EP2044447A1 - Measuring apparatus - Google Patents

Measuring apparatus

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Publication number
EP2044447A1
EP2044447A1 EP06775746A EP06775746A EP2044447A1 EP 2044447 A1 EP2044447 A1 EP 2044447A1 EP 06775746 A EP06775746 A EP 06775746A EP 06775746 A EP06775746 A EP 06775746A EP 2044447 A1 EP2044447 A1 EP 2044447A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
magnetic field
measuring device
conductor
coupled
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.)
Withdrawn
Application number
EP06775746A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Kaluza
Richard Schmidt
Christian Widmann
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.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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 Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2044447A1 publication Critical patent/EP2044447A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current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
    • G01R15/26—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using modulation of waves other than light, e.g. radio or acoustic waves

Definitions

  • the invention relates to a measuring device, in particular for the potential-free measurement of direct and / or alternating currents - especially a measuring device for detecting direct currents with high insulation resistance -, according to the preamble of claim 1.
  • a measuring device for the potential-free measurement of direct and / or alternating currents - especially a measuring device for detecting direct currents with high insulation resistance -, according to the preamble of claim 1.
  • Such measuring devices are generally known.
  • the problem with the measurement at a shunt resistor is the galvanic connection of the measuring points with the potential of the current-carrying conductor. This requires evaluation electronics which have both a potential-separated power supply and a potential-separated signal path for transmitting the measured values.
  • the current detection with magnetic field sensors has the advantage of freedom from feedback, ie no series resistor must be inserted into the current path, so that the disadvantages associated with the separation of the line, with the shunt resistor resulting power loss and the change in the line impedance disadvantages ,
  • the use of magnetic field sensors also benefits from the advantages that result from a potential separation caused by the principle, for example when using transformers.
  • a measuring device in particular a measuring device for current measurement, with a sensor and an evaluation device which is coupled or can be coupled thereto, it is provided that the coupling between the sensor and the evaluation device takes place without contact.
  • the advantage of the invention is that this coupling provides the possibility of non-contact energy and / or data, e.g. Measured values in the form of electronic signals to transmit.
  • the senor preferably has a first transponder interface and the evaluation device has a second transponder interface.
  • the coupling then takes place according to the transponder principle;
  • the coupling is a transponder coupling on a particular inductive basis or electromagnetic base (radio). If the first transponder interface assigned to the sensor is a passive transponder interface, this first transponder interface and / or the sensor as a whole does not have its own energy supply, so that repercussions on the electrical variables to be measured are largely avoided.
  • the energy required for the measurement receives the first transponder interface via the second transponder interface of the evaluation device.
  • the senor comprises a differential amplifier, which is coupled in an advantageous embodiment via a shunt resistor to a line or can be coupled.
  • the measuring device according to the invention is also used in a measurement via a shunt
  • Resistance can be used, which is otherwise due to unavoidable repercussions on the electrical variables to be measured in connection with non-reactive or low-retroaction measurement rather not considered.
  • a magnetic field sensor is available, which is coupled to the conductor or can be coupled.
  • a magnetic field sensor in particular in an embodiment as a GMR sensor, there is the possibility of measuring a current flowing through the conductor without repercussions or at most negligible repercussions on the conductor and the measured electrical ⁇ sizes.
  • the senor and evaluation device are each designed as a separate structural unit. Then, on the one hand, the sensor with the magnetic field sensor can be assigned to the conductor and, on the other hand, the evaluation device can be associated with the sensor by appropriate positioning.
  • the advantage of the invention and of individual embodiments is that the relatively large discrepancies Dance of the coupling according to the transponder principle also an encapsulated and touch-safe design of the sensor on the one hand and the evaluation allowed on the other. Furthermore, the transponder coupling allows within certain limits mechanical movements between the sensor and the line. In particular embodiments, it is also possible to realize rotational movements (rotation) or spatial variability.
  • the shunt resistor In the case of a sensor with a shunt resistor, the sensor together with this shunt resistor can form a structural unit in which no cable connections between the evaluation unit and the live area of the conductor detected during the measurement are required.
  • the senor with its transponder interface forms a hazard-free measuring point, which can be read out with mobile devices.
  • An electronics associated with the sensor may additionally have a particularly non-volatile identification information, as it is known from other transponder applications. In this way, from a group of measuring points, a single measuring point from a higher-level system, e.g. the respective evaluation, are clearly identified. This is particularly useful when replacing components or when moving the components or measuring points.
  • a current detection via a magnetic field sensor in particular a GMR sensor, comes as an advantage that the current sensor optimally close to the current-carrying or current carrying conductor, a line, a conductor or a busbar or the like, can be arranged.
  • the magnetic field sensor behaves completely opposite to the alternative embodiment with the shunt resistor without reaction. The unavoidable in shunt resistor additional line resistance and the resulting power dissipation does not occur in the magnetic field sensor.
  • such a magnetic field sensor can easily be arranged in the region of the respective conductor and retrofitted on a busbar as a conductor, possibly even without its disassembly.
  • magnetic field sensors in their embodiment as GMR sensors which are based on a field-direction-dependent operating principle (gradient field sensor) have advantages for use as current sensors because they are extremely stable against large magnetic fields and also the mode of operation of the magnetic field direction Dependence can be exploited by a specific arrangement of a plurality of individual sensors to a bridge circuit to achieve a high insensitivity to external interference fields.
  • FIG. 2 shows a device for contactless current measurement by means of a magnetic field sensor
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a device according to the invention
  • Measuring device with a contactless coupling between a part of the measuring device acting as a sensor and a part of the same measuring device acting as an evaluation device 4 shows an alternative embodiment to the embodiment shown in FIG 3 by means of GMR or magnetic field sensor and
  • FIG 5 shows a schematically simplified representation of the embodiment according to FIG 4, wherein the sensor and the evaluation are each designed as a separate unit.
  • FIG. 1 shows a measuring device 10 known from the prior art for measuring the conductor 12 flowing through it
  • the known measuring device is based on a shunt resistor 14 present in the conductor 12, above which the voltage drop is measured, and via a differential amplifier 16 to an analog-to-digital converter 18 from which the data which encodes the measured current are stored in sequential form, e.g. be forwarded via an optical waveguide 20, to a digital-to-analog converter 22 and from there to a voltage-current converter 24.
  • the device 10 comprises an oscillator 26, a voltage regulator 28, a sine wave generator 30 and a rectifier / filter 32 fed therefrom which is provided for the voltage supply. Overall, the measuring device 10 is divided into a first part 34 and a second part 36, wherein the first part 34 assumes the function of a sensor and the conductor 12 is spatially associated and wherein the second part 36 the
  • Function as an evaluation takes over and can be arranged away from acting as a sensor first part 34.
  • FIG. 2 schematically shows, in simplified form, the use of a magnetic field sensor 38 for current measurement, to which a differential amplifier 16, a servo circuit or the like is arranged downstream.
  • the magnetic field sensor 38 which is designed in particular in a form as a measuring bridge with a plurality of individual magnetic field sensors (gradient field sensor), detects the magnetic field H around the conductor 12. According to the known per se, it is possible to determine the strength of the magnet - close the field I to the current I, so that the actual intended current measurement is possible.
  • FIG. 3 and FIG. 4 show the embodiment of the measuring device according to the invention, in which a first part of the measuring device designated as a sensor 40 is contactlessly coupled to a second part of the measuring device 10 functioning as an evaluation device 42.
  • This contactless coupling is achieved in that the part acting as sensor 40 has a first transponder interface 44 and the part functioning as evaluation device 42 has a second transponder interface 46.
  • the first transponder interface 44 assigned to the sensor 40 is designed as a passive transponder interface, so that the sensor 40 receives its energy via the evaluation device 42 and its transponder components 46.
  • the sensor 40 includes for
  • the embodiment is shown, in which the current measurement is performed by detecting the current I caused by the magnetic field H.
  • the sensor 40 (see FIG. 2) has a magnetic field sensor 38, possibly in one embodiment as a measuring bridge with a plurality of individual magnetic field sensors, and a differential amplifier 16, which if necessary - analogous to the comments above on FIG Representation in FIG 1 may include.
  • sensor 40 and evaluation device 42 are embodied as a separate structural unit and in which sensor 40 as magnetic field sensor 38 is a GMR sensor. Includes sensor and a conductor 12 is assigned in the form of a busbar, a conductor or the like. Between the magnetic field sensor 38 and the conductor 12, an insulating layer 50 is provided, which functions as a functional insulation between the conductor 12 and the magnetic field sensor 38.
  • Sensor 40 and evaluation device 42 are each constructed on a separate circuit board 52, 54, wherein in the representation of FIG 5, the representation of the circuit board 52, 54 also includes the representation of the respective transponder antenna. Between the printed circuit boards 52, 54 and thus at least piecewise formed transponder antenna thus results in the transponder interface, marked in Figure 5 by the vertical double arrow.
  • the sensor 40 and a sensor and transponder circuit 56 is applied, for example in the form of an ASIC.
  • a GMR layer functioning as a magnetic field sensor 38 may be applied directly to this circuit 56.
  • the evaluation device-side transponder circuit that is to say the second transponder interface 46, is realized in particular in the form of an ASIC 58.
  • a measuring device 10 in particular for current measurement, is indicated with a sensor 40 and an evaluation device 42 coupled or coupleable thereto, in which the coupling takes place without contact, in particular via a transponder interface 44, 46 , so that on the one hand a feedback-free current measurement is possible, on the other hand, the resulting measuring device 10 due to the mobility of the components to each other and due to the comparatively large possible distance between the two parts of the transponder interface 44, 46 is particularly flexible and versatile.

Abstract

A measuring apparatus (10), in particular for measuring current, is provided, having a sensor (40) and an evaluation device (42) which is coupled or can be coupled thereto, in which said coupling is effected contactlessly, in particular by means of a transponder interface (44, 46), so that on the one hand current can be measured in a reaction-free manner, wherein on the other hand the resulting measuring apparatus (10) can be used in a particularly flexible and versatile manner on account of the manoeuvrability of the components with respect to one another and on account of the relatively large possible distance between the two parts of the transponder interface (44, 46).

Description

Beschreibungdescription
MessVorrichtungmeasuring device
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung, insbesondere zur potentialfreien Messung von Gleich- und/oder Wechselströmen - speziell eine Messvorrichtung zur Erfassung von Gleichströmen bei hoher Isolationsfestigkeit -, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Messvorrichtungen sind allgemein be- kannt .The invention relates to a measuring device, in particular for the potential-free measurement of direct and / or alternating currents - especially a measuring device for detecting direct currents with high insulation resistance -, according to the preamble of claim 1. Such measuring devices are generally known.
Die potentialgetrennte Erfassung von Wechselströmen ist auf vielfältige Art relativ einfach möglich. Im Stand der Technik sind dazu transformatorische Vorrichtungen mittels Messwand- ler, so genannte Rogowski-Spulen, etc. bekannt. Die potentialgetrennte Erfassung von Gleichströmen ist dagegen wesentlich aufwendiger. Nach bestem Wissen der Anmelderin werden dafür heute im Wesentlichen nur zwei Methoden angewendet, wobei eine Methode auf dem Einfügen eines Serienwiderstands (Shunt) in den Strompfad und der Messung des stromabhängigen Spannungsabfalls und die andere Methode auf der Messung des stromabhängigen Magnetfelds mit einem Magnetfeldsensor, also z.B. einem Hall-Sensor, oder so genannten AMR/GMR-Sensoren, basiert .The potential-separated detection of alternating currents is relatively easy in many ways. In the prior art, transformer devices by means of transducers, so-called Rogowski coils, etc. are known for this purpose. The potential-separated detection of direct currents, however, is much more expensive. To the best of the Applicant's knowledge, essentially only two methods are used today, one method being to insert one series resistor (shunt) into the current path and measuring the current-dependent voltage drop and the other method to measure the current-dependent magnetic field with a magnetic field sensor, ie eg a Hall sensor, or so-called AMR / GMR sensors, based.
Problematisch bei der Messung an einem Shunt-Widerstand ist die galvanische Verbindung der Messpunkte mit dem Potential des stromführenden Leiters. Dies erfordert eine Auswerteelektronik, welche sowohl eine potentialgetrennte Stromver- sorgung als auch einen potentialgetrennten Signalpfad zur Übertragung der Messwerte besitzt.The problem with the measurement at a shunt resistor is the galvanic connection of the measuring points with the potential of the current-carrying conductor. This requires evaluation electronics which have both a potential-separated power supply and a potential-separated signal path for transmitting the measured values.
Die Stromerfassung mit Magnetfeldsensoren besitzt den Vorteil der Rückwirkungsfreiheit, d.h. für die Strommessung muss kein Serienwiderstand in den Strompfad eingefügt werden, so dass die mit dem Auftrennen der Leitung, mit der am Shunt-Widerstand anfallenden Verlustleistung und mit der Veränderung der Leitungsimpedanz einhergehenden Nachteile vermieden werden. Darüber hinaus profitiert die Verwendung von Magnetfeldsensoren auch von den Vorteilen, wie sie sich bei einer prinzipbedingten Potentialtrennung, z.B. bei der Verwendung von Transformatoren, ergeben.The current detection with magnetic field sensors has the advantage of freedom from feedback, ie no series resistor must be inserted into the current path, so that the disadvantages associated with the separation of the line, with the shunt resistor resulting power loss and the change in the line impedance disadvantages , In addition, the use of magnetic field sensors also benefits from the advantages that result from a potential separation caused by the principle, for example when using transformers.
Problematisch bei der Magnetfeldmessung ist allerdings die Empfindlichkeit solcher Magnetfeldsensoren gegenüber Fremd- und Störfeldern. Diesem Einfluss muss durch entsprechende Abschirmmaßnahmen oder Feldkonzentratoren begegnet werden. Ins- besondere hat es sich als erforderlich herausgestellt, den Magnetfeldsensor möglichst nah an dem stromdurchflossenen Leiter anzuordnen, da die Intensität des Magnetfelds eines stromdurchflossenen Leiters bekanntlich mit dem Abstand stark abnimmt (H ~ l/(2π r) ) .The problem with the magnetic field measurement, however, is the sensitivity of such magnetic field sensors to foreign and interference fields. This influence must be counteracted by appropriate shielding measures or field concentrators. In particular, it has been found to be necessary to arrange the magnetic field sensor as close as possible to the current-carrying conductor, since the intensity of the magnetic field of a conductor through which current flows is known to decrease sharply with the distance (H ~ l / (2π r)).
Eine Aufgabe der Erfindung besteht entsprechend darin, eine Messvorrichtung anzugeben, die einerseits weitgehend rückwirkungsfrei betreibbar und andererseits im Wesentlichen unempfindlich gegenüber Fremd- und Störfeldern ist.Accordingly, it is an object of the invention to provide a measuring device which, on the one hand, can be operated largely without reaction and, on the other hand, is essentially insensitive to foreign and interference fields.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einer Messvorrichtung, insbesondere einer Messvorrichtung zur Strommessung, mit einem Sensor und einer damit gekoppelten oder koppelbaren Auswerte- einrichtung, vorgesehen, dass die Kopplung zwischen Sensor und Auswerteeinrichtung kontaktlos erfolgt.This object is achieved with the features of claim 1. For this purpose, in a measuring device, in particular a measuring device for current measurement, with a sensor and an evaluation device which is coupled or can be coupled thereto, it is provided that the coupling between the sensor and the evaluation device takes place without contact.
Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch diese Kopplung die Möglichkeit geschaffen wird, berührungsfrei Energie und/oder Daten, also z.B. Messwerte in Form elektronischer Signale, zu übertragen.The advantage of the invention is that this coupling provides the possibility of non-contact energy and / or data, e.g. Measured values in the form of electronic signals to transmit.
Bevorzugt weist zur Kopplung der Sensor eine erste Transpon- derschnittstelle und die Auswerteeinrichtung eine zweite Transponderschnittstelle auf. Die Kopplung erfolgt dann nach dem Transponderprinzip; die Kopplung ist eine Transponder- kopplung auf insbesondere induktiver Basis oder elektromagnetischer Basis (Funk) . Wenn die dem Sensor zugeordnete erste Transponderschnittstel- Ie eine passive Transponderschnittstelle ist, weist diese erste Transponderschnittstelle und/oder der Sensor insgesamt keine eigene Energieversorgung auf, so dass Rückwirkungen auf die zu messenden elektrischen Größen weitestgehend vermieden werden. Die für die Messung benötigte Energie empfängt die erste Transponderschnittstelle über die zweite Transponderschnittstelle der Auswerteeinrichtung.For coupling, the sensor preferably has a first transponder interface and the evaluation device has a second transponder interface. The coupling then takes place according to the transponder principle; The coupling is a transponder coupling on a particular inductive basis or electromagnetic base (radio). If the first transponder interface assigned to the sensor is a passive transponder interface, this first transponder interface and / or the sensor as a whole does not have its own energy supply, so that repercussions on the electrical variables to be measured are largely avoided. The energy required for the measurement receives the first transponder interface via the second transponder interface of the evaluation device.
Bevorzugt umfasst der Sensor einen Differenzverstärker, der in einer vorteilhaften Ausführungsform über einen Shunt- Widerstand an eine Leitung gekoppelt ist oder koppelbar ist. Bei einer solchen Konstellation wird die erfindungsgemäße Messvorrichtung auch bei einer Messung über einen Shunt-Preferably, the sensor comprises a differential amplifier, which is coupled in an advantageous embodiment via a shunt resistor to a line or can be coupled. In such a constellation, the measuring device according to the invention is also used in a measurement via a shunt
Widerstand einsetzbar, der ansonsten, wegen unvermeidbarer Rückwirkungen auf die zu messenden elektrischen Größen im Zusammenhang mit rückwirkungsfreier oder rückwirkungsarmer Messung eher nicht in Betracht gezogen wird.Resistance can be used, which is otherwise due to unavoidable repercussions on the electrical variables to be measured in connection with non-reactive or low-retroaction measurement rather not considered.
Als Alternative zu dem Shunt-Widerstand bietet sich ein Magnetfeldsensor an, der an den Leiter gekoppelt ist oder koppelbar ist. Mit einem solchen Magnetfeldsensor, insbesondere in einer Ausführungsform als GMR-Sensor, ergibt sich die Mög- lichkeit der Messung eines durch den Leiter fließenden Stroms ohne Rückwirkungen oder mit allenfalls vernachlässigbaren Rückwirkungen auf den Leiter und die gemessenen elektrischen ■ Größen.As an alternative to the shunt resistor, a magnetic field sensor is available, which is coupled to the conductor or can be coupled. With such a magnetic field sensor, in particular in an embodiment as a GMR sensor, there is the possibility of measuring a current flowing through the conductor without repercussions or at most negligible repercussions on the conductor and the measured electrical ■ sizes.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ergibt sich, wenn Sensor und Auswerteeinrichtung jeweils als eigene Baueinheit ausgeführt sind. Dann kann einerseits der Sensor mit dem Magnetfeldsensor dem Leiter zugeordnet sein und andererseits die Auswerteeinrichtung den Sensor durch entsprechende Positio- nierung zugeordnet sein.A particularly preferred embodiment is obtained if the sensor and evaluation device are each designed as a separate structural unit. Then, on the one hand, the sensor with the magnetic field sensor can be assigned to the conductor and, on the other hand, the evaluation device can be associated with the sensor by appropriate positioning.
Allgemein besteht der Vorteil der Erfindung und einzelner Ausgestaltungen vor allem darin, dass die relativ große Dis- tanz der Kopplung nach dem Transponderprinzip auch eine gekapselte und berührungssichere Ausführung des Sensors einerseits und der Auswerteeinrichtung andererseits erlaubt. Des Weiteren erlaubt die Transponderkopplung in gewissen Grenzen mechanische Bewegungen zwischen dem Sensor und der Leitung. Bei besonderen Ausführungsformen lassen sich auch Drehbewegungen (Rotation) oder Ortsveränderlichkeit realisieren.In general, the advantage of the invention and of individual embodiments is that the relatively large discrepancies Dance of the coupling according to the transponder principle also an encapsulated and touch-safe design of the sensor on the one hand and the evaluation allowed on the other. Furthermore, the transponder coupling allows within certain limits mechanical movements between the sensor and the line. In particular embodiments, it is also possible to realize rotational movements (rotation) or spatial variability.
Bei einem Sensor mit Shunt-Widerstand kann der Sensor zusam- men mit diesem Shunt-Widerstand eine Baueinheit bilden, bei der keinerlei Kabelverbindungen zwischen der Auswerteeinheit und dem spannungsführenden Bereich des bei der Messung er- fassten Leiters erforderlich sind.In the case of a sensor with a shunt resistor, the sensor together with this shunt resistor can form a structural unit in which no cable connections between the evaluation unit and the live area of the conductor detected during the measurement are required.
Des Weiteren bildet der Sensor mit seiner Transponder- schnittstelle eine gefährdungsfreie Messstelle, die mit mobilen Geräten auslesbar ist. Eine dem Sensor zugeordnete Elektronik kann zusätzlich eine insbesondere nichtflüchtige Identifikationsinformation aufweisen, wie sie aus sonstigen Transponderanwendungen bekannt ist. Auf diese Art und Weise kann aus einer Gruppe von Messstellen eine einzelne Messstelle von einem übergeordneten System, also z.B. der jeweiligen Auswerteeinrichtung, eindeutig identifiziert werden. Dies ist besonders beim Austausch von Komponenten oder bei einer Be- weglichkeit der Komponenten oder der Messstellen von Nutzen.Furthermore, the sensor with its transponder interface forms a hazard-free measuring point, which can be read out with mobile devices. An electronics associated with the sensor may additionally have a particularly non-volatile identification information, as it is known from other transponder applications. In this way, from a group of measuring points, a single measuring point from a higher-level system, e.g. the respective evaluation, are clearly identified. This is particularly useful when replacing components or when moving the components or measuring points.
Bei einer Stromerfassung über einen Magnetfeldsensor, insbesondere einen GMR-Sensor, kommt als Vorteil hinzu, dass der Stromsensor optimal nahe an dem stromführenden oder zur Stromführung vorgesehen Leiter, einer Leitung, einer Leiterbahn oder einer Stromschiene oder dergleichen, angeordnet werden kann. Darüber hinaus ist als Isolation zwischen Sensor und Leiter nur eine rein funktionale Trennung mit sehr niedriger Spannungsfestigkeit erforderlich. Auch eine einpolige Kontaktierung des Leiters ist möglich, da die Sicherheitsfunktion durch die Transponderschnittstelle erfüllt wird. Schließlich verhält sich der Magnetfeldsensor gegenüber der alternativen Ausführungsform mit dem Shunt-Widerstand völlig rückwirkungsfrei. Der beim Shunt-Widerstand unvermeidbare zusätzliche Leitungswiderstand und die sich damit ergebende Verlustleistung treten beim Magnetfeldsensor nicht auf. Darüber hinaus kann ein solcher Magnetfeldsensor leicht im Be- reich des jeweiligen Leiters angeordnet werden und bei einer Stromschiene als Leiter gegebenenfalls sogar ohne deren Demontage nachgerüstet werden.In a current detection via a magnetic field sensor, in particular a GMR sensor, comes as an advantage that the current sensor optimally close to the current-carrying or current carrying conductor, a line, a conductor or a busbar or the like, can be arranged. In addition, only a purely functional separation with very low dielectric strength is required as insulation between sensor and conductor. A single-pole contacting of the conductor is also possible because the safety function is fulfilled by the transponder interface. Finally, the magnetic field sensor behaves completely opposite to the alternative embodiment with the shunt resistor without reaction. The unavoidable in shunt resistor additional line resistance and the resulting power dissipation does not occur in the magnetic field sensor. In addition, such a magnetic field sensor can easily be arranged in the region of the respective conductor and retrofitted on a busbar as a conductor, possibly even without its disassembly.
Schließlich weisen Magnetfeldsensoren in ihrer Ausführungs- form als GMR-Sensor, die auf einem feldrichtungsabhängigen Wirkprinzip beruhen (Gradienten-Feldsensor) , für die Anwendung als Stromsensoren Vorteile auf, weil sie zum einen gegenüber großen Magnetfeldern extrem stabil sind und zum anderen das Wirkprinzip der Magnetfeldrichtungs-Abhängigkeit durch eine bestimmte Anordnung mehrerer Einzel-Sensoren zu einer Brückenschaltung ausgenutzt werden kann um eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber externen Störfeldern zu erreichen.Finally, magnetic field sensors in their embodiment as GMR sensors, which are based on a field-direction-dependent operating principle (gradient field sensor), have advantages for use as current sensors because they are extremely stable against large magnetic fields and also the mode of operation of the magnetic field direction Dependence can be exploited by a specific arrangement of a plurality of individual sensors to a bridge circuit to achieve a high insensitivity to external interference fields.
Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvorschläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes. Die Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder Zeichnungen offenbarte Merkmalskombination zu beanspruchen.The claims filed with the application are formulation proposals without prejudice to the achievement of further patent protection. The Applicant reserves the right to claim further, previously only disclosed in the description and / or drawings feature combination.
Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kombinationen, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie z.B. Herstellverfahren betreffen. In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.The or each embodiment is not to be understood as limiting the invention. Rather, numerous changes and modifications are possible within the scope of the present disclosure, in particular those variants, elements and combinations, for example, by combination or modification of individual in conjunction with those described in the general or specific description part and in the claims and / or the drawings Characteristics or elements or method steps for the expert in terms of solving the problem can be removed and lead by combinable features to a new subject or to new process steps or process steps, even as far as they relate to manufacturing processes. Relationships used in subclaims indicate the further development of the subject of the main claim by the features of the respective subclaim; they should not be construed as a waiver of obtaining independent, objective protection for the feature combinations of the dependent claims. Furthermore, with a view to an interpretation of the claims in a closer specification of a feature in a subordinate claim, it is to be assumed that such a restriction does not exist in the respective preceding claims.
Da die Gegenstände der Unteransprüche im Hinblick auf den Stand der Technik am Prioritätstag eigene und unabhängige Er- findungen bilden können, behält die Anmelderin sich vor, sie zum Gegenstand unabhängiger Ansprüche oder Teilungserklärungen zu machen. Sie können weiterhin auch selbständige Erfindungen enthalten, die eine von den Gegenständen der vorhergehenden Unteransprüche unabhängige Gestaltung aufweisen.Since the subject-matter of the dependent claims can form separate and independent inventions with respect to the prior art on the priority date, the Applicant reserves the right to make them the subject of independent claims or statements of division. They may further contain independent inventions having an independent of the subjects of the preceding sub-claims design.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Corresponding objects or elements are provided in all figures with the same reference numerals.
Darin zeigenShow in it
FIG 1 eine im Stand der Technik bekannte Messvorrichtung zur Strommessung, FIG 2 eine Vorrichtung zur kontaktlosen Strommessung mittels Magnetfeldsensor, FIG 3 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen2 shows a device for contactless current measurement by means of a magnetic field sensor, FIG. 3 shows a first embodiment of a device according to the invention
Messvorrichtung mit einer kontaktlosen Kopplung zwischen einem als Sensor fungierenden Teil der Messvor- richtung und einem als Auswerteeinrichtung fungierenden Teil derselben Messvorrichtung, FIG 4 eine alternative Ausführungsform zu der in FIG 3 dargestellten Ausführungsform mittels GMR- oder Magnetfeldsensor undMeasuring device with a contactless coupling between a part of the measuring device acting as a sensor and a part of the same measuring device acting as an evaluation device, 4 shows an alternative embodiment to the embodiment shown in FIG 3 by means of GMR or magnetic field sensor and
FIG 5 eine schematisch vereinfachte Darstellung der Ausfüh- rungsform gemäß FIG 4 wobei der Sensor und die Auswerteeinrichtung jeweils als eigene Baueinheit ausgeführt sind.5 shows a schematically simplified representation of the embodiment according to FIG 4, wherein the sensor and the evaluation are each designed as a separate unit.
FIG 1 zeigt eine im Stand der Technik bekannte Messvorrich- tung 10 zur Messung des einen Leiters 12 durchfließenden1 shows a measuring device 10 known from the prior art for measuring the conductor 12 flowing through it
Stroms I (Strommessung) . Die bekannte Messvorrichtung basiert auf einem im Leiter 12 vorhandenen Shunt-Widerstand 14 über dem der Spannungsabfall gemessen und über einen Differenzverstärker 16 an einen Analog-Digital-Wandler 18 von dem die die gemessene Stromstärke codierenden Daten in sequentieller Form z.B. über einen Lichtwellenleiter 20, an einen Digital- Analog-Wandler 22 und von dort an einen Spannungs-Strom- Wandler 24 weitergeleitet werden. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 10 einen Oszillator 26, einen Spannungsregler 28, einen Sinusgenerator 30 sowie einen davon gespeisten Gleichrichter/Filter 32, der zur Spannungsversorgung vorgesehen ist. Insgesamt ist die Messvorrichtung 10 in einen ersten Teil 34 und einen zweiten Teil 36 aufgeteilt, wobei der erste Teil 34 die Funktion als Sensor übernimmt und dem Leiter 12 räumlich zugeordnet ist und wobei der zweite Teil 36 dieCurrent I (current measurement). The known measuring device is based on a shunt resistor 14 present in the conductor 12, above which the voltage drop is measured, and via a differential amplifier 16 to an analog-to-digital converter 18 from which the data which encodes the measured current are stored in sequential form, e.g. be forwarded via an optical waveguide 20, to a digital-to-analog converter 22 and from there to a voltage-current converter 24. In addition, the device 10 comprises an oscillator 26, a voltage regulator 28, a sine wave generator 30 and a rectifier / filter 32 fed therefrom which is provided for the voltage supply. Overall, the measuring device 10 is divided into a first part 34 and a second part 36, wherein the first part 34 assumes the function of a sensor and the conductor 12 is spatially associated and wherein the second part 36 the
Funktion als Auswerteeinrichtung übernimmt und entfernt von dem als Sensor fungierenden ersten Teil 34 angeordnet sein kann.Function as an evaluation takes over and can be arranged away from acting as a sensor first part 34.
FIG 2 zeigt schematisch vereinfacht die Verwendung eines Magnetfeldsensors 38 zur Strommessung, dem ein Differenzverstärker 16, eine Servoschaltung oder dergleichen nachgeordnet ist. Der Magnetfeldsensor 38, der insbesondere in einer Form als Messbrücke mit einer Mehrzahl von einzelnen Magnetfeld- sensoren (Gradienten-Feldsensor) ausgeführt ist, erfasst das magnetische Feld H um den Leiter 12. Gemäß der an sich bekannten Zusammenhänge lässt sich aus der Stärke des Magnet- feldes auf die Stromstärke I rückschließen, so dass die eigentlich beabsichtigte Strommessung möglich ist.2 schematically shows, in simplified form, the use of a magnetic field sensor 38 for current measurement, to which a differential amplifier 16, a servo circuit or the like is arranged downstream. The magnetic field sensor 38, which is designed in particular in a form as a measuring bridge with a plurality of individual magnetic field sensors (gradient field sensor), detects the magnetic field H around the conductor 12. According to the known per se, it is possible to determine the strength of the magnet - close the field I to the current I, so that the actual intended current measurement is possible.
FIG 3 und FIG 4 zeigen die erfindungsgemäße Ausführung der Messvorrichtung, bei der ein als Sensor 40 fungierender erster Teil der insgesamt mit 10 bezeichneten Messvorrichtung mit einem als Auswertevorrichtung 42 fungierenden zweiten Teil der Messvorrichtung 10 kontaktlos gekoppelt ist. Diese kontaktlose Kopplung wird dadurch erreicht, dass der als Sen- sor 40 fungierende Teil eine erste Transponderschnittstelle 44 aufweist und der als Auswerteeinrichtung 42 fungierende Teil eine zweite Transponderschnittstelle 46 aufweist. Bevorzugt ist die dem Sensor 40 zugeordnete erste Transponderschnittstelle 44 als passive Transponderschnittstelle ausge- führt, so dass der Sensor 40 seine Energie über die Auswerteeinrichtung 42 und dessen Transponderkomponenten 46 erhält.3 and FIG. 4 show the embodiment of the measuring device according to the invention, in which a first part of the measuring device designated as a sensor 40 is contactlessly coupled to a second part of the measuring device 10 functioning as an evaluation device 42. This contactless coupling is achieved in that the part acting as sensor 40 has a first transponder interface 44 and the part functioning as evaluation device 42 has a second transponder interface 46. Preferably, the first transponder interface 44 assigned to the sensor 40 is designed as a passive transponder interface, so that the sensor 40 receives its energy via the evaluation device 42 and its transponder components 46.
Bei der in FIG 3 dargestellten Ausführungsform wird von einer Messung eines Stroms I durch einen Leiter 12 über einen Shunt-Widerstand 14 ausgegangen. Der Sensor 40 umfasst zurIn the embodiment shown in FIG. 3, a measurement of a current I through a conductor 12 via a shunt resistor 14 is assumed. The sensor 40 includes for
Auswertung des Spannungsabfalls über dem Shunt-Widerstand 14 einen Differenzverstärker 16 und gegebenenfalls (nicht dargestellt) weitere Elemente gemäß der insoweit detaillierteren Darstellung in FIG 1.Evaluation of the voltage drop across the shunt resistor 14 a differential amplifier 16 and optionally (not shown) further elements according to the extent detailed illustration in FIG. 1
In FIG 4 ist die Ausführungsform dargestellt, bei dem die Strommessung durch Erfassung des vom Strom I hervorgerufenen Magnetfelds H erfolgt. Dazu weist der Sensor 40 (vergleiche FIG 2) einen Magnetfeldsensor 38, gegebenenfalls in einer Ausführungsform als Messbrücke mit einer Mehrzahl von einzelnen Magnetfeldsensoren, sowie einen Differenzverstärker 16 auf, der gegebenenfalls - analog zu den Ausführungen oben zu FIG 3 - weitere Komponenten der insoweit detaillierteren Darstellung in FIG 1 umfassen kann.In FIG 4, the embodiment is shown, in which the current measurement is performed by detecting the current I caused by the magnetic field H. For this purpose, the sensor 40 (see FIG. 2) has a magnetic field sensor 38, possibly in one embodiment as a measuring bridge with a plurality of individual magnetic field sensors, and a differential amplifier 16, which if necessary - analogous to the comments above on FIG Representation in FIG 1 may include.
FIG 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der Sensor 40 und Auswerteeinrichtung 42 als eigene Baueinheit ausgeführt sind und bei der der Sensor 40 als Magnetfeldsensor 38 einen GMR- Sensor umfasst und einem Leiter 12 in Form einer Stromschiene, einer Leiterbahn oder dergleichen zugeordnet ist. Zwischen dem Magnetfeldsensor 38 und dem Leiter 12 ist eine Isolationsschicht 50 vorgesehen, die als funktionale Isolation zwischen Leiter 12 und Magnetfeldsensor 38 fungiert. Sensor 40 und Auswerteeinrichtung 42 sind jeweils auf einer eigenen Leiterplatte 52, 54 aufgebaut, wobei in der Darstellung gemäß FIG 5 die Darstellung der Leiterplatte 52, 54 auch die Darstellung der jeweiligen Transponderantenne umfasst. Zwischen den Leiterplatten 52, 54 und der damit insoweit zumindest stückweise gebildeten Transponderantenne ergibt sich die Transponderschnittstelle, in FIG 5 gekennzeichnet durch den vertikalen Doppelpfeil. Auf der Leiterplatte 52 des Sensors 40 ist z.B. in Form eines ASICs der Sensor 40 und ein Sensor- und Transponderschaltkreis 56 aufgebracht. Eine als Magnetfeldsensor 38 fungierende GMR-Schicht kann direkt auf diesen Schaltkreis 56 aufgebracht sein. Auf der Leiterplatte 54 der Auswerteeinrichtung 42 ist insbesondere in Form eines ASICs 58 der auswerteeinrichtungsseitige Transponderschaltkreis, also die zweite Transponderschnittstelle 46 realisiert.5 shows an embodiment in which sensor 40 and evaluation device 42 are embodied as a separate structural unit and in which sensor 40 as magnetic field sensor 38 is a GMR sensor. Includes sensor and a conductor 12 is assigned in the form of a busbar, a conductor or the like. Between the magnetic field sensor 38 and the conductor 12, an insulating layer 50 is provided, which functions as a functional insulation between the conductor 12 and the magnetic field sensor 38. Sensor 40 and evaluation device 42 are each constructed on a separate circuit board 52, 54, wherein in the representation of FIG 5, the representation of the circuit board 52, 54 also includes the representation of the respective transponder antenna. Between the printed circuit boards 52, 54 and thus at least piecewise formed transponder antenna thus results in the transponder interface, marked in Figure 5 by the vertical double arrow. On the circuit board 52 of the sensor 40, the sensor 40 and a sensor and transponder circuit 56 is applied, for example in the form of an ASIC. A GMR layer functioning as a magnetic field sensor 38 may be applied directly to this circuit 56. On the circuit board 54 of the evaluation device 42, the evaluation device-side transponder circuit, that is to say the second transponder interface 46, is realized in particular in the form of an ASIC 58.
Zusammenfassend lässt sich die vorliegende Erfindung damit kurz wie folgt beschreiben: Es wird eine Messvorrichtung 10, insbesondere zur Strommessung, mit einem Sensor 40 und einer damit gekoppelten oder koppelbaren Auswerteeinrichtung 42 angegeben, bei der die Kopplung kontaktlos, insbesondere über eine Transponderschnittstelle 44, 46 erfolgt, so dass einerseits eine rückwirkungsfreie Strommessung möglich ist, wobei andererseits die resultierende Messvorrichtung 10 aufgrund der Beweglichkeit der Komponenten zueinander und aufgrund des vergleichsweise großen möglichen Abstands zwischen den beiden Teilen der Transponderschnittstelle 44, 46 besonders flexibel und vielfältig einsetzbar ist. In summary, the present invention can thus be described briefly as follows: A measuring device 10, in particular for current measurement, is indicated with a sensor 40 and an evaluation device 42 coupled or coupleable thereto, in which the coupling takes place without contact, in particular via a transponder interface 44, 46 , so that on the one hand a feedback-free current measurement is possible, on the other hand, the resulting measuring device 10 due to the mobility of the components to each other and due to the comparatively large possible distance between the two parts of the transponder interface 44, 46 is particularly flexible and versatile.

Claims

Patentansprüche claims
1. Messvorrichtung, insbesondere zur Strommessung, mit einem Sensor (40) und einer damit gekoppelten oder koppelbaren Aus- Werteeinrichtung (42), dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung kontaktlos erfolgt.1. Measuring device, in particular for current measurement, with a sensor (40) and a coupled thereto or coupable evaluation device (42), characterized in that the coupling takes place without contact.
2. Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei zur Kopplung der Sensor (40) eine erste Transponderschnittstelle (44) und die2. Measuring device according to claim 1, wherein for coupling the sensor (40) has a first transponder interface (44) and the
Auswerteeinrichtung (42) eine zweite Transponderschnittstelle (44) aufweist.Evaluation device (42) has a second transponder interface (44).
3. Messvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die dem Sensor (40) zugeordnete erste Transponderschnittstelle (44) eine passive Transponderschnittstelle (44) ist.3. Measuring device according to claim 2, wherein the sensor (40) associated with the first transponder interface (44) is a passive transponder interface (44).
4. Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Sensor (40) einen Differenzverstärker (16) umfasst.4. Measuring device according to one of the preceding claims, wherein the sensor (40) comprises a differential amplifier (16).
5. Messvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Differenzverstärker (16) über einen Shunt- Widerstand (14) an einen Leiter (12) gekoppelt ist oder kop- pelbar ist.5. Measuring device according to claim 4, wherein the differential amplifier (16) via a shunt resistor (14) to a conductor (12) is coupled or can be coupled pelbar.
β. Messvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Differenzverstärker (16) über einen Magnetfeldsensor (38) an einen Leiter (12) gekoppelt ist oder koppelbar ist.β. Measuring device according to claim 4, wherein the differential amplifier (16) via a magnetic field sensor (38) is coupled to a conductor (12) or can be coupled.
7. Messvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Magnetfeldsensor (38) als GMR-Sensor ausgeführt ist .7. Measuring device according to claim 6, wherein the magnetic field sensor (38) is designed as a GMR sensor.
8. Messvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei Sensor (40) und Auswerteeinrichtung (42) jeweils als eigene Baueinheit ausgeführt sind und einerseits der Sensor ± χ 8. Measuring device according to claim 6 or 7, wherein sensor (40) and evaluation device (42) are each designed as a separate unit and on the one hand, the sensor ± χ
(40) mit dem Magnetfeldsensor (38) dem Leiter (12) und andererseits der Sensor (40) der Auswerteeinrichtung (42) durch entsprechende Positionierung zugeordnet sind. (40) are associated with the magnetic field sensor (38) the conductor (12) and on the other hand, the sensor (40) of the evaluation device (42) by appropriate positioning.
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