleich zum Hauptleiter so stark verringert, dass das Teilungsverh ltnis deutlich größer als 10:1, vorzugsweise größer als 50:1 bis 1000:1 ist, werden die Übergangswiderstände vernachlässigbar und das Teilungsverhältnis wird nur noch von Querschnitt, Material und Länge des Bypassleiters im Vergleich zum überbrückten Abschnitt des Hauptleiters bestimmt.
Die Anwendung des Bypassprinzips auf einen kurzen Abschnitt eines Stromleiters in Verbindung mit einem hohen Teilungsverhaltnis ist Gegenstand des unabhängigen Patentanspruches 1.
Demnach ist der Sensor mit einem Bypass-Zweig sowie einer Stromsonde, welche im wesentlichen keinen zusätzlichen Wider- stand in den Bypass-Zweig einbringt, ausgeführt. Er ist ge- mäss dem Bypass-Prinzip mit einem hohem Teilungsverhältnis ausgelegt, vorzugsweise einem Teilungsverh ltnis von 50:1 bis 1000:1. Das Teilungsverhältnis kann beispielsweise so ausgelegt werden, dass der maximal zu messende Strom im Bypass- Zweig unter 20 A, vorzugsweise im Bereich von 1 und 2 A liegt. Die tatsächliche Messung des Stroms findet damit nicht auf bzw. am Stromleiter, sondern im Bypass-Zweig statt. Für die tatsächliche Messung wird eine Stromsonde ausgewählt, welche eine gute Genauigkeit (beispielsweise im Bereich von 20 A) aufweist und insbesondere keinerlei zusätzlichen Widerstand in den Bypass-Zweig einbringt.
Die Stromsonde, die den Strom im Bypasszweig misst, darf einerseits keinen zusätzlichen Widerstand in den Bypasszweig einbringen und muss andererseits zur Messung kleiner Ströme geeignet sein, das heißt insbesondere eine hohe Auflösung und einen geringen Offset besitzen. Der geringe Offset (ström) ergibt sich insbesondere durch die Verwendung eines geschlossenen Kerns und ist kleiner 50 A, bevorzugt kleiner 20 mA und insbesondere 10mA. Hierzu geeignet sind direktabbildende Niederstromsensoren, die einen kleinen Ringkern aus amorphem o- der nanokristallinem Metall aufweisen, der mit einer Spule aus Kupferdraht umwickelt ist. Solche Sonden zeichnen sich durch ein besonders hohes Impedanzverhältnis (von größer 4:1, beispielsweise 10:1) zwischen dem gesättigten und dem ungesättigten Zustand des Magnetkernes aus. Der Bypassleiter wird durch das Innenloch des bewickelten Kernes hindurchgeführt.
Diese Sonde wird vorzugsweise durch eine Auswerteelektronik betrieben, die den Strom in der Ringkernspule umpolt, sobald er einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Dadurch wird der Sondenkern ständig mit hoher Frequenz jeweils bis zur Sättigung ummagnetisiert . Die Ummagnetisierungszeit ist je nach Stromrichtung unterschiedlich, wobei die Differenz proportional zum zu messenden Strom ist . Bei frei schwingender Anordnung entsteht so automatisch ein PWM-Rechtecksignal (PWM=Puls-Weiten-Moduliert) , dessen Tastverhältnis durch den zu messenden Strom bestimmt ist. Die Anwendung dieses Sondenprinzips auf die Anordnung nach dem unabhängigen Patentanspruch 1 ist eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens und Gegenstand der abhängigen Patentansprüche 9 bis 12.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens betreffen den mechanischen Aufbau des Sensors und sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche 2 bis 8.
Stromleiter für hohe Ströme sind häufig flache Kupferbügel.
Um eine kompakte und kostengünstige Anordnung zur Messung des Stromes in einem solchen Bügel zu erreichen wird der Stromsensor mit Bypassleiter und Stromsonde und gegebenenfalls auch der Auswerteelektronik auf einer kleinen Leiterplatte oder einem anderen geeigneten Träger ausgeführt. Dieser Träger kann fest mit dem Stromleiter verbunden werden.
Der Stromsensor ist dabei bevorzugt thermisch mit dem Stromleiter fest gekoppelt, so dass unterschiedliche Temperaturen von Stromleiter und Stromsensor vermieden werden und das Teilungsverhältnis konstant bleibt.
Weiterhin kann der Bypass-Zweig über zumindest einer Teil seiner Länge als Draht ausgeführt und dieser Draht zumindest teilweise zu einer Spule aufgewickelt werden. Dadurch wird erreicht, dass der bei hohen Frequenzen spürbare Einfluss des Skineffektes weitgehend kompensiert wird.
Die Befestigung des Stromsensors erfolgt bevorzugt über die Leiterplatte mittels Klammern oder Schrauben auf dem Stromleiter .
Dabei können eine oder beide Außenseiten der Leiterplatte rundherum metallisiert sein. Die Metallisierung auf der Un- terseite kann dann als Kontaktfläche für die Verbindung zwischen Leiterplatte und Strombügel genutzt werden und sollte vorteilhafterweise ausreichend groß gestaltet sein. Die Me- tallisierung auf der Unterseite kann auch über eine Durchkon- taktierung mit den Leiterbahnen auf der Oberseite verbunden sein, so dass eine Metallisierung der Leiterplatte um die Enden herum nicht erforderlich ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass als Stromsonde eine Ringkern- Stromsonde vorgesehen ist, in welcher das sensierende Element ein bewickelter Ringkern aus amorphem oder nanokristallinem Metall ist.
Zum Zwecke einer weiteren Abschirmung gegenüber Störeinflüssen kann um die Stromsonde herum eine Abdeckung, insbesondere ein Zylinder aus magnetisch leitfähigem Material, vorzugsweise einer hochpermeablen Nickel-Eisen-Legierung, angeordnet werden, welche die Stromsonde nach außen abschirmt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da der Hauptleiter aufgrund des hohen Stromes und des geringen Abstands zur Stromsonde ein hohes Magnet eld am Ort der Stromsonde erzeugt . Die Richtung dieses Feldes liegt zwar in der unempfindlichen Richtung der Stromsonde, wegen seiner Stärke könnte es jedoch ohne die erwähnte Abschirmmaßnahme trotzdem die Messung negativ beeinflussen .
Schließlich kann die Stromsonde eine Auswerteelektronik auf- weisen, die vorzugsweise als integrierte Schaltung (z. B.
ASIC) ausgeführt und auf der Leitplatte montiert ist und beispielsweise alle wesentlichen Elemente außer dem Sensor enthalten .
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Figuren der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt :
Figur 1 ein Schaltbild für eine Bypasslösung,
Figur 2 einen bevorzugten Aufbau einer Stromsonde mit angeschlossener Auswerteelektronik, Figur 3 das Prinzipschaltbild dieser Auswerteelektronik und
Figur 4 in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausfüh- rungsform eines Stromsensors.
In den nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind gleiche oder ähnliche Elemente mit den selben Bezugszeichen versehen.
Eine Bypasslösung ist in dem Schaltbild nach Figur 1 beschrieben. Dabei ist R-j_ der Widerstand des Leiterstückes, ü~ ber das der Bypass-Zweig (Widerstand Rgy) gelegt wird. R^ sind Kontaktwiderstände. I-ι_ und IBy bezeichnen dabei Ströme durch das Leiterstück bzw. den Bypass-Zweig. Die Primärseite des Sensors hat den Widerstand Null (über den Leiter gesteckter Ringkern) . Das Teilungsverhältnis errechnet sich dabei folgendermaßen :
II = 2 Rk + Rpy
IBy Rl
Das allgemeine Problem bei Bypass-Lösungen liegt in den Kontaktwiderständen an der Übergangsstelle zwischen den beiden Leitern. Diese Übergangswiderstände können sich durch mechanische Beanspruchung oder durch Korrosion verändern und dadurch das Teilungsverhältnis nachhaltig beein lussen. Dazu trägt wesentlich auch die Eigenerwärmung bei Durchgang eines hohen Stroms bei .
Ein hohes Teilungsverhältnis ergibt sich, wenn der Widerstand des Bypasszweiges RBy groß ist gegenüber dem Widerstand des überbrückten Leiterstückes. Das Maß, in dem sich die Kontaktwiderstände ohne größeren Aufwand minimieren lassen, wird durch die Größe des Hauptleiters begrenzt (zum Beispiel Größe der möglichen Auflagefläche der betreffenden Metallisierung auf der Unterseite der Leiterplatte) . Bei hohem Teilungsver- hältnis ist es daher im allgemeinen problemlos möglich die Kontaktwiderstände Rκ so klein zu halten, dass sie vernach¬ lässigbar gegenüber dem Widerstand des Bypassleiters Rgy sind. Zumindest beeinflussen Variationen der Kontaktwider- stände das Teilungsverh ltnis dann nur unwesentlich
Bei einem Teilungsverh ltnis von 500:1 und einem zu messenden Maximalstrom von 1000 A fließen gemäss einer bevorzugten Aus- führungsform im Bypass-Pfad nur maximal 2 A. Bei einem Strom- bügel von 15 x 2 mm2 Querschnitt als Leiter, kann der Bypass- Zweig durch einen Draht von einem Durchmesser von 0,28 mm gebildet werden, der die gleiche Länge wie das überbrückte Leiterstück aufweist. Die Stromsonde uss entsprechend eine hohe Messgenauigkeit bei Strömen von 10 mA bis 2 A aufweisen.
Durch die Anordnung des Bypass-Zweigs auf bzw. in einer Leiterplatte, welche wiederum direkt auf dem Stromleiter befestigt ist, ist der Bypass-Zweig in gutem thermischen Kontakt zum Hauptleiter. Damit werden unterschiedliche Temperaturen der beiden Leiter vermieden und das Teilungsverhältnis bleibt konstant .
Bei geeigneter Ausführung der Kontaktierung zum Strombügel sind die Kontaktwiderstände vernachlässigbar. Wegen des ge- ringen Stromes über den Bypass-Zweig bzw. infolge des deutlich größeren Querschnitts der Kontaktstellen gegenüber der Bypass-Leiter tritt keinerlei zusätzliche Erwärmung der Kontaktstellen auf.
Eine bevorzugte Stromsonde ist in Figur 2 zusammen mit der
Auswerteelektronik dargestellt. Es handelt sich dabei um eine Stromsonde zur potentialf eien Messung kleiner Ströme, wobei das sensierende Element aus einem bewickelten Ringkern besteht. Beispielhafte Abmessungen sind 010 mm x 04 mm x 4 mm. Auch in DE 197 05 770 sowie DE 198 44 729 sind einfache
Stromsonden zur potential reien Messung kleiner Ströme be- schrieben, welche für die Stromsensoren gemäss der vorliegenden Erfindung geeignet sind.
Die Stromsonde ist für Anwendungen mit moderaten Genauig- keitsanforderungen für Ströme bis etwa 20 A geeignet. Zur
Messung v'oii Strömen im Bereich bis etwa 2 A besitzt sie eine sehr gute Genauigkeit und ist in diesem Messbereich den sonst hochgenauen Ringkern-Kompensations-Sensoren überlegen.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 3 betreffend die e- lektronische Auswertung des Sondensignals ist der Sensor T mit dem Schaltsymbol eines Transformators dargestellt (Ersatzschaltbild) . Primärseitig wird der Sensor T mit einem zu messenden Strom I angesteuert . Dies ist im allgemeinen der Strom durch den durch das Innenloch des bewickelten Ringkerns gesteckten Leiter, wobei es sich alternativ anstelle deises Leiters auch um ein paar wenige Wicklungen um den Ringkern handeln kann. Die Sekundärwicklung bezeichnet die eigentliche Ringkernwicklung der Stromsonde mit der Induktivität L.
Ein Komparator K wertet einen Strom i durch die Sekundärwicklung aus, indem er den betragsmäßigen Wert des den Spannungsabfalls an dem vorgeschalteten Widerstand R mit einem vorgegeben Wert vergleicht. Abhängig vom Vergleichsergebnis wird durch den Komparator K eine Schalteinrichtung S gesteuert, welche die Gleichspannung vom Betrag U an der Serienschaltung eines Widerstands R und der Induktivität L umpolt sobald der Absolutbetrag des Stromes i durch Widerstand R und Induktivität L einen bestimmten Wert überschreitet. An der Serien- Schaltung von Widerstands R und Induktivität L wird somit ein rechtecksignal erzeugt, das als Ausgangssignal Uout des Stromsensors dient und dessen Tastverhältnis Q sich wie folgt verhält:
Q = (T.-T.)/(T++T.) = (R'I/U-N) wobei T+ und T_ die Impulsdauern der Signalpegel "High" und "Low" wiedergeben und N für die Windungszahl der Sekundärwicklung des Stromsensors (Sondenwicklung) steht.
Es wird also der Strom in der Ringkernspule des Sensors L umgepolt, sobald er einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Dadurch wird der Sondenkern ständig mit hoher Frequenz jeweils bis zur Sättigung ummagnetisiert . Die Ummagnetisier- ungszeit ist je nach Stromrichtung unterschiedlich, wobei die Differenz proportional zum zu messenden Strom ist. Bei frei schwingender Anordnung entsteht demnach automatisch ein PWM- Rechtecksignal (PWM=Puls-Weiten-Moduliert ) , dessen Tastverhältnis durch den zu messenden Strom bestimmt ist.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in Figur 4 schematisch dargestellt.
Der Stromleiter 1 ist ein Kupferbügel. Der Stromsensor 1 ist auf einer kleinen Leiterplatte 2 mit Abmessungen von 15 mm x 20 mm ausgeführt. Die schmaleren Seiten der Leiterplatte 2 sind rundherum metallisiert. Die Leiterplatte 2 wird durch geeignete Klammern oder durch Schrauben oder durch andere geeignete Verfahren so auf den Kupferbügel gedrückt, dass sich ein guter Kontakt vom Bügel 1 zu den metallisierten Endflä- chen der Leiterplatte 2 ergibt.
Der Bypass-Zweig ist als Leiterbahn 3 auf der Leiterplatte 2 ausgeführt. Die Stromsonde, gemäss dieser bevorzugten Ausführungsform, umfasst einen bewickelten Ringbandkern aus amor- phem oder nanokristallinem Metall, dessen Abmessungen einschließlich Bewicklung ca. 4mm innerer Durchmesser x lOmm äußerer Durchmesser x 4mm Höhe betragen. Der Ringkern der Stromsonde 5 ist flach auf die Leiterplatte 2 aufgelegt. Der erste Teil der Leiterbahn 3 führt unter der Bewicklung der Stromsonde 5 durch deren Innenloch. Dort ist er elektrisch mit einem U-förmigen Drahtbügel 4 verbunden, der durch das Innenloch 5 über deren Rand auf die dem ersten Teil der Lei- terbahn 1 gegenüberliegende Seite der Leiterplatte 2 führt. Von dort schließt sich der Bypass-Zweig über die den zweiten Teil der Leiterbahn 1 und die zweite metallisierte Endfläche der Leiterplatte 2.
Der Bypass-Zweig kann auch über einen Teil seiner Länge als Draht ausgeführt sein. Um den Einfluss des Skin-Effektes bei hohen Frequenzen zu kompensieren, wird der Draht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform über eine gewisse Länge zu einer Spule aufgewickelt. Damit hat er neben dem Widerstand auch eine gewisse Induktivität, die das zeitlich voreilende Verhalten des Bypass-Zweiges in gewissen Grenzen kompensieren kann .
Um eine Beeinflussung der Stromsonde 5 durch das starke Feld des Hauptleiters 1 zu vermeiden, wird um die Stromsonde 5 herum eine Abdeckung, bevorzugt ein Zylinder, aus einem magnetisch leitfähigem Material angeordnet, der den Querschnitt der Stromsonde nach außen abdeckt. Beispielsweise ist besag- ter Zylinder etwa 1 bis 2 mm höher ausgelegt als die Stromsonde .
Auf der Leiterplatte 2 ist ebenfalls die Auswerteelektronik 7 für die Stromsonde angebracht . Bevorzugt lässt sich diese ra- tionell auf einem ASIC (mit RC-Beschaltung) integrieren (die Bestückungsfläche ist selbst bei diskretem Aufbau beispielsweise nur 15x25 mm2) . Ausgänge sind ein PWM-Signal (0/5V) , dessen Pulsweitenverhältnis vom zu messenden Strom abhängig ist, sowie ein Überstromausgang, der unter einem bestimmten Grenzwert auf Potential "Low" und über diesem Grenzwert auf Potential "High" liegt.
Der PWM-Ausgang kann in einem Mikroprozessor ausgezählt werden (kein A/D Wandler ist dabei erforderlich) oder auch mit Hilfe eines einfachen RC Gliedes integriert werden. Die Ausgangsspannung ist dann linear vom Strom abhängig. Zum Beispiel Uout = U/2 ± 1,5V, wenn die VersorgungsSpannung U = 5V ist. Ein solches Signal ist mit vielen anderen Sensorprinzipien kompatibel.
Als Anschlüsse führen zur Leiterplatte nur diejenigen für Masse, Versorgungsspannung (z. B. 5 Volt) sowie Ausgangsspannung .
Durch die kompakte und flache Anordnung auf der Leiterplatte 2 ist der Bypass-Zweig 3 in gutem thermischen Kontakt zum Stromleiter 1, so dass unterschiedliche Temperaturen der beiden Leiter vermieden werden und das Teilungsverhältnis konstant bleibt.
Gemäss einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung des Bypass-Zweigs 3 auf der Unterseite der
Leiterplatte mit sehr dünner Isolationsfolie zum Hauptleiter ausgeführt . Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung wird ein Laserabgleich des Bypass-Zweiges 3 zur genauen Einstellung des Teilungsverhältnisses ausgeführt.

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur potentialfreien Messung hoher Ströme in einem Stromleiter mit einem Stromsensor, der einen einem bestimmten Abschnitt des Stromleiters (1) elektrisch parallel geschalteten Bypass- Zweig (3) sowie eine Stromsonde (5) zur Messung des Stromes im Bypass-Zweig (3) aufweist, wobei zwischen Bypass-Zweig (3) und dem überbrückten Abschnitt des Stromleiters (1) ein fes- tes Teilungsverhältnis der sie durchfließenden Ströme gegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor einen geringen Offset aufweist und das Teilungsverhältnis und damit der elektrische Widerstand des Bypass-Zweiges (3) gegenüber dem Widerstand des ü- berbrückten Abschnitts des Stromleiters (1) derart hoch ist, dass die Kontaktwiderstände (Rκ) zwischen Stromleiter (1) und Bypass-Zweig (3) gegenüber dem Widerstand (Rx) des Bypass- Zweiges (3) vernachlässigbar sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor einen geeigneten Träger (2) aufweist, auf dem der Bypass-Zweig (3) und die Stromsonde (5) angeordnet sind und dieser Träger auf dem Stromleiter (l) angeordnet ist und mechanisch fest mit diesem verbunden ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, dass der Stromsensor thermisch mit dem Stromleiter (1) gekoppelt ist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilungsverh ltnis im Bereich zwi- sehen 50:1 und 1000:1 liegt.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) eine Leiterplatte ist und der Bypass-Zweig (3) bis auf einen Drahtbügel (4) als Leiterbahn auf dieser Leiterplatte ausgeführt ist
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass-Zweig (3) zumindest über einen Teil seiner Länge als Draht ausgeführt oder zumindest teilweise zu einer Spule aufgewickelt ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Träger (2) mindestens eine Seite rundherum metallisiert ist (2') und dass diese Metallisierung als Kontaktfläche für den Übergang zwischen Bypass-Zweig (3) und Stromleiter (1) vorgesehen ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsonde (5) einen Ringkern aufweist ist, der als sensierendes Element vorgesehen ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Ringkern ein Ringbandkern aus amorphem oder nanokristallinem Metall vorgesehen ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsonde (5) eine Auswerteelektronik (7) aufweist und der Stromsonde ein Widerstand (R) nachgeschaltet ist, wo- bei die Auswerteelektronik (7) an der Serienschaltung aus der Induktivität der Stromsonde (L) und dem Widerstand (R) eine periodische Rechteckspannung erzeugt, deren Tastverhältnis ein Maß für den Strom im Bypass-Zweig (3) ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechteckspannung integriert wird, so dass eine Gleichspannung gebildet wird, die ein Maß für den Strom im Bypass-Zweig (3) ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass um die Stromsonde herum eine Abdeckung (6) , insbesondere ein Zylinder, aus einem magnetisch leitfähigem Material angeordnet ist, welche den Querschnitt der Stromsonde nach außen abschirmt .
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromsensor ein hohes Impedanzverhältnis zwischen dem gesättigten und dem ungesättigten Zustand des Magnetkernes aus .
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Stromsensor ein direktabbildender Niederstromsensor vorgesehen ist, der einen kleinen Ringkern aus amorphem oder nanokristallinem Metall aufweist, welcher seinerseits mit einer Spule aus Kupferdraht umwickelt ist, wobei der Bypass- leiter wird durch das Innenloch des bewickelten Ringkernes hindurchgeführt ist.
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