KR20160003684A - 측정용 저항기 및 이를 이용한 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 측정용 저항기(10), 특히 저-저항 전류-감응 저항기에 관한 것으로서, 전류를 안, 밖으로 보내기 위한 도체 재료로 된 두 개의 접속부(2, 3), 및 저항 재료로 된 저항기 소자(4)를 포함하고, 저항기 소자(4)는 전류의 방향으로 두 개의 접속부(2, 3) 사이에 배치되어져서 전류가 저항기 소자(4)를 통해 흐른다. 본 발명의 일 변형예에 따르면, 측정용 저항기(1)는 저항기 소자(4)를 가로지르는 전압 강하를 측정하기 위한 몇 쌍의 전압-측정용 접촉부(7)를 가져서 전류 밀도의 이질성에 대해 계측학적으로 보상되어질 수 있게끔 한다. 이에 대조하여, 본 발명의 다른 변형예에 따르면, 측정용 저항기(10)가 용량성 또는 유도성 거동 어느 것도 나타내지 않는 위치에 한 쌍의 전압-측정용 접촉부(7)를 위치시켜서, 측정용 저항기(10)를 통해 흐르고 있는 전류와 전압-측정용 접촉부(7)를 가로지르는 전압이 실질적으로 동일한 위상을 있도록 하고 있다.

Description

측정용 저항기 및 이를 이용한 측정 방법{Measuring resistor and corresponding measuring method}

본 발명은 측정용 저항기, 상세하게는 저-저항 전류 감응 저항기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이를 이용한 측정 방법에 관한 것이다.

몇년 동안 종래기술로부터 알려진 바로는 전류를 측정하기 위해서 4-선 기법으로서 알려진 저-저항 전류 감응 저항기 ("shunts(분로기)")를 사용하여 왔다. 이 기법에 있어, 측정되어질 전류가 저-저항 전류 감응 저항기로 공급되면서, 저-저항 전류 감응 저항기의 저항기 소자를 가로지르는 전압 강하가 측정된다. 옴의 법칙에 따르면, 측정된 전압은 그 다음 전류 감응 저항기를 통해 흐르는 전류의 척도가 된다.

그와 같은 전류 감응 저항기는 예컨대 EP 0 605 800 A1 및 DE 42 43 349 A1에 기재된 바와 같은 평면형 디자인을 가질 수 있다. WO 2007/068409 A1 및 DE 10 2005 059 561 A1은 그와 같은 전류 감응 저항기의 다른 디자인의 예로서 동축형 저항기를 기술하고 있다.

그러나, 이러한 공지된 전류 감응 저항기의 측정 정밀도는 아직도 그리 만족스럽지 못하다.

참고적인 기술이 종래의 기술문헌 US 6 181 234 B1에도 있다. 이 문헌은 예컨대 Ni-Al 합금으로 형성될 수 있는 중앙 배치형 저항 스트립을 가지는 평면형 저값 저항기를 기술하고 있다. 유사하게 이 저항기는 평면형이면서 구리로 형성될 수 있고 그리고 오로지 발생된 열을 완충 및 소산시키기 위해 사용되는 두 개의 열전도성 소자가 저항 스트립의 두 개의 양 측연부에 용접되어 있다. 이 구성에서, 5개의 접촉 쌍이 열전도성 소자의 상면에 나란히 형성되어 있다. 이들 접촉 쌍들 중 하나는 저항 스트립을 가로지르는 전압 강하를 측정하는 데 사용되고, 다른 접촉 쌍들은 전류의 안, 밖으로 전도하는데 사용되는 것으로, 이는 공지의 4-선 기법에 의해 전류 측정을 수월하게 한다. 이 경우, 저항기를 가로지르는 전압 강하는 단일 접촉 쌍에 의해 한 곳의 특정 위치에서 재측정된다. 이 접속에서 언급되어야 할 것으로, 저항 스트립의 측면에 있는 평면형 열전도성 소자는 전기적 접촉을 형성하는 데 적절하지 않고 또한 이 목적에도 부합되지 않는다. 이러한 공지의 저항기는 기본적으로 상이한 디자인을 가지며 따라서 더 이상 현안의 형식이 아니다.

마지막으로, 참고로 DE 10 2006 039 722 A1 및 DE 10 2012 211 749 A1가 종래기술의 문헌으로써 이용된다. 그러나 이들 문헌은 다른 형식의 저항기를 기술하고 있고 따라서 마찬가지로 현안의 형식의 것이 아니다.

본 발명의 목적은 공지의 측정 저항기에 대해 적절히 개선방안을 제공하도록하는 데 있다.

상기 본 발명의 목적은 본 발명의 메인 독립청구항에서 주장하는 발명에 따른 측정용 저항기에 의해 성취된다. 본 발명은 또한 부가적인 독립청구항에서 주장하는 측정 방법을 포함한다.

본 발명은 공지의 전류 감응 저항기를 위해 저항기 소자의 전류 밀도가 동일한 방향으로 정확하게 배향되지 못하고 그 결과로서 측정용 저항기에서 측정된 전압값은 측정부의 위치, 이를 테면 전압 측정용 접촉부들이 위치한 곳에 의해 좌우된다는 물리학으로부터 알려진 기술적 사실에 근거한 것이다. 저항기 소자의 전류 밀도의 이들 에러-유발 이질성은 예컨대 비대칭 전류 입력, 접속용 리드, 접속용 접촉부 및 저항재료의 이질성, 구리 시리즈 저항의 온도 종속성, 스킨 효과 및 유도성 및 자계 효과 등에 의해 초래된다. 그러나, 측정된 전압값으로부터 전류 감응 저항기를 통해 흐르는 전류를 옴의 법칙에 따라서 계산할 때, 측정된 전압값은 전류 감응 저항기의 저항기 소자를 가로지르는 전압 강하와 정확하게 동일하다고 가정한다. 사실, 상기한 이질성은 전류 감응 저항기를 통해 흐르는 전류의 산정에 에러를 유도한다.

따라서 본 발명은 측정용 저항기에서의 전류 밀도의 이질성을 감안하여 보다 더 정밀한 측정이 가능하도록 한 일반적인 기술적 교시를 포함한다.

본 발명에 따른 저항기는 도입부에서 기술한 통상적인 전류 감응 저항기와 같은 것으로, 바람직하기로는 전도성 도전재료로 제조되어 저항기의 안, 밖으로 전류를 전도시키도록 한 두 개의 접속부를 포함한다.

이 두 개의 접속부의 도전재료는 바람직하게는 구리 또는 구리합금이다. 그 이유는 이 재료가 극도로 낮은 저항성을 가지기 때문이다. 그러나, 본 발명은 접속부의 도전재료가 구리 또는 구리합금에만 한정되지 않고, 원칙상 충분히 낮은 저항성을 가지는 기타 도전재료를 사용하는 것도 당연히 가능하다. 도전재료의 저항성은 가급적 10^-5 Ω.m, 10^-6 Ω.m, 또는 10^-7 Ω.m 이하가 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 저항기는 , 본 명세서의 도입부에서 기술된 통상적인 전류 감응 저항기와 공동하여, 두 개의 접속부 사이의 전류 경로에 저항기 소자를 배치시켜 전류가 저항기 소자를 통해 흐르도록 하고 있다. 저항기 소자는 여기서 두 개의 접속부의 도전재료의 저항성 보다 큰 저항성을 가진 저-저항 저항재료로 제조된다. 예컨대, 이러한 저항기 소자의 저항재료는 니켈 크롬 또는 구리 니켈과 같은 니켈 합금일 수 있다. 바람직하다면, 저항재료로서 Cu84Ni4Mn12 (Manganin®) 또는 Cu91Mn7Sn2 (Zeranin® 30)가 사용된다.

여기서 언급되어야 할 것으로, 저항재료는 가급적 저 저항성의 재료로서, 10^-4 Ω.m, 10^-5 Ω.m, 또는 10^-6 Ω.m 이하의 저항성을 가지는 것이 바람직하다.

또 언급될 것으로, 접속부 및/또는 저항기 소자는 가급적 평면형 디자인이지만, 만곡형 평판 형태의 디자인도 포함하며, 이러한 디자인 자체는 이미 종래기술에서 잘 알려진 것이다.

본 발명의 대표적인 구현예에 있어, 측정용 저항기는 측정용 저항기의 저항기 소자를 가로지르는 전압 강하를 측정하기 위해 측정용 저항기의 접속부에 접속된 단일 쌍의 전압-측정용 접촉부 만을 포함하는 것이 아니다. 대신에, 본 발명에 따른 측정용 저항기는 바람직하게도 다수의 전압 측정용 접촉부들을 포함하는 것으로, 각각의 쌍을 이룬 전압 측정용 접촉부 중 한 접촉부는 하나의 접속부에 접속되고 다른 접촉부는 다른 접속부에 접속된다. 각 쌍을 이룬 전압 측정용 접촉부는 따라서 측정용 저항기의 상이한 공간적 위치에서 측정용 저항기의 저항기 소자를 가로지르는 전압 강하를 측정하게 된다. 이로 인해, 예컨대 단순한 평균 기법에 의해, 전압 측정용 접촉부에서 측정된 모든 전압값으로부터 측정용 저항기를 가로지르는 전압 강하를 산정함으로써 명세서 도입부에서 기술된 전류 밀도의 에러-유발 이질성의 보정에 대한 측정을 이용할 수 있게끔 한다.

전압 측정용 접촉부 쌍들은 가급적이면 측정용 저항기에서 전류 흐름의 방향에 대해 나란히 배치되는 것이 좋다. 예컨대 EP 0 605 800 A1에서 알려진 바와 같은 평면형 측정용 저항기에 대해, 개별적인 전압 측정용 접촉부 쌍들이 측정용 저항기를 가로질러 나란히 배치된다는 것을 의미한다. 이에 대조하여, 예컨대 WO 2007/068409 A1에서 알려진 바와 같은 동축형 측정용 저항기에 대해, 개별적인 전압 측정용 접촉부 쌍들은 가급적 동축형 저항기의 원주 둘레에 분포된다는 것을 의미한다.

EP 0 605 800 A1 및 WO 2007/068409 A1 이들 두 개의 특허문헌들은 각기 평면형 측정용 저항기 및 동축형 측정용 저항기에 대해 기술하고 있으므로, 이들 저항기 형식의 디자인 특징에 대한 상세한 설명을 제공할 필요는 없다. 따라서 평면형 측정용 저항기 또는 동축형 측정용 저항기의 디자인에 대해서는 이들 특허문헌의 내용이 본 발명의 설명에 완전하게 도입될 수 있다 할 것이다.

또 언급되어야 할 것으로, 전압 측정용 접촉부 쌍들은 가급적이면 본질적으로 등거리 분포 상태로 배열되는 것이 좋다. 이는 측정된 전압값이 공간적 전류 밀도 분포라는 의미심장한 표현을 제공하여서, 측정에 의해 전류 밀도 분포의 이질성에 대해 양호한 보정을 얻을 수 있게 한다.

또 언급되어야 할 것으로, 상기한 에러-유발 이질성은 전류 흐름의 방향을 가로지르는 저항기 소자의 폭이 상대적으로 클 경우 특히 관련있다. 그러나, 에러-유발 이질성의 보정에 의해, 본 발명에 따른 측정용 저항기는 5 mm, 10 mm, 20 mm, 50 mm, 100 mm 또는 200 mm 이상의 비교적 큰 폭을 허용한다.

달리 언급할 것으로, 다수의 전압-측정용 접촉부 쌍들은 가급적이면 2, 4, 6, 또는 8 보다 크며, 이들 전압-측정용 접촉부 쌍들의 높은 공간적 밀도가 에러-유발 이질성에 대한 양호한 측정-기반 보정을 가능하게 하는 데, 그 이유는 측정용 저항기에서의 전류 밀도의 공간적 변동에 대해 개선된 모델링을 가능하게 하기 때문이다.

또 언급되어야 할 것으로, 측정용 저항기의 저항기 소자에서의 전류 및 전압이 부분적으로 유도성 거동 및 전도성 거동을 나타낸다. 전류 및 전압의 용량성 거동은 전류가 교류전류용 전압을 유도하는 특징이 있다. 유도성 거동은 반면에 전류가 교류전류용 전압을 늦추는(lagging) 특징이 있다. 평면형 전류 감응 저항기에 대해, 저항기 소자의 측면 외부-배치 영역에서의 전류 및 전압은 전형적으로 용량성으로 거동하는 반면에, 저항기 소자의 중앙 영역에서의 전류 및 전압은 주로 유도성적으로 거동한다. 저항기 소자의 용량성 영역과 유도성 영역 사이에 위치하는 것은 중립 지점들로서, 이 안에는 전류와 전압이 본질적으로 같은 위상으로 있고 이로 인해 어떠한 용량성 또는 유도성 거동도 나타내지 않는다. 따라서, 본 발명의 일 변형예에 있어, 한 쌍의 전압-측정용 접촉부는 측정용 저항기에 상기 언급한 중립 지점에 상응하는 위치에 배치된다. 이는 측정용 저항기를 관통하는 전류와 전압-측정용 접촉부 쌍을 가로질러 측정된 전압이 같은 위상으로 있다는 것을 의미한다. 또한 본 발명의 이 변형예는 단 하나의 단일 쌍의 전압-측정용 접촉부를 가지는 측정용 저항기의 보호에 대해 주장하는 것으로, 여기에는 이들 전압-측정용 접촉부들이 측정용 저항기의 중립 지점에 배치되어 있다.

또한, 본 발명은 완전한 측정 조립체를 주장하는 것으로, 이 조립체는 상기 설명한 본 발명에 따른 측정용 저항기 및 평가 유닛을 포함하며, 상기 평가 유닛은 적어도 한 쌍의 전압-측정용 접촉부에 접속되어 측정된 전압값으로부터 저항기 소자를 가로지르는 전압 강하를 결정하여서 그로부터 옴의 법칙에 따라 측정용 저항기를 통해 흐르는 전류를 산정하도록 한다.

더욱이, 본 발명은 이러한 장치를 이용한 측정 방법을 보호받고자 하는 것으로, 이 측정 방법의 상세한 내용은 이미 상기 설명에서 명백하게 이해될 것이다.

또한, 강조되어야 할 것으로, 상이한 쌍의 전압-측정용 접촉부에서 측정된 개별적인 전압값들은 가급적 가중 인자(weighting factor)에 의해 가중되며 그런 다음 가중되어 측정된 전압값으로부터 측정용 저항기를 가로지르는 전압 강하를 산정하게 된다. 실제적인 측정에 앞서, 이들 가중 인자들은 가급적 별개의 보정 절차에서 결정된다.

가중 인자에 대해 언급되어야 할 것으로, 저항기 소자의 전류 프로파일에서의 에러-유발 이질성은 최적 세트의 가중 인자들에 의해 빠짐없이 수정될 수 있다. 저항기 소자의 전류 프로파일에서의 에러-유발 이질성은 현재 유효한 측정 매개변수들(이를 테면, 온도, 주파수, 외부 자계, 등)에 좌우된다. 최적 세트의 가중 인자들은 따라서 대응 세트의 측정 매개변수 만을 위한 저항기 소자의 에러-유발 이질성에 대한 최적의 보정을 가능하게 한다. 따라서, 본 발명의 일 구현예에 있어, 가중 인자들은 특정 구성성분을 위한 일정 값으로서 미리 설정되는 것이 아니고 현재 유효한 측정 매개변수들에 따라 한정된다. 따라서, 예컨대, 측정이 외부 자계 하에서 만들어진다면, 외부 자계 없이 만들어진 것보다 다른 가중 인자가 선택된다. 그에 의해 외부 측정조건들(이를 테면, 온도, 주파수, 외부 자계, 등)에 관계없이 전류를 지배하고 있는 측정 조건들을 위해 최적이 되는 특정 세트의 가중 인자들을 선택함으로써 저항기 소자의 전류 프로파일의 에러-유발 이질성의 보정이 크게 가능해진다. 가중 인자의 최적 세트는 이 경우 가급적 보정 프로세스에서 결정된다. 이 보정 프로세스에서, 전류는 미리 결정된 공지의 전류측정용 저항기를 통해 흐르고, 그리고 전압값은 각 전류의 전압-측정용 접촉부들을 가로질러 측정된다. 측정 매개변수들(이를 테면, 온도, 주파수, 자계)도 역시 각각의 값을 위해 측정된다. 가중 인자의 최적 세트는 각 배향 지점을 위해 결정될 수 있다. 다양한 측정 매개변수를 위해 이와 같이 결정된 가중 인자들은 그 다음 다중차원의 특성 어레이에 저장될 수 있고, 그리고 그 다음 실제 측정 동작 중에 간단하게 판독될 수 있다.

그러나, 대안예로서, 특성 어레이로부터 최적의 가중 인자를 판독하지 않고 현재 유효한 측정 매개변수들을 기초하여 해석적으로 상기 인자들을 결정할 수도 있다.

또 언급되어야 할 것으로, 개별적인 측정 전압값들은 가급적 동시적으로 측정되는 것이 바람직하다. 이러한 다수의 측정된 전압값들의 동시적이면서 평행한 측정은 결국 소음의 대폭 감소 효과를 얻을 수 있으며, 이러한 것은 측정 해결방안이 증대될 수 있다는 것을 의미하므로 측정된 전압값에 큰 잇점이 된다.

또한, 개개의 측정된 전압값들은 바람직하기로는 예컨대, 100 Hz, 500 Hz, 1kHz, 2 kHz 또는 4 kHz 이상의 아주 높은 샘플링 비율로 측정되는 것이 좋다.

본 발명의 대표적인 구현예에 있어, 개별 쌍의 전압-측정용 접촉부에서 측정된 전압값에 대한 평균값이 산정되고, 이러한 산정은 또한 개별 측정된 전압값에 대해 상이한 가중치를 적용할 수도 있다.

이러한 평균화는 아날로그로 측정된 전압값을 근거로 하여 또는 대응적으로 디지탈화하여 측정된 전압값을 근거로 하여 수행될 수 있다.

본 발명의 기타 유리한 개선사항들은 첨부된 특허청구법위의 종속항들에서 특정되거나 첨부도면을 참고로 하여 설명되는 본 발명의 대표적인 구현예의 설명에서 상세하게 설명된다.

본 발명은 측정용 저항기에서의 전류 밀도의 이질성을 감안하여 보다 더 정밀한 측정이 가능하도록 한 것으로서, 본 발명에 따른 저항기는 전도성 도전재료로 제조되어 저항기의 안, 밖으로 전류를 전도시키도록 한 두 개의 접속부를 포함하고, 두 개의 접속부 사이의 전류 경로에 저항기 소자를 배치시켜 전류가 저항기 소자를 통해 흐르도록 하고, 측정용 저항기는 측정용 저항기의 저항기 소자를 가로지르는 전압 강하를 측정하기 위해 측정용 저항기의 접속부에 접속된 단일 쌍의 전압-측정용 접촉부 또는 다수의 전압 측정용 접촉부들을 포함하는 것으로 하여, 예컨대 단순한 평균 기법에 의해, 전압 측정용 접촉부에서 측정된 모든 전압값으로부터 측정용 저항기를 가로지르는 전압 강하를 산정함으로써 명세서 도입부에서 기술된 전류 밀도의 에러-유발 이질성의 보정에 대한 측정을 가능하게끔 한다.

도 1은 다수의 전압-측정용 접촉부를 가지는 본 발명에 따른 전류 감응 저항기의 개략사시도;
도 2는 도 1에 도시된 전류 감응 저항기의 전압-측정용 접촉부에서 측정된 개별 전압값들의 평균값을 아날로그 수단에 의해 얻기 위한 회로의 개략적인 도표;
도 3은 옴의 법칙에 따라 상이한 측정된 전압값으로부터 얻은 상이한 전류값을 예시하는 그래프;
도 4는 전압-측정용 접촉부들의 공간적 위치의 함수로서 다양한 전압-측정용 접촉부에서의 진폭과 위상 변이를 예시하는 그래프;
도 5는 전류 감응 저항기의 외부 영역에서의 전류 및 전압의 용량성 거동을 예시하는 그래프;
도 6은 전류 감응 저항기의 중앙 영역에서의 유도성 거동을 예시하는 그래프;
도 7은 외부 자계에 의해 야기된 측정에서의 영향을 예시하는 그래프;
도 8은 다수의 전압-측정용 접촉부를 가지는 동축형 저항기의 부분사시도;
도 9는 단지 1 쌍의 전압-측정용 접촉부를 가지는 평면형 전류 감응 저항기의 대안예;
도 10은 상이한 측정 조건을 위한 최적 가중 인자를 결정하기 위한 보정 절차를 예시하는 플로우 도표; 및
도 11은 상이한 측정 조건을 위한 실제적인 측정 방법을 예시하는 흐름 도표.

도 1은 공지의 4-선 기법에 따라서 전류를 측정하기 위한 평면형 전류 감응 저항기(1)를 보여준다. 이 전류 감응 저항기(1)는 주로 종래의 디자인을 가지는 것으로, 부가적인 자료들은 EP 0 605 800 A1에 기재되어 있으며, 그 내용은 본 발명의 설명에 완전히 이용될 수 있다.

전류 감응 저항기(1)는 본질적으로 도전재료(이를 테면, 구리 또는 구리합금)로 된 두 개의 평면형 접속부와 그리고 이와 유사하게 평면형이고 저-저항 저항재료(이를 테면, Manganin®)로 된 저항기 소자(4)를 포함한다. 측정되어질 전류는 접속부(2)로 공급되고 그런 다음 저항기 소자(4)를 통해 흐르고 그런 다음 다른 접속부(3)를 거쳐 전류 감응 저항기에서 나온다.

전류를 안,밖으로 전도시키기 위해, 접속부(2, 3)는 각기 하나 이상의 구멍(5, 6)을 가지며, 그에 접속하는 접촉부들이 나사결합될 수 있다.

이 예시적인 구현예에 있어, 전류 감응 저항기(1)는 폭(b) = 200 mm 이지만, 전류 감응 저항기(1)의 폭(b)을 위한 그 외 다른 값도 역시 가능하다.

여기서 문제점은 저항기 소자(4)에서의 전류 밀도가 정밀하게 균일하지 않거나 또는 동일한 방향으로 정확하게 배향되지 않을 뿐만 아니라, 전류 감응 저항기(1)의 폭(b)을 가로지르면서 변화하고, 종래의 측정용 저항기(1)는 결국 이 저항기에서 저항기 소자(4)를 가로지르는 전압 강하가 오직 두 개의 전압-측정용 접촉부에 의해 측정되어지기 때문에 이에 상응하는 측정 에러를 유발하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 전류 감응 저항기(1)는 전류 감응 저항기(1)의 폭(b)을 가로질러 분포된 다수 쌍의 전압-측정용 접촉부(7)를 포함한다. 각 쌍의 전압-측정용 접촉부(7)에 대해, 전압-측정용 접촉부(7) 중 하나는 접속부(2)에 부착되고, 다른 전압-측정용 접촉부(7)는 다른 접속부(2)에 부착된다. 개개 쌍의 전압-측정용 접촉부(7)는 따라서 각각 전류 감응 저항기(1)의 폭(b)을 따라 서로 상이한 위치에 있는 저항기 소자(4)를 가로지르는 전압 강하를 측정한다.

하나의 측정에 있어, 다수의 전압값은 전압-측정용 접촉부(7)들에서 동시적으로 측정되며, 그 측정된 값들로부터 전압값이, 예컨대 가중된 평균화(weighted averaging), 즉 저항기 소자(4)의 전류 밀도에서의 상기 설명한 에러-유발 이질성이 없고 따라서 보다 더 정밀해지는 가중된 평균화에 의해 얻어질 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 전류 감응 저항기(1)의 각기 상이한 쌍의 전압-측정용 접촉부(7)에서 측정된 전압값들의 평균을 아날로그 수단에 의해 얻어지는 것을 예시하는 회로의 극도로 간략화된 도표를 보여준다.

이 목적을 위해, 전류 감응 저항기(1)에서, 전압값(U0, U1, ..., Un)이 각기 상이한 쌍의 전압-측정용 접촉부(7)에서 측정되고, 측정된 전압값(U0, U1, ..., Un)은 각기 상응하는 유효한 저항(R0, R1, ..., Rn)을 가로지르는 전압 강하가 된다.

측정된 전압값(U0, U1, ..., Un)은 그 다음 상이하게 가중된 저항기(F0·Ra, F0·Rb, F1·Ra, F1·Rb, ..., Fn·Ra, Fn·Rb)를 거쳐 아날로그 측정 시스템 또는 아날로그-to-디지탈 컨버터(8)로 입력되고, 그 다음 저항기 소자(4)를 가로지르는 전압 강하를 나타내는 것으로 상기 설명한 에러-유발 이질성이 거의 없는 상응하는 출력 신호를 출력한다.

도 3은 저항값(R) = 1 μΩ 및 폭(b) = 200mm 및 8쌍의 전압-측정용 접촉부(7)를 가지는 본 발명에 따른 전류 감응 저항기(1)의 측정 결과를 보여준다. 공급된 전류(I)는 이 경우 4 kA이다.

그래프에서 상이한 쌍들의 전압-측정용 접촉부(7)에서의 개개 측정 전압값들은 진폭과 위상의 항목에서 약간 다르다는 것이 명백하다.

도 4는 전류 감응 저항기(1) 내부의 전압-측정용 접촉부(7)의 측정 위치의 함수로서 진폭과 위상의 의존도를 예시하는 다른 그래프를 보여준다.

이 그래프에서, 전류 감응 저항기(1)의 측연부로부터 특정 전압-측정용 접촉부(7)의 거리는 X-축을 따라 도시된 것이다.

그러나, Y-축은 일측면 상에 측정된 전압값과 타측면 상에 얼마의 각도로 있는 위상 변이의 정규 진폭을 보여준다.

그래프에서 명백한 바와 같이, 전류 감응 저항기(1)의 중심에서의 전류와 전압은 유도성 거동을 보여주는 반면, 전류 감응 저항기(1)의 측연부 영역에서의 전류와 전압은 용량성 거동을 보여준다. 전류 감응 저항기(1)의 유도성 중심 영역과 전류 감응 저항기(1)의 용량성 측연부 영역 사이에 위치한 것은 중립 지점(9)으로 알려진 것으로서, 실제로 전류 감응 저항기(1)에서의 전류 흐름의 주 방향을 따른 선분이다. 이 중립 지점(9)에서의 한 쌍의 전압-측정용 접촉부(7)의 배열을 위해, 측정된 전압값과 전류는 용량성 또는 유도성 거동 중 어느 것도 나타내지 않고 본질적으로 같은 위상으로 있다.

도 5는 스위치-오프 동작 중 전류 감응 저항기(1)의 측면 외부 영역에서의 전류와 전압의 용량성 거동을 보여준다. 그래프에서 명백한 바와 같이 양성적인 위상 변이와 함께 오버슈트(overshoot)가 발생한다.

도 6은 스위치-오프 동작 중 전류 감응 저항기(1)의 중심 영역에서의 전류와 전압의 유도성 거동을 보여준다. 그래프는 측정 신호의 점근성 붕괴(asymptotic decay)를 보여준다.

또한, 도 7은 상이한 쌍을 이룬 전압-측정용 접촉부(7)에서의 측정된 전압값, 또는 대략 I = 8A의 DC 전류 및 전류 감응 저항기(1)의 바로 근처에서 주행하는 대략 I = 5000A로 흐르는 AC 케이블의 합성 대응 전류값을 보여준다. AC 케이블에서 발생되는 자계는 전류 감응 저항기(1)에 대한 접속 리드선에 그리고 전류 저항기 자체에 와전류를 야기시키며, 이 와전류는 개개 채널, 이를 테면, 개개 쌍의 전압-측정용 접촉부(7)에 위상과 진폭을 변동시켜서 측정되지만, 가중된 평균(weighted average)에서는 보이지 않는다. 따라서, 상이한 측정 전압값을 평균화함으로써 외부 자계의 인터퍼런스 효과에 대해 보정이 유리하게 가능해진다.

도 8은 예컨대 WO 2007/068409 A1에 완전하게 기술된 저항기와 같은 동축형 저항기(10)의 부분도를 보여주고 있으며, 이것으로써 동축형 저항기(10)의 디자인과 동작의 전체 설명을 별도로 제공할 필요는 없을 것이다. 따라서, 상기 이용한 특허출원 WO 2007/068409 A1에 주어진 동축형 저항기(10)의 디자인 및 동작의 설명을 본 발명에 완전히 도입된 것으로 간주한다.

이 점에서 단순히 언급되어야 할 것으로, 동축형 저항기(10)는 두 개의 환형 접속부(11, 12)를 가지며, 이들 사이에는 마찬가지로 환형 저항기 소자(13)가 삽입된다.

또한, 동축형 저항기(10)는 다수 쌍을 이룬 전압-측정용 접촉부(14)를 포함하며, 앞서의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 이들 접촉부들은 원주 둘레에 분포되어 원주 둘레의 전류 분포에서의 불균일성을 수정할 수 있게 된다.

도 9는 본 발명에 따른 전류 감응 저항기(1)의 다른 변형예를 보여주는 것으로, 도 1에 도시한 전류 감응 저항기(1)_와 실질적으로 동일하며, 그에 따라서 반복 설명은 피할 것이고, 상응하는 특징을 위해 동일 부호가 사용되었다.

이 예시적인 구현예에서의 특별한 특징은 전류 감응 저항기(1)가 오직 단일 쌍의 전압-측정용 접촉부(7)을 가지며, 그러나, 이 접촉부들은 저항기 소자(4)에서의 전류 분포의 에러-유발 영향을 피하기 위해, 이를 테면 전류 감응 저항기(1)의 용량성 영역과 유도성 영역 사이의 경계에 위치한 중립 지점(9)의 영역에 배열된다. 전압-측정용 접촉부(7)에서의 전압값을 측정하기 위해 평가 유닛(15)이 사용된 경우, 전류와 전압은 유도성 거동이나 용량성 거동 어느 것도 나타내지 않고 본질적으로 동일한 위상으로 있다.

도 10은 상이한 측정 조건을 위한 최적 가중 인자들을 결정하기 위한 보정 프로세스를 예시하는 흐름 도표를 보여준다.

제 1단계(S1)에서, 각 경우에 상이한 매개변수(예, 온도, 주파수, 자계)들이 존재하는 전류 감응 저항기를 통해 상이한 공지된 보정 전류들이 흐른다. 이로 인해 보정 매개변수들의 현재 유효값은 각기 특정 다중차원의 동작 지점을 한정하며, 상기 동작 지점은 저항기 소자의 에러-유발 이질성에 대해 유리한 효과를 가진다. 그 다음 전류 감응 저항기를 통해 흐르는 상이한 보정 전류들 각각에 대해, 전압-측정용 접촉부를 가로지르는 전압 강하가 측정된다.

제 3단계(S3)에서, 각각의 특정 동작 지점, 이를 테면 각 세트를 위한 보정 매개변수의 최적 세트의 가중 인자들이 산정된다.

이런 방식으로 산정된 최적 세트의 가중 인자는 그 다음 단계 S4의 다중차원의 특성 어레이에 저장된다.

도 11은 상기 설명한 보정에 기초한 실제 측정방법을 예시하는 흐름 도표를 보여준다.

단계 S1에서, 측정되어질 전류가 측정용 저항기를 통해 흐른다.

단계 S2에서, 측정되어질 전류가 측정용 저항기를 통해 흐르는 동안 전압-측정용 접촉부들을 가로지르는 전압 강하가 측정된다.

전류가 흐르고 있는 동안, 전류 지배 측정 매개변수들(예컨대, 온도, 주파수, 자계)도 측정된다. 그 측정 이유는 이들 측정 매개변수들이 전류 감응 저항기의 저항기 소자에서의 에러-유발 이질성에 대해 유리한 효과를 가질 수 있기 때문이다.

단계 S4에서, 전류 지배 측정 매개변수들을 맞추기 위해 한 세트의 가중 인자들이 특성 어레이로부터 판독되고, 이 가중 인자들은 도 10에 도시한 보정 프로세스에서 미리 결정된다.

단계 S5에서, 측정된 전압값은 판독 가중 인자에 의해 가중되어서 측정된 전압값을 결정하게 된다.

그 다음 단계 S6에서 마지막으로, 옴의 법칙에 따라서, 가중된 측정 전압값으로부터 전류가 산정된다.

이상과 같이 본 발명을 도면에 도시한 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 발명을 설명하기 위한 것일 뿐이며 어떠한 경우에도 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 본 발명의 진정한 권리범위는 상술한 명세서에 의해서 보다는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 결정되어야 한다. 그리고 이들 청구항의 의미 및 균등범위에 속하는 모든 변경 실시예들은 모두 그 범위에 포괄되도록 의도된 것이다.

1 : 전류 감응 저항기
2 : 접속부
3 : 접속부
4 : 저항기 소자
5 : 구멍
6 : 구멍
7 : 전압-측정용 접촉부
8 : 아날로그-to-디지탈 컨버터
9 : 중립 지점
10 : 동축형 저항기
11 : 접속부
12 ; 접속부
13 : 저항기 소자
14 : 전압-측정용 접촉부
15 : 평가 유닛
b : 전류 감응 저항기의 폭

Claims (16)

1. 측정용 저항기(1; 10), 특히 저-저항 전류 감응 저항기가,
   a) 도전재료로 제조되어 전류를 측정용 저항기(1; 10)에 전도시키는 제1 접속부(2),
   b) 도전재료로 제조되어 전류를 측정용 저항기(1; 10)로부터 전도시키는 제2 접속부(2),
   c) 저항재료로 제조되고, 상기 두 개의 접속부 사이에서 전류방향으로 배치되며, 저항재료를 통해 전류가 흐르는 저항기 소자(4; 13), 및
   d) 저항기 소자(4; 13)를 가로지르는 전압 강하를 측정하기 위한 것으로, 하나는 제1 접속부(2)에 전기접속되고, 다른 하나는 제2 접속부(3)에 전기접속되는 제1 쌍의 전압-측정용 접촉부(7; 14)를 포함하며,
   e) 상기 측정용 저항기((1; 10)는 저항기 소자(4; 13)를 가로지르는 전압 강하를 측정하기 위한 적어도 하나의 제2 쌍의 전압-측정용 접촉부(7; 14)를 포함하고, 그 하나의 접촉부(7)는 제1 접속부(2)에 전기접속되고, 다른 하나의 접촉부(14)는 제2 접속부(3)에 전기접속되고, 또는
   f) 제1 쌍의 전압-측정용 접촉부((7; 14)가 측정용 저항기(1; 10)가 용량성이나 유도성 거동의 어느 것도 나타내지 않는 위치에 배열되고, 또한 그에 따라서 측정용 저항기(1; 10)를 통해 흐르는 전류 및 제1 쌍의 전압-측정용 접촉부((7; 14)를 가로지르는 전압은 실질적으로 동일한 위상으로 있는 것을 특징으로 하는 측정용 저항기(1; 10).
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1, 2쌍의 전압-측정용 접촉부((7; 14)가 전류 흐름 방향에 대해 나란히 측정용 저항기(1; 10)에 배열된 것을 특징으로 하는 측정용 저항기(1; 10).
   
3. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1, 2쌍의 전압-측정용 접촉부((7; 14)가 실질적으로 등간격 분배형으로 배열된 것을 특징으로 하는 측정용 저항기(1; 10).
   
4. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 저항기 소자(4; 13)가 적어도 5 mm, 10 mm, 20 mm, 50 mm, 100 mm 또는 200 mm 의 전류 흐름의 방향을 가로지르는 폭(b)을 가지는 것을 특징으로 하는 측정용 저항기(1; 10).
   
5. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전압-측정용 접촉부((7; 14)의 쌍의 수가 2, 4, 6 또는 8 보다 큰 수 인 것을 특징으로 하는 측정용 저항기(1; 10).
   
6. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   a) 상기 측정용 저항기((1)가 평면형, 또는
   b) 상기 측정용 저항기(10)가 동축형이고,
   상기 쌍을 이룬 전압-측정용 접촉부((14)는 원주 둘레에 분배된 것을 특징으로 하는 측정용 저항기(1; 10).
   
7. 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
   a) 상기 측정용 저항기((1; 10)가 상기 쌍을 이룬 전압-측정용 접촉부((7; 14) 중 적어도 하나에서 용량성 거동을 나타내고, 그리고,
   b) 상기 측정용 저항기(1; 10)가 상기 쌍을 이룬 전압-측정용 접촉부((7; 14) 중 적어도 하나에서 유도성 거동을 나타내는 것을 특징으로 하는 측정용 저항기(1; 10).
   
8. 전술한 항들 중 어느 한 항에 따른 측정용 저항기((1; 10)를 포함하고 그리고 상기 쌍을 이룬 전압-측정용 접촉부((7; 14) 중 적어도 하나에 접속되어서 측정된 전압값을 얻고 그리고 측정된 전압값으로부터 저항기 소자(4; 13)를 가로지르는 전압 강하를 결정하는 평가 유닛(15)을 포함하는 것을 특징으로 하는 측정용 저항기(1; 10).
   
9. 특별히 4-선 기법에 의해 전술한 항들 중 어느 한 항에 따른 측정용 저항기((1; 10)를 이용하여 전류를 측정하기 위한 측정 방법에 있어서,
   a) 상기 측정용 저항기((1; 10)에 측정되어질 전류를 전도시켜서 전류가 측정용 저항기((1; 10)의 저항기 소자(4; 13)를 통해 흐르도록 하는 단계,
   b) 상기 측정용 저항기((1; 10)로부터 전류를 전도시키는 단계, 및
   c) 전류가 저항기 소자(4; 13)를 통해 흐르고 있을 때 측정용 저항기((1; 10)의 저항기 소자(4; 13)를 가로지르는 전압 강하를 결정하고, 전압은 제1 쌍의 전압-측정용 접촉부((7; 14)에서 측정되는 단계;를 포함하고,
   d) 상기 저항기 소자(4; 13)를 가로지르는 전압 강하의 측정된 전압값은 다수의 쌍을 이룬 전압-측정용 접촉부((7; 14)의 각각에서 측정되고, 저항기 소자(4; 13)를 가로지르는 전압 강하는 쌍을 이룬 전압-측정용 접촉부((7; 14)에서 개개의 측정된 전압값으로부터 결정되고, 또는
   f) 제1 쌍의 전압-측정용 접촉부((7; 14)는 측정용 저항기((1; 10)가 용량성 또는 유도성 거동 어느 것도 나타내지 않는 위치에 배열되고, 따라서 측정용 저항기((1; 10)를 통해 흐르고 있는 전류와 제1 쌍의 전압-측정용 접촉부((7; 14)를 가로지르는 전압은 실질적으로 동일한 위상으로 있는 것을 특징으로 하는 측정용 저항기를 이용한 전류 측정 방법.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    a) 가중 인자로서 상기 개개의 측정된 전압값 가각을 가중시키는 단계,
    b) 상기 가중된 측정 전압값으로부터 저항기 소자(4; 13)를 가로지르는 전압 강하를 결정하는 단계, 및/또는
    c) 상기 가중되는 인자들을 보정 프로세스에서 보정하는 단계,를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정용 저항기를 이용한 전류 측정 방법.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    저항기 소자(4; 13)에서의 전류의 이질성에 대한 효과를 가지는 적어도 하나의 측정 매개변수를 결정하는 단계, 및
    b) 상기 적어도 하나의 측정 매개변수에 따른 가중 인자들을 결정하는 단계,를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정용 저항기를 이용한 전류 측정 방법.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 측정 매개변수가 하기 변수 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정용 저항기를 이용한 전류 측정 방법:
    a) 전류의 주파수,
    b) 측정용 저항기의 온도 또는 주위 온도,
    c) 측정이 일어나는 외부 자계의 방향 및 진폭,
    d) 측정용 저항기를 통과하는 전류,
    e) 전압-측정용 접촉부를 가로지르는 전압.
    
13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    측정된 전압값이 개개 쌍의 전압-측정용 접촉부(7; 14)에서 동시적으로 측정되는 것을 특징으로 하는 측정용 저항기를 이용한 전류 측정 방법.
    
14. 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    측정된 전압값이 개개 쌍의 전압-측정용 접촉부(7; 14)에서 적어도 100 Hz, 500 Hz, 1kHz, 2 kHz 또는 4 kHz 의 샘플링 비율로 측정되는 것을 특징으로 하는 측정용 저항기를 이용한 전류 측정 방법.
    
15. 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 측정된 전압값의 단순 또는 가중된 평균값을 산정하는 단계,
    b) 측정된 전압값의 평균값으로부터 측정용 저항기((1; 10)를 가로지르는 전압 강하를 산정하는 단계,를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정용 저항기를 이용한 전류 측정 방법.
    
16. 제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 아날로그로 측정된 전압값이 디지탈로 측정된 전압값으로 변환되고, 그리고/또는
    b) 단순 또는 가중된 평균화가 아날로그로 측정된 전압값을 근거로 또는 디지탈로 측정된 전압값을 근거로 하여 수행되는 것을 특징으로 하는 측정용 저항기를 이용한 전류 측정 방법.
    

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