JP2002541460A

JP2002541460A - 電流計

Info

Publication number: JP2002541460A
Application number: JP2000609802A
Authority: JP
Inventors: プニオック，トーマス; ヨデール，ゲルト; ヴォルニー，ハインツ
Original assignee: アーエーゲー・ニーダーシュパニュングステヒニク・ゲーエムベーハー・ウント・コンパニカーゲー
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 2000-01-19
Publication date: 2002-12-03
Also published as: WO2000060366A1; CN1180266C; CA2368901A1; KR100681577B1; AU2438700A; CN1353818A; EP1166131A1; KR20010111285A; DE19914772A1

Abstract

(57)【要約】本発明は、表面磁界測定の原理に基づく電流検知ユニットに関する。このためにホール・センサ（１）が使用され、これらのセンサは、電流に比例した磁界によって励起されるように配置されている。２個のホール・センサは、これらが測定しようとする磁界を等しく絶対量で、ただし逆の符号を伴って検出するように配置されている。電流測定値はホール・センサからの出力信号を減算することによって増幅されるが、外部妨害は除去される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、数ｋＶまでの公称電圧を有するエネルギー分配設備における高い直
流を電圧絶縁測定するための電流検知ユニットに関する。例えば、このセンサは
高速の直流回路遮断器用の過電流リレーにおいて使用することができる。

【０００２】これまで、分路絶縁増幅器、フェライト・コアを含む測定装置、およびホール
・センサ、ならびにＬＥＭコンバータが電流を測定するために使用されてきた。
しかしこれらの周知の装置は著しい欠点を伴う。

【０００３】例えば、分路抵抗によって電流を測定するときには、測定しようとする電流は
精密抵抗器を通じて導かれ、電流に起因する電圧低下が測定される。この種の測
定は不必要なエネルギーを消費し、このエネルギーは回路遮断器の周辺を加熱す
る一因となる。さらにまた、この電流測定装置は測定しようとする電流回路の中
に必然的に統合され、この電流回路がそれ自体測定しようとする電流に影響する
。これが、測定が分路抵抗器の寸法に応じて多少とも歪められる理由である。さ
らにまた、こうして電圧絶縁測定は電圧が高いときには不可能である。

【０００４】ＬＥＭコンバータの場合には、測定しようとする電流の流れのある導体の周り
にフェライト・コアが配置されている。このフェライト・コアの周りに第２コイ
ルが配置され、この第２コイルによって電流は、結果として得られる磁界がゼロ
に調節されるように制御される。こうして、電圧絶縁測定が可能であるが、まだ
この種の測定のコストは高い。

【０００５】ホ−ル・センサによって、ホール効果が利用されて、磁界を比較的良好に測定
することができる。ホール・センサは、ホール・センサに作用する磁界に比例す
る電圧を発生させる。発生するこのホール効果は使用される材料に応じて変化す
る強度を有し、最も有利なものは半導体から作られたホール・センサである。し
たがって、ホール・センサによって、導体を通過する電流によって誘導される磁
界を測定することができる。こうして、電圧的に切り離して電流を測定する。

【０００６】しかし、測定中にホール・センサによって発生する電圧は低く、また正規の状
態では磁界は外部の影響を受けるので、磁界の増幅が必要となり、通常これはフ
ェライト・コアによって達成される。しかしこの装置では、使用される磁心の飽
和挙動によって非線形性が発生する。これは、電流が特定の限られた範囲におい
て十分に正確な方法で測定できるのみであるが、この範囲外における測定された
電流は飽和挙動によって実際の電流から大きく外れるという欠点をもたらす。さ
らに、この測定装置のコストはフェライト・コアのために比較的高い。

【０００７】結論的に、従来の技術による装置は、飽和挙動によって非線形性が発生し、装
置の電気的強度が小さく、装置が比較的高いコストを生じさせ、さらにまたそれ
自体消耗率が高いという限りで不利である。

【０００８】したがって、本発明は、電圧を分離した方法で電流値を検知し、十分に精密で
、妨害から免れる度合の高い、好ましい価格の電流検知ユニットに基づくもので
ある。

【０００９】この問題は、本明細書に含まれる請求の範囲の請求項１に示すような電流検知
ユニットによって解決される。これは、本発明による電流検知ユニットが導体の
上に配置された少なくとも２つのホール・センサを包含することを意味する。ホ
ール・センサは、これらが導体を通過する電流によって発生する磁界を同じに絶
対量で検知し、その他に妨害磁界も均等に絶対量で検知し、また磁界も妨害磁界
もそれぞれ異なる符号を付けて検知するように配置される。

【００１０】さらに別の実施形態を従属請求項に明記する。

【００１１】したがって、電流測定値は加算または減算のいずれによっても増幅され、それ
でも外部からの妨害による妨害磁界は除去される。

【００１２】本発明による電流検知ユニットによって、追加のフェライト・コアを必要とし
ないので電流値検知を低コストで実施できるので有利である。さらにまた、妨害
ならびに高い分離した電圧に対する感受性を極めて少なくすることが達成可能で
ある。

【００１３】本発明によって、直流範囲における簡単な電子リリース・トリガー用の、４ｋ
Ｖまでの直流について潜在的に個別の方法で電流値を検知する電流検知ユニット
を得ることができる。

【００１４】次に、本明細書に含まれる図面を参照して、実施形態によって本発明をさらに
詳細に説明する。

【００１５】図１は、第１実施形態による過電流リレーの概略図である。過電流リレーは基
本スイッチＢＳとアーク消去システムＬＳとを含む。しかしこの機能は本実施形
態には重要ではないので詳細に説明しない。

【００１６】電流検知ユニットＳＭＡは導体２に取り付けられている。電流検知ユニットＳ
ＭＡは、それぞれ表面磁界の測定またはホール効果の原理に基づく。

【００１７】第１実施形態による電流検知ユニットＳＭＡを図２にさらに詳しく示す。ここ
では、２個のホール・センサ１ａ、１ｂが導体２の一部に互いに対向して配置さ
れている。

【００１８】磁界が比較的弱く、また周囲環境からの妨害すなわち妨害磁界によって乱され
るので、２個のホール・センサ１ａ、１ｂが使用される。この外部妨害を排除す
るために、２個のホール・センサ１ａ、１ｂは、両ホール・センサが電流によっ
て発生する磁界の絶対値が同じになるように測定するが、それぞれ互いに反対の
極性の磁界を測定するように配置されている。導体２を通過する電流の量がＢで
ある場合には、例えばホール・センサ１ａは磁界＋Ｂを測定するが、ホール・セ
ンサ１ｂは磁界−Ｂを測定する。

【００１９】２個のホール・センサ１ａ、１ｂからの出力信号は減算される。この方法で妨
害磁界が出力信号から除去され、磁界の測定値は増幅される。したがって、妨害
磁界は信号の減算によって可能な最大限除去され、測定しようとする磁界の強力
な測定信号が発生するので、従来の技術による例えばフェライト・コアによって
磁界自体を強化する必要はない。

【００２０】ホール・センサ１ａの測定信号はＭＷ１ａで示され、ホール・センサ１ｂの測
定信号はＭＷ１ｂで示される。２個のセンサが互いに十分に接近して配置された
場合には、妨害磁界は両ホール・センサにおいて等しいと推定することができる
。したがって下記の測定値の結果は、ＭＷ１ａ＝＋Ｂ＋ＳＭＷ１ｂ＝−Ｂ＋Ｓであり、ここでＳは妨害磁界を示すために使われている。したがって２つの測定
値の減算は全測定値ＭＷとなる。すなわち、ＭＷ＝ＭＷ１ａ−ＭＷ１ｂ＝＋Ｂ−（−）Ｂ＋Ｓ−Ｓ＝２Ｂしたがって、妨害磁界は消去され、使用測定値すなわち測定された磁界は２倍に
なる。

【００２１】代替案として、２個のホール・センサを、センサの各々が異なる符号を有する
全測定磁界、すなわち同じ符号を有する有効磁界Ｂと異なる符号を有する妨害磁
界Ｓを測定するように、配置することができる。この場合、妨害磁界は加算によ
って消去される。すなわち、ＭＷ１ａ＝Ｂ＋ＳＭＷ１ｂ＝Ｂ−ＳＭＷ＝ＭＷ１ａ＋ＭＷ１ｂ＝２Ｂ

【００２２】上述のように、妨害磁界が両ホール・センサの位置において同じであるように
、プローブは互いにできるだけ短い距離を有するようにホール・センサの配置を
維持すべきである。さらにまた、磁界強度が電流変位の影響によって影響されな
いことが重要である。この点について、円形導体の上にホール・センサを配置す
ることが有利である。図２によれば、例えば導体２はホール・センサにおいて円
形導体として設計されている。

【００２３】２つのホール・センサが導体内を絶対量で等しく流れる電流によって発生する
磁界を測定するように、両ホール・センサを導体２から同じ距離に配置しなけれ
ばならない。

【００２４】この他に、図２に示すように、導体２が両ホール・センサ１の間に延びるよう
にホール・センサ１を配置しなければならない。この配置は、ホール・センサが
磁界を絶対量で等しく検知するが反対の符号を有するように、ホール・センサを
配置する１つの可能性である。もちろん他の配置も考えることができる。例えば
、両ホール・センサ１が導体２の一方の側に互いに直接並んで配置されるもので
ある。

【００２５】図１によれば、２個のホール・センサ１から成る電流検知ユニットは、図１に
よる導体２と戻り導体４とを含む過電流リレーなどの、所定の電線配置の中に設
置される。したがって、戻り導体４の影響が考慮されるようにホール・センサ１
ａ、１ｂを配置し較正することができるので、電線配置に起因する少なくとも周
知の妨害は減少する。したがって、第１実施形態による電流検知ユニットは、周
知の剛性電線配置において使用されることが好ましい。

【００２６】次に、未知の電線配置において使用することもできる、第２実施形態による電
流検知ユニットを説明する。

【００２７】この電流検知ユニットを図３に示す。図３によれば、２個のホール・センサが
筒状シールド３によって囲まれている。この処置によって、外部からの妨害は遮
蔽されて、これはさらに精密な測定を可能にする。

【００２８】上述の各実施形態によれば、２個のホール・センサ、すなわち一対のホール・
センサが使用される。しかし、妨害磁界が除去されて測定値信号が加えられるよ
うに切り替えられるならば、何対のホール・センサでも使用することができる。

【００２９】ホール・センサ数の増加によって、各ホール・センサ対における妨害磁界は除
去されると同時に測定された信号は２倍になるので、結果として得られる測定値
ＭＷの妨害磁界への距離を大きくすることができる。これは、ｎ対のホール・セ
ンサによって２ｎ倍の磁界が測定されることを意味する。

【００３０】次に図４を参照して、２個のホール・センサを含む第１または第２実施形態に
よる電流検知ユニット用の評価回路を説明する。

【００３１】２個のホール・センサ１１、２１は、筒状導体Ｌにおいて互いに反対側に配置
されている。これらのホール・センサは、２個のホール・センサからの出力信号
を減算することによって妨害磁界が除去されるように、互いに反対側に配置され
ている。

【００３２】ホール・センサ１１からの出力信号は、まず、温度補償センサ１２に伝導され
る。この温度補償センサ１２によって、測定値に対する温度の影響が除去される
。補償された信号は増幅器１３によって増幅され、増幅された信号はオフセット
平衡装置１４に供給され、オフセット平衡装置において信号のオフセットは平衡
化される。

【００３３】同じ方法で、ホール・センサ２１からの出力信号は温度補償センサ２２、増幅
器２３、およびオフセット平衡装置２４に供給される。信号は、減算器５に供給
することができるように、オフセット平衡装置１４、２４によって互いに平衡化
される。

【００３４】減算器５は２つの測定信号を互いに減算して、上述のように妨害磁界が除去さ
れている結果として得られる信号を出力する。減算器５からの出力信号は増幅器
６によって増幅され、適当なさらに別の処理装置に出力される。例としてここに
、過電流放出器８および信号変換インタフェース７を示す。過電流放出器は、第
１実施形態で説明したような放出器にすることができる。信号変換インタフェー
ス７は例えば、測定信号に比例して例えば４ｍＡから２０ｍＡまでの範囲にある
電流を出力する。その他に、参照記号９に至る点線で示唆するように、さらに別
のインタフェースを接続することができる。

【００３５】既に述べたように、電流検知ユニットにおけるホール・センサの数は２個に限
られるものではなく、何対のホール・センサでも可能である。

【００３６】次に図５を参照して、４個のホール・センサを含む第３実施形態による電流検
知ユニット用の評価回路を説明する。

【００３７】この図面において、同じ参照番号は図４におけるものと同じ構成部分に対応す
る。これは、図面の上半分に示されて、温度補償センサ１２、２２、増幅器１３
、２３、およびオフセット平衡装置１４、２４を含む２つの枝路は、図４におけ
る配置に対応することを意味する。これら２つの枝路の出力信号は減算器５１に
よって互いに減算され、減算器５１は妨害磁界を消去する役目をする。減算器５
１からの出力信号は増幅器６１によって増幅された後に、加算器１５に供給され
る。

【００３８】この配置に加えて、さらに２つのホール・センサ３１、４１が導体に配置され
ており、これらは例えばホール・センサ１１、２１の配置に対向するように空間
的に９０°だけずらされている。上述と同様に、ホール・センサ３１からの出力
信号は温度補償センサ３２に供給され、温度補償された信号は増幅器３３によっ
て増幅され、オフセット平衡装置３４によってオフセット平衡化が実施される。
ホール・センサ４１からの出力信号は温度補償センサ４２に供給され、温度補償
された信号は増幅器４３によって増幅され、オフセット平衡装置４４によってオ
フセット平衡化が実施される。それからオフセット平衡装置３４、４４の出力信
号は減算器５２によって互いに減算され、減算器５２からの信号は増幅器６２に
よって増幅された後に、加算器１５に供給される。

【００３９】加算器１５は、２対のホール・センサ１１、２１ならびに３１、４１からの結
果として得られる信号を加算する。合計信号は増幅器１６によって増幅されてか
ら、図４による評価回路におけるように、さらに別のユニット７、８、９に供給
される。

【００４０】第３実施形態によれば、２対のホール・センサが使用されている。上述のよう
に、多数対のホール・センサを使用することもできる。このような配置のための
評価回路は図５におけると同様な方式で構成することができ、それからいくつか
の信号が加算器１５に供給される。

【００４１】図４、５による評価回路が改訂される場合には、第１実施形態の説明で述べた
ように妨害磁界が出力信号の加算によって除去される配置をホール・センサに対
して選択することができる。すなわちこの場合には、ホール・センサは、これら
がそれぞれ同じ符号を付けた導体によって発生した磁界を検出するように配置さ
れなければならないが、妨害磁界は異なる符号を有する。それから評価回路では
第３実施形態による減算器５を加算器に置き換えなければならない。２対のホー
ル・センサを有する評価回路の変形では、減算器５１、５２をそれぞれ第４実施
形態による加算器に置き換えなければならない。

【００４２】上の説明では、表面磁界測定の原理に基づく電流検知ユニットを示した。電流
検知ユニットは、導体２の上に配置された少なくとも２個のホール・センサ１ａ
、１ｂを包含する。ホール・センサは、これらが導体を通過する電流によって発
生する磁界を等しい絶対量で、ならびに妨害磁界を等しい絶対量で検出するよう
に配置され、磁界または妨害磁界のいずれかを異なる符号で検出する。したがっ
て、電流測定値は加算によっても減算によっても増幅されるが、外部妨害磁界に
よる妨害は除去される。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態による導体に固定された電流検知ユニットを包含する過電流リレ
ーの概略図である。

【図２】電流検知ユニットをさらに詳細に示す図１による図の部分拡大図である。

【図３】第２実施形態による電流検知ユニットを示す図である。

【図４】第１および第２実施形態による電流検知ユニット用の評価回路のブロック図で
ある。

【図５】第３実施形態による４個のホール・センサを包含する電流検知ユニット用の評
価回路のブロック図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１３年５月２８日（２００１．５．２８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者ヴォルニー，ハインツドイツ連邦共和国・ディ−24539・ノイミュンスター・ミューレンシュトラーセ・ 236 Ｆターム(参考） 2G025 AA08 AA11 AB02 AB14 2G035 AA03 AA08 AA12 AD19 AD20 AD66

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導体（２）の上に配置された少なくとも２個のホール・セン
サ（１ａ、１ｂ）を包含し、前記ホール・センサ（１ａ、１ｂ）は、これらが導体（２）を通過する電流に
よって発生する磁界を等しく絶対量で、ならびに妨害磁界を等しく絶対量で検出
するように配置され、磁界または妨害磁界のいずれかが異なる符号を有してそれ
ぞれ検出する、電流検知ユニット。
【請求項２】ホール・センサ（１ａ、１ｂ）が、導体（２）を通過する電
流によって発生する磁界が両ホール・センサによって異なる符号でそれぞれ検出
されるように配置され、ホール・センサ（１ａ、１ｂ）からの出力信号は互いに減算される、請求項１に記載の電流検知ユニット。
【請求項３】ホール・センサ（１ａ、１ｂ）が、導体（２）を通過する電
流によって発生する磁界が両ホール・センサによって同じ符号でそれぞれ検出さ
れるように配置され、ホール・センサ（１ａ、１ｂ）からの出力信号は互いに加算される、請求項１に記載の電流検知ユニット。
【請求項４】導体（２）が２個のホール・センサの間に延びるように前記
２個のホール・センサ（１ａ、１ｂ）が配置されている前記請求項のいずれか一
項に記載の電流検知ユニット。
【請求項５】ホール・センサ（１ａ、１ｂ）と導体（２）の周りに取り付
けられたシールド（３）を含む前記請求項のいずれか一項に記載の電流検知ユニ
ット。
【請求項６】前記導体（２）が円形導体である前記請求項のいずれか一項
に記載の電流検知ユニット。
【請求項７】前記ホール・センサ（１ａ、１ｂ）相互の距離ができるだけ
小さい前記請求項のいずれか一項に記載の電流検知ユニット。
【請求項８】前記ホール・センサ（１ａ、１ｂ）それぞれの導体（２）か
らの距離が等しい前記請求項のいずれか一項に記載の電流検知ユニット。
【請求項９】複数対のホール・センサ（１１と１２、３１と４１）が備え
られ、各対の出力信号は減算器（５、５１、５２）によって互いに減算され、ホ
ール・センサ対からの結果として得られた出力信号は加算器（１５）によって加
算される請求項２に記載の電流検知ユニット。
【請求項１０】複数対のホール・センサ（１１と１２、３１と４１）が備
えられ、各対の出力信号は加算器によって加算され、ホール・センサ対からの結
果として得られた出力信号は加算器（１５）によって加算される請求項３に記載
の電流検知ユニット。
【請求項１１】ホール・センサ（１１、２１、３１、４１）の出力信号が
温度補償センサ（１２、２２、３２、４２）に供給される前記請求項のいずれか
一項に記載の電流検知ユニット。