WO2009112412A1

WO2009112412A1 - Anordnung zum messen einer stromstärke, schaltanordnung sowie verfahren zum messen einer stromstärke

Info

Publication number: WO2009112412A1
Application number: PCT/EP2009/052573
Authority: WO
Inventors: Klaus Behringer
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2009-09-17
Also published as: DE102008013427A1

Abstract

Zur Messung einer Stromstärke anhand des durch den Strom mit dieser Stromstärke erzeugten Magnetfelds kann eine Wheatstone-Brücke (12) aus Widerständen (Rx, Ry) verwendet werden, die magnetfeldabhängig sind, insbesondere dem Riesenmagnetwiderstandseffekt unterliegen. Zur präzisen Auswertung sollte die Temperatur der Widerstände (RI, R?) bekannt sein. Hierzu wird die Stromstärke des über die Wheatstone-Brücke (12) fließenden Stroms (I) mit Hilfe eines Messwiderstands (RM) ermittelt, indem die daran abfallende Spannung (UM) gemessen wird. Aufgrund einer bekannten Abhängigkeit dieser Stromstärke von der Temperatur lässt sich auf die zu ermittelnde Stromstärke schließen.

Description

Beschreibung

Anordnung zum Messen einer Stromstärke, Schaltanordnung sowie Verfahren zum Messen einer Stromstärke

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen einer Stromstärke nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Sie betrifft auch eine bei der erfindungsgemäßen Anordnung verwendete Schaltanordnung sowie ein Verfahren zum Messen einer Stromstärke, bei der diese Schaltanordnung verwendet wird.

Es ist bekannt, zum Messen einer Stromstärke eine Magnetfeldabhängigkeit eines Widerstands oder mehrerer Widerstände zu nutzen. Hierbei können insbesondere Widerstände eingesetzt werden, die dem Riesenmagnetwiderstandseffekt unterliegen.

Man kann zumindest einen solchen Widerstand mit magnetfeldabhängigem Widerstandswert in einer Wheatstone-Brücke verwenden bzw. eine Wheatstone-Brücke ausschließlich aus solchen Widerständen zusammensetzen. Bekanntlich sind bei einer Wheatsto- ne-Brücke ein erster und ein zweiter (Anschluss-) Punkt über zwei parallele Zweige mit je zwei Widerständen verbunden. Zwischen den Widerständen ist jeweils ein Abgriff bereitgestellt. Nun wird der erste Punkt mit einer Spannungsquelle gekoppelt, während der zweite Punkt mit einem Referenzpoten- tial, typischerweise Masse, gekoppelt wird. Durch geeignete Mittel zum Messen wird der elektrische Potentialunterschied zwischen den zwei Abgriffen ermittelt. Typischerweise wird relativ zur Wheatstone-Brücke eine Leitung, die von dem Strom durchflössen werden soll, dessen Stromstärke zu messen ist, bereitgestellt derart, dass in definierter Weise der Strom die einzelnen Widerstände mit magnetfeldabhängigem Widerstandswert beeinflusst. Die Widerstände sind so gewählt und ihre Magnetfeldabhängigkeit ist gegebenenfalls auch so gewählt, dass sich die mit den Mitteln zum Messen ermittelte Differenz zwischen den elektrischen Potentialen an den beiden Abgriffen in definierter Weise zu der zu messenden Stromstärke ändert, so dass selbige aus dem gemessenen elektrischen Potentialunterschied ableitbar ist. Gerade Widerstände, die dem Riesenmagnetwiderstandseffekt unterliegen, haben ein temperaturabhängiges Verhalten. Dadurch ist auch der gemessene elektrische Potentialunterschied nicht nur von der zu messenden Stromstärke, sondern auch von der

Temperatur der Wheatstone-Brücke abhängig. Um die Stromstärke möglichst präzise anhand eines Kennfelds ermitteln zu können, wird die Temperatur bisher durch einen Temperatursensor gemessen. Die Widerstände, welche dem Riesenmagnetwiderstands- effekt unterliegen, werden typischerweise auf einer Leiterplatte platziert, und der Temperatursensor muss dann mit dieser Leiterplatte gekoppelt werden. Eine Leiterplatte ist ein thermisch schlechter Leiter, so dass der Temperatursensor die Temperatur der Widerstandselemente der Wheatstone-Brücke nicht präzise genug erfassen kann.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zum Messen einer Stromstärke nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Temperatur präzise be- rücksichtigt werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Anordnung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 1 erweitert wird.

Anders als bei bisherigen Konzepten wird der zweite Punkt nicht direkt mit Masse verbunden, sondern es wird ein Messwiderstand zwischengeschaltet. Nun werden Mittel zum Messen der über den Messwiderstand abfallenden Spannung oder der Strom- stärke des über den Messwiderstand fließenden Stroms bereitgestellt. Typischerweise wird man die Spannung messen. Wählt man einen Messwiderstand mit einem nicht oder kaum temperaturabhängigen Widerstandswert, ergibt sich die Stromstärke aus Spannung und Widerstand gemäß dem Ohmschen Gesetz. Eine Auswerteeinheit empfängt nun die gemessenen Werte betreffend den elektrischen Potentialunterschied, z. B. empfängt sie die Messung zweier Einzelspannungen von jeweils einem Abgriff zu Masse und berechnet daraus den elektrischen Potentialunter- schied. Die Auswerteeinheit empfängt zusätzlich das Messsignal der Mittel zum Messen, die dem Messwiderstand zugeordnet sind. Die Auswerteeinheit kann nun aus dem gemessenen elektrischen Potentialunterschied eine Stromstärke eines Stroms ableiten, der ein Magnetfeld erzeugt, das die Wheatstone- Brücke durchdringt, wenn zusätzlich die gemessene Spannung über den Messwiderstand bzw. die gemessene Stromstärke des durch die Wheatstone-Brücke fließenden Stroms berücksichtigt wird.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der Strom durch die Wheatstone-Brücke, dessen Stromstärke gemessen wird oder aus der gemessenen Spannung ableitbar ist, von den Widerstandswerten der Widerstände aus der Wheatstone-Brücke abhän- gig ist, und dass diese Widerstandswerte linear von der Temperatur abhängen, wenn sie durch metallische Schichten bereitgestellt sind, wie dies z. B. bei Widerständen der Fall ist, die dem Riesenmagnetwiderstandseffekt unterliegen. Somit kann man aus der Stromstärke des über die Wheatstone-Brücke fließenden Stroms die Temperatur der Widerstände in der

Wheatstone-Brücke ableiten. Bei bekannter Temperaturabhängigkeit des gemessenen elektrischen Potentialunterschieds lässt sich die durch die Anordnung zu messende Stromstärke aus einem Kennfeld, das die Abhängigkeit des elektrischen Potenti- alunterschieds von Stromstärke und Temperatur wiedergibt, ableiten .

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden bevorzugt ein oder mehrere Widerstände verwendet, die dem Riesenmagnetwider- Standseffekt unterliegen. Bevorzugt unterliegen sämtliche Widerstände der Wheatstone-Brücke dem Riesenmagnetwiderstandseffekt. Wegen der starken Abhängigkeit des Widerstands vom Magnetfeld lässt sich die zu messende Stromstärke besonders empfindlich messen. Grundsätzlich sind aber auch andere Wi- derstände verwendbar, beispielsweise solche, die dem anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR-Effekt) unterliegen. Es genügt, wenn das Verhalten der Widerstände in Abhängigkeit von der Temperatur bekannt ist, damit aus der gemessenen bzw. aufgrund der Spannung ermittelten Stromstärke auf die Temperatur zurückgeschlossen werden kann.

Mathematisch lässt sich das System besonders einfach handha- ben, wenn in der Wheatstone-Brücke Widerstände verwendet sind, die paarweise in verschiedenen Zweigen gleiche Widerstandswerte haben. Insbesondere sollte der erste, nach dem ersten Punkt angeordnete Widerstand des ersten Zweiges denselben Widerstandswert haben wie der zweite, vor dem zweiten Punkt angeordnete Widerstand, und gleichzeitig sollte der zweite Widerstand des ersten Zweiges, der dem zweiten Punkt benachbart ist, denselben Widerstandswert haben wie der erste Widerstand im zweiten Zweig, welcher näher am ersten Punkt liegt .

Wie bei Messwiderständen üblich, sollten diese möglichst keinen Einfluss auf die zu messende Größe haben. Dies ist dann der Fall, wenn der Messwiderstand einen Widerstandswert hat, der kleiner als ein Fünftel und bevorzugt als ein Zehntel, besonders bevorzugt als ein Zwanzigstel, möglicherweise sogar kleiner als ein Hundertstel des kleinsten Widerstandswerts der in der Wheatstone-Brücke verwendeten Widerstände ist (also kleiner als der Widerstandswert desjenigen Widerstands ist, dessen Widerstandswert in der Wheatstone-Brücke am Kleinsten ist) . Diese Definition bezieht auf die Widerstandswerte, die in Abwesenheit eines Magnetfelds (außer dem Erdmagnetfeld) gelten und gemessen werden können.

In der erfindungsgemäßen Anordnung wird eine neue Schaltan- Ordnung verwendet, und zwar weist diese eine Wheatstone- Brücke auf, bei der ein erster und ein zweiter Punkt über zwei parallele Zweige mit je zwei Widerständen verbunden sind, wobei zwischen den Widerständen ein Abgriff bereitgestellt ist. Zumindest ein Widerstand und bevorzugt jeder Wi- derstand unterliegt dem Riesenmagnetwiderstandseffekt . Um eine Messung der Stromstärke des über die beiden Zweige fließenden Stroms und damit einen Rückschluss auf die Temperatur der Widerstände zu ermöglichen, wird ein weiterer Widerstand zwischen dem zweiten Punkt und einem Anschluss bereitgestellt. Typischerweise wird dieser Anschluss mit Masse gekoppelt, es kann sich jedoch auch um den Anschluss handeln, an den ein Potential angelegt wird. Der erste Punkt kann direkt als Anschluss bereitgestellt sein oder mit einem Anschluss gekoppelt sein, ohne dass ein Widerstand bereitgestellt sein muss .

Die Schaltanordnung kann auf einer Leiterplatte oder einem Chip bereitgestellt sein.

Der weitere Widerstand sollte einen gegenüber den übrigen Widerständen vernachlässigbaren Widerstandswert haben.

Die Schaltanordnung wird in einem Verfahren zum Messen einer Stromstärke eingesetzt. Hierzu wird sie zunächst mit einer Leitung gekoppelt, die von dem Strom, dessen Stromstärke zu messen ist, durchflössen werden soll. Besagte Leitung kann direkt an eine Leiterplatte gekoppelt sein oder auf dieser angebracht sein, auf der die Schaltanordnung bereitgestellt ist. Das Koppeln in definierter Weise impliziert, dass eine eindeutige Beziehung zwischen dem Unterschied der Potentiale an den beiden Abgriffen zur Stromstärke bei vorbestimmter Temperatur ableitbar ist. Die Differenz der elektrischen Po- tentiale an den beiden Abgriffen wird nach Anlegen eines elektrischen Potentials an den ersten Punkt gemessen. Zudem wird die Stromstärke des über den weiteren Widerstand fließenden Stroms gemessen, oder auch die über den weiteren Widerstand abfallende Spannung und daraus auf den über diesen fließenden Strom zurückgeschlossen. Dann wird die zu messende Stromstärke, also die Stromstärke des durch die oben genannte Leitung fließenden Stroms aus der gemessenen Potentialdifferenz abgeleitet, und zwar unter Berücksichtigung der gemessenen Stromstärke des Stroms über den weiteren Widerstand bzw. der gemessenen Spannung.

Das Berücksichtigen dieser Messgrößen kann insbesondere dahingehend erfolgen, dass aus der Stromstärke des über den weiteren Widerstand fließenden Stroms bzw. der gemessenen Spannung die Temperatur der Widerstände abgeleitet wird, und dann wird eine Temperaturabhängigkeit der elektrischen Potentialdifferenz berücksichtigt.

Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung oder mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei FIG 1 die bei der Erfindung verwendete Schaltanordnung veranschaulicht .

Herzstück einer in FIG 1 gezeigten Schaltanordnung 10 ist eine Wheatstone-Brücke 12. Bei einer Wheatstone-Brücke sind ein erster Punkt Pl und ein zweiter Punkt P2 über zwei parallele Zweige miteinander gekoppelt. Im ersten parallelen Zweig folgt dem Punkt Pl ein Widerstand mit dem Widerstandswert R_x, ein Abgriff Al und dann ein Widerstand mit dem Widerstandswert R_y. Im zweiten Zweig ist die Reihenfolge genau umgekehrt: Zunächst folgt ein Widerstand mit dem Widerstandswert R_y, dann ein Abgriff A2, und dann ein Widerstand mit dem Wi- derstandswert R_x. Sämtliche Widerstände sollen dem Riesenmag- netwiderstandseffekt unterliegen. Dies bedeutet, dass ein Magnetfeld die angegebenen Widerstandswerte, die im Falle der Abwesenheit eines Magnetfelds gelten, stark ändert. Eine Leitung, durch die ein Strom fließt, dessen Stromstärke gemessen werden soll, ist in definierter Weise mit der Schaltanordnung 10 gekoppelt, ohne in elektrischer Verbindung mit dieser zu stehen. Die Kopplung soll dergestalt sein, dass das Magnetfeld, das der Strom in der Leitung erzeugt, in definierter Weise die Widerstandswerte ändert. Die Leitung soll so gelegt sein, dass sich die Widerstände R_x in gleicher Weise verhalten, aber in anderer Weise als die Widerstände R_y, welche sich untereinander jedoch ebenfalls in gleicher Weise verhalten sollen. Am ersten Punkt Pl wird ein Potential V_DD angelegt. Der zweite Punkt P2 wird mit Masse gekoppelt. Daher fließt ein Strom I. Nun lässt sich am Abgriff Al die Spannung Ui gegenüber Masse messen und am Abgriff A2 die Spannung U₂ gegenüber Masse ebenfalls messen und daraus die Potentialdifferenz ΔU=Ui-U2 ableiten. Die Potentialdifferenz ΔU hängt nun direkt von der Stromstärke des zu messenden Stroms in der in FIG 1 nicht gezeigten Leitung ab. Der Punkt P2 ist nun nicht direkt mit Masse gekoppelt, sondern über einen Widerstand R_M. Dieser Widerstand R_M fungiert als Messwiderstand. Der Strom durch die Brücke ergibt sich bei näherungsweise symmetrischen Elementen nun zu:

T _ ' DD

Wird der Widerstand R_M deutlich kleiner als R_x und R_y gewählt, gilt näherungsweise

T _ ' DD

R +R

Nun wird mit Hilfe eines Spannungsmessgeräts 14 die an dem Widerstand R_M abfallende Spannung U_M gemessen. Es gilt

U_M=I-R_M. Somit lässt sich I ermitteln als /= ^M

^KM

Aus dem elektrischen Potentialunterschied ΔU lässt sich nun wie erwähnt die zu messende Stromstärke in der in FIG 1 nicht gezeigten Leitung ableiten. Die elektrische Potentialdifferenz ΔU ist jedoch empfindlich von der Temperatur abhängig, weil die einzelnen Widerstände R_x und R_y empfindlich von der Temperatur abhängig sind. Das Messen von I dient nun zur Er- mittlung der Temperatur. Es gilt nämlich — = C₁ und dR_yiT) _ dT ^~Cl'

wobei Ci und C2 Konstanten sind.

Somit ist I (T) umgekehrt proportional zur Größe (a+ (C1+C2) T) , wobei a eine Konstante ist. Es lässt sich somit aus den bekannten Größen die Temperatur aufgrund des anhand von U_M bei bekanntem, nicht temperaturabhängigen R_M ermittelten I ableiten. Hat man nun ein Kennfeld von ΔU in Abhängigkeit von der Temperatur T der Wheatstone-Brücke 12 einerseits und der zu messenden Stromstärke andererseits, lässt sich letztere ab- leiten, und dies ist das nunmehr erreichte Ziel.

Claims

Patentansprüche

1. Anordnung zum Messen einer Stromstärke, mit einer Wheatstone-Brücke (12), bei der ein erster Punkt (Pl) und ein zweiter Punkt (P2) über zwei parallele Zweige mit je zwei Widerständen (R_x, R_γ) verbunden sind, wobei zwischen den Widerständen (R_x, R_γ) je ein Abgriff (Al, A2) bereitgestellt ist, und wobei zumindest ein Widerstand (R_x, Ry) einen mangnetfel- dabhängigen Widerstandswert hat, mit einer Spannungsquelle (V_DD) , die mit dem ersten Punkt (Pl) gekoppelt ist, und mit Mitteln zum Messen des elektrischen Potentialunterschieds zwischen den zwei Abgriffen (Al, A2), gekennzeichnet durch einen Messwiderstand (R_M) zwischen dem zweiten Punkt (P2) und einem Masseanschluss und durch Mittel (14) zum Messen der über den Messwiderstand (R_M) abfallenden Spannung (U_M) oder der Stromstärke (I) des über den Messwiderstand (R_M) fließenden Stroms, und durch eine Auswerteeinheit, welche dazu ausgelegt ist, aus dem gemessenen elektrischen Potentialunter- schied und der gemessenen Spannung bzw. der gemessenen Stromstärke eine Stromstärke eines Stroms abzuleiten, der ein Magnetfeld erzeugt, das die Wheatstone-Brücke durchdringt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wheatstone-Brücke (12) Widerstände (R_x, R_y) verwendet sind, die dem Riesenmagnetwiderstandseffekt unterliegen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass in der Wheatstone-Brücke Widerstände (R_x, R_y) verwendet sind, die paarweise in verschiedenen Zweigen gleiche Widerstandswerte haben.

4. Anordnung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messwiderstand (R_M) einen Widerstands- wert hat, der kleiner als ein Fünftel, bevorzugt als ein Zehntel und besonders bevorzugt als ein Zwanzigstel des kleinsten Widerstandswerts der in der Wheatstone-Brücke verwendeten Widerstände (R_x, R_y) ist.

5. Schaltanordnung (10) mit einer Wheatstone-Brücke (12), bei der ein erster Punkt (Pl) und ein zweiter Punkt (P2) über zwei parallele Zweige mit je zwei Widerständen (R_x, R_y) ver- bunden sind, wobei zwischen den Widerständen (R_x, R_y)ein Abgriff (Al, A2 ) bereitgestellt ist, und wobei zumindest ein Widerstand (R_x, R_y) dem Riesenmagnetwiderstandseffekt unterliegt, gekennzeichnet durch einen weiteren Widerstand (R_M) zwischen dem zweiten Punkt (P) und einem Anschlusspunkt.

6. Schaltanordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Widerstand (R_M> einen Widerstandswert hat, der kleiner als ein Fünftel, bevorzugt als ein Zehntel und besonders bevorzugt als ein Zwanzigstel des kleinsten Wi- derstandswerts der in der Wheatstone-Brücke verwendeten Widerstände (R_x, Ry) ist.

7. Verfahren zum Messen einer Stromstärke mit den Schritten:

- Koppeln einer von dem Strom mit der zu messenden Stromstärke durchflossenen Leitung in definierter Weise mit einer Schaltanordnung (10) nach Anspruch 5 oder 6,

Anlegen eines elektrischen Potentials (V_DD) an den ersten Punkt (Pl),

Messen der Differenz (ΔU) der elektrischen Potentiale an den beiden Abgriffen (Al, A2),

- Messen der Stromstärke des über den weiteren Widerstand (R_M) fließenden Stroms oder der über den weiteren Widerstand (R_M) abfallende Spannung (U_M) ,

Ableiten der zu messenden Stromstärke aus der gemessenen Potentialdifferenz unter Berücksichtigung der gemessenen Stromstärke des über den weiteren Widerstand fließenden Stroms bzw. der gemessenen Spannung. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Widerstände (R_x, R_y) aus der Stromstärke des über den weiteren Widerstand (R_M) fließenden Stroms bzw. der gemessenen Spannung (U_M) abgeleitet wird und eine Temperaturabhängigkeit der elektrischen Potentialdifferenz berücksichtigt wird.