LU503820B1 - Messgerät zur kontaktlosen Strommessung und Verfahren zu dessen Kalibrierung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung sieht ein Messgerät (l, l') zum kontaktlosen Messen der Stromstärke eines Gleich-öder Wechselstroms vor, umfassend wenigstens ein erstes Gehäuseteil (10, 10'), welches durch seine Baufortn einen außerhalb des ersten Gehäuseteils (10, 10') angeordneten Messbereich definiert, sowie eine Mehrzahl Magnetfeldsensoren (101- 108, 10T-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 (l, l') 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 ‘schen 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

Ampère‘schen Gesetz erfolgen, wonach der gemessene Strom auf der Lösung eines

Wegintegrals des magnetischen Feldes beruht. Dazu kann die Formel [,,, = $, 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 Ia = XE B;s;, 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 B: die von dem i-ten Sensor erfasste magnetische

Flussdichte in Richtung des Wegelements mit der Länge si ist. Die Wegelemente sı miissen 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 kreisfôrmigen 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 Ampère‘schen

Gesetzes verwenden, werden beispielsweise in EP 3 589 961 B1, 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 A1 beschrieben. In EP 3948310 A1 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 Ampère‘schen Gesetzes zu verwenden, muss die Lage des stromdurchflossenen Leiters relativ zu den Magnetfeldsensoren bekannt sein.

Bei den beispielsweise in WO 2022030287 A1, EP 2821798 B1, EP 2921864 B1 und

EP 3106884 B1 beschriebenen Messanordnungen ist zu diesem Zweck jeweils vorgesehen, den zu messenden elektrischen Leiter in einer vorgegebenen Position zu fixieren. In WO 2010/096344 A1 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 A1 ist ferner eine Strommessvorrichtung mit zwei Magnetfeld- sensoren 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 A1 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 konstruktions- bedingt 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 öffen- 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 5 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-Variablen,

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 ermôglicht 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 öffen- 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 | 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°gespeichert, wobei die Parameter Informationen zu den Positionen, zu den

Orientierungen und zu messtechnischen Eigenschaften der Magnetfeldsensoren 101‘- 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‘, Eingangsanschliisse 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 öffen- 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. l‘ausschlieBlich 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 B 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 101-10n 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. OV=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, Profinet etc. ausgeben, oder zum Beispiel auch über ein geräteinternes Web Based Management, d.h. auf einer über die Benutzerschnittstelle 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 PC.

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 varliert, 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 Giitekriterium 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

Ablaufdiagramms 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 o 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: > I,

B(f) = np Eq

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 Versorgungsspannungs- schwankungen 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 B 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 nicht- konvexes 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 magnetfeldempfindlichen 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 Erfiillen des zweiten Abbruchkriteriums, Speichern der Werte der Kalibrierungs-

Leiter-Variablen,

G) Berechnen von erwarteten Werten fiir 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

Mmax 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 x;, Position yi, Rotationswinkel &;, Kippwinkel ß;, OFFSET; und GAIN; 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 1 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 K1 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 K1 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 Kalibrierleitern K1 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 € {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 S1,1 bis Sn,1, S1,2 bis Sn,2 und SR den Kalibrierleitern K1 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 Kalibrierleitern 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 Kalibrierleitern K1, 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.

Konfiguration | Strom | Strom | Strom | Strom Schalter geschlossen

TT eee] TTT voy pepe pe

Cr 1510108

Cs [ee es

Ce fee ems

CE [ss

Ce Le 810 ss

Cr eee sess

Cs eo sess

Ce mess

Cw [ess

Es sind also mit Hilfe von 3 Kalibrierleitern und einem Riickleiter bereits 10

Kalibriermessungen realisierbar. Bei den Konfigurationen 8-10 wird vorzugsweise der

Strom in den einzelnen Kalibrierleitern gemessen, da es aufgrund von ungleichen

Leiter-Widerständen, Kontaktwiderständen 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 gegeniiber Rauschen bei gegebener Anzahl von Messungen erhoht.

Claims (12)

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 öffen- 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 Anspriiche 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 fiir jede Anordnung jeweils die folgenden Schritte auszufiihren: 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 fiir 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 Abhingigkeit der in Schritt G) berechneten Werte und der in Schritt A) gemessenen Werte, I) solange ein vorgebbares drittes Abbruchkriterium noch nicht erfiillt ist, Variieren der Werte der Sensor-Variablen in Abhängigkeit eines vorgebbaren dritten Optimierungs-Algorithmus und Wiederholen der Schritte G) und H), J) bei Erfiillen 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.