EP4689677A1 - Messgerät zur kontaktlosen strommessung und verfahren zu dessen kalibrierung - Google Patents

Messgerät zur kontaktlosen strommessung und verfahren zu dessen kalibrierung

Info

Publication number
EP4689677A1
EP4689677A1 EP24715545.0A EP24715545A EP4689677A1 EP 4689677 A1 EP4689677 A1 EP 4689677A1 EP 24715545 A EP24715545 A EP 24715545A EP 4689677 A1 EP4689677 A1 EP 4689677A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
conductor
values
magnetic field
variables
measuring
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.)
Pending
Application number
EP24715545.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias STADTFELDER
Christian Reinhold
Tobias Noesselt
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.)
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact 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 Phoenix Contact GmbH and Co KG filed Critical Phoenix Contact GmbH and Co KG
Publication of EP4689677A1 publication Critical patent/EP4689677A1/de
Pending 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
    • G01R15/20—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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R35/00—Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass
    • G01R35/005—Calibrating; Standards or reference devices, e.g. voltage or resistance standards, "golden" references

Definitions

  • Hall sensors can measure the magnetic field caused by a current and use this to determine the current causing it.
  • currents including direct currents
  • methods are known that do not require a ferromagnetic core to focus the magnetic field.
  • the magnetic field strength can be evaluated according to Ampere's law, according to which the measured current is based on the solution of a path integral of the magnetic field.
  • EP 3948310 A1 further describes a measuring arrangement which, for this purpose, comprises a filter unit for homogenizing external magnetic fields, i.e. magnetic fields which are not caused by the electrical current to be measured.
  • a filter unit for homogenizing external magnetic fields i.e. magnetic fields which are not caused by the electrical current to be measured.
  • WO 2010/096344 A1 describes a current measuring device for measuring an alternating current in a conductor, in which a plurality of measuring coils are provided, by means of which the position of the conductor is determined.
  • EP 3761044 A1 also discloses a current measuring device with two magnetic field sensors, in which the conductor position and orientation and the current to be measured are deduced from the measured values of the magnetic field sensors, with complex triaxial magnetic field sensors being used for this purpose, i.e. magnetic field sensors that measure the magnetic field in all three spatial axes.
  • a measurement error in the method described in EP 3761044 A1 results from the fact that the calculation assumes that the components of the magnetic field detected by the respective triaxial sensor in the three spatial directions refer to an identical spatial point, although this is only approximately the case due to the design, since a triaxial sensor is constructed from separate, spatially adjacent sensors for the respective spatial direction.
  • the invention is based on the object of showing a way in which the current intensity of an electric current flowing through a conductor can be determined in a simplified and/or improved manner, whereby in particular a contactless measurement of both direct and alternating currents is to be made possible, and whereby in particular a corresponding measuring device is to be proposed which is suitable for a Retrofitting, i.e., retrofitting, of existing cables for different cable cross-sections, and which does not require the use of a ferromagnetic core.
  • a measuring device for contactless measurement of the current intensity of an electrical direct or alternating current flowing through at least one conductor, wherein the measuring device comprises at least a first housing part, which by its design defines a measuring area arranged outside the first housing part, and a measuring arrangement with a plurality of magnetic field sensors which are arranged at fixed positions and in fixed orientations relative to the defined measuring area.
  • the measuring device further comprises a storage device in which parameters of the magnetic field sensors are stored, the parameters comprising information on the positions, orientations and metrological properties of the magnetic field sensors, as well as a processing unit connected to the magnetic field sensors and the storage device, which is designed to determine a value for the current intensity of the electrical current flowing through the at least one conductor depending on the measured values of the magnetic field sensors and depending on the parameters stored in the storage device when the at least one conductor extends through the defined measuring range in any position and orientation.
  • a storage device in which parameters of the magnetic field sensors are stored, the parameters comprising information on the positions, orientations and metrological properties of the magnetic field sensors, as well as a processing unit connected to the magnetic field sensors and the storage device, which is designed to determine a value for the current intensity of the electrical current flowing through the at least one conductor depending on the measured values of the magnetic field sensors and depending on the parameters stored in the storage device when the at least one conductor extends through the defined measuring range in any position and orientation.
  • the measuring device comprises a retaining device which is designed to form, together with the first housing part, an openable and closable conductor feedthrough, wherein the The retaining device is designed such that a conductor inserted into the conductor feedthrough extends through the defined measuring area.
  • the measuring device has at least one output interface for outputting the determined value for the current intensity and/or a value derived from the determined value of the current intensity.
  • a measuring system which comprises at least two measuring devices as described above, which are communicatively connected to one another for the exchange of measurement data.
  • a method for calibrating a measuring device described above wherein the calibration method provides for at least one calibration conductor, through which a current of predeterminable current intensity flows, to be introduced into the defined measuring range in different arrangements one after the other, and for each arrangement the following steps are carried out:
  • the sensor variables represent parameters of the plurality of magnetic field sensors, including in particular the position, orientation and/or metrological properties of the respective magnetic field sensor
  • the calibration conductor variables comprise variables which represent the position and orientation of the at least one calibration conductor relative to the measuring arrangement
  • the parameters of the magnetic field sensors can be determined with a very high degree of accuracy and stored in the storage device of the measuring device, so that the determination of a value for the current intensity of the electrical current flowing through the at least one conductor by the processing unit, which takes place as a function of the measured values of the magnetic field sensors and as a function of the parameters stored in the storage device, is advantageously also made possible with a high degree of accuracy. Since the at least one conductor can extend through the defined measuring range in any position and orientation during the measurement, the measuring device can be advantageously used for conductors with different cross-sections.
  • the device advantageously enables contactless measurement of AC and DC currents using magnetic field sensors without using a ferromagnetic core and, thanks to its design, is also advantageously able to be mounted around existing power lines as a retrofit without the line having to be fixed in the measuring opening.
  • a power measurement can also preferably be carried out, whereby connecting several devices also enables multi-phase measurement.
  • Figure 4 is a schematic front view of the measuring device shown in Fig. 1, with the housing partially opened to show a measuring arrangement arranged in the housing,
  • Figure 5 is a schematic representation of a second preferred embodiment of a measuring device according to the invention in a perspective view
  • Figure 6 is a schematic representation of another exemplary embodiment of a measuring arrangement in perspective view
  • Figure 7 is a schematic block diagram of a preferred embodiment of a measuring chain of the measuring device shown in Figure 1
  • Figure 8 is an exemplary schematic flow diagram of steps for determining the current intensity of an electrical current flowing through at least one conductor by the measuring device
  • Figure 9 is an exemplary schematic flow diagram of steps of a preferred embodiment of a calibration method for determining parameters relating to magnetic field sensors arranged in the measuring device,
  • Figure 10 shows schematically an exemplary calibration arrangement for carrying out the calibration method shown in Figure 9 in plan view
  • Figure 11 schematically shows an exemplary circuit arrangement for the selective selection of current-carrying calibration conductors of the calibration arrangement shown in Figure 10.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a first preferred embodiment of a measuring device 1 according to the invention in a perspective view.
  • the measuring device 1 is designed for contactless measurement of the current intensity of an electrical direct or alternating current flowing through at least one conductor 200 and comprises at least a first housing part, which by its design defines a measuring area arranged outside the first housing part, wherein in the embodiment shown the first housing part is formed by the housing part 10.
  • the U-shape of the housing part 10 defines the measuring range, with the conductor 200 in Fig. 1 being positioned within this measuring range.
  • the measuring device 1 further comprises a measuring arrangement with a plurality of magnetic field sensors, which are arranged at fixed positions and in fixed orientations relative to the defined measuring range, wherein this measuring arrangement is advantageously arranged within the housing part 10 to protect the components and is therefore not shown in Fig. 1.
  • the measuring arrangement is, however, shown in Fig. 4, for example.
  • the measuring device 1 comprises a Retaining device which is designed to form an openable and closable conductor feedthrough together with the first housing part 10, wherein the retaining device is designed such that a conductor introduced into the conductor feedthrough remains within the defined measuring range when the conductor feedthrough is closed.
  • the retaining device is designed as a retaining bracket 20 which is movably attached to the first housing part 10 and which can be rotated by means of a swivel joint 22.
  • a retaining bracket 20 which is movably attached to the first housing part 10 and which can be rotated by means of a swivel joint 22.
  • a sliding retaining device could also be provided.
  • the retaining device can also advantageously be formed by a cable tie, a rubber band or a tab with attached locking hooks, each of which is designed and/or arranged to close the opening formed by the U-shape of the first housing part 10.
  • the retaining device is not designed to mechanically fix the conductor to be measured.
  • the measuring device 1 is also preferably designed to be supplied with an operating voltage via the communication interface 30.
  • the measuring device 1 is also designed for mounting on a support rail 90, for example designed as a top hat rail, wherein appropriately adapted top hat rail supports 91 can advantageously be provided for this purpose.
  • the measuring device can advantageously be designed as a measuring transducer, wherein the measuring device in this case is preferably designed to determine a value for an electrical power and/or a value for an electrical energy as a function of at least one determined value for the current intensity of the electrical current flowing through the at least one conductor and/or as a function of at least one value of a measured electrical voltage and/or as a function of measurement data received via the at least one communication interface.
  • the measuring device 1 is designed to determine the current strength of an electric current flowing through at least one conductor 200 by determining the position and orientation of the conductor as a function of the measured values of the magnetic field sensors, wherein the position and orientation of the conductor can be defined, for example, by the displacements x s and y s shown in Fig. 1 in the x- and y-direction relative to the center of the measuring range and the angles 201 and 202.
  • the angle 201 indicates the direction angle of the conductor 200 in the xz plane and the angle 202 indicates the direction angle of the conductor 200 in the yz plane.
  • the side view shown in Fig. 2 shows the angle 202 again.
  • Fig. 4 shows a schematic front view of the measuring device 1 shown in Fig. 1, with the housing partially opened to show a measuring arrangement arranged in the housing.
  • the measuring device 1 comprises a measuring arrangement with a plurality of magnetic field sensors 101'-108', which are arranged at fixed positions and in fixed orientations relative to the defined measuring range.
  • the plurality of magnetic field sensors 101'-108' are arranged at fixed positions and in fixed orientations on a rigid carrier 110' arranged within the first housing part 10, which is advantageously designed as a circuit board.
  • the circuit board has a U-shape due to a recess provided in the circuit board, wherein the recess forms two circuit board arms, between which the measuring range defined by the design of the housing part 10 lies, and wherein at least one of the plurality of magnetic field sensors 101'-108' is arranged on each of the two circuit board arms.
  • the measuring device 1 further comprises a processing unit connected to the magnetic field sensors 101'-108' and the storage device, which is designed to determine a value for the current intensity of the electric current flowing through the at least one conductor 200 depending on the measured values of the magnetic field sensors and depending on the parameters stored in the storage device when the at least one conductor 200 extends through the defined measuring area in any position and orientation.
  • a microcontroller 130 is preferably provided as the processing unit, and this can comprise the storage device. Alternatively, a separate storage device (not shown in Fig. 4) can also be provided.
  • Fig. 4 also shows a voltage measurement input 150, which is connected to the terminals 40 for voltage measurement, as well as an analog to digital converter 120 and an output unit 140, which can be connected in particular to an output interface.
  • Figure 5 shows a schematic representation of an alternative embodiment of a measuring device 1' in perspective view.
  • the retaining device is designed as a second housing part 20' that can be detachably connected to a first housing part 10', wherein in particular the first and second housing parts 10' and 20' each have locking elements 11' and 21' that are complementary to one another.
  • another suitable type of detachable connection could also be provided, such as a screw connection in which the first and second housing parts 10' and 20' can be connected by means of a screw connection.
  • the measuring device 1' shown in Fig. 5 has a communication interface 30', input connections 40 for voltage measurement and a user interface 50. Furthermore, the measuring device 1' is provided with a connection 70 for connecting a voltage supply, as well as display and/or operating elements 60.
  • the first and second housing parts 10' and 20' are designed to form an openable and closable conductor feedthrough.
  • the measuring device 1 also comprises a processing unit connected to magnetic field sensors and a storage device, which is designed to determine a value for the current intensity of the electrical current flowing through at least one conductor 200' depending on the measured values of the magnetic field sensors and depending on the parameters stored in the storage device when the at least one conductor 200' extends through the defined measuring range in any position and orientation, wherein a microcontroller 130 can again preferably be provided as the processing unit.
  • the conductor to be measured can in principle be positioned in any position and orientation in the measuring range and can have different conductor cross-sections up to a maximum conductor cross-section specified by the design of the measuring device.
  • a conductor 200' with such a maximum conductor cross-section is shown as an example.
  • top hat rail supports 91 For mounting on a support rail 90, appropriately adapted top hat rail supports 91 can be provided. It should be noted that, depending on the design, the first housing part 10 or the retaining device can be designed for mounting on a support rail 90.
  • the respective retaining device 20 or 20' does not comprise any electrical or electronic components.
  • Fig. 6 shows a schematic perspective view of an alternative embodiment of a measuring arrangement 100 that can be used in a measuring device according to the invention for measuring the current intensity of an electric current flowing through a conductor 200.
  • the measuring arrangement 100 comprises a processing unit 130 and a plurality of magnetic field sensors 101-108 connected to the processing unit.
  • the processing unit comprises a microcontroller 130, which is advantageously designed to execute commands stored in a memory.
  • the processing unit can alternatively comprise a microprocessor or a CPU (Central Processing Unit).
  • Any magnetically sensitive sensor can serve as a magnetic field sensor, in particular a Hall sensor, a fluxgate sensor, a magneto-resistive sensor or a magneto-optical sensor.
  • the magnetic field sensors 101-108 are designed to measure the magnetic flux density in a spatial direction indicated by arrows.
  • the circuit board 110 has a U-shaped contour that allows a conductor 200 carrying a current to be measured to be introduced into the area between the sensors 101-108.
  • the current-carrying conductor 200 does not pass through the exact center of the area, but the point of passage has a displacement x s in a first spatial direction, shown as the x-axis in Fig. 6, and a displacement y s in a second spatial direction, shown as the y-axis in Fig. 6.
  • the magnetic field sensors are arranged in a plane, with the conductor 200 not passing perpendicularly through the plane in which the sensors are located, but having a directional angle ⁇ and a tilt angle ⁇ with respect to the plane, with both angles being unequal to 90° in the exemplary embodiment shown.
  • the directional angle ⁇ represents the direction of the projection of the conductor 200 into the xy plane and the tilt angle ⁇ indicates the angle of intersection between the conductor 200 and the xy plane.
  • the embodiments described above show variants of the device structure of the measuring device, whereby a current measuring input, a voltage measuring input, a supply connection and an interface for data output and communication are preferably provided.
  • the measuring device can advantageously be divided into 2 components by separating or folding them open, which can be connected to one another, for example, by a hinge or by snap hooks or tabs.
  • the current measurement input is realized, for example, by the 8 magnetic field sensors described above on a circuit board.
  • the existing voltage input can be used to measure a voltage on the line 200 or 200' to be measured, for example by tapping a voltage at the terminal points.
  • power and energy can be calculated in the measuring device designed as a measuring transducer, which can be stored in the measuring device by logging and, depending on the device variant, output via an analog output or digital interfaces, such as Modbus RTU (interface via RS485), Modbus TCP (RJ45 socket), USB (USB-C interface).
  • Modbus RTU interface via RS485
  • Modbus TCP RJ45 socket
  • USB USB-C interface
  • Fig. 7 shows a schematic block diagram of a measuring arrangement such as the measuring arrangement 100 shown in Fig. 6.
  • the analog output signals of a plurality of magnetic field sensors 101-1On and the voltage input 150 are connected to an analog to digital converter 120 and converted there into a digital data stream.
  • the electrical measuring input 150 can be connected to the ADC 120 via a safe separation 155.
  • the digital data stream is passed to a microcontroller 130.
  • the processor of the microcontroller 130 calculates a value for the current intensity of the electrical current flowing in the conductor 200 from the digital data stream, with an optimization algorithm preferably being used in the calculation, which is described in more detail below.
  • a signal is generated from the calculated value for the current intensity, which is output using an output unit 140.
  • it is also possible to output a current proportional to the current in the conductor e.g. in the range of 0 to 20mA.
  • the output unit 140 can also output the determined current in digital form, for example via a field bus such as Modbus, Profmet, etc., or can also be displayed via device-internal web-based management, ie on a website accessible via the user interface.
  • the output unit 140 can also carry out an evaluation of the calculated value of the current, voltage or power and, for example, when a threshold value is reached, output a warning signal at a digital output or by setting a register value.
  • an analog-to-digital converter and a magnetic field sensor to be integrated in one component, for example in the form of an IC (integrated circuit). In this case, a digital data stream is sent from each magnetic field sensor with an integrated analog-to-digital converter to the processor, for example using FC.
  • measuring transducers i.e. several of the measuring devices described above
  • a digital interface such as Modbus RTU
  • this can also be used to measure multi-conductor DC networks or, for example, 3-phase AC networks.
  • the communication interfaces 30 and 30' described above can be used for this purpose.
  • one of the devices is preferably configured as the master, with the other devices connected to the bus acting as clients.
  • the master receives the measurement data from the clients and, based on the incoming measurement data provided with a time stamp, calculates the temporal progression of current and voltage, as well as the resulting values for power and (taking the times into account) the energy.
  • This data can be output or displayed via the user interface 50, an analog output, a digital interface or via an internal website.
  • data generated when determining the current can be exchanged between the measuring devices in order to reduce the influence of the measuring devices by the neighboring current-carrying conductors.
  • the combined data from several measuring transducers can also provide information on the symmetry of the load distribution between the individual lines and unintentional earth faults (sum of the phase currents not equal to 0).
  • the embodiment shown in Fig. 6 comprises 8 sensors, each of which detects the magnetic field in one spatial direction. However, other configurations are also conceivable in which a different number of sensors are positioned in a different arrangement, which detect the magnetic flux density in one, two or three spatial directions.
  • the magnetic field caused by the current to be measured is measured using several sensors at different positions and spatial directions.
  • the sensors are fixed in a fixed arrangement, in the embodiment shown on a circuit board 110.
  • the arrangement has an opening that allows current conductors to be brought into the measuring range without breaking the circuit. It is not necessary to fix the current conductor in a specific position or a specific orientation, but it is sufficient if the conductor is in any position in any orientation within a defined measuring range.
  • the defined measuring range is specified in particular by the design of the first housing part 10 or 10' or by the design of the measuring arrangement 100 adapted to it, whereby the design can vary depending on the intended use.
  • the measuring arrangement 100 comprises a circuit board 110 on which the processing unit and the plurality of magnetic field sensors 101-108 are arranged, wherein the circuit board 110 has a U-shape due to a recess provided in the circuit board, wherein the recess forms two circuit board arms between which the predetermined measuring range of the measuring arrangement lies, and wherein at least one of the plurality of magnetic field sensors 101-108 is arranged on each of the two circuit board arms.
  • four of the magnetic field sensors are arranged on each of the two circuit board arms in a row along the extension direction of the respective circuit board arm.
  • the sensor signals are converted into a digital data stream using analog-to-digital conversion, which can be processed using a processor in the microcontroller or CPU to ultimately output the current to be measured.
  • the invention preferably provides for the use of an optimization algorithm for the measurement data evaluation.
  • the algorithm has the task of finding the combination of values for conductor variables that best "explains" the existing measured values of the magnetic field sensors, whereby the conductor variables include in particular the position and orientation of the conductor in the measuring range and optionally the current to be measured.
  • Optimization algorithms require a cost or quality function that expresses the quality of an estimate in a number. The estimate is then varied to find the value that achieves the highest quality or the lowest cost. The optimization algorithm can be terminated after a specified number of optimization runs or when the quality criterion falls below a predefined limit.
  • the estimated value consists of the combination of the values of the conductor variables and thus represents an N-dimensional vector, where N is defined by the number of conductor variables.
  • Other influencing factors that can be taken into account are the cross-sectional shape of the conductor and the position, orientation and current strength of any adjacent current conductors.
  • the position and orientation of the conductor are basically only auxiliary variables that arise as a by-product of the optimization algorithm in order to increase the accuracy of the current strength to be measured. An output of these values is typically not provided.
  • the following steps are advantageously provided: a) measuring, at a first point in time, by each of the magnetic field sensors 101-108, a value for the magnetic flux density along at least one spatial direction at the location of the respective magnetic field sensor 101-108, b) setting the values for a plurality of conductor variables to respective starting values, wherein the conductor variables comprise variables which represent the position and orientation of the at least one current-carrying conductor 200 relative to the measuring arrangement, c) calculating expected values with respect to the values measured by the magnetic field sensors 101-108 as a function of the values of the plurality of conductor variables, d) determining a value of a predeterminable first quality function as a function of the values calculated in step c) and the values measured in step a), e) as long as a predeterminable first termination criterion
  • the at least one conductor advantageously comprises exactly one conductor.
  • the at least one conductor can also comprise several conductors, each of which is positioned independently of one another in any position and orientation in the predetermined measuring range of the measuring arrangement 100.
  • the number of conductor variables to be optimized increases accordingly, and thus possibly also the number of magnetic field sensors required.
  • the at least one conductor can also comprise several conductors, the position and orientation and possibly current strength of which can be represented by conductor variables that satisfy known boundary conditions, for example if it is known in a cable with several conductors that the conductors have the same orientation and a fixed distance from one another and possibly also have the same current strength. These known boundary conditions can advantageously be taken into account when executing the optimization algorithm.
  • the at least one conductor can also comprise several conductors, which, however, are positioned as a single conductor. treated, for example in the case of a bundle conductor comprising a plurality of individual conductors. For the sake of clarity and better comprehensibility, only one conductor 200 is shown in Fig. 6.
  • the current determination algorithm is shown in the form of a schematic flow diagram.
  • step 300 the measured values of the magnetic field sensors 101-108 are recorded at a first time step.
  • step 310 parameters of a current conductor for which the current intensity is to be determined are initially specified, ie values for a plurality of corresponding conductor variables are set to respective starting values.
  • the conductor variables include variables which represent the position and orientation of the at least one conductor 200 through which current flows relative to the measuring arrangement 100.
  • the conductor variables which represent the position and orientation of the conductor are the passage position in the x direction, ie x s , the passage position in the y direction, ie y s , as well as the direction angle ⁇ and the tilt angle ⁇ .
  • the current strength to be determined can also be taken into account as an additional conductor variable.
  • step 320 the sensor values of the magnetic field sensors expected with the specified values of the conductor variables are calculated, whereby the Biot-Savart law is advantageously applied for this calculation.
  • the Biot-Savart law can advantageously be applied for simplicity for an infinitely long straight conductor. This is in cylindrical coordinates:
  • the calculation is also carried out depending on information or parameters of the magnetic field sensors, whereby the parameters in particular include the position, orientation and/or metrological properties of the respective magnetic field sensor represent.
  • the parameters in particular include the position, orientation and/or metrological properties of the respective magnetic field sensor represent.
  • information is taken into account regarding the respective position, the orientation, e.g. as the value of a tilt angle, the gain, i.e. the proportionality between the existing magnetic flux density and the sensor output value, and the offset, i.e. a zero point deviation.
  • These parameters can advantageously be determined in advance by a calibration method described in more detail below and stored in a memory of the measuring arrangement 100, for example a memory of the microcontroller 130.
  • the parameters of the magnetic field sensors taken into account in the calculation can advantageously be adapted to the ambient conditions by adjusting the respective parameter values in order to achieve, for example, temperature compensation and/or compensation for supply voltage fluctuations.
  • the measuring arrangement advantageously has corresponding sensors for temperature measurement and/or voltage measurement.
  • the provision of the parameters of the magnetic field sensors is shown in Fig. 8 as step 330.
  • a value of a predefinable first quality or cost function is determined as a function of the values calculated in step 320 and the values measured in step 300, wherein in particular the recorded sensor values are compared with the calculated values in order to determine the value of the quality or cost function.
  • a preferred option is to calculate which magnetic field would be established at the positions of the individual magnetic field sensors if the estimated conductor variables were present, in particular by applying the Biot-Savart law, whereby in this case the costs result from the differences between the calculated and the actually measured field strengths, whereby, for example, a standard deviation or a difference between minimum and maximum can be calculated.
  • the current to be measured is taken into account as one of the conductor variables.
  • Such a cost function is used in the flow chart shown as an example in Fig. 8. and accordingly the current to be measured is taken into account as one of the conductor variables.
  • Another possibility for determining the current intensity is to determine an amplification factor from the estimated geometric arrangement of the at least one conductor 200, i.e. from the current estimated values of the conductor variables for each of the magnetic field sensors 101-108, with the aid of which an estimated current intensity is calculated from the actually measured field intensity. If the estimated arrangement of the at least one conductor 200 corresponds to reality, the same current intensity results from each measured value. Accordingly, the deviations of the estimated values for the current intensity can be used as a cost function.
  • the respective amplification factor is again advantageously calculated using the Biot-Savart law, whereby the amplification factors are calculated on the basis of standardized magnetic field measurements, whereby the standardization can, for example, provide for the measured values to be divided by the largest of the measured values, whereby the standardized values are then independent of the current strength and only contain information about the position and orientation of the conductor, so that the current strength to be measured does not have to be taken into account as one of the conductor variables in this case.
  • step 350 it is analyzed whether a termination criterion has been reached.
  • the amount of the costs calculated by the cost function can be analyzed as a termination criterion, whereby, for example, the exceeding or falling below of a threshold value can be provided as a termination criterion.
  • Another termination criterion can be the number of previous optimization runs. If a limit is reached, the determination process is terminated and the determined value of the current to be measured is saved in step 370.
  • the current conductor parameters ie the conductor variables
  • the current conductor parameters are optimized in step 360 using a predefinable first optimization algorithm, ie the values of the majority of conductor variables are varied depending on the predefinable first optimization algorithm, whereby in particular the value of at least one of the ladder variables is changed.
  • a predefinable first optimization algorithm ie the values of the majority of conductor variables are varied depending on the predefinable first optimization algorithm, whereby in particular the value of at least one of the ladder variables is changed.
  • Various optimization algorithms known from the literature can be used for the optimization, for example the simplex method according to Nelder and Mead, the particle swarm optimization, the trust region method, the Powell method, and many more.
  • a minimum of 5 measured values of the magnetic flux density are required for optimization.
  • magnetic field sensors are provided that each only detect one component of the magnetic flux density, at least 5 magnetic field sensors are advantageously provided.
  • a number of magnetic field sensors is provided that is greater than or equal to the number of conductor variables taken into account in the optimization. Increasing the number of magnetic field sensors leads to an improvement in accuracy, since the determination method is then overdetermined and interference such as sensor noise, interference fields from neighboring conductors and the like have less influence on the accuracy of the current strength to be determined.
  • the arrangement of the magnetic field sensors is advantageously chosen so that the current determination algorithm, ie in particular the optimization algorithm, converges well and quickly.
  • the arrangement of the magnetic field sensors shown in Fig. 6 and a large number of other arrangements of magnetic field sensors investigated by the inventors result in convex optimization problems that can be solved with most optimization algorithms, whereby the use of the Powell method for optimization has proven to be particularly advantageous in this regard.
  • the Powell method is described, for example, in "An efficient method for finding the minimum of a function of several variables without calculating derivatives.”, MJD Powell, Computer Journal, 7: 155 - 162, 1964.
  • Other influencing factors can advantageously be estimated as conductor variables, such as the position, orientation and current intensity of an adjacent current-carrying conductor.
  • the method can advantageously provide that the plurality of conductor variables includes, for example, variables which represent the current intensity and/or the position and orientation of at least one conductor arranged outside the predetermined measuring range.
  • the conductor variables ie for example the current strength of the electric current flowing through at least one conductor, as well as the conductor position and orientation
  • a neural network can be trained, for example, with the help of synthetically generated, ie simulated, or real measurement data.
  • a current impressed in the simulation or measurement can be used as a label as an evaluation criterion.
  • the conductor variables adjusted using the optimization method are then used in step 320 to calculate the newly resulting magnetic field sensor values and to carry out the subsequent steps described above.
  • a wait step 380 is carried out in which the estimation algorithm remains until sensor values for the next time step are available. If the current is not part of the conductor variables, the current is first calculated by "denormalization" before saving, whereby this is done by multiplying the sensor values by the reciprocal of the normalization value.
  • a value of the predeterminable first quality or cost function is again determined in step 340 as a function of the sensor values measured in step 390 and the values last calculated in step 320, whereby again the recorded sensor values are compared with the calculated values in order to determine the value of the quality or cost function.
  • the termination criterion is met and the estimated current strength is saved. This is particularly the case if the real conductor parameters, which are represented by the conductor variables, have not changed or have only changed slightly compared to the previous time step. If the termination criterion is not met, the optimization of the conductor variables is continued as described above.
  • the optimization, and thus the estimation of the ladder variables, is therefore carried out continuously during the ongoing measurement operation.
  • the last optimization result from the previous time step can be used as the starting value. For this reason, no large convergence speeds are necessary and usually a few iteration steps per time step are sufficient.
  • the current determination algorithm described in Fig. 8 requires information on the magnetic field sensors, which in particular includes position, orientation, offset and gain of the respective magnetic field sensor.
  • This information can be obtained, for example, from design data of the circuit board and sensors and from the technical data sheets of the sensors.
  • these parameters can be determined by measuring existing hardware, for example during a series comparison in a final production inspection. Measuring the sensor properties can be complex and some sensor properties are difficult or even impossible to measure.
  • the position of a magnetic field-sensitive element such as a Hall plate within a sensor module housing can vary from specimen to specimen, so that non-destructive testing methods such as X-ray analysis with high spatial resolution would have to be carried out to clearly determine the position and orientation of the sensor.
  • the invention provides a method for calibrating a measuring device described above, with the aid of which parameters of the plurality of magnetic field sensors are determined, wherein the parameters represent in particular the position, the orientation and/or metrological properties of the respective magnetic field sensor, and wherein the determined parameters of the magnetic field sensors are stored in the storage device of the measuring device.
  • the calculation of expected values with respect to the values measured by the magnetic field sensors is then preferably carried out as a function of the parameters of the plurality of magnetic field sensors determined for the plurality of magnetic field sensors with the aid of the calibration method.
  • the calibration procedure provides for at least one calibration conductor, through which a current of a predeterminable current intensity flows, to be introduced into the specified measuring range in different arrangements one after the other, and for each arrangement the following steps to be carried out:
  • the calibration measurement method shown as an example can be divided into three sections.
  • a first section 510 the calibration is initialized.
  • the parameters of the magnetic field sensors i.e. values for the majority of sensor variables
  • the third section 530 the position and orientation of the at least one calibration conductor relative to the measurement arrangement, i.e. values for the majority of calibration conductor variables, are determined.
  • step 514 the values for the plurality of sensor variables and the values for the plurality of calibration conductor variables are initially specified, corresponding to step B) above.
  • the sensor positions and alignments can be assumed, for example, from design data of the circuit board 110 and gain can be taken from the data sheet.
  • the offset can initially be assumed to be 0.
  • a sensor count index i is initially set to 1 in step 521.
  • a calibration conductor can be moved in the measuring area manually or automatically, for example with the aid of mechanical actuators.
  • a calibration arrangement can be provided for the calibration, as shown schematically in Fig. 10.
  • calibration conductors Kl to K9 are shown as the at least one calibration conductor, which are positioned within the measuring range of the measuring arrangement 100 shown in Fig. 6, wherein a return conductor KR is also provided in the calibration arrangement shown.
  • the calibration conductors Kl to K9 are positioned in the area between the magnetic field sensors 101 to 108, the return conductor KR is positioned outside the measuring range and all calibration conductors run perpendicular to the representation plane in the exemplary embodiment shown.
  • a controllable current source 620 can be configured for the respective calibration configuration m with m E ⁇ 1, ... , m max ] via a control input 610 and the calibration current I m can thus be specified.
  • the calibration current can be fed to the calibration conductors Kl to Kn and the calibration return conductor KR, which is outside the measuring range, via the switches S 1, 1 to Sn,l, Sl,2 to Sn, 2 and SR via a controllable switching matrix 630. It is possible for no calibration conductor at all, a calibration conductor and the calibration return conductor, a calibration conductor pair or several calibration conductors and/or the return conductor to be connected to the controllable current source.
  • the conductor parameters determined in configurations 2, 3 and 4, i.e. the values of the corresponding calibration conductor variables, can advantageously be reused in configurations 5 to 10, taking into account the current direction and the current amplitude I m .

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Abstract

Die Erfindung sieht ein Messgerät (1, 1') zum kontaktlosen Messen der Stromstärke eines Gleich-oder Wechselstroms vor, umfassend wenigstens ein erstes Gehäuseteil (10, 10'), welches durch seine Bauform einen außerhalb des ersten Gehäuseteils (10, 10') angeordneten Messbereich definiert, sowie eine Mehrzahl Magnetfeldsensoren (101- 108, 101'-108'), welche an festen Positionen und in festen Orientierungen angeordnet sind, und eine Speichereinrichtung, in der Parameter der Magnetfeldsensoren (101-108, 101'-108') gespeichert sind Das Messgerät (1, 1') ist dazu ausgebildet, in Abhängigkeit der Messwerte der Magnetfeldsensoren (101-108, 101'-108') und in Abhängigkeit der gespeicherten Parameter einen Wert für die Stromstärke eines durch wenigstens einen Leiter (200, 200') fließenden elektrischen Stroms zu ermitteln, wenn sich der wenigstens eine Leiter (200, 200') in beliebiger Lage und Orientierung durch den definierten Messbereich hindurch erstreckt. Ferner sieht die Erfindung ein Messsystem, sowie ein Verfahren zum Kalibrieren des Messgeräts vor.

Description

Messgerät zur kontaktlosen Strommessung und Verfahren zu dessen Kalibrierung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft allgemein eine kontaktlose Messung der Stromstärke eines in einem Leiter fließenden elektrischen Stroms, und insbesondere ein für diesen Zweck ausgebildetes Messgerät und ein Verfahren zum Kalibrieren eines solchen Messgeräts.
Um den in einem Leiter fließenden Strom zu ermitteln, sind verschiedene Messverfahren bekannt. Beispielsweise kann der Spannungsabfall über einem Widerstand wie zum Beispiel einem Shunt-Widerstand ermittelt werden und mit dem bekannten Widerstandswert auf den fließenden Strom gemäß dem Ohm‘ sehen Gesetz geschlossen werden. Darüber hinaus sind Strommessanordnungen mit einem ferromagnetischen Kern bekannt, die nach dem Transformator-Prinzip arbeiten. Dabei wird der Leiter mit dem zu messenden Strom durch einen Kern hindurchgeführt. Der Leiter mit dem zu messenden Strom bildet dabei den Primärleiter eines Transformators. Über eine Sekundärwicklung, die auf den Kern gewickelt wird, kann durch den durch einen an der Sekundärwicklung angeschlossenen, als Bürde bezeichneten Widerstand fließenden Strom auf den Primärstrom geschlossen werden. Der Sekundärstrom ist proportional zu dem Primärstrom und über das Windungsverhältnis zwischen der Sekundärwicklung und der Primärwicklung gegeben. Das Transformator-Prinzip ist jedoch in seiner Anwendung auf das Messen von Wechselströmen beschränkt.
Ferner ist es möglich, beispielsweise mittels Hall-Sensoren das durch einen Strom verursachte Magnetfeld zu messen und daraus auf den verursachenden Strom zu schließen. Auf diese Weise können Ströme, auch Gleichströme, kontaktlos gemessen werden. Insbesondere sind hierbei Verfahren bekannt, die keinen ferromagnetischen Kern zur Bündelung des magnetischen Feldes erfordern. Insbesondere kann eine Auswertung der magnetischen Feldstärke nach dem Ampere ‘ sehen Gesetz erfolgen, wonach der gemessene Strom auf der Lösung eines Wegintegrals des magnetischen Feldes beruht. Dazu kann die Formel Im = s Hds verwendet werden, wobei Im den zu messenden elektrischen Strom bezeichnet, S einen geschlossenen Weg im Raum beschreibt, der den Strom einschließt, und wobei H die vektorielle magnetische Feldstärke und ds das Differential des Integrationsweges bezeichnet. Wird die magnetische Flussdichte mit Hilfe von Sensoren punktuell in einer Raumrichtung erfasst, ergibt sich als Approximation die Formel Ima ~ wobei Ima den approximierten zu messenden Strom und po die Permeabilität des Vakuums bezeichnen und i einen Zählindex, der von 1 bis N läuft, wobei N die Anzahl der Magnetfeldsensoren ist und Bi die von dem i-ten Sensor erfasste magnetische Flussdichte in Richtung des Wegelements mit der Länge s; ist. Die Wegelemente s; müssen dabei so angeordnet sein, dass sie einen geschlossenen Weg im Raum bilden, der den zu messenden Leiter einschließt. Die Approximation des Stroms ist dann exakt, wenn die Anzahl der Magnetfeldsensoren gegen unendlich strebt. Ist die Anzahl der Sensoren endlich, kann sich ebenfalls eine exakte Lösung ergeben, wenn beispielsweise die Magnetfeldsensoren auf einer kreisförmigen Bahn äquidistant angeordnet und tangential zu ihr ausgerichtet sind und der zu messende Strom genau senkrecht durch die Fläche hindurchtritt, in der sich die Kreisbahn befindet und durch die der Strom exakt durch den Mittelpunkt der Kreisbahn hindurchtritt. Jedoch sind die Bedingungen für eine exakte Lösung in der Praxis meist nicht erfüllt.
Messanordnungen, die das oben beschriebene Messprinzip auf Basis des Ampere ‘ sehen Gesetzes verwenden, werden beispielsweise in EP 3 589 961 Bl, US 11,150,272 B2, EP 3 958 003 Al und EP3259603B1 beschrieben.
Mechanismen zur Kompensation von störenden Magnetfeldern werden beispielsweise in US 11029342 B2 und US 2021/0231709 Al beschrieben. In EP 3948310 Al wird ferner eine Messanordnung beschrieben, die zu diesem Zweck eine Filtereinheit zum Homogenisieren von externen Magnetfeldern umfasst, d.h. von Magnetfeldern, welche nicht durch den zu messenden elektrischen Strom hervorgerufen werden. Um aufgrund eines von einem stromdurchflossenen Leiter erzeugten Magnetfeldes durch Messen des Magnetfeldes mittels Magnetfeldsensoren auf die Stromstärke des durch den Leiter fließenden elektrischen Stroms zu schließen, ohne das oben beschriebene Messprinzip auf Basis des Ampere ‘ sehen Gesetzes zu verwenden, muss die Lage des stromdurchflossenen Leiters relativ zu den Magnetfeldsensoren bekannt sein.
Bei den beispielsweise in WO 2022030287 Al, EP 2821798 Bl, EP 2921864 Bl und EP 3106884 Bl beschriebenen Messanordnungen ist zu diesem Zweck jeweils vorgesehen, den zu messenden elektrischen Leiter in einer vorgegebenen Position zu fixieren. In WO 2010/096344 Al wird eine Strommessvorrichtung zur Messung eines Wechselstroms in einem Leiter beschrieben, in welcher eine Mehrzahl von Mess-Spulen vorgesehen sind, mittels derer die Lage des Leiters bestimmt wird.
Aus EP 3761044 Al ist ferner eine Strommessvorrichtung mit zwei Magnetfeldsensoren bekannt, wobei aus den Messwerten der Magnetfeldsensoren auf die Leiterposition und die Leiterorientierung und den zu messenden Strom geschlossen werden, wobei zu diesem Zweck aufwändige Triaxial-Magnetfeldsensoren eingesetzt werden, d.h. Magnetfeldsensoren, die das Magnetfeld in allen drei Raumachsen messen. Ein Messfehler ergibt sich bei dem in EP 3761044 Al beschriebenen Verfahren nachteilig daraus, dass bei der Berechnung angenommen wird, dass sich die durch den jeweiligen Triaxial-Sensor in den drei Raumrichtungen erfassten Komponenten des Magnetfeldes auf einen identischen Raumpunkt beziehen, wobei dies konstruktionsbedingt nur näherungsweise der Fall ist, da ein Triaxial-Sensor aus getrennten, räumlich benachbarten Sensoren für die jeweilige Raumrichtung aufgebaut ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, wie die Stromstärke eines durch einen Leiter fließenden elektrischen Stroms auf vereinfachte und/oder verbesserte Weise ermittelt werden kann, wobei insbesondere ein kontaktloses Messen sowohl von Gleich- als auch von Wechselströmen ermöglichet werden soll, und wobei insbesondere ein entsprechendes Messgerät vorgeschlagen werden soll, welches für eine Nachrüstung, d.h. für ein Retrofit, an bestehenden Leitungen für unterschiedliche Leitungsquerschnitte geeignet ist, und das auf eine Verwendung eines ferromagnetischen Kerns verzichtet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, wobei die angegebenen Merkmale und Vorteile im Wesentlichen für alle unabhängigen Ansprüche gelten können.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist dementsprechend ein Messgerät zum kontaktlosen Messen der Stromstärke eines durch wenigstens einen Leiter fließenden elektrischen Gleich-oder Wechselstroms vorgesehen, wobei das Messgerät wenigstens ein erstes Gehäuseteil umfasst, welches durch seine Bauform einen außerhalb des ersten Gehäuseteils angeordneten Messbereich definiert, sowie eine Mess-Anordnung mit einer Mehrzahl Magnetfeldsensoren, welche an festen Positionen und in festen Orientierungen relativ zu dem definierten Messbereich angeordnet sind.
Ferner umfasst das Messgerät eine Speichereinrichtung, in der Parameter der Magnetfeldsensoren gespeichert sind, wobei die Parameter Informationen zu den Positionen, zu den Orientierungen und zu messtechnischen Eigenschaften der Magnetfeldsensoren umfassen, sowie eine mit den Magnetfeldsensoren und der Speichereinrichtung verbundene Verarbeitungseinheit, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Messwerte der Magnetfeldsensoren und in Abhängigkeit der in der Speichereinrichtung gespeicherten Parameter einen Wert für die Stromstärke des durch den wenigstens einen Leiter fließenden elektrischen Stroms zu ermitteln, wenn sich der wenigstens eine Leiter in beliebiger Lage und Orientierung durch den definierten Messbereich hindurch erstreckt.
Um sicherzustellen, dass ein zu messender Leiter während einer Strommessung innerhalb des definierten Messbereichs verbleibt, umfasst das Messgerät eine Rückhalteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, zusammen mit dem ersten Gehäuseteil eine offen- und schließbare Leiterdurchführung zu bilden, wobei die Rückhalteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass sich ein in die Leiterdurchführung eingebrachter Leiter durch den definierten Messbereich hindurch erstreckt.
Zur Ausgabe von durch die Verarbeitungseinheit ermittelten Werten weist das Messgerät wenigstens eine Ausgabeschnittstelle zum Ausgeben des ermittelten Wertes für die Stromstärke und/oder eines aus dem ermittelten Wert der Stromstärke abgeleiteten Wertes auf.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Messsystem vorgesehen, welches wenigstens zwei oben beschriebene Messgeräte umfasst, die zum Austausch von Messdaten kommunikativ miteinander verbunden sind.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Kalibrieren eines oben beschriebenen Messgeräts vorgesehen, wobei das Kalibrierungsverfahren vorsieht, wenigstens einen Kalibrierungs-Leiter, durch den ein Strom vorgebbarer Stromstärke fließt, nacheinander in unterschiedlichen Anordnungen in den definierten Messbereich einzubringen, und für jede Anordnung jeweils die folgenden Schritte auszuführen:
A) Messen durch jeden der Magnetfeldsensoren der Mess- Anordnung, jeweils eines Wertes für die magnetische Flussdichte entlang wenigstens einer Raumrichtung am Ort des jeweiligen Magnetfeldsensors,
B) Festlegen der Werte für eine Mehrzahl von Sensor-Variablen und Kalibrierungs- Leiter-Variablen auf jeweilige Startwerte, wobei die Sensor-Variablen Parameter der Mehrzahl von Magnetfeldsensoren repräsentieren, umfassend insbesondere die Position, die Orientierung und/oder messtechnische Eigenschaften des jeweiligen Magnetfeldsensors, und wobei die Kalibrierungs-Leiter-Variablen Variablen umfassen, welche die Lage und Orientierung des wenigstens einen Kalibrierungs-Leiters relativ zu der Mess-Anordnung repräsentieren,
C) Berechnen von erwarteten Werten für die von den Magnetfeldsensoren gemessenen Werte in Abhängigkeit der Werte der Mehrzahl von Sensor-Variablen und Kalibrierungs-Leiter-Variablen,
D) Ermitteln eines Wertes einer vorgebbaren zweiten Gütefunktion in Abhängigkeit der in Schritt C) berechneten Werte und der in Schritt A) gemessenen Werte, E) solange ein vorgebbares zweites Abbruchkriterium noch nicht erfüllt ist, Variieren der Werte der Kalibrierungs-Leiter-Variablen in Abhängigkeit eines vorgebbaren zweiten Optimierungs- Algorithmus und Wiederholen der Schritte C) und D),
F) bei Erfüllen des zweiten Abbruchkriteriums, Speichern der Werte der Kalibrierungs- Leiter- Vari abl en,
G) Berechnen von erwarteten Werten für die von den Magnetfeldsensoren gemessenen Werte in Abhängigkeit der Werte der Sensor-Variablen und der gespeicherten Kalibrierungs-Leiter-Variablen,
H) Ermitteln eines Wertes einer vorgebbaren dritten Gütefunktion in Abhängigkeit der in Schritt G) berechneten Werte und der in Schritt A) gemessenen Werte,
I) solange ein vorgebbares drittes Abbruchkriterium noch nicht erfüllt ist, Variieren der Werte der Sensor-Variablen in Abhängigkeit eines vorgebbaren dritten Optimierungs- Algorithmus und Wiederholen der Schritte G) und H),
J) bei Erfüllen des dritten Abbruchkriteriums, Speichern der Werte der Sensor- Variablen,
K) solange ein vorgebbares viertes Abbruchkriterium noch nicht erfüllt ist, Wiederholen der Schritte C) bis J) mit den gespeicherten Werten der Sensor-Variablen und Kalibrierungs-Leiter-Variablen als Startwerte,
L) bei Erfüllen des vierten Abbruchkriteriums, Speichern der gespeicherten Werte der Sensor-Variablen als Parameter der Magnetfeldsensoren in der Speichereinrichtung des Messgeräts.
Mit Hilfe des beschriebenen Kalibrierverfahrens können die Parameter der Magnetfeldsensoren mit einer sehr hohen Genauigkeit ermittelt und in der Speichereirichtung des Messgerätes gespeichert werden, so dass vorteilhaft auch das Ermitteln eines Wertes für die Stromstärke des durch den wenigstens einen Leiter fließenden elektrischen Stroms durch die Verarbeitungseinheit, welches in Abhängigkeit der Messwerte der Magnetfeldsensoren und in Abhängigkeit der in der Speichereinrichtung gespeicherten Parameter erfolgt, mit einer hohen Genauigkeit ermöglicht wird. Da sich der wenigstens eine Leiter bei der Messung in beliebiger Lage und Orientierung durch den definierten Messbereich hindurch erstrecken kann, kann das Messgerät vorteilhaft für Leiter mit unterschiedlichen Querschnitten eingesetzt werden.
Das Gerät ermöglicht vorteilhaft eine kontaktlose Messung von AC- und DC-Strömen mit Hilfe von Magnetfeldsensoren ohne Verwendung eines ferromagnetischen Kerns und ist durch seinen Aufbau ferner vorteilhaft in der Lage, im Sinne eines Retrofit um bestehende Stromleitungen montiert zu werden, ohne dass dafür die Leitung in der Messöffnung fixiert werden muss. Durch zusätzliche Messung der zwischen dem Leiter und einem Bezugspotential anliegenden Spannung kann ferner vorzugsweise eine Leistungsmessung erfolgen, wobei durch das Verbinden mehrerer Geräte zudem eine Mehrphasenmessung ermöglicht wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messgeräts in perspektivischer Ansicht,
Figur 2 eine schematische Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Messgeräts, Figur 3 eine schematische Vorderansicht des in Fig. 1 dargestellten Messgeräts,
Figur 4 eine schematische Vorderansicht des in Fig. 1 dargestellten Messgeräts, mit teilweise geöffnetem Gehäuse zur Darstellung einer im Gehäuse angeordneten Mess- Anordnung,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messgeräts in perspektivischer Ansicht,
Figur 6 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Mess-Anordnung in perspektivischer Ansicht,
Figur 7 ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform einer Messkette des in Figur 1 dargestellten Messgeräts, Figur 8 ein beispielhaftes schematisches Ablaufdiagramm von Schritten zur Ermittlung der Stromstärke eines durch wenigstens einen Leiter fließenden elektrischen Stroms durch das Messgerät,
Figur 9 ein beispielhaftes schematisches Ablaufdiagramm von Schritten einer bevorzugten Ausführungsform eines Kalibrierungsverfahrens zur Ermittlung von Parametern bezüglich in dem Messgerät angeordneter Magnetfeldsensoren,
Figur 10 schematisch eine beispielhafte Kalibrieranordnung zur Durchführung des in Figur 9 dargestellten Kalibrierverfahrens in Draufsicht, und
Figur 11 schematisch eine beispielhafte Schaltungsanordnung zur selektiven Auswahl stromführender Kalibrierleiter der in Figur 10 dargestellten Kalibrieranordnung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messgeräts 1 in perspektivischer Ansicht. Das Messgerät 1 ist zum kontaktlosen Messen der Stromstärke eines durch wenigstens einen Leiter 200 fließenden elektrischen Gleich-oder Wechselstroms ausgebildet und umfasst wenigstens ein erstes Gehäuseteil, welches durch seine Bauform einen außerhalb des ersten Gehäuseteils angeordneten Messbereich definiert, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel das erste Gehäuseteil durch das Gehäuseteil 10 gebildet wird.
Durch die U-Form des Gehäuseteils 10 wird der Messbereich definiert, wobei der Leiter 200 in Fig. 1 innerhalb dieses Messbereichs positioniert ist.
Das Messgerät 1 umfasst ferner eine Mess- Anordnung mit einer Mehrzahl Magnetfeldsensoren, welche an festen Positionen und in festen Orientierungen relativ zu dem definierten Messbereich angeordnet sind, wobei diese Mess-Anordnung zum Schutz der Bauteile vorteilhaft innerhalb des Gehäuseteils 10 angeordnet ist und daher in Fig. 1 nicht dargestellt ist. Die Mess-Anordnung ist aber beispielsweise in Fig. 4 gezeigt.
Um sicherzustellen, dass ein zu messender Leiter 200 während einer Strommessung innerhalb des definierten Messbereichs verbleibt, umfasst das Messgerät 1 eine Rückhalteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, zusammen mit dem ersten Gehäuseteil 10 eine offen- und schließbare Leiterdurchführung zu bilden, wobei die Rückhalteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass ein in die Leiterdurchführung eingebrachter Leiter innerhalb des definierten Messbereichs verbleibt, wenn die Leiterdurchführung geschlossen ist.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rückhalteeinrichtung als ein beweglich am ersten Gehäuseteil 10 befestigter Rückhaltebügel 20 ausgebildet, welcher mittels mit Hilfe eines Drehgelenks 22 drehbar ist. Verschiedene andere Ausgestaltungen eines Rückhaltebügels und verschiedene andere Arten einer beweglichen Befestigung sind denkbar. Beispielsweise könnte auch eine schiebbare Rückhalteeinrichtung vorgesehen sein. Auch kann die Rückhalteeinrichtung vorteilhaft durch einen Kabelbinder, ein Gummiband oder eine Lasche mit aufgebrachten Rasthaken gebildet sein, die jeweils dazu ausgebildet und/oder angeordnet sind, die durch die U-Form des ersten Gehäuseteils 10 gebildete Öffnung zu verschließen.
Es ist wichtig anzumerken, dass die Rückhalteeinrichtung nicht dazu ausgebildet ist, den zu messenden Leiter mechanisch zu fixieren.
Das Messgerät 1 umfasst ferner wenigstens eine Ausgabeschnittstelle zum Ausgeben des ermittelten Wertes für die Stromstärke und/oder eines aus dem ermittelten Wert der Stromstärke abgeleiteten Wertes. Das in Fig. 1 dargestellte Messgerät 1 umfasst zum Ausgeben von Werten beispielsweise eine Benutzerschnittstelle 50 und eine Kommunikationsschnittstelle 30. Ferner ist das Messgerät 1 vorteilhaft zur Messung einer elektrischen Spannung ausgebildet, wobei das Messgerät 1 zu diesem Zweck insbesondere Eingangsanschlüsse 40 zur Spannungsmessung aufweist.
Die Kommunikationsschnittstelle 30 kann insbesondere zur Kommunikation mit wenigstens einem weiteren, insbesondere gleichartigen Messgerät, dienen, wobei das Messgerät 1 insbesondere dazu ausgebildet ist, mit dem wenigstens einen weiteren Messgerät Messdaten auszutauschen, wobei die Messdaten insbesondere zu in den Messdaten enthaltenen Messwerten jeweils einen zugeordneten Zeitstempel umfassen, der angibt, zu welchem Zeitpunkt die Messwerte ermittelt wurden.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Messgerät 1 zudem vorzugsweise dazu ausgebildet, über die Kommunikationsschnittstelle 30 mit einer Betriebsspannung versorgt zu werden.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Messgerät 1 zudem zur Montage auf einer beispielsweise als Hutschiene ausgebildeten Tragschiene 90 ausgebildet, wobei zu diesem Zweck vorteilhaft entsprechend angepasste Hutschienenträger 91 vorgesehen sein können.
Vorteilhaft kann das Messgerät als Messumformer ausgebildet sein, wobei das Messgerät in diesem Fall vorzugsweise zum Ermitteln eines Wertes für eine elektrische Leistung und/oder eines Wertes für eine elektrische Energie in Abhängigkeit wenigstens eines ermittelten Wertes für die Stromstärke des durch den wenigstens einen Leiter fließenden elektrischen Stroms und/oder in Abhängigkeit wenigstens eines Wertes einer gemessenen elektrischen Spannung und/oder in Abhängigkeit von über die wenigstens eine Kommunikationsschnittstelle empfangenen Messdaten ausgebildet ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Messgeräts 1 ist dieses dazu ausgebildet, zum Ermitteln der Stromstärke eines durch wenigstens einen Leiter 200 fließenden elektrischen Stroms die Lage und Orientierung des Leiters in Abhängigkeit der Messwerte der Magnetfeldsensoren zu ermitteln, wobei die Lage und Orientierung des Leiters beispielsweise durch die in Fig. 1 dargestellten Verschiebungen xs und ys in x- bzw. y-Richtung relativ zum Mittelpunkt des Messbereichs und die Winkel 201 und 202 definiert sein kann. Im dargestellten Beispiel gibt der Winkel 201 den Richtungswinkel des Leiters 200 in der x-z -Ebene und der Winkel 202 den Richtungswinkel des Leiters 200 in der y-z-Ebene an. In der in Fig. 2 dargestellten Seitenansicht ist nochmals der Winkel 202 dargestellt. Alternativ könnten auch andere Winkel herangezogen werden, wie zum Beispiel der Richtungswinkel 203 in der x-y-Ebene, welcher beispielhaft in Fig. 3 dargestellt ist. Fig. 4 zeigt eine schematische Vorderansicht des in Fig. 1 dargestellten Messgeräts 1, mit teilweise geöffnetem Gehäuse zur Darstellung einer im Gehäuse angeordneten Mess-Anordnung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Messgerät 1 eine Mess-Anordnung mit einer Mehrzahl Magnetfeldsensoren 101 ‘-108‘, welche an festen Positionen und in festen Orientierungen relativ zu dem definierten Messbereich angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Mehrzahl Magnetfeldsensoren 101 ‘-108‘ an festen Positionen und in festen Orientierungen auf einem innerhalb des ersten Gehäuseteils 10 angeordneten starren Träger 110‘ angeordnet, welcher vorteilhaft als Leiterplatte ausgebildet ist. Vorzugsweise weist die Leiterplatte durch eine in der Leiterplatte vorgesehene Aussparung eine U-Form auf, wobei durch die Aussparung zwei Leiterplatten-Arme gebildet werden, zwischen denen der durch die Bauform des Gehäuseteils 10 definierte Messbereich liegt, und wobei auf jedem der zwei Leiterplatten-Arme wenigstens einer der Mehrzahl der Magnetfeldsensoren 101‘-108‘ angeordnet ist.
In einer Speichereinrichtung des Messgeräts sind Parameter der Magnetfeldsensoren 101‘-108‘gespei chert, wobei die Parameter Informationen zu den Positionen, zu den Orientierungen und zu messtechnischen Eigenschaften der Magnetfeldsensoren 10L- 108‘ umfassen.
Ferner umfasst das Messgerät 1 eine mit den Magnetfeldsensoren 101 ‘- 108‘ und der Speichereinrichtung verbundene Verarbeitungseinheit, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Messwerte der Magnetfeldsensoren und in Abhängigkeit der in der Speichereinrichtung gespeicherten Parameter einen Wert für die Stromstärke des durch den wenigstens einen Leiter 200 fließenden elektrischen Stroms zu ermitteln, wenn sich der wenigstens eine Leiter 200 in beliebiger Lage und Orientierung durch den definierten Messbereich hindurch erstreckt. Als Verarbeitungseinheit ist vorzugsweise ein Mikrocontroller 130 vorgesehen, wobei dieser die Speichereinrichtung umfassen kann. Alternativ kann auch eine, in Fig. 4 nicht dargestellte, separate Speichereinrichtung vorgesehen sein. Fig. 4 zeigt ferner einen Spannungsmesseingang 150, welcher mit den Anschlüssen 40 zur Spannungsmessung verbunden ist, sowie einen Analog- zu Digitalumsetzer 120 und eine Ausgabeeinheit 140, welche insbesondere mit einer Ausgabeschnittstelle verbindbar ist.
In Figur 5 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform eines Messgeräts 1‘ in perspektivischer Ansicht dargestellt. In dieser Ausführungsform ist die Rückhalteeinrichtung als ein mit einem ersten Gehäuseteil 10‘ lösbar verbindbares zweites Gehäuseteil 20‘ ausgebildet, wobei insbesondere das erste und zweite Gehäuseteil 10‘ und 20‘ jeweils zueinander komplementär ausgebildete Rastelemente 11‘ bzw. 21‘ aufweisen. Alternativ könnte auch eine andere geeignete Art einer lösbaren Verbindung vorgesehen sein, wie zum Beispiel eine Verschraubung, bei der das erste und zweite Gehäuseteil 10‘ und 20‘ mittels einer Schraubverbindung verbindbar sind.
Ähnlich dem oben beschriebenen Messgerät 1 weist das in Fig. 5 dargestellte Messgerät 1‘ eine Kommunikationsschnittstelle 30‘, Eingangsanschlüsse 40 zur Spannungsmessung und eine Benutzerschnittstelle 50 auf. Ferner sind bei dem Messgerät 1‘ ein Anschluss 70 zum Anschließen einer Spannungsversorgung, sowie Anzeige- und/oder Bedienelemente 60 vorgesehen.
In der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind das erste und zweite Gehäuseteil 10‘ und 20‘ dazu ausgebildet, eine offen- und schließbare Leiterdurchführung zu bilden.
Analog zu dem oben beschriebenen Messgerät 1 umfasst auch das Messgerät 1 ‘ eine mit Magnetfeldsensoren und einer Speichereinrichtung verbundene Verarbeitungseinheit, welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Messwerte der Magnetfeldsensoren und in Abhängigkeit der in der Speichereinrichtung gespeicherten Parameter einen Wert für die Stromstärke des durch wenigstens einen Leiter 200‘ fließenden elektrischen Stroms zu ermitteln, wenn sich der wenigstens eine Leiter 200‘ in beliebiger Lage und Orientierung durch den definierten Messbereich hindurch erstreckt, wobei als Verarbeitungseinheit wiederum vorzugsweise ein Mikrocontroller 130 vorgesehen sein kann. Dementsprechend kann auch bei dem in Fig. 5 gezeigten Messgerät 1 ‘ der zu messende Leiter prinzipiell in beliebiger Lage und Orientierung im Messbereich positioniert werden und kann unterschiedliche Leiterquerschnitte bis zu einem durch die Bauform des Messgerätes vorgegebenen maximalen Leiterquerschnitt aufweisen. In Fig. 5 ist beispielhaft ein Leiter 200‘ mit einem solchen maximalen Leiterquerschnitt dargestellt.
Zur Montage auf einer Tragschiene 90 können wiederum entsprechend angepasste Hutschienenträger 91 vorgesehen sein. Es sei angemerkt, dass je nach Ausgestaltung das erste Gehäuseteil 10 oder die Rückhalteeinrichtung zur Montage auf einer Tragschiene 90 ausgebildet sein kann.
Es sei ferner angemerkt, dass vorzugsweise alle elektrischen und elektronischen Komponenten des Messgeräts 1 bzw. 1‘ ausschließlich im ersten Gehäuseteil 10 bzw. 10‘ angeordnet sind und dementsprechend die jeweilige Rückhalteeinrichtung 20 bzw. 20‘ keine elektrischen oder elektronischen Komponenten umfasst.
Fig. 6 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform einer Mess-Anordnung 100, die in einem erfindungsgemäßen Messgerät zur Messung der Stromstärke eines durch einen Leiter 200 fließenden elektrischen Stroms eingesetzt werden kann. Die Messanordnung 100 umfasst eine Verarbeitungseinheit 130 und eine Mehrzahl mit der Verarbeitungseinheit verbundene Magnetfeldsensoren 101-108. In der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform umfasst die Verarbeitungseinheit einen Mikrocontroller 130, welcher vorteilhaft dazu ausgebildet ist, in einem Speicher gespeicherte Befehle auszuführen. Statt eines Mikrocontrollers kann die Verarbeitungseinheit beispielsweise alternativ auch einen Mikroprozessor bzw. eine CPU (Central Processing Unit) umfassen.
Als Magnetfeldsensor kann ein beliebiger magnetisch empfindlicher Sensor dienen, insbesondere ein Hall-Sensor, ein Fluxgate-Sensor, ein magneto-resistiver Sensor oder ein magneto-optischer Sensor. Die Magnetfeldsensoren 101-108 sind dazu ausgebildet, die magnetische Flussdichte in einer, jeweils mit Pfeilen angedeuteten Raumrichtung zu erfassen. Die Leiterplatte 110 hat eine U-förmige Kontur, die es ermöglicht, einen Leiter 200, der einen zu messenden Strom führt, in den Bereich zwischen den Sensoren 101-108 einzubringen.
Der stromführende Leiter 200 durchtritt dabei nicht exakt den Mittelpunkt des Bereichs, sondern der Durchtrittspunkt hat eine Verschiebung xs in einer ersten Raumrichtung, in Fig. 6 als x-Achse dargestellt, und eine Verschiebung ys in einer zweiten Raumrichtung, in Fig. 6 als y-Achse dargestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Magnetfeldsensoren in einer Ebene angeordnet, wobei der Leiter 200 nicht senkrecht durch die Ebene tritt, in der sich die Sensoren befinden, sondern einen Richtungswinkel a und einen Kippwinkel ß gegenüber der Ebene aufweist, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel beide Winkel ungleich 90° sind. Es sei angemerkt, dass der Richtungswinkel a die Richtung der Projektion des Leiters 200 in die x-y -Ebene wiedergibt und der Kippwinkel ß den Schnittwinkel zwischen Leiter 200 und x-y-Ebene bezeichnet.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen Varianten des Geräteaufbaus des Messgeräts, wobei jeweils vorzugsweise ein Strommesseingang, ein Spannungsmesseingang, ein Versorgungsanschluss und eine Schnittstelle zur Datenausgabe und Kommunikation vorgesehen sind. Das Messgerät lässt sich vorteilhaft durch Auftrennen oder Aufklappen in 2 Komponenten teilen, die beispielsweise durch ein Scharnier oder durch Rasthaken oder Laschen miteinander verbunden werden können.
Der Strommesseingang wird beispielsweise durch die oben beschriebenen 8 Magnetfeldsensoren auf einer Leiterplatte realisiert.
Die beispielsweise in Fig.6. dargestellten Elemente für die Messwertaufnahme bestehend aus Analog-Digital-Converter (ADC) 120 und einer nachgelagerten Microcontrollereinheit (MCU) 130 ermitteln über einen Algorithmus den im Leiter 200 fließenden Strom. Durch den vorhandenen Spannungseingang kann eine beispielsweise an der zu messenden Leitung 200 bzw. 200‘ anliegende Spannung z.B. durch einen Spannungsabgriff an Klemmstellen gemessen werden. Anhand der ermittelten Werte für Stromstärke und Spannung aus den beiden Messeingängen können in dem als Messumformer ausgebildeten Messgerät Leistungen und Energien berechnet werden, die im Messgerät durch ein Logging gespeichert und je nach Gerätevariante über einen analogen Ausgang oder digitale Schnittstellen, wie beispielsweise Modbus RTU (Schnittstelle mittels RS485), Modbus TCP (RJ45 Buchse), USB (USB-C Schnittstelle) ausgegeben werden können.
Fig. 7 zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Mess-Anordnung wie beispielsweise der in Fig. 6 dargestellten Mess-Anordnung 100. Die analogen Ausgangssignale einer Mehrzahl Magnetfeldsensoren 101-lOn und des Spannungseingangs 150 werden an einen Analog- zu Digitalumsetzer 120 angeschlossen und dort in einen digitalen Datenstrom umgesetzt. Der elektrische Messeingang 150 kann dabei über eine sichere Trennung 155 mit dem ADC 120 verbunden werden. Der digitale Datenstrom wird an einen Mikrocontroller 130 geleitet. Der Prozessor des Mikrocontrollers 130 berechnet aus dem digitalen Datenstrom einen Wert für die Stromstärke des elektrischen Stroms, der in dem Leiter 200 fließt, wobei bei der Berechnung vorzugsweise ein Optimierungs- Algorithmus eingesetzt wird, der nachfolgend noch im Detail beschrieben wird. Aus dem berechneten Wert für die Stromstärke wird ein Signal erzeugt, das mit Hilfe einer Ausgabeeinheit 140 ausgegeben wird. Die Ausgabeneinheit 140 gibt z.B. eine analoge Spannung im Bereich von 0-10V nach dem NAMUR- Standard aus, wobei der ausgegebene Spannungswert proportional zu dem ermittelten Wert der Stromstärke (z.B. 0V=0A, 10V=1000A), Spannung (z.B. 0V=V, 10V=1000V) oder je nach Konfiguration Leistung (z.B. 0V=0W, 10V=100kW), ist. Es ist aber auch möglich, einen zum Strom im Leiter proportionalen Strom auszugeben, z.B. im Bereich von 0 bis 20mA. Die Ausgabeeinheit 140 kann den ermittelten Strom aber auch in digitaler Form, beispielsweise über einen Feldbus wie Modbus, Profmet etc. ausgeben, oder zum Beispiel auch über ein geräteinternes Web Based Management, d.h. auf einer über die Benutzer Schnittstelle erreichbaren Webseite, angezeigt werden. Die Ausgabeeinheit 140 kann auch eine Auswertung des berechneten Wertes der Stromstärke, der Spannung oder der Leistung durchführen und z.B. bei Erreichen eines Schwellwerts ein Warnsignal an einem digitalen Ausgang oder durch Setzen eines Registerwertes ausgeben. Es ist auch möglich, dass eine Analog- zu Digitalumsetzung und ein Magnetfeldsensor in einer Komponente, beispielsweise in Form eines IC (Integrated Circuit); integriert sind. In dem Fall werden von jedem Magnetfeldsensor mit integriertem Analog zu Digitalumsetzer jeweils ein digitaler Datenstrom an den Prozessor geleitet, beispielsweise unter Verwendung von FC.
Werden mehrere Messumformer, d.h. mehrere der oben beschriebenen Messgeräte, über eine digitale Schnittstelle, wie beispielsweise Modbus RTU, in einem Kommunikationsbus miteinander verbunden, können dadurch auch Mehrleiter DC Netze oder z.B. 3 Phasige AC -Netze gemessen werden. Zu diesem Zweck können insbesondere die oben beschriebenen Kommunikationsschnittstellen 30 bzw. 30‘ eingesetzt werden. Dafür wird vorzugsweise eines der Geräte als Master konfiguriert, wobei die anderen im Bus angeschlossenen Geräte als Client fungieren. Der Master empfängt die Messdaten der Clients und berechnet anhand der mit Zeitstempel versehenen eintreffenden Messdaten die zeitlichen Verläufe von Strom und Spannung, sowie der daraus resultierenden Werte für Leistung und (unter Berücksichtigung der Zeiten) die Energie. Diese Daten können über die Benutzerschnittstelle 50, einen analogen Ausgang, eine digitale Schnittstelle oder über eine interne Webseite ausgegeben bzw. angezeigt werden.
Zusätzlich können Daten, die bei der Ermittlung des Stroms erzeugt werden, wie insbesondere die Stromstärke des Leiterstroms, sowie Informationen zu Lage und Orientierung des Leiters, z.B. Informationen zu Position, Kipp- und Neigungsrichtung, zwischen den Messgeräten ausgetauscht werden, um die Beeinflussung der Messgeräte durch die benachbarten stromdurchflossenen Leiter zu reduzieren. Die kombinierten Daten mehrerer Messumformer können zudem Aufschluss über die Symmetrie der Lastverteilung zwischen den einzelnen Leitungen und unbeabsichtigte Erdschlüsse geben (Summe der Phasenströme ungleich 0). Das in Fig. 6 gezeigte Ausführungsbeispiel umfasst 8 Sensoren, die jeweils das Magnetfeld in einer Raumrichtung erfassen. Es sind aber auch andere Ausgestaltungen denkbar, bei denen eine andere Anzahl von Sensoren in einer anderen Anordnung positioniert sind, die die magnetische Flussdichte in einer, zwei oder drei Raumrichtungen erfassen.
Das durch den zu messenden Strom verursachte Magnetfeld wird mit Hilfe mehrerer Sensoren an unterschiedlichen Positionen und Raumrichtungen gemessen. Die Sensoren sind in einer festen Anordnung fixiert, im dargestellten Ausführungsbeispiel auf einer Leiterplatte 110. Die Anordnung hat eine Öffnung, die es ermöglicht, Stromleiter in den Messbereich zu bringen, ohne den Stromkreis aufzutrennen. Es ist dabei nicht notwendig, den Stromleiter an einer bestimmten Position oder einer bestimmten Orientierung zu fixieren, sondern es ist ausreichend, wenn sich der Leiter an irgendeiner Position in beliebiger Orientierung innerhalb eines definierten Messbereichs befindet. Der definierte Messbereich wird dabei insbesondere durch die Bauform des ersten Gehäuseteils 10 bzw. 10‘ bzw. durch die Bauform der daran angepassten Mess- Anordnung 100 vorgegeben, wobei die Bauform je nach Einsatzzweck variieren kann.
In der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform umfasst die Mess- Anordnung 100 eine Leiterplatte 110, auf welcher die Verarbeitungseinheit und die Mehrzahl der Magnetfeldsensoren 101-108 angeordnet sind, wobei die Leiterplatte 110 durch eine in der Leiterplatte vorgesehene Aussparung eine U-Form aufweist, wobei durch die Aussparung zwei Leiterplatten-Arme gebildet werden, zwischen denen der vorgegebene Messbereich der Mess- Anordnung liegt, und wobei auf jedem der zwei Leiterplatten- Arme wenigstens einer der Mehrzahl der Magnetfeldsensoren 101-108 angeordnet ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf jedem der zwei Leiterplatten-Arme jeweils vier der Magnetfeldsensoren in einer Reihe entlang der Erstreckungsrichtung des jeweiligen Leiterplatten- Arms angeordnet. Die Sensorsignale werden mittels Analog-zu-Digitalumsetzung in einen digitalen Datenstrom umgewandelt, der mit Hilfe eines Prozessors des Mikrocontrollers bzw. der CPU verarbeitet werden kann, um schlussendlich den zu messenden Strom auszugeben.
Die Erfindung sieht vorzugsweise die Verwendung eines Optimierungsalgorithmus für die Messdatenauswertung vor. Der Algorithmus hat die Aufgabe, diejenige Kombination von Werten für Leiter-Variablen zu finden, die die vorhandenen Messwerte der Magnetfeldsensoren bestmöglich „erklärt“, wobei die Leiter-Variablen insbesondere die Position und Orientierung des Leiters im Messbereich und optional die zu messende Stromstärke umfassen.
Optimierungsalgorithmen erfordern eine Kosten- bzw. Gütefunktion, die die Güte eines Schätzwerts in einer Zahl ausdrücken. Der Schätzwert wird dann variiert, um denjenigen Wert zu finden, der die höchste Güte bzw. die niedrigsten Kosten erreicht. Der Optimierungsalgorithmus kann nach einer vorgegebenen Zahl von Optimierungsdurchläufen abgebrochen werden oder wenn das Gütekriterium eine vordefinierte Grenze unterschreitet.
Bei dem vorliegend vorzugsweise eingesetzten Optimierungs- Algorithmus besteht der Schätzwert aus der Kombination der Werte der Leiter-Variablen und stellt somit einen N-dimensionalen Vektor dar, wobei N durch die Anzahl der Leiter-Variablen definiert ist. Als weitere Einflussfaktoren können die Querschnittsform des Leiters sowie Position, Ausrichtung und Stromstärke von gegebenenfalls vorhandenen benachbarten Stromleitern berücksichtigt werden. Die Position und Ausrichtung des Leiters sind dabei im Grunde nur Hilfsgrößen, die als Nebenprodukt des Optimierungsalgorithmus anfallen, um die Genauigkeit der zu messenden Stromstärke zu erhöhen. Eine Ausgabe dieser Werte ist typischerweise nicht vorgesehen.
Um die Stromstärke eines durch wenigstens einen Leiter 200 fließenden elektrischen Stroms zu ermitteln, welcher in einem vorgegebenen Messbereich einer Mess- Anordnung 100 mit einer Mehrzahl Magnetfeldsensoren 101-108 positioniert ist, sind vorteilhaft die folgenden Schritte vorgesehen: a) Messen, zu einem ersten Zeitpunkt, durch jeden der Magnetfeldsensoren 101-108, jeweils eines Wertes für die magnetische Flussdichte entlang wenigstens einer Raumrichtung am Ort des jeweiligen Magnetfeldsensors 101-108, b) Festlegen der Werte für eine Mehrzahl von Leiter-Variablen auf jeweilige Startwerte, wobei die Leiter-Variablen Variablen umfassen, welche die Lage und Orientierung des wenigstens einen stromdurchflossenen Leiters 200 relativ zur Mess- Anordnung repräsentieren, c) Berechnen von erwarteten Werten bezüglich der von den Magnetfeldsensoren 101- 108 gemessenen Werte in Abhängigkeit der Werte der Mehrzahl von Leiter-Variablen, d) Ermitteln eines Wertes einer vorgebbaren ersten Gütefunktion in Abhängigkeit der in Schritt c) berechneten Werte und der in Schritt a) gemessenen Werte, e) solange ein vorgebbares erstes Abbruchkriterium noch nicht erfüllt ist, Variieren der Werte der Mehrzahl von Leiter-Variablen in Abhängigkeit eines vorgebbaren ersten Optimierungs- Algorithmus und Wiederholen der Schritte c) und d), f) bei Erfüllen des ersten Abbruchkriteriums, Ermitteln eines Wertes für die Stromstärke des durch den wenigstens einen Leiter fließenden Stroms in Abhängigkeit der Werte der Leiter-Variablen.
Es sei angemerkt, dass der wenigstens eine Leiter vorteilhaft genau einen Leiter umfasst. Der wenigstens eine Leiter kann aber auch mehrere Leiter umfassen, die jeweils unabhängig voneinander in beliebiger Lage und Orientierung in dem vorgegebenen Messbereich der Mess- Anordnung 100 positioniert sind. In diesem Fall erhöht sich dementsprechend die Anzahl der zu optimierenden Leiter-Variablen und damit gegebenenfalls auch die Anzahl erforderlicher Magnetfeldsensoren. Der wenigstens eine Leiter kann ferner auch mehrere Leiter umfassen, deren Lage und Orientierung und gegebenenfalls Stromstärke durch Leiter-Variablen repräsentiert werden können, die bekannten Randbedingungen genügen, wenn zum Beispiel in einem Kabel mit mehreren Leitern bekannt ist, dass die Leiter die gleiche Orientierung und einen festen Abstand zueinander aufweisen und gegebenenfalls auch die gleiche Stromstärke aufweisen. Diese bekannten Randbedingungen können vorteilhaft bei der Ausführung des Optimierungs- Algorithmus berücksichtigt werden. Ferner kann der wenigstens eine Leiter auch mehrere Leiter umfassen, die jedoch als ein einziger Leiter behandelt werden, zum Beispiel im Fall eines eine Mehrzahl Einzelleiter umfassenden Bündel-Leiters. Der Übersichtlichkeit und besseren Verständlichkeit halber ist in Fig. 6 nur ein Leiter 200 gezeigt.
In Fig. 8 wird der Strombestimmungsalgorithmus in Form eines schematischen Ablauf diagramms gezeigt. Zunächst werden in Schritt 300 die Messwerte der Magnetfeldsensoren 101-108 zu einem ersten Zeitschritt erfasst. Anschließend werden in Schritt 310 Parameter eines Stromleiters, für den die Stromstärke bestimmt werden soll, initial vorgegeben, d.h. es werden Werte für eine Mehrzahl entsprechender Leiter- Variablen auf jeweilige Startwerte gesetzt. Die Leiter-Variablen umfassen Variablen, welche die Lage und Orientierung des wenigstens einen stromdurchflossenen Leiters 200 relativ zur Mess-Anordnung 100 repräsentieren. In dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel sind als Leiter-Variablen, welche die Lage und Orientierung des Leiters repräsentieren, die Durchtrittsposition in x-Richtung, d.h. xs, die Durchtrittsposition in y-Richtung, d.h. ys, sowie der Richtungswinkel a und der Kippwinkel ß vorgesehen. Optional kann vorteilhaft auch die zu ermittelnde Stromstärke als weitere Leiter-Variable berücksichtigt werden. Beispielsweise können als Startwerte die Durchtrittsposition xs=0, ys=0, die Stromstärke I=100A, der Richtungswinkel a=0° und ein Kippwinkel gegenüber der Ebene ß=90° initial vorgegeben werden.
Anschließend werden in Schritt 320 die mit den vorgegebenen Werten der Leiter- Variablen erwartete Sensorwerte der Magnetfeldsensoren berechnet, wobei für diese Berechnung vorteilhaft das Gesetz von Biot-Savart angewendet wird. Vorteilhaft kann vereinfachend das Gesetz von Biot-Savart für einen unendlich langen geradlinigen Leiter angewendet werden. Dieses lautet in Zylinderkoordinaten:
Die Berechnung erfolgt zusätzlich in Abhängigkeit von Informationen bzw. Parametern der Magnetfeldsensoren, wobei die Parameter insbesondere die Position, die Orientierung und/oder messtechnische Eigenschaften des jeweiligen Magnetfeldsensors repräsentieren. Beispielsweise werden für jeden Magnetfeldsensor Informationen bezüglich der jeweiligen Position, der Ausrichtung, z.B. als Wert eines Kippwinkels, dem Gain, d.h. der Proportionalität zwischen vorliegender magnetischer Flussdichte und Sensorausgangswert, und dem Offset, d.h. einer Nullpunktabweichung berücksichtigt. Diese Parameter können vorteilhaft durch ein nachfolgend noch näher beschriebenes Kalibrierverfahren vorab bestimmt werden und in einem Speicher der Mess-Anordnung 100, zum Beispiel einem Speicher des Mikrocontrollers 130 abgelegt werden. Vorteilhaft können die bei der Berechnung berücksichtigten Parameter der Magnetfeldsensoren an die Umgebungsbedingungen angepasst werden, indem die jeweiligen Parameterwerte angepasst werden, um zum Beispiel eine Temperaturkompensation und/oder eine Kompensation von Versorgungsspannungsschwankungen zu erzielen. In diesem Fall weist die Mess-Anordnung vorteilhaft entsprechende Sensoren zur Temperaturmessung und/oder zur Spannungsmessung auf. Das Bereitstellen der Parameter der Magnetfeldsensoren ist in Fig. 8 als Schritt 330 dargestellt.
Daran anschließend wird in Schritt 340 ein Wert einer vorgebbaren ersten Güte- oder Kostenfunktion in Abhängigkeit der in Schritt 320 berechneten Werte und der in Schritt 300 gemessenen Werte ermittelt, wobei insbesondere die erfassten Sensorwerte mit den berechneten Werten verglichen werden, um den Wert der Güte- bzw. Kostenfunktion zu bestimmen.
Es sind verschiedene Kostenfunktionen denkbar. Eine bevorzugte Möglichkeit besteht darin, zu berechnen, welches Magnetfeld sich bei Vorliegen der geschätzten Leiter- Variablen an den Positionen der einzelnen Magnetfeldsensoren einstellen würde, insbesondere unter Anwendung des Biot-Savart-Gesetzes, wobei sich in diesem Fall die Kosten aus den Differenzen zwischen den berechneten und den tatsächlich gemessenen Feldstärken ergeben, wobei zum Beispiel eine Standardabweichung oder eine Differenz zwischen Minimum und Maximum berechnet werden kann. In dieser Variante wird die zu messende Stromstärke als eine der Leiter-Variablen berücksichtigt. Bei dem in Fig. 8 beispielhaft dargestellten Ablaufdiagramm wird eine solche Kostenfunktion eingesetzt und dementsprechend die zu messende Stromstärke als eine der Leiter-Variablen berücksichtigt.
Eine andere Möglichkeit zur Bestimmung der Stromstärke besteht darin, aus der geschätzten geometrischen Anordnung des wenigstens einen Leiters 200, d.h. aus den jeweils aktuellen Schätzwerten der Leiter-Variablen für jeden der Magnetfeldsensoren 101-108 einen Verstärkungsfaktor zu bestimmen, mit dessen Hilfe aus der tatsächlich gemessenen Feldstärke eine geschätzte Stromstärke berechnet wird. Wenn die geschätzte Anordnung des wenigstens einen Leiters 200 der Realität entspricht, ergibt sich auf diese Weise aus jedem Messwert die gleiche Stromstärke. Dementsprechend können die Abweichungen der geschätzten Werte für die Stromstärke als Kostenfunktion genutzt werden. Der jeweilige Verstärkungsfaktor wird dabei wiederum vorteilhaft unter Anwendung des Gesetzes von Biot-Savart berechnet, wobei die Berechnung der Verstärkungsfaktoren auf Basis normierter Magnetfeldmesswerte erfolgt, wobei die Normierung beispielsweise vorsehen kann, die Messwerte jeweils durch den größten der Messwerte zu teilen, wobei dann die normierten Werte unabhängig von der Stromstärke sind und nur noch Informationen über die Lage und Orientierung des Leiters enthalten, so dass die zu messende Stromstärke in diesem Fall nicht als eine der Leiter-Variablen berücksichtigt werden muss.
Anschließend wird in Schritt 350 analysiert, ob ein Abbruchkriterium erreicht ist. Als Abbruchkriterium kann der Betrag der von der Kostenfunktion berechneten Kosten analysiert werden, wobei als Abbruchkriterium zum Beispiel das Über- oder Unterschreiten eines Schwellwertes vorgesehen sein kann. Ein anderes Abbruchkriterium kann die Anzahl an vorhergehenden Optimierungsdurchläufen sein. Wird eine Grenze erreicht, wird das Bestimmungsverfahren abgebrochen und der ermittelte Wert der zu messenden Stromstärke in Schritt 370 abgespeichert.
Wird das Abbruchkriterium nicht erreicht, werden die Stromleiterparameter, d.h. die Leiter-Variablen, in Schritt 360 mit Hilfe eines vorgebbaren ersten Optimierungs- Algorithmus optimiert, d.h. es werden die Werte der Mehrzahl von Leiter-Variablen in Abhängigkeit des vorgebbaren ersten Optimierungs- Algorithmus variiert, wobei insbesondere der Wert wenigstens einer der Leiter-Variablen geändert wird. Für die Optimierung können verschiedene, aus der Literatur bekannte Optimierungs- Algorithmen, zum Beispiel das Simplex-Verfahren nach Nelder und Mead, die Partikel- Swarm-Optimierung, das Trust-Region Verfahren, das Powell-Verfahren, u.v.m., eingesetzt werden.
Bei der beispielhaft beschriebenen Verwendung von insgesamt 5 Leiter-Variablen, die Stromstärke, Durchtrittsposition x, Durchtrittsposition y, Richtungswinkel a und Kippwinkel ß repräsentieren, ist eine Mindestanzahl von 5 Messwerten der magnetischen Flussdichte für eine Optimierung erforderlich. Werden zum Beispiel Magnetfeldsensoren vorgesehen, die jeweils nur eine Komponente der magnetischen Flussdichte erfassen, sind dementsprechend vorteilhaft mindestens 5 Magnetfeldsensoren vorgesehen. Vorzugsweise ist eine Anzahl an Magnetfeldsensoren vorgesehen, die größer oder gleich der Anzahl der bei der Optimierung berücksichtigten Leiter-Variablen ist. Eine Erhöhung der Anzahl an Magnetfeldsensoren führt zu einer Verbesserung der Genauigkeit, da das Bestimmungsverfahren dann überbestimmt ist und Störeinflüsse wie beispielsweise Sensor-Rauschen, Störfelder durch benachbarte Leiter und ähnliches einen geringeren Einfluss auf die Genauigkeit der zu ermittelnden Stromstärke hat.
Die Anordnung der Magnetfeldsensoren wird vorteilhaft so gewählt, dass der Strombestimmungsalgorithmus, d.h. insbesondere der Optimierungs- Algorithmus, gut und schnell konvergiert. Bei der in Fig. 6 dargestellten Anordnung der Magnetfeldsensoren und bei einer Vielzahl anderer von den Erfindern untersuchten Anordnungen von Magnetfeldsensoren ergeben sich konvexe Optimierungsprobleme, die mit den meisten Optimierungsalgorithmen gelöst werden können, wobei sich der Einsatz des Powell-Verfahrens zur Optimierung diesbezüglich als besonders vorteilhaft gezeigt hat. Das Powell-Verfahren wird beispielsweise beschrieben in „An efficient method for finding the minimum of a function of several variables without calculating derivatives.”, M. J. D. Powell, Computer Journal, 7: 155 - 162, 1964. Als Leiter-Variablen können vorteilhaft weitere Einflussfaktoren mitgeschätzt werden, wie zum Beispiel die Lage, Orientierung und Stromstärke eines benachbarten stromführenden Leiters. Dementsprechend kann das Verfahren vorteilhaft vorsehen, dass die Mehrzahl von Leiter-Variablen zum Beispiel Variablen umfasst, welche die Stromstärke und/oder die Lage und Orientierung wenigstens eines außerhalb des vorgegebenen Messbereiches angeordneten Leiters repräsentieren.
Dadurch erhöht sich die Anzahl der zu optimierenden Leiter-Variablen. Abhängig von der jeweiligen geometrischen Anordnung der Magnetfeldsensoren kann sich ein nichtkonvexes Optimierungsproblem einstellen, das durch eine Kostenfunktion mit mehreren lokalen Minima charakterisiert ist, bei denen die Gefahr besteht, dass ein Optimierungsverfahren ein lokales Optimum anstrebt und dabei das globale Optimum verfehlt, sodass ein Fehler in der zu bestimmenden Stromstärke verbliebe. Dies kann vorteilhaft durch den Einsatz komplexerer Optimierungsalgorithmen, die robust gegenüber nicht konvexen Kostenfunktonen sind, vermieden werden, beispielsweise durch den Einsatz genetischer Algorithmen oder stochastischer Verfahren. Da ein solches Problem jedoch schon während der Entwicklung einer Modellvariante eines Messgeräts bei der Auswahl des konkreten Messegeräteaufbaus ersichtlich ist, kann auch vorteilhaft die Anzahl und die Anordnung der Magnetfeldsensoren, die zu berücksichtigenden Leiter-Variablen und der zu verwendende Optimierungs- Algorithmus jeweils so gewählt werden, dass sich ein konvexes Optimierungsproblem ergibt.
Denkbar ist auch eine Schätzung der Leiter-Variablen, d.h. zum Beispiel der Stromstärke des durch den wenigstens einen Leiter fließenden elektrischen Stroms, sowie der Leiterposition und Orientierung, mit Hilfe von künstlicher Intelligenz mittels neuronaler Netze. Ein neuronales Netz kann zu diesem Zweck zum Beispiel mit Hilfe synthetisch erzeugter, d.h. simulierter, oder realer Messdaten trainiert werden. Als Bewertungskriterium kann ein in der Simulation oder Messung eingeprägter Strom als Label verwendet werden. Wieder bezugnehmend auf Fig. 8, werden die mit dem Optimierungsverfahren angepassten Leiter-Variablen anschließend in Schritt 320 genutzt, um die sich nun neu ergebenden Magnetfeldsensorwerte zu berechnen und die bereits zuvor beschriebenen daran anschließenden Schritte auszuführen. Nachdem das Abbruchkriterium erreicht und die geschätzte Stromstärke abgespeichert wurde, wird ein Warteschritt 380 ausgeführt, in dem der Schätzalgorithmus verharrt, bis Sensorwerte des nächsten Zeitschritts vorliegen. Wenn die Stromstärke nicht Bestandteil der Leitervariablen ist, wird die Stromstärke vor dem Abspeichern zunächst durch eine „Entnormierung“ berechnet, wobei dies durch Multiplikation der Sensorwerte mit dem Kehrwert des Normierungswertes erfolgt. Nachdem die in Schritt 390 zum nächsten Zeitschritt erfassten Magnetfeldsensorwerte vorliegen, wird in Schritt 340 wiederum ein Wert der vorgebbaren ersten Güte- oder Kostenfunktion in Abhängigkeit der in Schritt 390 gemessenen Sensorwerte und der zuletzt in Schritt 320 berechneten Werte ermittelt, wobei wiederum insbesondere die erfassten Sensorwerte mit den berechneten Werten verglichen werden, um den Wert der Güte- bzw. Kostenfunktion zu bestimmen. Sind die gemessenen und berechneten Sensorwerte in guter Übereinstimmung, wird das Abbruchkriterium erfüllt und die geschätzte Stromstärke abgespeichert. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich die realen Leiterparameter, welche durch die Leiter-Variablen repräsentiert werden, im Vergleich zum vorherigen Zeitschritt nicht bzw. nur geringfügig geändert haben. Wird das Abbruchkriterium nicht erfüllt, wird wie oben beschrieben die Optimierung der Leiter-Variablen fortgeführt.
Die Optimierung, und damit die Schätzung der Leiter-Variablen, wird also im laufenden Messbetrieb dauerhaft durchgeführt. Als Startwert kann dabei jeweils vorteilhaft das letzte Optimierungsergebnis aus dem vorhergehenden Zeitschritt genutzt werden. Aus diesem Grund sind vorteilhaft keine großen Konvergenzgeschwindigkeiten notwendig und in der Regel wenige Iterationsschritte pro Zeitschritt ausreichend.
Wie bereits oben beschrieben, sind für den Strombestimmungsalgorithmus, der in Fig. 8 beschrieben wurde, Informationen zu den Magnetfeldsensoren erforderlich, die insbesondere Position, Ausrichtung, Offset und Gain des jeweiligen Magnetfeldsensors umfassen. Diese Informationen können beispielsweise aus Konstruktionsdaten der Leiterplatte und Sensoren und aus technischen Datenblättern der Sensoren entnommen werden. Alternativ können diese Parameter messtechnisch an vorliegender Hardware, beispielsweise im Zuge eines Serien-Abgleichs in einer Fertigungsendkontrolle, bestimmt werden. Eine messtechnische Erfassung der Sensoreigenschaften kann aufwändig sein und einige Sensoreigenschaften sind messtechnisch nur schwierig bis gar nicht erfassbar. So kann die Position eines magnetfeldempfmdlichen Elements wie z.B. einer Hall-Platte innerhalb eines Sensor-Bausteingehäuses Exemplar- Streuungen aufweisen, so dass für eine eindeutige Bestimmung der Position und Ausrichtung des Sensors zerstörungsfreie Prüfverfahren wie zum Beispiel Röntgenanalyse mit hoher örtlicher Auflösung durchgeführt werden müsste.
Alternativ dazu sieht die Erfindung ein Verfahren zum Kalibrieren eines oben beschriebenen Messgeräts vor, mit dessen Hilfe Parameter der Mehrzahl von Magnetfeldsensoren ermittelt werden, wobei die Parameter insbesondere die Position, die Orientierung und/oder messtechnische Eigenschaften des jeweiligen Magnetfeldsensors repräsentieren, und wobei die ermittelten Parameter der Magnetfeldsensoren in der Speichereinrichtung des Messgeräts gespeichert werden.
Bei dem oben beschriebenen Strombestimmungsalgorithmus erfolgt dann vorzugsweise das Berechnen von erwarteten Werten bezüglich der von den Magnetfeldsensoren gemessenen Werte in Abhängigkeit der für die Mehrzahl von Magnetfeldsensoren mit Hilfe des Kalibrierungsverfahrens ermittelten Parameter der Mehrzahl von Magnetfeldsensoren.
Das Kalibrierungsverfahren sieht vor, wenigstens einen Kalibrierungs-Leiter, durch den ein Strom vorgebbarer Stromstärke fließt, nacheinander in unterschiedlichen Anordnungen in den vorgegebenen Messbereich einzubringen, und für jede Anordnung jeweils die folgenden Schritte auszuführen:
A) Messen durch jeden der Magnetfeldsensoren der Mess- Anordnung, jeweils eines Wertes für die magnetische Flussdichte entlang wenigstens einer Raumrichtung am Ort des jeweiligen Magnetfeldsensors, B) Festlegen der Werte für eine Mehrzahl von Sensor-Variablen und Kalibrierungs- Leiter-Variablen auf jeweilige Startwerte, wobei die Sensor-Variablen Parameter der Mehrzahl von Magnetfeldsensoren repräsentieren, umfassend insbesondere die Position, die Orientierung und/oder messtechnische Eigenschaften des jeweiligen Magnetfeldsensors, und wobei die Kalibrierungs-Leiter-Variablen Variablen umfassen, welche die Lage und Orientierung des wenigstens einen Kalibrierungs-Leiters relativ zu der Mess-Anordnung repräsentieren,
C) Berechnen von erwarteten Werten für die von den Magnetfeldsensoren gemessenen Werte in Abhängigkeit der Werte der Mehrzahl von Sensor-Variablen und Kalibrierungs-Leiter-Variablen,
D) Ermitteln eines Wertes einer vorgebbaren zweiten Gütefunktion in Abhängigkeit der in Schritt C) berechneten Werte und der in Schritt A) gemessenen Werte,
E) solange ein vorgebbares zweites Abbruchkriterium noch nicht erfüllt ist, Variieren der Werte der Kalibrierungs-Leiter-Variablen in Abhängigkeit eines vorgebbaren zweiten Optimierungs- Algorithmus und Wiederholen der Schritte C) und D),
F) bei Erfüllen des zweiten Abbruchkriteriums, Speichern der Werte der Kalibrierungs- Leiter- Vari abl en,
G) Berechnen von erwarteten Werten für die von den Magnetfeldsensoren gemessenen Werte in Abhängigkeit der Werte der Sensor-Variablen und der gespeicherten Kalibrierungs-Leiter-Variablen,
H) Ermitteln eines Wertes einer vorgebbaren dritten Gütefunktion in Abhängigkeit der in Schritt G) berechneten Werte und der in Schritt A) gemessenen Werte,
I) solange ein vorgebbares drittes Abbruchkriterium noch nicht erfüllt ist, Variieren der Werte der Sensor-Variablen in Abhängigkeit eines vorgebbaren dritten Optimierungs- Algorithmus und Wiederholen der Schritte G) und H),
J) bei Erfüllen des dritten Abbruchkriteriums, Speichern der Werte der Sensor- Variablen,
K) solange ein vorgebbares viertes Abbruchkriterium noch nicht erfüllt ist, Wiederholen der Schritte C) bis J) mit den gespeicherten Werten der Sensor-Variablen und Kalibrierungs-Leiter-Variablen als Startwerte, L) bei Erfüllen des vierten Abbruchkriteriums, Speichern der gespeicherten Werte der Sensor-Variablen als Parameter der Magnetfeldsensoren in der Speichereinrichtung des Messgeräts.
Für die Schritte des Kalibrierungs-Verfahrens werden Großbuchstaben verwendet, um diese von den oben mit Kleinbuchstaben bezeichneten Schritten zu unterscheiden.
Vorteilhaft können die Kalibrierungs-Leiter-Variablen wenigstens eine Variable umfassen, welche die Stromstärke des durch den wenigstens einen Kalibrierungs-Leiter fließenden Stromes repräsentieren, wobei insbesondere der Startwert für die Stromstärke der vorgebbaren Stromstärke entspricht.
Ein beispielhaftes Kalibrierungsverfahren bzw. Kalibriermessverfahren ist als schematisches Ablaufdiagramm in Fig. 9 dargestellt.
Das beispielhaft dargestellte Kalibriermessverfahren lässt sich in drei Abschnitte unterteilen. In einem ersten Abschnitt 510 wird die Kalibrierung initialisiert. In einem zweiten Abschnitt 520 werden die Parameter der Magnetfeldsensoren, d.h. Werte für die Mehrzahl von Sensor-Variablen, bestimmt und im dritten Abschnitt 530 werden die Lage und Orientierung des wenigstens einen Kalibrierungs-Leiters relativ zur Mess- Anordnung, d.h. Werte für die Mehrzahl von Kalibrierungs-Leiter-Variablen, ermittelt.
Im ersten Abschnitt wird zunächst in Schritt 511 ein Zähler m auf 1 gesetzt, der angibt, um welche Kalibriermessung es sich handelt. Anschließend wird in Schritt 512 der wenigstens eine Kalibrierungs-Leiter im Messbereich der Mess- Anordnung positioniert und vorzugsweise eine Stromstärke des durch den wenigstens einen Kalibrierungs- Leiter fließenden elektrischen Stroms vorgegeben, wobei sich, wie oben beschrieben, die Anordnung des wenigstens einen Kalibrierungs-Leiters relativ zur Mess- Anordnung für jede Kalibriemessung unterscheidet.
Der Strom kann beispielsweise aus einer Stromquelle mit bekannter Stromstärke vorgegeben werden oder es kann ein unbekannter Strom vorgegeben werden, dessen Stromstärke mit einem geeigneten Messverfahren, beispielsweise mittels einer Shunt- Messung, einem Stromwandler oder einer Rogowski-Spule, ermittelt wird. Es ist dabei unerheblich, an welcher Position der wenigstens eine Kalibrierungs-Leiter platziert wird und welche Ausrichtung der Kalibrierungs-Leiter hat. Der Durchtrittspunkt des wenigstens einen Kalibrierungs-Leiters durch die Fläche, die durch die Magnetfeldsensoren bestimmt wird, insbesondere der Durchtrittspunkt durch eine Ebene, in welcher die Magnetfeldsensoren angeordnet sind, muss dabei lediglich in einem erlaubten Bereich liegen, der sich zwischen den Magnetfeldsensoren befindet, insbesondere innerhalb des oben beschriebenen definierten Messbereichs. Unter Anwesenheit des vorgegebenen Stroms werden in Schritt 513 die Sensorsignale der Magnetfeldsensoren erfasst, entsprechend dem obigen Schritt A).
Anschließend werden in Schritt 514 die Werte für die Mehrzahl von Sensor-Variablen und die Werte für die Mehrzahl von Kalibrierungs-Leiter-Variablen initial vorgegeben, entsprechend dem obigen Schritt B). Die Sensorpositionen und -ausrichtungen können dabei beispielsweise aus Konstruktionsdaten der Leiterplatte 110 angenommen werden und Gain aus dem Datenblatt entnommen werden. Der Offset kann zunächst mit 0 angenommen werden.
Analog zu dem oben im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Ermittlung der Stromstärke eines durch wenigstens einen Leiter fließenden elektrischen Stroms beschriebenen Optimierungsalgorithmus können nun in Schritt 515 die Werte für die Kalibrierungs-Leiter-Variablen ermittelt werden, entsprechend den obigen Schritten C), D) und E). Es sei angemerkt, dass dementsprechend in Schritt 515 zunächst nur die Kalibrierungs-Leiter-Variablen bei konstanten Sensor-Variablen optimiert werden. In Schritt 516 werden die ermittelten Kalibrierungs-Leiter-Variablen abgespeichert, entsprechend dem obigen Schritt F). Die beschriebene Initialisierung wird für alle Kalibriermessungen wiederholt, wobei zu diesem Zweck der Zähler m in Schritt 517 inkrementiert wird und in Schritt 518 geprüft wird, ob der Zähler m einen Maximalwert mm® überschritten hat, wobei der Wert mmax der Anzahl der Kalibriermessungen entspricht. Solange dies nicht der Fall ist, werden die Schritte 512 bis 517 wiederholt. Jeder Magnetfeldsensor wird vorteilhaft durch eine Sensorposition x, eine Sensorposition y, einen Sensor-Kippwinkel, einen Sensor-Rotationswinkel, ein Sensor- Offset und ein Sensor-Gain charakterisiert, wobei für diesen Fall jeder Magnetfeldsensor 6 Freiheitsgrade aufweist und daher für jeden Magnetfeldsensor jeweils 6 entsprechende Sensor-Variablen vorgesehen sind. Die Sensorposition x und die Sensorposition y beziehen sich vorzugsweis auf ein definiertes Koordinatensystem, welches beispielsweise in Abhängigkeit der Bauform der Leiterplatte 110 gewählt ist. Der Sensor-Kippwinkel und Sensor-Rotationswinkel geben vorzugsweise die jeweiligen Winkel relativ zu einer insbesondere durch die Leiterplatte 110 definierten Ebene an. Da, wie nachfolgend beschrieben wird, die Sensor-Variablen für jeden Magnetfeldsensor separat ermittelt werden, ergeben sich insgesamt 6 Freiheitsgrade, so dass für diesen Fall für eine Optimierung der Sensor-Variablen mindestens mmax=6 Kalibriermessungen erforderlich sind. Eine größere Zahl von Kalibriermessungen erhöht die Robustheit gegenüber externen Einflüssen, wie z.B. Rauschen. Bevorzugt unterscheidet sich die Positionierung bzw. die Anordnung des wenigstens einen Kalibrierungs-Leiters in den einzelnen Kalibriermessungen möglichst stark voneinander, um eine konvexe Kostenfunktion der Sensorparameteroptimierung zu gewährleisten. Für eine genaue Bestimmung des Offsets ist es vorteilhaft, eine der Kalibriermessungen bei Abwesenheit eines elektrischen Stroms durchzuführen.
Die der Initialisierungsphase anschließende Phase 520 der Ermittlung der Sensorparameter wird nun für jeden der n Magnetfeldsensoren nacheinander durchgeführt, wobei für die in Fig. 6 dargestellte Mess- Anordnung 100 n=8 ist. Hierzu wird in Schritt 521 ein Sensorzählindex i zunächst auf 1 gesetzt.
Anschließend werden in Schritt 522 die Sensor-Variablen mit Hilfe eines geeigneten Optimierungsverfahrens angepasst, entsprechend den obigen Schritten G), H) und I). Hierzu werden die zuvor bestimmten Werte der Kalibrierungs-Leiter-Variablen und die erfassten Magnetfeldsensorwerte für den jeweiligen Magnetfeldsensor i vorgegeben und die entsprechenden, dem Magnetfeldsensor i zugeordneten Sensor-Variablen, beispielsweise Position Xi, Position yi, Rotationswinkel a£, Kippwinkel ßi, OFFSETi und GAINi so angepasst, dass die berechneten Sensorsignale mit den gemessenen Sensorsignalen für alle durchgeführten Kalibriermessungen m in möglichst guter Übereinstimmung sind. Die ermittelten Sensorparameter werden in Schritt 523 abgespeichert, entsprechend dem obigen Schritt J).
Die beschriebene Optimierung der Sensor-Variablen wird für alle Magnetfeldsensoren durchgeführt, wobei zu diesem Zweck der Sensorzählindex i in Schritt 524 inkrementiert wird und in Schritt 525 geprüft wird, ob der Sensorzählindex i die Anzahl n der Magnetfeldsensoren überschritten hat. Solange dies nicht der Fall ist, werden die Schritte 522 bis 524 wiederholt.
Anschließend wird in Schritt 526 überprüft, ob ein Abbruchkriterium erfüllt wird, welches insbesondere dem im obigen Schritt K) definierten vierten Abbruchkriterium entspricht. Als Abbruchkriterium kann zweckmäßigerweise ein Überschreiten einer vorgegebenen Anzahl an durchgeführten Iterationen zwischen Optimierung der Sensor- Variablen und Optimierung der Kalibrierungs-Leiter-Variablen oder ein Unterschreiten eines vorgebbaren Restfehlers bezüglich der optimierten Werte der Kalibrierungs- Leiter-Variablen und Sensor-Variablen vorgesehen sein. Ist das Abbruchkriterium in Schritt 526 erfüllt, wird das Kalibrierverfahren in Schritt 527 beendet und die abgespeicherten Sensor-Variablen werden als Parameter der Magnetfeldsensoren in der Speichereinrichtung des Messgeräts gespeichert.
Ist das Abbruchkriterium in Schritt 526 nicht erfüllt, können mit den ermittelten Sensor- Variablen die Werte der Kalibrierungs-Leiter-Variablen für die einzelnen Kalibriermessungen erneut optimiert werden, wobei in dem in Fig. 9 dargestellten Ablaufdiagramm zunächst in Schritt 528 der Zähler m wieder auf 1 gesetzt wird und anschließend die gespeicherten Sensor-Variablen in Schritt 531 abgerufen und zur Berechnung der erwarteten Magnetfeldsensorwerte in Schritt 532 verwendet werden. Mit Hilfe der neu ermittelten Werte der Kalibrierungs-Leiter-Variablen können danach wiederum die Sensor-Variablen erneut optimiert werden, entsprechend dem obigen Schritt K). Wie in Fig. 9 dargestellt, werden zum erneuten Ermitteln der Werte der Kalibrierungs-Leiter-Variablen die Schritte 533, 534, 535 und 536 ausgeführt, wobei diese den Schritten 515 bis 518 entsprechen. Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass bei geeigneter Platzierung und Orientierung der Sensoren, zum Beispiel gemäß der in Fig. 6 dargestellten Anordnung, mit 10 Kalibriermessungen mit unterschiedlichen Anordnungen des wenigstens einen Kalibrierungs-Leiters, umfassend Anordnungen, in denen ein Kalibrierungs-Leiter im Mittelpunkt der U-förmigen Aussparung der Leiterplatte 110 positioniert ist, und solche, in denen ein Kalibrierungs-Leiter an anderen, innerhalb der Aussparung verteilten Positionen angeordnet ist, und mit 4 Iterationen von Optimierungen der Sensor-Variablen und der Kalibrierungs-Leiter-Variablen eine Kalibrierung der Sensorparameter mit einer hinreichenden Genauigkeit erreicht wird.
Wie oben beschrieben, ist für die Kalibrierung vorzugsweise die Vorgabe von mmax unterschiedlichen Konfigurationen bezüglich der Anordnung des wenigstens einen Kalibrierungs-Leiters vorgesehen. Hierzu kann ein Kalibrierungs-Leiter im Messbereich manuell oder automatisiert, zum Beispiel mit Hilfe von mechanischen Aktuatoren, bewegt werden. Alternativ kann für die Kalibrierung eine Kalibrieranordnung vorgesehen werden, wie sie schematisch in Fig. 10 dargestellt ist.
In der in Fig. 10 schematisch in Draufsicht dargestellten Kalibrieranordnung sind als der wenigstens eine Kalibrierungs-Leiter Kalibrierleiter Kl bis K9 dargestellt, die innerhalb des Messbereichs der in Fig. 6 dargestellten Mess-Anordnung 100 positioniert sind, wobei in der dargestellten Kalibrieranordnung ferner ein Rückleiter KR vorgesehen ist. Die Kalibrierleiter Kl bis K9 sind im Bereich zwischen den Magnetfeldsensoren 101 bis 108 positioniert, der Rückleiter KR ist außerhalb des Messbereichs positioniert und alle Kalibrierleiter verlaufen im dargestellten Ausführungsbeispiel senkrecht zu der Darstellungsebene. Eine mögliche Verschiebung in x- und y-Richtung und eine nicht senkrecht zu der Darstellungsebene verlaufende Stromrichtung, d.h. eine Verkippung und/oder Verdrehung, der Kalibrierleiter sind möglich aber nicht dargestellt, um die Darstellung übersichtlich zu halten. Die Richtung der Ströme in den Kalibrierleitem Kl und K3 bis K9 verläuft in die Darstellungsebene hinein, der Strom im Kalibrierleiter K2 fließt aus der Darstellungsebene heraus. Es sind verschiedene Kalibrierkonfigurationen mit unterschiedlicher Anzahl von Kalibrierleitern und anderen als den dargestellten Stromrichtungen denkbar. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass sich die Position, die Verkippung und die Verdrehung der einzelnen Kalibrierleiter während der Kalibrierung nicht ändert. Dazu kann eine mechanische Fixierung der Kalibrierleiter vorgesehen werden. Die einzelnen Kalibrierleiter können mit einem Strom Im bestromt werden.
Hierzu ist in Fig. 11 ein exemplarisches Schaltbild dargestellt. Eine steuerbare Stromquelle 620 kann für die jeweilige Kalibrierkonfiguration m mit m E {1, ... , mmax] über einen Steuereingang 610 konfiguriert werden und damit der Kalibrierstrom Im vorgegeben werden. Über eine steuerbare Schaltmatrix 630 kann der Kalibierstrom über die Schalter S 1, 1 bis Sn,l, Sl,2 bis Sn, 2 und SR den Kalibrierleitem Kl bis Kn und dem Kalibrierrückleiter KR, der sich außerhalb des Messbereichs befindet, zugeführt werden. Dabei ist möglich, dass gar kein Kalibrierleiter, ein Kalibrierleiter und der Kalibrierrückleiter, ein Kalibrierleiterpaar oder mehrere Kalibrierleiter und/oder der Rückleiter mit der steuerbaren Stromquelle verbunden werden. Auf diese Weise können mittels Permutationen für eine geringe Anzahl von Kalibrierleitem eine große Anzahl an Kalibrierkonfigurationen bereitgestellt werden. Es ist auch möglich, dass der Strom in den einzelnen Kalibrierleiterpaaren gleich groß ist, indem die Kalibrierleiterpaare in Reihe geschaltet werden können. Der einfacheren Darstellbarkeit halber ist in Fig. 11 nur eine mögliche Parallelschaltung dargestellt. Um, wie oben beschrieben, die 6 Freiheitsgrade der einzelnen Magnetfeldsensoren, d.h. Sensor-Parameter bzw. die Werte der Sensor-Variablen, zu bestimmen, kann so mit Hilfe von 3 Kalibrierleitem Kl, K2, K3, dem Rückleiter KR und der Schaltmatrix die in folgender Tabelle dargestellten Kalibrierkonfigurationen bereitgestellt werden. Dabei bedeutet der Eintrag „0“, dass kein Strom in den betreffenden Kalibrierleiter fließt, + deutet einen positiven Strom, d.h. in die Darstellungsebene der Fig. 10 hinein, und - einen negativen Strom, d.h. aus der Darstellungsebene der Fig. 10 heraus, an. Die in den Konfigurationen 2, 3 und 4 ermittelten Leiterparameter, d.h. die Werte der entsprechenden Kalibrierungs-Leiter- Variablen, können dabei vorteilhaft in den Konfigurationen 5 bis 10 unter Berücksichtigung der Stromrichtung und der Stromamplitude Im wiederverwendet werden.
Es sind also mit Hilfe von 3 Kalibrierl eitern und einem Rückleiter bereits 10 Kalibriermessungen realisierbar. Bei den Konfigurationen 8-10 wird vorzugsweise der Strom in den einzelnen Kalibrierleitem gemessen, da es aufgrund von ungleichen Leiter-Widerständen, Kontaktwi der ständen etc. zu einer nicht exakt gleichen Aufteilung der parallel fließenden Ströme kommen kann. Es können neben den oben beschriebenen Sensorparametern Position x, Position y, Kipp- und Neigungswinkel, Offset und Gain auch noch weitere Parameter, wie z.B. die Sensor-Nichtlinearität, temperaturabhängiger Gain und Offset usw. durch geeignete Anpassung des Optimierungsverfahrens und Hinzunahme von weiteren Kalibrierbedingungen, wie z.B. der Temperatur, bestimmt werden. Außerdem ist es möglich, Sensorparameter, die keine großen Abweichungen aufweisen, beispielsweise die Sensorausrichtung, d.h. den Rotationswinkel, als fest anzunehmen, wodurch sich die Anzahl an erforderlichen Messungen reduziert bzw. die Robustheit gegenüber Rauschen bei gegebener Anzahl von Messungen erhöht.

Claims

Patentansprüche
1. Messgerät (1, 1‘) zum kontaktlosen Messen der Stromstärke eines durch wenigstens einen Leiter (200, 200‘) fließenden elektrischen Gleich-oder Wechselstroms, umfassend
- wenigstens ein erstes Gehäuseteil (10, 10‘), welches durch seine Bauform einen außerhalb des ersten Gehäuseteils (10, 10‘) angeordneten Messbereich definiert,
- eine Mess- Anordnung (100) mit einer Mehrzahl Magnetfeldsensoren (101-108, 101 ‘ -108‘), welche an festen Positionen und in festen Orientierungen relativ zu dem definierten Messbereich angeordnet sind,
- eine Speichereinrichtung, in der Parameter der Magnetfeldsensoren (101-108, 101‘-108‘) gespeichert sind, wobei die Parameter Informationen zu den Positionen, zu den Orientierungen und zu messtechnischen Eigenschaften der Magnetfeldsensoren (101-108, 101‘-108‘) umfassen,
- eine mit den Magnetfeldsensoren (101-108, 101‘-108‘) und der Speichereinrichtung verbundene Verarbeitungseinheit (130), welche dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Messwerte der Magnetfeldsensoren (101-108, 101‘-108‘) und in Abhängigkeit der in der Speichereinrichtung gespeicherten Parameter einen Wert für die Stromstärke des durch den wenigstens einen Leiter (200, 200‘) fließenden elektrischen Stroms zu ermitteln, wenn sich der wenigstens eine Leiter (200, 200‘) in beliebiger Lage und Orientierung durch den definierten Messbereich hindurch erstreckt,
- eine Rückhalteeinrichtung (20, 20‘), die dazu ausgebildet ist, zusammen mit dem ersten Gehäuseteil (10, 10‘) eine offen- und schließbare Leiterdurchführung zu bilden, wobei die Rückhalteeinrichtung (20, 20‘) derart ausgebildet ist, dass sich ein in die Leiterdurchführung eingebrachter Leiter (200, 200‘) durch den definierten Messbereich hindurch erstreckt, und
- wenigstens eine Ausgabeschnittstelle (140, 50, 30, 30‘) zum Ausgeben des ermittelten Wertes für die Stromstärke und/oder eines aus dem ermittelten Wert der Stromstärke abgeleiteten Wertes.
2. Messgerät nach Anspruch 1, wobei die Rückhalteeinrichtung als ein beweglich, insbesondere drehbar oder schiebbar, am ersten Gehäuseteil (10) befestigter Rückhaltebügel (20) ausgebildet ist oder die Rückhalteeinrichtung durch einen Kabelbinder, ein Gummiband oder eine Lasche mit aufgebrachten Rasthaken gebildet wird.
3 Messgerät nach Anspruch 1, wobei die Rückhalteeinrichtung als ein mit dem ersten Gehäuseteil (10‘) lösbar verbindbares zweites Gehäuseteil (20‘) ausgebildet ist, wobei insbesondere das erste und zweite Gehäuseteil jeweils zueinander komplementär ausgebildete Rastelemente (11‘, 21 ‘) aufweisen oder das erste und zweite Gehäuseteil mittels einer Schraubverbindung verbindbar sind.
4. Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner ausgebildet zur Messung einer elektrischen Spannung, wobei das Messgerät insbesondere Eingangsanschlüsse (40) zur Spannungsmessung aufweist.
5. Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend wenigstens eine Kommunikationsschnittstelle (30, 30‘ ) zur Kommunikation mit wenigstens einem weiteren, insbesondere gleichartigen Messgerät, wobei das Messgerät insbesondere dazu ausgebildet ist, mit dem wenigstens einen weiteren Messgerät Messdaten auszutauschen, wobei die Messdaten insbesondere zu in den Messdaten enthaltenen Messwerten jeweils einen zugeordneten Zeitstempel umfassen, der angibt, zu welchem Zeitpunkt die Messwerte ermittelt wurden.
6. Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, ausgebildet als Messumformer, und ausgebildet zum Ermitteln eines Wertes für eine elektrische Leistung und/oder eines Wertes für eine elektrische Energie in Abhängigkeit wenigstens eines ermittelten Wertes für die Stromstärke des durch den wenigstens einen Leiter (200, 200‘) fließenden elektrischen Stroms und/oder in Abhängigkeit wenigstens eines Wertes einer gemessenen elektrischen Spannung und/oder in Abhängigkeit von über die wenigstens eine Kommunikationsschnittstelle (30, 30‘) empfangenen Messdaten.
7. Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl Magnetfeldsensoren (101-108, 101‘-108‘) an festen Positionen und in festen Orientierungen auf einem innerhalb des ersten Gehäuseteils (10, 10‘) angeordneten starren Träger (110) angeordnet sind.
8. Messgerät nach Anspruch 7, wobei der Träger (110) als Leiterplatte ausgebildet ist, und wobei die Leiterplatte durch eine in der Leiterplatte vorgesehene Aussparung eine U-Form aufweist, wobei durch die Aussparung zwei Leiterplatten-Arme gebildet werden, zwischen denen der durch die Bauform des Gehäuses definierte Messbereich liegt, und wobei auf jedem der zwei Leiterplatten-Arme wenigstens einer der Mehrzahl der Magnetfeldsensoren (101- 108, 101‘-108‘) angeordnet ist.
9. Messgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verarbeitungseinheit (130) dazu ausgebildet ist, zum Ermitteln des Wertes für die Stromstärke des durch den wenigstens einen Leiter (200, 200‘) fließenden elektrischen Stroms in Abhängigkeit von Messwerten der Magnetfeldsensoren (101-108, 101‘-108‘), solange ein vorgebbares erstes Abbruchkriterium nicht erfüllt ist, folgende Schritte auszuführen: a) Variieren der Werte einer Mehrzahl von Leiter-Variablen in Abhängigkeit eines vorgebbaren ersten Optimierungs-Algorithmus, wobei die Leiter-Variablen Variablen umfassen, welche die Lage und Orientierung des wenigstens einen stromdurchflossenen Leiters (200, 200‘) relativ zu der Mess- Anordnung (100) repräsentieren, b) Berechnen von erwarteten Werten bezüglich der von den Magnetfeldsensoren (101-108, 101 ‘- 108‘) gemessenen Werte in Abhängigkeit der Werte der Mehrzahl von Leiter-Variablen und in Abhängigkeit der in der Speichereinrichtung gespeicherten Parameter, wobei zum Berechnen der erwarteten Werte insbesondere das Gesetz von Biot-Savart für einen unendlich langen geradlinigen Leiter verwendet wird, und c) Ermitteln eines Wertes einer vorgebbaren ersten Gütefunktion in Abhängigkeit der in Schritt b) berechneten Werte und der Messwerte der Magnetfeldsensoren (101-108, 101‘-108‘).
10. Messsystem, umfassend wenigstens zwei Messgeräte (1, 1‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welche zum Austausch von Messdaten kommunikativ miteinander verbunden sind.
11. Verfahren zum Kalibrieren eines Messgeräts (1, 1‘) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Kalibrierungsverfahren vorsieht, wenigstens einen Kalibrierungs- Leiter (K1-K9), durch den ein Strom vorgebbarer Stromstärke fließt, nacheinander in unterschiedlichen Anordnungen in den definierten Messbereich einzubringen, und für jede Anordnung jeweils die folgenden Schritte auszuführen:
A) Messen durch jeden der Magnetfeldsensoren (101-108, 101‘-108‘) der Mess- Anordnung (100), jeweils eines Wertes für die magnetische Flussdichte entlang wenigstens einer Raumrichtung am Ort des jeweiligen Magnetfeldsensors (101- 108, 101‘-108‘),
B) Festlegen der Werte für eine Mehrzahl von Sensor-Variablen und Kalibrierungs-Leiter-Variablen auf jeweilige Startwerte, wobei die Sensor- Variablen Parameter der Mehrzahl von Magnetfeldsensoren (101-108, 101 ‘ -108‘) repräsentieren, umfassend insbesondere die Position, die Orientierung und/oder messtechnische Eigenschaften des jeweiligen Magnetfeldsensors (101-108, 101 ‘- 108‘), und wobei die Kalibrierungs-Leiter-Variablen Variablen umfassen, welche die Lage und Orientierung des wenigstens einen Kalibrierungs-Leiters (K1-K9) relativ zu der Mess- Anordnung (100) repräsentieren,
C) Berechnen von erwarteten Werten für die von den Magnetfeldsensoren (101- 108, 101 ‘ -108‘) gemessenen Werte in Abhängigkeit der Werte der Mehrzahl von Sensor-Variablen und Kalibrierungs-Leiter-Variablen,
D) Ermitteln eines Wertes einer vorgebbaren zweiten Gütefunktion in Abhängigkeit der in Schritt C) berechneten Werte und der in Schritt A) gemessenen Werte,
E) solange ein vorgebbares zweites Abbruchkriterium noch nicht erfüllt ist, Variieren der Werte der Kalibrierungs-Leiter-Variablen in Abhängigkeit eines vorgebbaren zweiten Optimierungs- Algorithmus und Wiederholen der Schritte C) und D),
F) bei Erfüllen des zweiten Abbruchkriteriums, Speichern der Werte der Kalibrierungs-Leiter-Variablen,
G) Berechnen von erwarteten Werten für die von den Magnetfeldsensoren (101- 108, 101 ‘ -108‘) gemessenen Werte in Abhängigkeit der Werte der Sensor- Variablen und der gespeicherten Kalibrierungs-Leiter-Variablen,
H) Ermitteln eines Wertes einer vorgebbaren dritten Gütefunktion in Abhängigkeit der in Schritt G) berechneten Werte und der in Schritt A) gemessenen Werte,
I) solange ein vorgebbares drittes Abbruchkriterium noch nicht erfüllt ist, Variieren der Werte der Sensor-Variablen in Abhängigkeit eines vorgebbaren dritten Optimierungs- Algorithmus und Wiederholen der Schritte G) und H),
J) bei Erfüllen des dritten Abbruchkriteriums, Speichern der Werte der Sensor- Variablen,
K) solange ein vorgebbares viertes Abbruchkriterium noch nicht erfüllt ist, Wiederholen der Schritte C) bis J) mit den gespeicherten Werten der Sensor- Variablen und Kalibrierungs-Leiter-Variablen als Startwerte,
L) bei Erfüllen des vierten Abbruchkriteriums, Speichern der gespeicherten Werte der Sensor-Variablen als Parameter der Magnetfeldsensoren (101-108, 101‘-108‘) in der Speichereinrichtung des Messgeräts (1, 1‘).
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Kalibrierungs-Leiter-Variablen wenigstens eine Variable umfassen, welche die Stromstärke des durch den wenigstens einen Kalibrierungs-Leiter (K1-K9) fließenden Stromes repräsentieren, wobei insbesondere der Startwert für die Stromstärke der vorgebbaren Stromstärke entspricht.
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