EP3948310A1 - Messanordnung zum erfassen eines gleichstroms - Google Patents
Messanordnung zum erfassen eines gleichstromsInfo
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- EP3948310A1 EP3948310A1 EP20728950.5A EP20728950A EP3948310A1 EP 3948310 A1 EP3948310 A1 EP 3948310A1 EP 20728950 A EP20728950 A EP 20728950A EP 3948310 A1 EP3948310 A1 EP 3948310A1
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Classifications
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- 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
- G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
- G01R15/207—Constructional details independent of the type of device used
Definitions
- the external magnetic field (s) are not displaced, but homogenized, there are two superimposed magnetic fields at the location of the magnetic field sensor: (a) the magnetic field to be measured, which is caused by the electrical direct current flowing through the electrical line, and (b ) the external magnetic field (s) that act as interference fields. Since there are two unknown variables, namely two magnetic fields of different origin, at least two magnetic field sensors are required so that the magnetic field to be measured can be differentiated from the external magnetic fields and determined, e.g. can be calculated using an algorithm in a processing unit.
- disruptive external inhomogeneous magnetic fields for. B. in the form of arcs or otherwise distorted fields, are homogenized at the location of the magnetic field sensors.
- the interfering external magnetic field is not diverted or shielded from the measuring arrangement, but is instead passed through the measuring arrangement in this homogenized form.
- the filter elements have a ferromagnetic material with a permeability number pr> 1.
- the filter elements preferably have a ferromagnetic material which has a permeability number p r > 1000 at a magnetic field strength H of 1000 A / m.
- the filter elements are made of silicon iron or of electrical steel M 330-50 A or M 530-50 A according to DIN EN 10106: 2016-03.
- the position of the filter elements does not have to be symmetrical to the current measuring unit. II) The greater the lateral expansion of the filter elements, the less disturbing magnetic fields can penetrate "sideways" into the measuring arrangement. III) The thicker the filter elements, the lower their magnetic fields Saturation. In the area of magnetic saturation, the magnetic conductivity decreases sharply; therefore, magnetic saturation is undesirable in this application.
- the current measuring unit comprises a computing unit, for example a processor, which calculates the direct current flowing in the electrical line from the magnetic field signals of the magnetic field sensors.
- the computing unit and the current measuring unit and / or the electrical line are preferably arranged on the same printed circuit board.
- the magnetic field signals are available as Hall voltage U H.
- the homogenized external magnetic field delivers the same Hall voltage at every location of the magnetic field to be measured, ie a constant offset of the Hall voltages which the magnetic field to be measured causes.
- Fig. 1 shows a section through a arranged on a first upper surface 31 of a circuit board 3 rectilinear electrical line 5 in the form of a busbar of square cross-section, along the longitudinal axis, caused by a voltage difference on the electrical line 5, an electrical direct current flows .
- the technical current direction, d. H. from the electrical plus to the minus pole, is in the plane of the drawing, so that the direction of rotation of the field lines 6 of the magnetic field generated by the current flow is clockwise according to the corkscrew rule.
- FIG. 2 shows the case that the magnetic field 6 generated by the current flow is superimposed by an external, homogeneous magnetic field 7, which is, for example, the earth's magnetic field or the magnetic field of a permanent magnet or which is provided by another, not shown current flowing line is caused. Since the inhomogeneity of the external magnetic field 7 which is superimposed on the magnetic field 6 to be measured, ie the useful signal, is unknown, as is the case in practice, it is impossible to determine the strength of the magnetic field 6 to be measured alone . A correct indication of the strength of the electrical line 5 flowing electrical direct current is not possible, please include.
- FIG. 6 is a section through a further embodiment of a measuring arrangement according to the invention.
- a Lei terplatte 3 Internally in a Lei terplatte 3 is a straight electrical line 5 square cross-section is arranged, along the longitudinal axis, caused by a voltage difference applied to the electrical line 5, an electrical direct current flows.
- the technical direction of current, ie from the electrical plus to the minus pole, is in the plane of the drawing, so that the direction of rotation of the field lines 6 of the Flux generated magnetic field is clockwise according to the corkscrew rule.
- a current measurement module 2 is arranged on a surface 32 of the printed circuit board 3 and has four Hall sensors 1 a to 1 d arranged in a row across the electrical line 5 as magnetic field sensors. These Hall sensors la to ld record the Hall voltage U H occurring in the Hall sensor, which is proportional to the field strength of the magnetic field and thus proportional to the conductor current, and send the voltage values via a signal line 14 to a processing unit 12, where the strength is derived from the voltage values collected of the direct electric current flowing in the electric line 5 is calculated.
- the Hall sensors arranged at positions lb and lc are aligned such that they measure the magnetic field strength of the magnetic field 7 indicated with G only in a transverse direction indicated with.
- the Hall sensor arranged at a first position lb measures only the transverse component G b 1 of the magnetic field strength G b present at the first position lb, while the parallel component G b H does not contribute to the signal of the Hall sensor.
- the Hall sensor arranged at a second position lc measures only the transverse component G c 1 of the magnetic field strength G c present at the second position lc, which due to the course of the magnetic field 7 is identical to the magnetic field strength G c .
Landscapes
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Abstract
Messanordnung zum Erfassen eines Gleichstroms Die Erfindung betrifft eine Messanordnung (10) zum Erfassen eines in einer elektrischen Leitung (5) fließenden elektrischen Gleichstroms, die Messanordnung (10) umfassend - die elektrische Leitung (5), - eine Strommesseinheit (2), die wenigstens zwei Magnetfeldsensoren (1a, 1b, 1c, 1d) zum Erfassen eines durch den elektrischen Gleichstrom hervorgerufenen Magnetfelds (6) aufweist, und - eine Filtereinheit zum Homogenisieren (9) von nicht durch den elektrischen Gleichstrom hervorgerufenen Magnetfeldern (7) am Ort der Magnetfeldsensoren (1a, 1b, 1c, 1d).
Description
Beschreibung
Messanordnung zum Erfassen eines Gleichstroms
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Erfassen eines in einer elektrischen Leitung fließenden elektrischen Gleich stroms. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Er fassen eines in einer elektrischen Leitung fließenden elek trischen Gleichstroms.
In technischen Anlagen, Schaltschränken, Einschüben oder Ge bäudeautomatisierungen werden Kabel oder Stromschienen zur Energieverteilung verwendet. Steigendes Umweltbewusstsein und wachsende Energiekosten erfordern eine Vermeidung von Ener gieverschwendung und speziell eine effiziente Nutzung elek trischer Energie. Das hierfür erforderliche Energiemanagement benötigt als Eingangsgröße eine detaillierte Überwachung der Energieverteilung. Hierbei sind insbesondere die Energieflüs se zu den an ein elektrisches Energieversorgungsnetz ange schlossenen Verbrauchern von Interesse. Um ein Energiemanage ment betreiben zu können, müssen insbesondere elektrische Ströme erfasst werden, die in elektrischen Leitungen zwischen dem Energieversorgungsnetz und den Verbrauchern fließen.
DE 102010043254 Al (Siemens AG) 03.05.2012 offenbart ein Messsystem zur Überwachung mindestens einer Phase eines elektrischen Systems, z.B. eines Verbraucherabzweigs, wobei Hallsensoren als Strommessgeräte verwendet werden. Mit einem auf dem Hall-Effekt basierenden Hallsensor lassen sich berüh rungslos Gleichströme messen: Bei einer solchen Strommessung wird mithilfe des Hallsensors der stromproportionale magneti sche Fluss um einen stromdurchflossenen elektrischen Leiter gemessen. Falls der Steuerstrom des in diesem Magnetfeld an geordneten Hallsensors konstant gehalten wird, ist die in dem Hallsensor auftretende Hallspannung UH proportional zur Feld stärke des Magnetfelds und somit proportional zum Leiter strom.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Messanordnung zum Erfassen eines in einer elektrischen Lei tung fließenden elektrischen Gleichstroms bereitzustellen.
Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein ver bessertes Verfahren zum Erfassen eines in einer elektrischen Leitung fließenden elektrischen Gleichstroms bereitzustellen.
Die Aufgabe, eine verbesserte Messanordnung bereitzustellen, wird gelöst durch eine Messanordnung zum Erfassen eines in einer elektrischen Leitung fließenden elektrischen Gleich stroms, die Messanordnung umfassend die elektrische Leitung, eine Strommesseinheit, die wenigstens zwei Magnetfeldsensoren zum Erfassen eines durch den elektrischen Gleichstrom hervor gerufenen Magnetfelds aufweist, und eine Filtereinheit zum Homogenisieren von nicht durch den elektrischen Gleichstrom hervorgerufenen Magnetfeldern am Ort der Magnetfeldsensoren.
Die Messanordnung dient zum Erfassen eines elektrischen
Gleichstroms, welcher durch eine elektrische Leitung fließt. Eine durch die Erfassung gewonnene Zielgröße ist die Strom stärke I des elektrischen Gleichstroms.
Die Messanordnung umfasst die elektrische Leitung, z.B. ein Stromkabel, eine auf einer Leiterplatte, z.B. einem PCB (= Printed Circuit Board) , angeordnete Leiterbahn oder eine Stromschiene .
Die Messanordnung umfasst eine Strommesseinheit, die wenigs tens zwei Magnetfeldsensoren zum Erfassen eines durch den elektrischen Gleichstrom hervorgerufenen Magnetfelds auf weist. Jeder elektrische Gleichstrom erzeugt ein ihn umgeben des Magnetfeld: Um eine elektrische Leitung bildet sich bei geschlossenem Stromkreis ein Magnetfeld. Das Magnetfeld wirkt hierbei senkrecht zur stromführenden Leitung selbst. Die Feldlinien ordnen sich kreisförmig um die Leitung an, die den Mittelpunkt des Magnetfeldes bildet.
Als Magnetfeldsensor kann ein beliebiger magnetisch empfind liche Sensor dienen, insbesondere ein Sensor, welcher auf mindestens einem der folgenden Effekte basiert: Hall-Effekt, AMR (= Anisotroper Magneto-Resistiver Effekt) , GMR (= Giant Magneto-Resistance) .
Die Messanordnung umfasst außerdem eine Filtereinheit zum Ho mogenisieren von externen Magnetfeldern, d.h. von Magnetfel dern, welche nicht durch den durch die elektrische Leitung fließenden elektrischen Gleichstrom hervorgerufen werden, am Ort der Magnetfeldsensoren. Homogene Magnetfelder haben ana log zu homogenen elektrischen Feldern die Eigenschaft, dass sie an jedem Ort gleich stark und gleichgerichtet sind. Gibt es zwischen zwei Punkten eines Magnetfelds weder eine Fluss änderung noch einen Feldstärkenunterschied und ist es ein gleichbleibendes Feld, dessen Feldlinien allesamt parallel in dieselbe Richtung verlaufen, spricht man von einem homogenen Magnetfeld .
Die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren bereitzustellen, wird gelöst durch ein Verfahren zum Erfassen eines in einer elek trischen Leitung fließenden elektrischen Gleichstroms, wobei wenigstens zwei Magnetfeldsensoren im Bereich eines Magnet felds, welches durch den elektrischen Gleichstrom hervorgeru fen wird, angeordnet werden; wobei nicht durch den elektri schen Gleichstrom hervorgerufene externe Magnetfelder am Ort der Magnetfeldsensoren homogenisiert werden; wobei das durch den elektrischen Gleichstrom hervorgerufene Magnetfeld und die diesem überlagerten homogenisierten Magnetfelder mithilfe der Magnetfeldsensoren erfasst werden; und wobei aus den Messsignalen der Magnetfeldsensoren die Stärke des elektri schen Gleichstroms bestimmt wird.
Das Verfahren dient zum Erfassen eines in einer elektrischen Leitung fließenden elektrischen Gleichstroms. Dabei werden wenigstens zwei Magnetfeldsensoren im Bereich eines Magnet felds, welches durch den elektrischen Gleichstrom hervorgeru fen wird, angeordnet. Externe Magnetfelder, welche nicht
durch den elektrischen Gleichstrom hervorgerufen werden, wer den so beeinflusst, dass sie am Ort der Magnetfeldsensoren als homogene Magnetfelder vorliegen. Das durch den elektri schen Gleichstrom hervorgerufene Magnetfeld und die diesem überlagerten homogenisierten Magnetfelder werden mithilfe der Magnetfeldsensoren erfasst. Schließlich wird aus den Messsig nalen der Magnetfeldsensoren die Stärke des elektrischen Gleichstroms bestimmt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand nicht möglich ist, ein oder mehrere externe Magnetfelder vollständig aus der Messan ordnung am Ort der Magnetfeldsensoren zu verdrängen. Falls das oder die externen Magnetfelder vollständig aus der
Messanordnung am Ort der Magnetfeldsensoren verdrängt werden könnten, dann würde ein einziger Magnetfeldsensor zum Erfas sen eines durch den elektrischen Gleichstrom hervorgerufenen Magnetfelds ausreichen, da in diesem Fall nur eine unbekannte Variable existierte: das zu messende Magnetfeld, welches durch den durch die elektrische Leitung fließenden elektri schen Gleichstrom hervorgerufen wird. Da es aber mit wirt schaftlich vertretbarem Aufwand nicht möglich ist, das oder die externen Magnetfelder vollständig aus der Messanordnung am Ort der Magnetfeldsensoren zu verdrängen, basiert die vor liegende Erfindung darauf, das oder die externen Magnetfelder mittels der Filtereinheit möglichst homogen zu machen. Da das oder die externen Magnetfelder nicht verdrängt, sondern homo genisiert werden, existieren am Ort der Magnetfeldsensor zwei sich überlagernde Magnetfelder: (a) das zu messende Magnet feld, welches durch den durch die elektrische Leitung flie ßenden elektrischen Gleichstrom hervorgerufen wird, und (b) das oder die externen Magnetfelder, welche als Störfelder wirken. Da somit zwei unbekannte Variable, nämlich zwei Mag netfelder unterschiedlichen Ursprungs, existieren, werden mindestens zwei Magnetfeldsensor benötigt, damit das zu mes sende Magnetfeld von den externen Magnetfeldern unterschieden und ermittelt werden kann, z.B. mithilfe eines Algorithmus in einer Recheneinheit herausgerechnet werden kann. Durch diesen
erfindungsgemäßen Aufbau wird erreicht, dass störende externe inhomogene Magnetfelder, z. B. in Form von Kreisbögen oder andersartig verzerrten Feldern, am Ort der Magnetfeldsensoren homogenisiert werden. Im Gegensatz zum klassischen elektri schen Feld wird das störende externe Magnetfeld nicht von der Messanordnung abgeleitet oder abgeschirmt, sondern in dieser homogenisierten Form durch die Messanordnung geleitet.
Ein inhomogenes externes Magnetfeld liefert an jedem Ort des zu messenden Magnetfelds, d.h. desjenigen Magnetfelds, wel ches durch den durch die elektrische Leitung fließenden elektrischen Gleichstrom hervorgerufen wird, einen unter schiedlichen Beitrag zum resultierenden Magnetfeld, welches sich aus der Überlagerung des externen Magnetfelds und des zu messenden Magnetfelds ergibt. Das zu messende Magnetfeld wird also signifikant verfälscht, ohne dass eine einfache Korrek tur der Messwerte möglich wäre. Ein homogenes externes Mag netfeld dagegen liefert an jedem Ort des zu messenden Magnet felds den gleichen Beitrag zum resultierenden Magnetfeld. Das externe Magnetfeld führt also an jedem Ort des zu messenden Magnetfelds nur zu einem konstanten Offset der Feldstärke des zu messenden Magnetfelds. Somit ist eine einfache Korrektur der Messwerte der Magnetfeldsensoren möglich, einfach indem der konstante Offset, der von dem externen Magnetfeld her rührt, von den Messwerten abgezogen wird.
Durch die erfindungsgemäße Messanordnung wird vermieden, dass bei einer auf einer Magnetfeldmessung basierenden Strommes sung störende externe Magnetfelder, d. h. nicht von dem zu messenden Gleichstrom hervorgerufenen Magnetfelder, mitgemes sen werden und so die Strommessung verfälscht wird. Als stö rende externe Magnetfelder sind zum Beispiel das Erdmagnet feld, Magnetfelder von in der Umgebung der elektrischen Lei tung angeordneten Permanentmagneten oder Magnetfelder von in der Umgebung der elektrischen Leitung verlaufenden weiteren elektrischen Strömen anzuführen. Die von den elektrischen Feldern bekannten Schirmkonzepte können nicht auf DC-
Anwendungen übertragen werden, da bei DC-Anwendungen keine Ableitung nach Erde möglich ist (DC = Direct Current) .
Die erfindungsgemäße Messanordnung verzichtet auf eine Ab schirmung störender externer Magnetfelder mithilfe eines ge schlossenen Gehäuses aus Metall, da die Abschirmung viele Probleme mit sich bringt: Bei der Montage von metallischen Abschirmgehäusen kann es sein, dass elektrische Leitungen, Platinen, Leiterplatten oder andere Geräteteile durch das Ab schirmgehäuse hindurch geführt werden müssen. Öffnungen schwächen aber die Schirmung und scharfe Kanten führen zu ho hen Feldern und können die Filterung bzw. Schirmung aushe beln. Weiterhin können bei geschlossenen Gehäusen Spannungs abstände und ESD-Vorschriften in vielen Fällen nicht einge halten werden (ESD = Electro-Static Discharge) . Die erfin dungsgemäße Messanordnung umgeht durch einen Verzicht auf schwer durchführbare und aufwändige konstruktive Lösungen al le diese Probleme.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren auch entsprechend den abhängi gen Vorrichtungsansprüchen weitergebildet sein, und umge kehrt .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Filtereinheit zwei Filterelemente auf, zwischen denen die elektrische Leitung und die Magnetfeldsensoren angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Filterelemente flach, d.h. plan. Falls die Filterelemente nicht plan wären, sondern z.B. kon vex oder konkav gewölbt, würde das „homogenisierte" Magnet feld zwischen den beiden Filterelementen nicht mehr völlig homogen sein. Vorzugsweise sind die Filterelemente flächig: Flächige Filterelemente sind konstruktiv am einfachsten und am effektivsten. Aber dabei müssen die Filterelemente nicht als geschlossene Platten ausgebildet sein, sondern es ist zu lässig, dass die Filterelemente Gitter oder Löcher, analog zu einem Faraday-Käfig, aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die flächigen Filterelemente im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, in der Art der Platten eines Plattenkondensators. Damit spannen die Filterelemente ein quaderförmiges Volumen auf, in dem das oder die externen Magnetfelder homogenisiert werden .
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Filterelemente einen ferromagnetischen Werkstoff mit ei ner Permeabilitätszahl pr > 1 auf. Vorzugsweise weisen die Filterelemente einen ferromagnetischen Werkstoff auf, welcher bei magnetischen Feldstärke H von 1000 A/m eine Permeabili tätszahl pr > 1000 hat. Zum Beispiel bestehen die Filterele mente aus Silizium-Eisen oder aus Elektroblech M 330-50 A oder M 530-50 A gemäß DIN EN 10106:2016-03.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist zu mindest eines der Filterelemente einen Abstand a von der elektrischen Leitung auf und weist die Strommesseinheit we nigstens zwei in einem Abstand b benachbart angeordnete Mag netfeldsensoren auf, wobei der Abstand a größer als oder gleich dem Abstand b ist. Für die Anordnung der Filterelemen te gilt prinzipiell: I) Je größer der Abstand der Filterele mente von den Magnetfeldsensoren und/oder der elektrischen Leitung ist, desto weniger wird das Material der Filterele mente von dem Magnetfeld, welches von dem durch die elektri sche Leitung fließenden elektrischen Gleichstrom hervorgeru fen wird, beeinflusst. Wenn der Abstand a groß ist, werden mehr unerwünschte Felder homogenisiert und der unbeeinflusste Anteil des Nutzsignals, d.h. des von dem durch die elektri sche Leitung fließenden elektrischen Gleichstrom hervorgeru fenen Magnetfelds, wird größer. Dabei muss die Lage der Fil terelemente nicht symmetrisch zu der Strommesseinheit sein. II) Je größer die seitliche Ausdehnung der Filterelemente ist, desto weniger können störende magnetische Felder „seit lich" in die Messanordnung eindringen. III) Je dicker die Filterelemente sind, desto geringer ist deren magnetische
Sättigung. Im Bereich der magnetischen Sättigung nimmt die magnetische Leitfähigkeit stark ab; daher ist magnetische Sättigung bei dieser Anwendung unerwünscht.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Strommesseinheit an einer Leiterplatte angeordnet. Das bietet den Vorteil, dass auch andere elektrische Bauteile und elekt ronische Bauteile, z.B. Kommunikationsbauteile zur Herstel lung einer Kommunikationsschnittstelle für eine Übertragung von Messergebnissen, z. B. zur Übertragung in eine Cloud, einfach integriert werden können. Das bietet außerdem den Vorteil, dass eine kompakte und modulare Bauweise der Messan ordnung erleichtert wird, wodurch Kosten und Bauraum einge spart werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Leitung an einer Leiterplatte angeordnet. Das bietet den Vorteil, dass eine kompakte und modulare Bauweise der Messanordnung erleichtert wird, wodurch Kosten und Bau raum eingespart werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Strommesseinheit eine Recheneinheit, z.B. einen Prozes sor, welche aus den Magnetfeld-Signalen der Magnetfeldsenso ren den in der elektrischen Leitung fließenden elektrischen Gleichstrom berechnet. Vorzugsweise sind die Recheneinheit und die Strommesseinheit und/oder die elektrische Leitung an derselben Leiterplatte angeordnet. Im Falle, dass die Magnet feldsensoren als Hall-Sensoren ausgebildet sind, liegen die Magnetfeld-Signale als Hallspannung UH vor. Das homogenisier te externe Magnetfeld liefert an jedem Ort des zu messenden Magnetfelds die gleiche Hallspannung, d.h. einen konstanten Offset der Hallspannungen, die das zu messende Magnetfeld hervorruft. Somit ist eine einfache Korrektur der von den Magnetfeldsensoren gemessenen Hallspannungen möglich, einfach indem die konstante Hallspannung, die von dem homogenisierten externen Magnetfeld herrührt, von den Hallspannungen, die von den Magnetfeldsensoren als Überlagerung des zu messenden Mag-
netfelds und des homogenisierten externe Magnetfelds gemessen werden, abgezogen wird. Dies ist einfach möglich, falls die Magnetfeldsensoren in Bezug auf das zu messende Magnetfeld so symmetrisch angeordnet werden, dass die Hallspannung sowohl positive als auch negative Werte annimmt.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei spiele, die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 eine herkömmliche Strommesseinheit bei Fehlen eines störenden externen Magnetfelds;
Fig . 2 eine herkömmliche Strommesseinheit bei Anwesenheit eines störenden externen Magnetfelds;
Fig . 3 eine erfindungsgemäße Messanordnung bei Fehlen ei nes störenden externen Magnetfelds;
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Messanordnung bei Anwesenheit eines störenden externen Magnetfelds;
Fig . 5 Verläufe von Permeabilitätszahlen für als platten förmige Filterelemente geeignete beispielhafte fer romagnetische Werkstoffe;
Fig . 6 eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen
Messanordnung;
Fig . 7 ein zu messendes Magnetfeld, welches durch eine
stromdurchflossene Leitung hervorgerufen wird;
Fig. 8 ein externes inhomogenes Magnetfeld; und
Fig. 9 ein durch eine Filtereinheit externes homogenisier tes Magnetfeld.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine auf einer ersten Ober fläche 31 einer Leiterplatte 3 angeordnete geradlinige elekt rische Leitung 5 in Form einer Stromschiene quadratischen Querschnitts, entlang deren Längsachse, hervorgerufen durch eine an der elektrischen Leitung 5 anliegende Spannungsdiffe renz, ein elektrischer Gleichstrom fließt. Die technische Stromrichtung, d. h. vom elektrischen Plus- zum Minuspol, ist dabei in die Zeichnungsebene hinein, so dass der Drehsinn der Feldlinien 6 des durch den Stromfluss erzeugten Magnetfelds gemäß der Korkenzieherregel im Uhrzeigersinn ist.
Auf einer zweiten Oberfläche 32 der Leiterplatte 3, die in Bezug auf die Leiterplatte 3 entgegengesetzt zu der ersten Oberfläche 31 liegt, ist ein Strommessmodul 2 angeordnet, welches vier in einer Reihe quer zur elektrischen Leitung 5 angeordnete Hallsensoren la bis ld als Magnetfeldsensoren aufweist. Diese Hallsensoren la bis ld erfassen die in dem Hallsensor auftretende Hallspannung UH, welche proportional zur Feldstärke des Magnetfelds und somit proportional zum Leiterstrom ist, und senden die Spannungswerte über eine Sig nalleitung 14 zu einer Recheneinheit 12, wo aus den gesammel ten Spannungswerten die Stärke des in der elektrischen Lei tung 5 fließenden elektrischen Gleichstroms berechnet wird.
Fig. 2 stellt, basierend auf Fig. 1, den Fall dar, dass dem durch den Stromfluss erzeugten Magnetfeld 6 ein externes in homogenes Magnetfeld 7 überlagert ist, welches z.B. das Erd magnetfeld oder das Magnetfeld eines Permanentmagneten ist oder welches durch eine nicht dargestellte weitere strom durchflossene Leitung hervorgerufen wird. Da die Inhomogeni tät des externen Magnetfelds 7, welches dem zu messenden Mag netfeld 6, d.h. dem Nutzsignal, überlagert ist, unbekannt ist, wie es in der Praxis der Fall ist, ist es unmöglich, die Stärke des zu messenden Magnetfeld 6 allein zu ermitteln. Ei ne korrekte Angabe der Stärke des in der elektrischen Leitung
5 fließenden elektrischen Gleichstroms ist also nicht mög lich.
Fig. 3, basierend auf Fig. 1, stellt eine erfindungsgemäße Messanordnung dar. Aus Gründen der Vereinfachung wurde dabei auf die Darstellung von Signalleitung 14 und Recheneinheit 12 verzichtet. Gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Anordnung weist die in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße Messanord nung eine Filtereinheit 8 zum Homogenisieren von nicht durch den elektrischen Gleichstrom in der elektrischen Leitung 5 hervorgerufenen Magnetfeldern am Ort der Magnetfeldsenso ren la, lb, lc, ld auf. Die Filtereinheit 8 ist dabei ausge bildet durch zwei im Wesentlichen parallel zueinander ange ordnete, plattenförmige Filterelemente 8a und 8b, zwischen denen die elektrische Leitung 5 und die Magnetfeldsenso ren la, lb, lc, ld angeordnet sind. Dabei weist eines der Filterelemente 8a einen Abstand a von der elektrischen Lei tung 5 auf. Zwei benachbarte Magnetfeldsensoren lb, lc weisen einen Abstand b voneinander auf, wobei der Abstand a größer als der Abstand b ist.
Fig. 4 stellt, basierend auf Fig. 3, den Fall dar, dass dem durch den Stromfluss erzeugten Magnetfeld 6 ein externes in homogenes Magnetfeld 7 überlagert ist, welches z. B. das Erd magnetfeld oder das Magnetfeld eines Permanentmagneten ist oder welches durch eine nicht dargestellte weitere strom durchflossene Leitung hervorgerufen wird. Aufgrund der Fil tereinheit weist das externe Magnetfeld 7 zwischen den beiden plattenförmigen Filterelementen 8 homogene, d. h. parallel verlaufende Magnetfeldlinien 9 gleicher Magnetfeldstärke auf, d.h. das externe Magnetfeld 7 ist zwischen den beiden plat tenförmigen Filterelementen 8 homogenisiert.
Durch die zwischen den beiden plattenförmigen Filterelementen 8 erzielte Homogenisierung 9 des externen Magnetfelds, wel ches dem zu messenden Magnetfeld 6, d.h. dem Nutzsignal, überlagert ist, ist es nun möglich, mithilfe eines in der Re cheneinheit 12 installierten Algorithmus ' auf Basis der Sig-
nale der Magnetfeldsensoren la, lb, lc, ld die Stärke des zu messenden Magnetfelds 6 allein zu ermitteln. Eine korrekte Angabe der Stärke des in der elektrischen Leitung 5 fließen den elektrischen Gleichstroms ist also nun möglich, ohne dass diese durch das externe Magnetfeld verfälscht wird.
Fig. 5 zeigt in einem H-pr-Diagramm mit der magnetischen Feldstärke H in der Einheit A/m entlang der x-Achse und der dimensionslosen Permeabilitätszahl mG entlang der y-Achse die Verläufe 16, 18 von Permeabilitätszahlen mG in Abhängigkeit der magnetischen Feldstärke H für zwei beispielhafte, für plattenförmige Filterelemente geeignete ferromagnetische Werkstoffe, nämlich den Verlauf 16 der Permeabilitätszahl mG für das Elektroblech M 330-50 A sowie den Verlauf 18 der Per meabilitätszahl mG für das Elektroblech M 530-50 A, jeweils mit einer Blechdicke von 0,50 mm. Der Verlauf der Permeabili tätszahl mG ist für beide Materialien ungefähr gleich: bis zu einer magnetischen Feldstärke H im Bereich von 80 bzw. 100 A/m steigt die Permeabilitätszahl, erreicht bei 80 bzw. 100 A/m ein Maximum, und nimmt ab da stetig ab. Die beiden Mate rialien wurden gewählt, da sie bei einer magnetischen Feld stärke H von 1000 A/m immer noch eine Permeabilitätszahl mG > 1000 haben.
Beide Elektroblech-Typen sind lediglich als Beispiele für ge eignete Werkstoffe und nicht einschränkend zu verstehen; es sind auch andere ferromagnetische Werkstoffe zur Herstellung der Filterelemente einsetzbar.
Fig. 6 ist ein Schnitt durch eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Messanordnung. Innenliegend in einer Lei terplatte 3 ist eine geradlinige elektrische Leitung 5 quad ratischen Querschnitts angeordnet, entlang deren Längsachse, hervorgerufen durch eine an der elektrischen Leitung 5 anlie gende Spannungsdifferenz, ein elektrischer Gleichstrom fließt. Die technische Stromrichtung, d. h. vom elektrischen Plus- zum Minuspol, ist dabei in die Zeichnungsebene hinein, so dass der Drehsinn der Feldlinien 6 des durch den Strom-
fluss erzeugten Magnetfelds gemäß der Korkenzieherregel im Uhrzeigersinn ist.
Auf einer Oberfläche 32 der Leiterplatte 3 ist ein Strommess modul 2 angeordnet, welches vier in einer Reihe quer zur elektrischen Leitung 5 angeordnete Hallsensoren la bis ld als Magnetfeldsensoren aufweist. Diese Hallsensoren la bis ld er fassen die in dem Hallsensor auftretende Hallspannung UH, welche proportional zur Feldstärke des Magnetfelds und somit proportional zum Leiterstrom ist, und senden die Spannungs werte über eine Signalleitung 14 zu einer Recheneinheit 12, wo aus den gesammelten Spannungswerten die Stärke des in der elektrischen Leitung 5 fließenden elektrischen Gleichstroms berechnet wird.
Die Messanordnung 10 weist eine Filtereinheit 8 zum Homogeni sieren von Magnetfeldern, welche nicht durch den elektrischen Gleichstrom in der elektrischen Leitung 5 hervorgerufen wer den, am Ort der Magnetfeldsensoren la, lb, lc, ld auf. Die Filtereinheit 8 umfasst zwei plattenförmige Filterelemente 8a und 8b, welche auf entgegengesetzten Seiten der elektrischen Leitung 5 und der Magnetfeldsensoren la, lb, lc, ld angeord net sind. Dabei wird ein erstes Filterelement 8a von einem ersten Stützelement 22, welches sich an der Leiterplatte 3 abstützt und an der Leiterplatte 3 befestigt ist, in einem Abstand a von der elektrische Leitung 5 in Position gehalten. Ein zweites Filterelement 8b wird von einem zweiten Stützele ment 20, welches mit dem ersten Stützelement 22 verbunden ist, in einem Abstand a von der elektrische Leitung 5 in Po sition gehalten. Auf diese Weise sind die beiden Filterele mente 8a, 8b relativ zueinander und relativ zu der Leiter platte 3, und somit auch in Bezug auf die elektrische Leitung 5 und das Strommessmodul 2, in einer festen, definierten Po sition angeordnet.
Fig. 7 bis 9 veranschaulichen den homogenisierenden Effekt der Filtereinheit unter dem Aspekt der in Teilkomponenten zerlegten Magnetfeldstärke.
Fig. 7 zeigt ein zu messendes Magnetfeld 6, welches durch ei ne stromdurchflossene Leitung 5 hervorgerufen wird. Die an den Positionen lb und lc angeordneten Hallsensoren sind so ausgerichtet, dass sie die mit H angegebene magnetische Feld stärke des Magnetfelds 6 nur in einer mit
angegebenen Quer- Richtung messen. Der an einer ersten Position lb angeordnete Hallsensor misst von der an der ersten Position lb vorliegen den magnetischen Feldstärke Hb nur die Quer-Komponente Hb 1, während die Parallel-Komponente HbII nicht zum Signal des Hallsensors beiträgt. Der an einer zweiten Position lc ange ordnete Hallsensor misst von der an der zweiten Position lc vorliegenden magnetischen Feldstärke Hc nur die Quer-Kompo nente Hc 1, während die Parallel-Komponente HCH nicht zum Sig nal des Hallsensors beiträgt. Es ist zu beachten, dass auf grund der symmetrischen Positionierung der beiden Hallsenso ren in Bezug auf die stromführenden elektrischen Leitung 5 die erste Quer-Komponente Hb 1 und die zweite Quer-Komponente Hc 1 unterschiedliche Vorzeichen aufweisen.
Fig. 8 zeigt ein externes inhomogenes Magnetfeld 7, welches nicht durch die stromdurchflossene Leitung 5 hervorgerufen wird, sondern z.B. durch einen Permanentmagneten. Die an den Positionen lb und lc angeordneten Hallsensoren sind so ausge richtet, dass sie die mit G angegebene magnetische Feldstärke des Magnetfelds 7 nur in einer mit angegebenen Quer-Rich- tung messen. Der an einer ersten Position lb angeordnete Hallsensor misst von der an der ersten Position lb vorliegen den magnetischen Feldstärke Gb nur die Quer-Komponente Gb 1, während die Parallel-Komponente GbH nicht zum Signal des Hallsensors beiträgt. Der an einer zweiten Position lc ange ordnete Hallsensor misst von der an der zweiten Position lc vorliegenden magnetischen Feldstärke Gc nur die Quer-Kompo nente Gc 1, die aufgrund des Verlaufs des Magnetfelds 7 mit der magnetischen Feldstärke Gc identisch ist.
Fig. 9 zeigt ein externes homogenisiertes Magnetfeld 9, wel ches durch eine Filtereinheit aus dem in Fig. 8 dargestellten
inhomogenen Magnetfeld 7 entstanden ist. Die an den Positio nen lb und lc angeordneten Hallsensoren sind so ausgerichtet, dass sie die mit F angegebene magnetische Feldstärke des Mag netfelds 9 nur in einer mit angegebenen Quer-Richtung mes- sen. Der an einer ersten Position lb angeordnete Hallsensor misst von der an der ersten Position lb vorliegenden magneti schen Feldstärke Fb nur die Quer-Komponente Fb 1, die aufgrund des Verlaufs des Magnetfelds 9 mit der magnetischen Feldstär ke Fb identisch ist. Der an einer zweiten Position lc ange- ordnete Hallsensor misst von der an der zweiten Position lc vorliegenden magnetischen Feldstärke Fc nur die Quer-Kompo nente Fc 1, die aufgrund des Verlaufs des Magnetfelds 9 mit der magnetischen Feldstärke Fc identisch ist. Es ist zu beachten, dass aufgrund der Homogenität des Magnet felds 9 die beiden Quer-Komponenten Fb 1 und Fc 1 gleich groß sind. Die aus einer Überlagerung der Quer-Komponenten der beiden Feldstärken H und F resultierenden Signale der Hall sensoren an den Positionen lb, lc können also einfach um die sich aus dem homogenisiertes Magnetfeld 9 ergebende konstante Komponente Fb 1 = Fc 1 bereinigt werden, um zu den Werten des tatsächlich zu messenden Magnetfelds 6 zu gelangen, das sich aus dem Stromfluss in der elektrischen Leitung 5 ergibt.
Claims
1. Messanordnung (10) zum Erfassen eines in einer elektri schen Leitung (5) fließenden elektrischen Gleichstroms, die Messanordnung (10) umfassend
- die elektrische Leitung (5),
- eine Strommesseinheit (2), die wenigstens zwei Magnetfeld sensoren (la, lb, lc, ld) zum Erfassen eines durch den elektrischen Gleichstrom hervorgerufenen Magnetfelds (6) aufweist, und
- eine Filtereinheit zum Homogenisieren von nicht durch den elektrischen Gleichstrom hervorgerufenen Magnetfeldern (7) am Ort der Magnetfeldsensoren (la, lb, lc, ld) .
2. Messanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die Filterein heit zwei flache Filterelemente (8) aufweist, zwischen denen die elektrische Leitung (5) und die Magnetfeldsensoren (la, lb, lc, ld) angeordnet sind.
3. Messanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei die Filterelemente (8) einen ferromagnetischen Werkstoff mit einer Permeabilitätszahl pr > 1 aufweisen.
4. Messanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei
- zumindest eines der Filterelemente (8) einen Abstand a von der elektrischen Leitung (5) aufweist,
- die Strommesseinheit (2) wenigstens zwei in einem Abstand b benachbart angeordnete Magnetfeldsensoren (la, lb, lc, ld) aufweist, und
- der Abstand a größer als oder gleich dem Abstand b ist.
5. Messanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei die Strommesseinheit (2) an einer Leiterplatte (3) angeordnet ist.
6. Messanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei die elektrische Leitung (5) an einer Leiterplat te (3) angeordnet ist.
7. Messanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprü che, wobei die Strommesseinheit (2) eine Recheneinheit um fasst, welche aus den Signalen der Magnetfeldsensoren (la, lb, lc, ld) den in der elektrischen Leitung (5) fließenden elektrischen Gleichstrom berechnet.
8. Verfahren zum Erfassen eines in einer elektrischen Lei tung (5) fließenden elektrischen Gleichstroms, wobei
- wenigstens zwei Magnetfeldsensoren (la, lb, lc, ld) im Be reich eines Magnetfelds (6), welches durch den elektrischen Gleichstrom hervorgerufen wird, angeordnet werden;
- nicht durch den elektrischen Gleichstrom hervorgerufene ex terne Magnetfelder (7) am Ort der Magnetfeldsensoren (la, lb, lc, ld) homogenisiert (9) werden;
- das durch den elektrischen Gleichstrom hervorgerufene Mag- netfeld (6) und die diesem überlagerten homogenisierten
Magnetfelder (9) mithilfe der Magnetfeldsensoren (la, lb, lc, ld) erfasst werden; und
- aus den Messsignalen der Magnetfeldsensoren (la, lb, lc, ld) die Stärke des elektrischen Gleichstroms bestimmt wird.
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