WO2017148823A1 - Vorrichtung zur berührungslosen strommessung - Google Patents

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WO2017148823A1
WO2017148823A1 PCT/EP2017/054363 EP2017054363W WO2017148823A1 WO 2017148823 A1 WO2017148823 A1 WO 2017148823A1 EP 2017054363 W EP2017054363 W EP 2017054363W WO 2017148823 A1 WO2017148823 A1 WO 2017148823A1
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magnetic field
conductor
screen
field screen
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PCT/EP2017/054363
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Philipp Steinberger
Daniel Steiner
Maximilian Rau
Original Assignee
Wöhner GmbH & Co. KG Elektrotechnische Systeme
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    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
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    • G01R15/205—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices using magneto-resistance devices, e.g. field plates
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
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    • G01R15/207—Constructional details independent of the type of device used
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
    • H02H1/0007—Details of emergency protective circuit arrangements concerning the detecting means

Definitions

  • the invention relates to a device for non-contact current measurement of at least one electric current flowing through a current conductor.
  • current transformer For current measurement in conventional single- or multi-phase power supply systems usually current transformer are used. These current transformers usually contain an iron core with two coils. However, such current transformers for current measurement are relatively large and also can only detect alternating currents and no direct currents. Moreover, such conventional current transformers have a comparatively high power consumption at a power of, for example, 2.5 watts. Conventional current transformers have a relatively low efficiency. Another disadvantage of conventional current transformers is that they can not readily be retrofitted to measure the current to an already existing or installed conductor. A current transformer must be used to measure the current in the circuit for measuring the current, whereby a temporary premature interruption of the flowing electric current is caused.
  • the invention provides a device for non-contact current measurement of at least one electric current flowing through a current conductor
  • a magnetic field shield which encloses the at least one current conductor annularly up to a plurality of uniformly spaced gap regions and shields the enclosed space from external interference fields
  • Cleavage regions are arranged and which are suitable, respectively, the existing linearized and homogenized magnetic field whose field strength corresponds to the current strength of the electric current flowing through the current conductor to detect.
  • the magnetic field screen has a plurality of screen parts, which surround the current conductor in an annular manner, except for the gap regions between the screen parts.
  • the magnetic field screen has three shielding parts, which surround the current conductor in an annular manner, except for three uniformly spaced gap regions, in each of which a magnetoresistive sensor is located.
  • Device are the three gap areas of the magnetic field screen separated by 120 °.
  • a calculation unit is provided, which is suitable for calculating an average value of the measurement signals originating from the magnetoresistive sensors.
  • an additional magnetic field shield is provided on each of the magnetoresistive sensors arranged in the gap regions for shielding the respective magnetoresistive sensor.
  • the device according to the invention makes it possible both
  • Direct and alternating currents in a single and / or multi-phase power supply system to measure without contact can be subsequently attached to an already existing or laid electrically insulated power line, in particular power supply line, for a device without the relevant circuit or current path being interrupted.
  • the device according to the invention for non-contact current measurement thus enables subsequent assembly, also known as "retrofit”.
  • Another advantage of the device according to the invention for non-contact current measurement is that it is insensitive to environmental influences, in particular to the influence of external fields.
  • non-contact current measurement device is that it is insensitive to high temperature fluctuations and to high temperatures which are above a usual operating temperature range of about -5 ° C to + 55 ° C by temperature measurement and coupled compensation.
  • Another significant advantage of the non-contact current measurement device according to the invention is that its energy requirement is low. Another advantage of the device according to the invention for non-contact current measurement is that these advantages direction is particularly space-saving and can also be used with smaller devices.
  • the magnetic field screen is designed in such a way that its magnetic field screen parts enclose the current conductor in an almost ring-shaped manner.
  • the magnetic field screen has three shield parts.
  • the shield parts of the magnetic field screen are hingedly connected to one another and enclose the current conductor virtually completely, except for a plurality of gap regions.
  • the magnetic field screen has two opposite limbs at each gap region, wherein the open gap region of the magnetic field shield is located between the two parallel limbs.
  • end sections of the screen parts of the magnetic field screen are bent outwards and run parallel to one another, an open gap region of the magnetic field screen being located between the two end sections of two screen parts.
  • the magnetoresistive sensors which are arranged in the gap regions of the magnetic field screen are GMR sensors.
  • the magnetoresistive sensors are the are arranged in the gap regions of the magnetic field screen, TMR sensors.
  • the magnetoresistive sensors which are arranged in the gap regions of the magnetic field screen, are AMR sensors.
  • a microcontroller for signal evaluation of the measurement signals emitted by the magnetoresistive sensors is arranged in the space enclosed by the magnetic field screen.
  • the magnetic field shield protects the microcontroller from external interference fields and / or from excessive field loading by the magnetic field generated by the at least one current conductor.
  • the current conductor enclosed by the magnetic field screen is a flexible or rigid current conductor with a specific cross section.
  • the current conductor enclosed by the magnetic field screen has a round conductor with a circular cross section.
  • the current conductor enclosed by the magnetic field screen has a current conductor with a rectangular cross section, in particular a current busbar.
  • the magnetic field screen encloses a conductor track running on a circuit board.
  • the magnetic field screen encloses a conductor track integrated in a circuit board.
  • the sensitivity axis of each magnetoresistive sensor runs parallel to magnetic field lines in the respective gap region of the magnetic field screen.
  • the current conductor is a printed conductor running on the opposite second side of the printed circuit board or a printed conductor integrated in the printed circuit board and enclosed by the magnetic field screen.
  • the magnetoresistive sensors detect a direct current flowing through the current conductor and / or an alternating current flowing through the current conductor and / or a pulsed current flowing through the current conductor, including harmonics, without contact.
  • the at least one current conductor conducts a current phase for a device connected to a power supply network.
  • the magnetic field screen has an amorphous metal with high permeability and low remanence.
  • the amorphous metal comprises a nickel-containing amorphous metal, in particular Supra 50 or Perm-alloy 80.
  • the magnetic field shield encloses at least two parallel arranged current conductors.
  • the parallel-arranged current conductors are traversed in antiparallel by two different electrical currents, in particular by a forward and reverse current, the magnetoresistive sensor detecting a differential current intensity between the current strengths of the electrical currents without contact.
  • the parallel-arranged current conductors are traversed in parallel by electrical currents flowing in the same direction, wherein the magnetoresistive sensor detects a total current intensity of the current intensities of the parallel-flowing electrical currents without contact.
  • an evaluation unit which evaluates the sensory current intensities of the at least one current conductor, a summation current intensity or a differential current intensity.
  • the device has a control unit which actuates an actuator depending on an evaluation result supplied by the evaluation unit.
  • the evaluation unit transmits the evaluation result to an external controller.
  • the invention provides a current measuring device with at least one multi-part magnetic field screen, which can be mounted on the at least one current conductor for current measurement of an electric current flowing through at least one load through an associated current conductor without interrupting the at least one current conductor ,
  • the invention provides an ammeter with a current measuring device according to the first aspect of the invention for measuring an electrical direct current flowing through the current conductor and / or an alternating electrical current flowing through the current conductor.
  • this current measuring device is designed as current measuring pliers. In a possible embodiment of the invention
  • Ammeter has this an evaluation unit for evaluating the measured current, a display unit for displaying the measured current and / or a transmitting unit for wireless transmission of the measured current to an external receiving unit of a mobile device, in particular a mobile device on.
  • this can be mounted on a current busbar of the busbar system.
  • possible embodiments of the device according to the invention for non-contact current measurement will be explained in more detail with reference to the attached figures. Show it:
  • FIG. 1 is a schematic representation of a possible exemplary embodiment of a device for non-contact current measurement
  • FIG. 2 is a perspective view showing a possible embodiment of a magnetic field screen used in the apparatus of FIG. 1;
  • FIG. Fig. 3 is a block diagram showing a current measuring principle which can be used in the device according to the invention;
  • FIG. 4 shows an illustration of the effect of a displacement of a magnetoresistive sensor, which can be used in the device according to the invention, in one direction together with the magnetic field screen of the device according to the invention
  • Fig. 5 is an illustration of the effect of a displacement of the magnetoresistive sensor which can be used in the apparatus of the invention in a direction without a magnetic field screen
  • 6 shows a schematic representation of the magnetic field lines, in particular in a gap region between end sections of a U-shaped magnetic field screen, as can be used in a device for non-contact current measurement;
  • FIG. 7 is an illustration of a magnetic field screen of a disturbance field made by a magnetic field screen
  • Fig. 8 is a schematic representation of an exemplary
  • FIG. 9 is a perspective view of a folding embodiment of a device according to the invention for non-contact current measurement in a busbar;
  • FIG. 10 shows a perspective view of the foldable embodiment of the device according to the invention shown in FIG. 9 after mounting on a busbar;
  • FIG. 11 is a perspective view showing an internal structure of the foldable embodiment of the non-contact current measuring apparatus according to the invention shown in FIGS. 9, 10;
  • FIG. 12 shows a further embodiment variant of a device for contactless current measurement;
  • FIG. 13 is a perspective view of a magnetic field screen used in the device according to FIG. 13;
  • Fig. 15 is a further sectional view showing a
  • 16 shows a perspective view of a device for non-contact current measurement
  • 17 is a perspective view of a device for non-contact current measurement
  • FIG. 18 shows a circuit diagram for illustrating an application example of the device according to the invention for non-contact current measurement
  • FIG. 19 shows a further circuit diagram to illustrate a further example of application of the device according to the invention for non-contact current measurement
  • Fig. 20 is a circuit diagram showing another embodiment of the non-contact current measuring apparatus according to the present invention.
  • FIG. 21 shows a schematic perspective view of a possible embodiment of the embodiment variant of the device according to the invention for non-contact current measurement shown in FIG. 2;
  • FIG. 22 shows a schematic representation of a possible further embodiment variant of the device according to the invention for non-contact current measurement
  • FIG. 23 shows an illustration of a further embodiment of the device according to the invention for non-contact current measurement
  • Fig. 24 is an illustration of another embodiment of the inventive device for non-contact current measurement.
  • the device 1 according to the invention for the contactless current measurement of at least one electrical current I flowing through a current conductor in the illustrated exemplary embodiment has a multipart magnetic field.
  • Screen 2 which surrounds at least one conductor 3 to a plurality of gap regions 4 and the enclosed space 5, in which the at least one conductor 3 is located, shields against external interference fields.
  • Each gap region 4 is located in the embodiment shown in FIG. 1 between two end portions 2A, 2B of a
  • Shield part of the magnetic field screen 2 as shown in Fig. 1.
  • the two end sections 2A, 2B of the screen part of the magnetic field screen 2 are bent outward and extend substantially parallel to one another, wherein an open gap region 4 of the magnetic field screen 2 is located between the two end sections 2A, 2B.
  • the first gap region 4- 1 is shown in FIG. 1 surrounded by dashed lines.
  • the magnetic field shield 2 encloses the current conductor 3 almost in a ring shape except for the gap regions 4-1, 4-2, 4-3. Through the current conductor 3, an electric current I flows.
  • the current I flowing through the current conductor 3 generates a magnetic field H.
  • the magnetic field generated by the current conductor 3 when current I flows through has linearized field lines with homogenized field strength in the gap regions 4-1, 4-2, 4-3 of the magnetic field screen 2.
  • the magnetic field lines MFL of the generated magnetic field in the different gap regions 4-1, 4-2, 4-3 each extend substantially perpendicular to the inner surfaces of the two end sections 2A, 2B of the magnetic field screen 2.
  • the magnetic field lines MFL are schematic indicated.
  • the inventive device 1 for non-contact current measurement has magnetoresistive sensors 6-1, 6-2, 6-3, which in the
  • Cleavage regions 4-1, 4-2, 4-3 is arranged and there existing linearized and homogenized magnetic field, the field strength of the current I corresponds to the current flowing through the conductor 3 electrical current I detected.
  • the magnetoresistive sensors 6 GMR sensors are the magnetoresistive sensors 6 GMR sensors.
  • the magnetoresistive sensors 6 are TMR sensors or AMR sensors.
  • one or more of the magnetoresistive sensors 6 may also be a Hall sensor.
  • Each magnetoresistive sensor 6 generates a measurement signal, which is conducted via a signal line or a signal bus 7 to an evaluation unit 8, as shown in FIG.
  • the evaluation unit 8 evaluates the sensory current detected and can output the evaluation result via a line 9 to a control unit 10 in a possible embodiment.
  • the evaluation unit 8 and the control unit 10 may be integrated in a processor or microprocessor 11.
  • the evaluation of the sensory current detected in this embodiment after conversion of the analog measurement signal by digital evaluation and control circuits.
  • the evaluation unit 8 adds the originating from the sensors 6 measurement signals and averages them.
  • the control unit 10 controls an actuator 13 via a control line 12 as a function of the evaluation result.
  • the actuator 13 may, for example, have a switching unit.
  • a switch which is located in the power line 3 is switched and interrupts the corresponding current path when opening or
  • the magnetic field screen 2 of the current measuring device 1 shown in FIG. 1 has a plurality of screen parts. These umbrella parts are hinged together in one possible embodiment and can enclose the conductor 3.
  • the shielding parts of the magnetic field screen 2, as shown in FIG. 1, are designed like a pipe clamp.
  • the microprocessor or microcontroller 11 shown in FIG. 1 is arranged in the space enclosed by the magnetic field screen 2 and serves for signal evaluation of the measurement signals delivered by the magnetoresistive sensors 6.
  • the magnetic field shield 2 protects the microcontroller 11 from external interference fields and excessive field loading by a foreign magnetic field and / or from the magnetic field generated by the current conductor 3.
  • the current conductor 3 is a flexible or rigid current conductor with a specific cross section, which is enclosed by the magnetic field screen 2.
  • the current conductor 3 enclosed by the magnetic field screen 2 is a round conductor with a circular cross section.
  • the current conductor 3 is a current conductor with a rectangular cross-section.
  • the current conductor 3 is a current busbar of a busbar system.
  • the sensitivity axis of the magnetoresistive sensor 6 preferably runs parallel to the magnetic field lines MFL of the magnetic field present in the gap region 4 of the magnetic field screen 2.
  • the device 1 for contactless current measurement is suitable both for DC measurement and for AC current measurement.
  • the magnetoresistive sensor 6 both a flowing through the conductor 3 direct current (DC) as well as a through the conductor 3 hin matfhender AC (AC) is detected without contact.
  • the magnetoresistive sensor 6 detects an electrical current signal of any shape, such as a pulsed current or a sawtooth current. It will be at the According to the invention non-contact current measuring device 1 by the magnetoresistive sensors 6 also possible harmonics of the current flowing through the current conductor 3 electrical current signal miterank. In one possible embodiment, these harmonics are determined by the evaluation unit 8.
  • the current conductor 3 conducts a current phase L to a device connected to a power supply network.
  • the device may be, for example, an electric motor or the like.
  • the shield parts of the magnetic field screen 2 comprise an amorphous metal with high permeability and low remanence.
  • the amorphous metal has a nickel-containing amorphous one
  • These materials are nickel-iron alloys with different mixing ratios.
  • the so-called Supra 50 has a nickel content of about 50%.
  • the so-called Permalloy 80 or Mu metal in contrast, has a nickel content of about 80%.
  • the two materials (Supra 50, Permalloy 80) have similar magnetic properties in terms of permeability and coercive field strength, both materials have low remanence with high permeability. The metals thereby receive the desired magnetic properties in the course of a heat treatment under a protective atmosphere.
  • Supra 50 in one possible embodiment has the following composition: 47.5% nickel, 0.5% Mn, 0.1% Si, 0.005% C, and 51.895% Fe.
  • Permalloy 80 has the following composition: 80% nickel, 0.5% Mn, 4.4% Mo, 0.3% Si and 14.8% Fe.
  • Supra 50 has a permeability ( ⁇ ⁇ 3 ⁇ ) of 190,000, a Koerzitivfeid Center (A / M) of about 2.8 and a saturation polarization (T) of 1.5.
  • permalloy 80 has a higher permeability ( max ) of about 250,000, a slightly lower coercive field strength (A / M) of 1.5 and a saturation polarization (T) of 0.8.
  • a further magnetic field screen 31 may be provided in each gap region 4-i, as indicated in FIGS. 1 and 26, which additionally shields the respective magnetoresistive sensor 6, in particular against interference fields.
  • the current measuring device 1 allows non-contact current measurement without interruption of the current path to be measured.
  • the current measuring device 1 has a magnetic field screen 2 which, for the current measurement of an electrical current I flowing through the associated current conductor 3 at least at one load, can be mounted without interruption on at least one current conductor 3 up to the gap region 4.
  • the current measuring device 1 is thus subsequently retrofitted to an existing or laid electrically insulated power line 3 attachable or mountable without having to interrupt the flow of current within the conductor 3.
  • the magnetic field shield 2 provides a shield against foreign or interference fields.
  • the inventive device 1 for non-contact current measurement can be mounted on different types of conductors with different cross-sections, for example, to current conductors with rectangular cross-section, in particular to Strommasischienen or the like.
  • FIG. 2 shows a perspective view of a current measuring device 1 with a tubular clamp-shaped magnetic field shield 2, which has two distal end sections 2A, 2B, which define a gap region 4, in which the magneto-resistive sensor 6 is located.
  • the magnetic field screen 2 consists of three screen parts. The number of shield parts 2-i may vary with different embodiments and application traps.
  • the magnetic field screen 2 is formed like a pipe clamp in the example shown in FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram for explaining the mode of operation of the measuring device 1 according to the invention.
  • the magnetoresistive sensor 6 is a GMR sensor.
  • the GMR layered structure of the GMR sensor 6 reduces or increases its electrical resistance as soon as it is exposed to an external magnetic field.
  • an electric current I flows to a load 14, wherein in the interior 5 of the magnetic field screen 2, a magnetic field is generated.
  • the magnetic field has linearized field lines with homogenized field strength.
  • the GMR sensor 6 is arranged and is exposed to the linearized and homogenized magnetic field.
  • the magnetoresistive sensor 6 or the GMR sensor is thus located in an auxiliary circuit 15 with a voltage source 16 which supplies, for example, 24 volts.
  • the magnetic field H has a field strength which corresponds to the current intensity I of the electrical current I flowing through in the main circuit 17.
  • the voltage fluctuations AU caused at the magnetoresistive sensors 6 due to the change in resistance can be supplied to the evaluation unit 8 via the associated internal measuring line 7 as a measurement signal.
  • the analog measurement signal is first converted into a digital signal by means of an ADC and subsequently evaluated by the evaluation unit 8. In the illustrated in Fig. 3
  • Last R L may be, for example, an electrical appliance, for example an electric motor or the like.
  • a current phase L of the power supply network can be applied to the load 14.
  • the magnetoresistive sensor 6 detects the magnetic field H generated by the current I without contact.
  • a current measurement without any intervention in the main circuit 17 can be achieved. If the electrically insulated power line 3 of the main circuit 17 already exists or relocated, a non-contact current measurement of the device 1 according to the invention can be carried out without interrupting the flow of current.
  • FIGS. 4, 5 An existing system with electrically insulated power lines can therefore be retrofitted without interrupting the flow of current or the operation of the system with one or more devices 1 for non-contact power measurement.
  • the magnetic field screen 2 By the magnetic field screen 2, the magnetic field H is linearized around the magnetoresistive sensor 6 around and homogenized.
  • the region in which the magnetoresistive sensor 6 is arranged is shown in dashed lines in FIGS. 4, 5.
  • a displacement of a magnetoresistive sensor 6 in its gap region 4 in the y-direction in the presence of a magnetic field screen 2 results in a maximum deviation of 4%.
  • a shift of a magnetoresistive sensor 6 without the presence of a magnetic field screen 2 with the same displacement has a deviation of up to 20%
  • Fig. 6 shows a device for non-contact current measurement.
  • a magnetic field screen 2 is U-shaped.
  • the magnetic field screen 2 surrounds a current conductor 3 in a U-shape and has two end sections 2A, 2B, which have a gap region 4 define. In this gap area. 4, the magnetoresistive sensor 6 of the current measuring device 1 is placed or arranged.
  • 2 shows schematically the magnetic field lines MFL caused by a current flow through the current conductor 3.
  • the U-shaped magnetic field screen 2 is placed around the measured conductor 3.
  • the magnetic field lines MFL of the magnetic field H are linearized in the interior of the u-shape.
  • the arrangement shown in FIG. 6 also offers field homogenization. While the field strength without the presence of a magnetic field screen 2 decreases indirectly proportionally to the conductor spacing (l / R), as can be seen in FIG. 5, the field strength in the gap region 4 is compensated by the magnetic field screen 2, as can be seen for example from the diagram according to FIG , Another advantage of the arrangement or
  • Measuring device 1 with tube-clamped screen parts is that a shielding takes place against extraneous fields or interference fields.
  • Fig. 7 shows schematically a shield by a magnetic field screen in front of a Stör- or extraneous field.
  • a strong, symmetrical interference field can be generated by a different current conductor installed nearby.
  • FIG. 7 shows an interference source SQ, for example a current conductor, which generates an annular disturbing magnetic field.
  • the magnetic field screen shields an inner space 5 as far as possible from the magnetic interference field.
  • the field lines which would run undefined through the presence of the magnetic field screen through a magnetoresistive sensor provided in the gap region, are dissipated by means of the magnetic field screen via its legs, as shown schematically in FIG. 7.
  • the magnetic field shield thus differentiates the interference field (derived perpendicular to the magnetoresistive sensor, non-sensitive sensor axis) from a measuring field (horizontal to the sensor, sensitive sensor axis).
  • the magnetic field screen 2 has three screen parts.
  • the magnetic field screen 2 has shielding parts with two end sections 2A, 2B, which define a gap region 4, in which a magnetoresistive sensor 6 is arranged.
  • the magnetic field screen 2 encloses an inner space 5, in which at least one current conductor 3 is arranged.
  • the magnetic field screen 2 encloses a current conductor 3 with a rectangular cross-section.
  • the current conductor 3 may be, for example, a rail, in particular a current busbar.
  • the shield parts 2-i of the magnetic field screen 2 are closely connected to one another and allow snapping the magnetic field shield 2 onto an existing rail, in particular current busbars, as shown in FIG.
  • the magnetic field screen 2 which may consist of an amorphous metal with high permeability and low remanence, is for example annular.
  • the annular magnetic field shield 2 may be contained within a plastic housing 18.
  • the plastic housing 18 can be formed symmetrically for the particular application.
  • the contour of the plastic housing 18 is designed such that the current measuring device 1 both on a round conductor (for example, with a cross section of up to 300 mm 2 ) and for a current busbar (for example up to 30 x 10 mm) can be retrofitted.
  • the current measuring module shown in FIG. 9 is preferably universally applicable and not device-bound.
  • the current measuring device 1 can also be mounted in a system during operation without having to interrupt the flow of current flowing through the electrically insulated rail 9. In the embodiment shown in Fig. 9, this is hinged on a conductor 3 and a busbar placed and mounted there.
  • the current measuring device 1 has a shutter mechanism 19, so that the current measuring device is fixedly mounted after being placed on the current busbar 9.
  • the shutter mechanism 19 is designed such that it can subsequently be released again in order to remove the current measuring device 1 from the current conductor 3 or the current busbar 9.
  • FIG. 9 shows the placing of the current measuring device 1 on a current busbar 9 before the closing mechanism 19 is closed.
  • FIG. 10 shows the foldable current measuring device 1 after being placed on the current busbar 9 and closing the closing mechanism 19.
  • the housing 18 of the folding current measuring device 1 has a geometric shape that can be adapted to the current busbar 9.
  • the closure mechanism 19 can be snapped onto the current busbars 9 or current conductors 3 of different sizes and can be adapted to the size of the current conductor 3.
  • the foldable current measuring device 1 preferably sits firmly on the current busbar 9.
  • the foldable current measuring device 1 can be moved in the longitudinal direction of the rail 9 to another location and then closed again.
  • the shutter mechanism 19 can be fully opened and the folding current measuring device 1 to another
  • FIG. 11 shows the foldable current measuring device 1 with a partially opened housing 18.
  • the magnetic field shield 2 present within the housing 18 can be seen with two end sections 2A, 2B of adjacent screen parts of the magnetic field screen 2, which define a gap region 4.
  • a magnetoresistive sensor 6 In this gap region 4 there is a magnetoresistive sensor 6.
  • a microcontroller 11 for signal evaluation of a measurement signal delivered by the magnetoresistive sensor 6.
  • the magnetic field screen 2 is preferably designed such that it protects the microcontroller 11 from external interference fields and too high field loading by the magnetic field generated by the at least one current conductor 3.
  • Fig. 12 shows a device 1 for non-contact current measurement.
  • the current measuring device 1 has an electrically insulating plastic housing 20, which consists of two housing shells 20A, 20B.
  • FIG. 13 shows a perspective view of the current measuring device 1 according to FIG. 12 after removal of the upper housing shell
  • FIG. 13 shows a magnetic field screen 2, which surrounds the current conductor 3, possibly surrounded by an insulation jacket, in a U-shape.
  • a magnetoresistive sensor 6 In a gap region 4 of the U-shaped magnetic field screen 2 there is a magnetoresistive sensor 6, as can be seen in FIG.
  • FIG. 14 shows the variant shown in FIGS. 12, 13 after removal of both housing shells 20A, 20B.
  • a GMR sensor 6 is located on a plastic carrier 21 with slots 22A, 22B into which the distal end sections 2A, 2B of the U-shaped magnetic field screen 2 can be inserted.
  • the variant shown in Figures 12, 13, 14 thus also allows subsequent mounting on an existing electrically insulated power line or an existing current path without having to interrupt the current flow to be measured.
  • the current measuring device 1 as shown in FIGS. 13, 14, is not device-bound and can be used, for example, for all current-carrying conductors with a suitable cross-section (for example up to 16 mm 2 ) for measuring a current I (for example up to 100 A AC) become.
  • the current measuring device 1 according to the invention can measure both direct and alternating current.
  • the current measuring device 1 may be configured to measure a direct current of up to 150 amperes and an alternating current of up to 100 amperes.
  • the current conductor 3 is located in flexible guides of the housing 20, which can adjust to different cables or current conductor cross sections and thus ensure a central placement of the current conductor 3 within the housing 20.
  • the magnetic field screen 2 may be cast in the upper housing shell 20A of the housing 20 and be inserted into the two slots 22A, 22B of the support plate 21 when the current measuring device 1 is mounted on the current conductor 3.
  • the provided on the support plate 21 magnetoresistive sensor 6 provides an analog measurement signal.
  • a microcontroller 11 may be integrated in the carrier plate 21, which communicates via a data interface 23 with an external controller of the system and / or generates control signals to one or more actuators 13 of the relevant system.
  • the magnetic field screen 2 is U-shaped, the two legs of the U-shaped magnetic field screen 2 being formed by two corresponding openings 24A, 24B of the printed circuit board 24 are passed and define the end portions of the two legs of the open gap region 4, in which a magnetoresistiver sensor 6 is located.
  • the current conductor 3 is located on the lower side of the printed circuit board 24, while the magnetoresistive sensor 6 is located on the opposite upper side of the printed circuit board 24.
  • the current conductor 3 consists for example of an electrically conductive copper track.
  • the copper track itself is enclosed by the magnetic field screen 2, the magnetic field lines MFL running along the sensitivity axes of the magnetoresistive sensors 6.
  • the current conductor 3 is located on one side of the board 24.
  • the current conductor 3 can also run integrated within the printed circuit board 24.
  • the embodiment shown in Figure 15 for use with a circuit board allows a particularly space-saving integration of the current measuring unit 1 for a circuit board of a switching device.
  • the device 1 for non-contact current measurement as shown in the embodiment of Figure 15, also allows both the measurement of a DC DC and the measurement of an AC current or a current signal which flows on a conductor of a circuit board 24 of the device.
  • the openings 24A, 24B are preferably already in the manufacture of the
  • Printed circuit board manufactured, for example, at predetermined measuring points. Furthermore, current measuring devices 1 can either be mounted temporarily or permanently at the various measuring points of the printed circuit board 24.
  • the current measuring device 1 for use with printed circuit boards has a plastic bracket 25 on. Due to the mechanical fixation of the exchangeable or retrofittable current measuring device 1, the magnetic field screen 2 is pressed or pressed into the existing plastic holder 25. 16 shows the upper side of a printed circuit board 24 with a plastic holder 25 provided therein into which the two end sections 2A, 2B of a screen part of the magnetic field screen 2 are pressed for mechanical fixation. FIG. 17 shows the lower side of the corresponding printed circuit board 24 and the plastic holder with the base section of the magnetic field screen 2. The magnetic field screen 2 surrounds the printed conductor 3 running on the underside of the printed circuit board 24, as shown in FIG. 17.
  • FIG. 18 shows a switching arrangement in which several current measuring devices 1 according to the invention for non-contact
  • a load or a device 14 is supplied with current phases of a multiphase power supply network.
  • the power supply network has three phases LI, L2, L3 and a neutral conductor N.
  • the device or the load 14 is connected to the power supply network via power supply lines 3-1, 3-2, 3-3 and the neutral 3-4.
  • a current measuring device 1 according to the invention for non-contact current measurement is provided or mounted on each power line 3-i.
  • a current measuring device 1 can also be provided on further lines, for example a PE conductor.
  • These current measuring devices 1-i can also be retrofitted to the already existing corresponding power supply line 3-i without interrupting the power supply for the load or the device 14.
  • the current measuring devices 1-i supply current measured values or current signals 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 in the exemplary embodiment shown to an evaluation unit 8, which evaluates the current measured values and makes the output value results available to a control unit 10.
  • the evaluation unit 8 and the control unit 10 are, for example, in a microprocessor 11 or another Data processing unit integrated.
  • the control unit 10 can, for example, control one or more actuators 13 of the system or the supplied device 14 itself, for example by changing device parameters of the device 14.
  • a current phase L x can also flow over several parallel lines 3-i, which are enclosed by the magnetic field 2 of the current measuring device 1.
  • Fig. 19 shows another application example of a plant using current measuring devices 1 for non-contact current measurement according to the invention. In the system shown in FIG.
  • a load or a device 14 is supplied with power at three current phases LI, L2, L3 via power supply lines 3-1, 3-2, 3-3.
  • a current measuring device 1-i which supplies current measuring signals or current measured values to an associated evaluation unit 8-i.
  • magnetic field screens 2-i of the respective current measuring devices 1-i enclose a single conductor 3-i to measure the electric current Li flowing therein.
  • the switching arrangement according to FIG. 19 has a summation current measuring device 1-4.
  • This summation current measuring device has a magnetic field screen 2-4, which encloses all three power supply lines 1-1, 1-2, 1-3, as graphically indicated in FIG.
  • the evaluation unit 8-4 evaluates the signal measured by the magnetoresistive sensors 6 of the summation current measuring device 1-4, which corresponds to the total current of the three current phases LI, L2, L3.
  • the various evaluation units 8-i are connected to a common central control unit 10, which actuators 13 of the system and the device 14 as a function of the measured total current and the individual measured in the various power lines 3-i Current phases LI, L2, L3 can control.
  • the annular magnetic field screen 2 consisting of several screen parts is designed such that it is suitable for enclosing either one power line, two power lines or a plurality of power lines at the same time.
  • the current measuring device 1 can be used both as a summation current measuring device and as a single-flow measuring device.
  • such a current measuring device 1 may also be suitable for enclosing two power lines in order to measure their currents.
  • the current measuring device 1 may also be suitable for enclosing two power lines in order to measure their currents.
  • the various current measuring devices 1-i either permanent permanently mounted on the existing power lines or temporarily.
  • the signal transmission from the current measuring device 1-i to the associated evaluation unit 8-i takes place wirelessly via a radio interface.
  • the various current measuring devices 1-i each have a transmitter or transceiver for measuring signal transmission.
  • Fig. 20 shows a further embodiment of the current measuring device 1 according to the invention for non-contact
  • the magnetic field screen 2 consisting of 3 shield parts encloses two power lines 3-1, 3-2, to which a load 14 is connected.
  • a return current II flows via the first current conductor 3-1 and a return current 12 flows via the second current conductor 3-2.
  • Both current conductors 3-1, 3-2 are enclosed by the magnetic field screen 2, in each of which a magnetoresistive element 3 is provided Sensor 6 is provided, the measurement signals to the evaluation unit 8 of the device 1 supplies.
  • the current measuring device 1 measures the differential current between the forward and reverse flow. If the difference between the forward and reverse current exceeds a certain threshold value, the control unit 10 automatically activates an actuator contained in the electric circuit, in particular a switching unit 13 opened to break the circuit.
  • the two parallelly arranged current conductors 3-1, 3-2 are flowed through in anti-parallel from two different electrical currents II, 12, in particular from a forward and backward current, wherein the magnetoresistive sensor 6 a differential current between the
  • the evaluation unit 8 evaluates the measured differential current.
  • the control unit 10 controls the actuator 13 as a function of the differential current intensity by automatically opening it when a preset threshold value is exceeded.
  • FIG. 21 shows schematically the magnetic field screen 2 of the current measuring device 1 for the current measuring device shown in FIG.
  • the two power lines 3-1, 3-2 for the outward and return current are substantially parallel to one another, in particular in the region of the magnetic field screen 2 surrounding them.
  • FIG. 22 shows a further embodiment of the current measuring device 1 according to the invention for non-contact current measurement.
  • the microprocessor 11 has a transceiver or transmitter 26.
  • the measurement result delivered by the evaluation unit 8 is transmitted by the transmitter 26 via a wireless interface to a transceiver or receiver 27 of a mobile terminal 28 which has a display unit 29.
  • the mobile terminal 28 is, for example, a mobile device or smartphone.
  • the wireless radio link is, for example, an NFC radio link or a Blue Tooth link.
  • the transceiver 26 wirelessly transmits the measured current values of the electrical current I flowing through the conductor 3 to the transceiver 27 of the mobile device 28 of a user.
  • the transferred Current values are displayed on the display unit or the display of the mobile device 28 to the user.
  • the current measuring device 1 has a mechanical device for latching the magnetic field screen 2 onto the at least one power line 3 to be measured.
  • the magnetic field screen 2 can be latched onto one or more current conductors 3 of different cross-section and different cross-sectional shape.
  • the cross-section of the relevant current conductor 3 is additionally detected or detected during latching, and derived therefrom, which desired current intensity has to flow through the relevant current conductor within the system during normal operation.
  • the cross-section and / or the type or type of the measured current conductor 3 is transmitted to the mobile device 28 of the user and displayed on the display unit 29.
  • the currently measured conductor has a cross-section of 16 mm 2 , through which a nominal current AC of, for example, 100 amperes or a direct current intensity DC of, for example, 150 amperes
  • FIG. 23 shows a further embodiment of the current measuring device 1.
  • two semicircular rubber hides or rubber rings 30A, 3OB are stretched in the circular magnetic field screen 2 in order to place the magnetic field screen 2 on the current conductor 3.
  • 30A, 30B are made of an elastic material and allow easy placement of the magnetic field screen 2 on the measuring current conductor 3.
  • the embodiment shown in Fig. 23 is particularly suitable for current conductors 3 with a smaller diameter, to which the current measuring device 1 can be placed.
  • the current measuring device 1 can be integrated according to a further aspect of the invention in a separate current measuring device, in particular a clamp meter.
  • This current measuring device can measure an electrical direct current flowing through the current conductor and / or an alternating electrical current flowing through the current conductor.
  • the current measuring device is switched between two operating modes manually or automatically, wherein in a first operating mode, a DC current flowing through the current conductor 3 DC and in a second operating mode, a current flowing through the current conductor 3 AC AC is measured by the current measuring device.
  • this current measuring device has an integrated evaluation unit 8 for evaluating the measured current intensity.
  • the current measuring device preferably has a display unit for displaying the current intensity measured at the current conductor 3.
  • the current measuring device can also have a transmitting unit for the wireless transmission of the measured current intensity to an external receiving unit of the mobile device, for example a mobile radio device.
  • the current measuring device 1 according to the invention can be fixedly mounted on an existing current conductor and supply current measurement signals to a central control of the system.
  • An existing system can be retrofitted with one or more current measuring devices 1 according to the invention without having to interrupt the operation of the system, provided that the measured line is electrically insulated.
  • the current measuring device 1 according to the invention has a magnetoresistive sensor 6, which requires only a very small space within a gap region 4. Accordingly, can the current measuring device 1 according to the invention can be implemented in a particularly space-saving manner and, in particular, does not require any relatively large current measuring coils, in particular Rogowski coils.
  • the current measuring device 1 can be calibrated automatically by means of a predetermined reference current, which is supplied by a reference current source of the current measuring device 1.
  • the magnetic field screen 2 can enclose an additional reference current line, through which the predetermined reference current IREF flows for calibrating the current measuring device 1. Calibration can be done in another calibration mode.
  • the current measuring device 1 latched onto the power line 3 has its own display unit or a display in order to display the measured current intensity to a user.
  • the current measuring device 1 according to the invention allows a non-contact current measurement with a high measuring accuracy.
  • the current measuring device according to the invention or the current measuring device 1 can measure the current intensity of 100 amps with a measuring accuracy of less than 1 ampere.
  • the current measuring device 1 is suitable both for summation current measurement and for differential current measurement.
  • the magnetic field shield 2 of the current measuring device 1 encloses two power lines, through which two different currents flow.
  • the current measuring device 1 according to the invention is suitable for measuring various current signals, in particular one
  • Direct current a sinusoidal alternating current or other current signals, for example triangular signals, sawtooth Signals or square wave signals.
  • the evaluation unit 8 of the current measuring device 1 according to the invention evaluates harmonics of the flowing current in order to detect possible operating states of the connected device or the associated power supply unit.
  • the evaluation unit 8 determines a local frequency spectrum of the standard current to be transmitted to the load 14.
  • the microprocessor 11 has a data interface for transmitting measured data and evaluation results to an external central control of the system.
  • the current measuring device or the current measuring device 1 has an internal signal or data memory for recording the evaluation results, which can be read out via a data interface.
  • FIG. 24 shows a possible preferred embodiment of a device 1 according to the invention for the contactless current measurement of at least one electric current flowing through a current conductor 3.
  • the current measuring device 1 has a multi-part magnetic field screen 2.
  • the magnetic field screen has three screen parts defining three gap regions 4-1, 4-2, 4-3. The gap areas are evenly spaced from each other. In the middle of each gap region is a magnetoresistive sensor 6-i.
  • the magnetic field screen has three magnetic field parts 32-1, 32-2, 32-3.
  • each of the shield parts 32 -i has end sections 2A, 2B at its two ends.
  • the three magnetoresistive sensors 6-i each deliver a measurement signal via an associated measurement line 7-i, as shown in FIG. 24.
  • the measurement signals are fed to a microcontroller 11.
  • This microcontroller 11 preferably contains an evaluation unit 8 with a calculation unit 33 which is suitable for calculating an average value of the measurement signals originating from the magnetoresistive sensors 6-i.
  • the calculation unit 33 adds the values of the received measurement signals and then averages them.
  • the integral of the magnetic field strength H along a closed circumferential line is equal to the total current flowing in the enclosed area.
  • the measurement signals of the three magnetoresistive sensors 6-1, 6-2, 6-3 are added and then averaged by the calculation unit 33.
  • an additional magnetic field shield 31-1, 31-2, 31-3 attached at each of the magnetoresistive sensors 6-1, 6-2, 6-3.
  • the magnetic field shield parts 32 -i of the magnetic field screen 2 are contained in a plastic housing in one possible embodiment. On the plastic housing, a snap closure is provided, as shown in Fig. 9, 10.
  • the additional magnetic field screens 31-i are preferably also provided in the plastic housing 18.

Abstract

Vorrichtung (1) zur berührungslosen Strommessung mindestens eines durch einen Stromleiter (3) fließenden elektrischen Stromes (I) mit: einem Magnetfeldschirm (2), welcher den mindestens einen Stromleiter (3) bis auf mehrere gleichmäßig beabstandete Spaltbereiche (4) ringförmig umschließt und den umschlossenen Raum (5) vor externen Störfeldern abschirmt, wobei ein von dem Stromleiter (3) bei hindurchfließendem elektrischen Strom (I) erzeugtes Magnetfeld (H) in den Spaltbereichen (4) des Magnetfeldschirms (2) linearisierte Feldlinien mit homogenisierter Feldstärke aufweist und mit mehreren magnetoresistiven Sensoren (6), die jeweils in den Spaltbereichen (4) angeordnet sind und die geeignet sind, jeweils das dort bestehende linearisierte und homogenisierte Magnetfeld, dessen Feldstärke der Stromstärke des durch den Stromleiter (3) fließenden elektrischen Stromes (I) entspricht, zu erfassen.

Description

Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung mindestens eines durch einen Stromleiter flie- Senden elektrischen Stromes.
Zur Strommessung werden bei herkömmlichen ein- oder mehrphasigen Stromversorgungssystemen üblicherweise Stromwandler eingesetzt. Diese Stromwandler enthalten in der Regel einen Eisenkern mit zwei Spulen. Derartige Stromwandler zur Strommessung sind jedoch verhältnismäßig groß und können zudem lediglich Wechselströme und keine Gleichströme detektieren. Zudem weisen derartige herkömmliche Stromwandler bei einer Leistung von beispielsweise 2,5 Watt eine vergleichsweise ho- he Leistungsaufnahme auf. Herkömmliche Stromwandler besitzen einen relativ niedrigen Wirkungsgrad. Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Stromwandler besteht darin, dass sie nicht ohne Weiteres nachträglich zur Strommessung an einen bereits bestehenden bzw. verlegten Stromleiter montierbar sind. Ein Stromwandler muss zur Strommessung in dem den Stromkreis zur Messung des Stromes eingesetzt werden, wodurch eine zeitweise vorzeitige Unterbrechung des fließenden elektrischen Stromes hervorgerufen wird. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Strommessung eines durch einen Stromleiter fließenden elektrischen Stromes zu schaffen, die ohne Unterbrechung des zu messenden Strompfades an den Stromleiter anbringbar ist und sowohl Gleichströme als auch Wechselströme, die durch den Stromleiter fließen, zuverlässig und robust gegenüber Umwelteinflüsse misst.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung mindestens eines durch einen Stromleiter fließenden elektrischen Stromes mit
einem Magnetfeldschirm, welcher den mindestens einen Strom- leiter bis auf mehrere gleichmäßig beabstandete Spaltbereiche ringförmig umschließt und den umschlossenen Raum vor externen Störfeldern abschirmt,
wobei ein von dem Stromleiter bei hindurchfließendem elektrischen Strom erzeugtes Magnetfeld in den Spaltbereichen des Magnetfeldschirms linearisierte Feldlinien mit homogenisierter Feldstärke aufweist und mit
mehreren magnetoresistiven Sensoren, die jeweils in den
Spaltbereichen angeordnet sind und die geeignet sind, jeweils das dort bestehende linearisierte und homogenisierte Magnet- feld, dessen Feldstärke der Stromstärke des durch den Stromleiter fließenden elektrischen Stromes entspricht, zu erfassen .
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Magnetfeldschirm mehrere Schirmteile auf, die den Stromleiter bis auf die Spaltbereiche zwischen den Schirmteilen ringförmig umschließen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Vorrichtung weist der Magnetfeldschirm drei Schirmteile auf, die den Stromleiter bis auf drei gleichmäßig beabstandete Spaltbereiche ringförmig umschließen, in denen sich jeweils ein magnetoresistiver Sensor befindet. Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind die drei Spaltbereiche des Magnetfeldschirms um 120° voneinander getrennt.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Vorrichtung ist eine Berechnungseinheit vorgesehen, welche geeignet ist, einen Mittelwert der von den magnetoresistiven Sensoren stammenden Messsignale zu berechnen. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Vorrichtung ist an jedem der in den Spaltbereichen angeordneten magnetoresistiven Sensoren ein zusätzlicher Mag- netfeidschirm zur Abschirmung des jeweiligen magnetoresistiven Sensors vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, sowohl
Gleich- als auch Wechselströme bei einem ein- und/oder mehr- phasigen Stromversorgungssystem berührungslos zu messen. Dabei kann die Vorrichtung an eine bereits bestehende bzw. verlegte elektrisch isolierte Stromleitung, insbesondere Stromversorgungsleitung, für ein Gerät nachträglich angebracht werden, ohne dass der betreffende Stromkreis bzw. Strompfad unterbrochen wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung ermöglicht somit eine nachträgliche Montage, auch bekannt als „Retrofit".
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung besteht darin, dass sie gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere gegenüber dem Einfluss von Fremdfeldern, unempfindlich ist.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung besteht darin, dass sie durch Temperaturmessung und gekoppelter Kompensation gegenüber starken Temperaturschwankungen und gegenüber hohen Temperaturen, die oberhalb eines üblichen Betriebstemperaturbereiches von etwa -5°C bis +55°C liegen, unempfindlich ist.
Ein weiterer signifikanter Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung besteht darin, dass ihr Energiebedarf gering ist. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung besteht darin, dass diese Vor- richtung besonders platzsparend ist und auch bei kleineren Geräten eingesetzt werden kann.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Vorrichtung ist der Magnetfeldschirm derart ausgebildet, dass dessen Magnetfeldschirmteile den Stromleiter nahezu ringförmig umschließen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Vorrichtung weist der Magnetfeldschirm drei Schirmteile auf.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Schirmteile des Magnetfeldschirms gelen- kig miteinander verbunden und umschließen den Stromleiter nahezu vollständig bis auf mehrere Spaltbereiche.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Magnetfeldschirm an jedem Spaltbereich zwei gegenüberliegende Schenkel auf, wobei sich zwischen den beiden parallel verlaufenden Schenkeln der offene Spaltbereich des Magnetfeldschirms befindet.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Endabschnitte der Schirmteile des Magnetfeldschirms nach außen gebogen und verlaufen zueinander parallel, wobei sich zwischen den zwei Endabschnitten zweier Schirmteile ein offener Spaltbereich des Magnetfeldschirms befindet .
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die magnetoresistiven Sensoren, die in den Spaltbereichen des Magnetfeldschirms angeordnet sind, GMR- Sensoren.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die magnetoresistiven Sensoren, die in den Spaltbereichen des Magnetfeldschirms angeordnet sind, TMR-Sensoren.
Bei einer weiteren möglichen alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die magnetoresistiven Sensoren, die in den Spaltbereichen des Magnetfeldschirms angeordnet sind, AMR-Sensoren.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Vorrichtung ist in dem von dem Magnetfeldschirm umschlossenen Raum ein Mikrocontroller zur Signalauswertung der von den magnetoresistiven Sensoren abgegebenen Messsignale angeordnet . Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung schützt der Magnetfeldschirm den Mikrocontroller vor externen Störfeldern und/oder vor einer zu hohen Feldbelastung durch das von dem mindestens einen Stromleiter erzeugte Magnetfeld.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Vorrichtung ist der von dem Magnetfeldschirm umschlossene Stromleiter ein flexibler oder starrer Stromleiter mit einem bestimmten Querschnitt.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der von dem Magnetfeldschirm umschlossene Stromleiter einen Rundstromleiter mit kreisförmigem Querschnitt auf.
Bei einer alternativen möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der von dem Magnetfeldschirm umschlossene Stromleiter einen Stromleiter mit rechteckigem Querschnitt, insbesondere eine Stromsammeischiene, auf.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Vorrichtung sind die gelenkig miteinander verbundenen Schirmteile des mehrteiligen Magnetfeldschirms auf den mindestens einen umschlossenen Stromleiter aufrastbar.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umschließt der Magnetfeldschirm eine auf einer Platine verlaufende Leiterbahn.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umschließt der Magnetfeldschirm eine in einer Platine integrierte Leiterbahn.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung verläuft die Sensitivitätsachse jedes magnetoresistiven Sensors parallel zu Magnetfeldlinien in dem jeweiligen Spaltbereich des Magnetfeldschirms.
Fig 16 entsprechend löschen! !
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Vorrichtung ist der Stromleiter eine auf der entgegengesetzten zweiten Seite der Platine verlaufende Leiterbahn oder eine in der Platine integrierte Leiterbahn, die von dem Magnetfeldschirm umschlossen ist. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfassen die magnetoresistiven Sensoren einen durch den Stromleiter fließenden Gleichstrom und/oder einen durch den Stromleiter fließenden Wechselstrom und/oder einen durch den Stromleiter fließenden gepulsten Strom ein- schließlich Oberwellen berührungslos .
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Vorrichtung leitet der mindestens eine Stromleiter eine Stromphase für ein an ein Stromversorgungsnetz ange- schlossenes Gerät. Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Magnetfeldschirm ein amorphes Metall mit hoher Permeabilität und niedriger Remanenz auf. Bei einer möglichen speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das amorphe Metall ein nickel- haltiges amorphes Metall, insbesondere Supra 50 oder Perm- alloy 80, auf. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umschließt der Magnetfeldschirm mindestens zwei parallel angeordnete Stromleiter.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Vorrichtung werden die parallel angeordneten Stromleiter antiparallel von zwei verschiedenen elektrischen Strömen, insbesondere von einem Hin- und Rückstrom, durchflössen, wobei der magnetoresistive Sensor eine Differenzstromstärke zwischen den Stromstärken der elektrischen Ströme berührungs- los erfasst.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die parallel angeordneten Stromleiter parallel von in gleicher Richtung fließenden elektrischen Strömen durchflössen, wobei der magnetoresistive Sensor eine Summenstromstärke der Stromstärken der parallel fließenden elektrischen Ströme berührungslos erfasst.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Vorrichtung ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die die sensorisch erfassten Stromstärken des mindestens einen Stromleiters, einer Summenstromstärke oder eine Differenz- Stromstärke auswertet.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Vorrichtung eine Steuereinheit auf, die in Abhängigkeit von einem von der Auswerteeinheit gelieferten Auswerteergebnis einen Aktor ansteuert.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung überträgt die Auswerteeinheit das Auswerteergebnis an eine externe Steuerung.
Die Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt eine Strommessvorrichtung mit mindestens einem mehrteiligen Magnetfeld- schirm, der zur Strommessung eines zu mindestens einer Last durch einen zugehörigen Stromleiter fließenden elektrischen Stromes ohne dessen Unterbrechung den mindestens einen Stromleiter bis auf Spaltbereiche umschließend an dem mindestens einen Stromleiter montierbar ist.
Die Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt ein Strommessgerät mit einer Strommessvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zur Messung eines durch den Stromleiter fließenden elektrischen Gleichstromes und/oder eines durch den Stromleiter fließenden elektrischen Wechselstromes.
Bei einer möglichen Ausführungsform ist dieses Strommessgerät als Strommesszange ausgebildet. Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Strommessgerätes weist dieses eine Auswerteeinheit zur Auswertung der gemessenen Stromstärke, eine Anzeigeeinheit zur Anzeige der gemessenen Stromstärke und/oder eine Sendeeinheit zur drahtlosen Übertragung der gemessenen Stromstärke an eine externe Empfangseinheit eines mobilen Gerätes, insbesondere eines Mobilfunkgerätes, auf.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strommessgerätes ist dieses an eine Stromsammeischiene des Stromsammelschienensystems montierbar. Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer möglichen exemplarischen Ausführungsform einer Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer möglichen Ausführungsform eines in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwendeten Magnetfeldschirms; Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Darstellung eines Strommessprinzips, welches bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden kann;
Fig. 4 eine Abbildung der Auswirkung einer Verschiebung ei- nes magnetoresistiven Sensors, wie er bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden kann, in eine Richtung zusammen mit dem Magnetfeldschirm der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 5 eine Darstellung der Auswirkung einer Verschiebung des magnetoresistiven Sensors, der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden kann, in eine Richtung ohne Magnetfeldschirm; Fig. 6 eine schematische Darstellung der Magnetfeldlinien, insbesondere in einem Spaltbereich zwischen Endabschnitten eines u- förmigen Magnetfeldschirms, wie er bei einer Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung verwendet werden kann;
Fig. 7 eine Darstellung einer durch einen Magnetfeldschirm vorgenommenen Magnetfeldschirmung eines Störfeldes ; Fig. 8 eine schematische Darstellung einer exemplarischen
Ausführungsform einer Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung eines durch einen Stromleiter hindurchfließenden elektrischen Stromes;
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht auf eine klappbare Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung bei einer Sammelschiene;
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht auf die in Fig. 9 dargestellte klappbare Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Montage an einer Sammelschiene; Fig. 11 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines inneren Aufbaus der in Fig. 9, 10 dargestellten klappbaren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung; Fig. 12 eine weitere Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung;
Fig. 13 eine perspektivische Darstellung einer in der Vorrichtung gemäß Fig. 13 verwendeten Magnetfeldschir- mung;
Fig. 14 eine Darstellung des inneren Aufbaus der in Fig. 13,
14 dargestellten Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung an einem Stromleiter;
Fig. 15 eine weitere Schnittansicht zur Darstellung einer
Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung;
Fig. 16 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung; Fig. 17 eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung;
Fig. 18 ein Schaltkreisdiagramm zur Darstellung eines Anwen- dungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung;
Fig. 19 ein weiteres Schaltkreisdiagramm zur Darstellung eines weiteren Anwendungsbeispiels der erfindungsgemä- ßen Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung;
Fig. 20 ein Schaltkreisdiagramm zur Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung;
Fig. 21 eine schematische perspektivische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung;
Fig. 22 eine schematische Darstellung einer möglichen weiteren Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung; Fig. 23 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung;
Fig. 24 eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung .
Wie man aus der schematischen Darstellung gemäß Fig. 1 erkennen kann, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur berüh- rungslosen Strommessung mindestens eines durch einen Stromleiter hindurchfließenden elektrischen Stromes I in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen mehrteiligen Magnetfeld- schirm 2 auf, welcher mindestens einen Stromleiter 3 bis auf mehrere Spaltbereiche 4 umschließt und den umschlossenen Raum 5, in welchem sich der mindestens eine Stromleiter 3 befindet, gegenüber externen Störfeldern abschirmt. Jeder Spaltbe- reich 4 befindet sich bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen zwei Endabschnitten 2A, 2B eines
Schirmteiles des Magnetfeldschirms 2, wie er in Fig. 1 dargestellt ist. Die beiden Endabschnitte 2A, 2B des Schirmteiles des Magnetfeldschirms 2 sind nach außen gebogen und verlaufen zueinander im Wesentlichen parallel, wobei sich zwischen den beiden Endabschnitten 2A, 2B jeweils ein offener Spaltbereich 4 des Magnetfeldschirms 2 befindet. Der erste Spaltbereich 4- 1 ist in Fig. 1 gestrichelt umrandet dargestellt. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform umschließt der Magnet- feldschirm 2 den Stromleiter 3 nahezu ringförmig bis auf die Spaltbereiche 4-1, 4-2, 4-3. Durch den Stromleiter 3 fließt ein elektrischer Strom I .
Der durch den Stromleiter 3 hindurchfließende Strom I erzeugt ein Magnetfeld H. Das von dem Stromleiter 3 bei hindurchfließendem Strom I erzeugte Magnetfeld weist in den Spaltbereichen 4-1, 4-2, 4-3 des Magnetfeldschirms 2 linearisierte Feldlinien mit homogenisierter Feldstärke auf. Dabei verlaufen die Magnetfeldlinien MFL des erzeugten Magnetfelds in den verschiedenen Spaltbereichen 4-1, 4-2, 4-3 jeweils im Wesentlichen senkrecht zu den inneren Oberflächen der beiden Endabschnitte 2A, 2B des Magnetfeldschirms 2. In Fig. 1 sind die Magnetfeldlinien MFL schematisch angedeutet. Die erfindungs- gemäße Vorrichtung 1 zur berührungslosen Strommessung weist magnetoresistive Sensoren 6-1, 6-2, 6-3 auf, die in den
Spaltbereichen 4-1, 4-2, 4-3 angeordnet ist und das dort bestehende linearisierte und homogenisierte Magnetfeld, dessen Feldstärke der Stromstärke I des durch den Stromleiter 3 hindurchfließenden elektrischen Stromes I entspricht, erfasst.
Bei einer möglichen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung 1 zur berührungslosen Strommessung sind die magnetoresistiven Sensoren 6 GMR- Sensoren. Bei einer alternativen Ausführungsform sind die magnetoresistiven Sensoren 6 TMR-Sensoren oder AMR-Sensoren. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung kann einer oder mehrere der magnetoresistiven Sensoren 6 auch ein Hall-Sensor sein.
Jeder magnetoresistive Sensor 6 erzeugt ein Messsignal, wel- ches über eine Signalleitung oder einen Signalbus 7 zu einer Auswerteeinheit 8 geleitet wird, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Auswerteeinheit 8 wertet die sensorisch erfasste Stromstärke aus und kann bei einer möglichen Ausführungsform das Auswerteergebnis über eine Leitung 9 an eine Steuereinheit 10 ausgeben. Bei einer möglichen Ausführungsform können die Auswerteeinheit 8 und die Steuereinheit 10 in einem Prozessor bzw. Mikroprozessor 11 integriert sein. Die Auswertung der sensorisch erfassten Stromstärke erfolgt bei dieser Ausführungsform nach Umwandlung des analogen Messsignals durch di- gitale Auswerte- und Steuerschaltkreise. Die Auswerteeinheit 8 addiert die von den Sensoren 6 stammenden Messsignale und mittelt sie. Die Steuereinheit 10 steuert bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Steuerleitung 12 in Abhängigkeit des Auswerteergebnisses einen Aktor 13 an. Der Aktor 13 kann beispielsweise eine Schalteinheit aufweisen. Bei einer möglichen Ausführungsvariante wird ein Schalter, welcher in der Stromleitung 3 liegt, geschaltet und unterbricht beim Öffnen den entsprechenden Strompfad bzw.
Stromkreis .
Der Magnetfeldschirm 2 der in Fig. 1 dargestellten Strommessvorrichtung 1 weist mehrere Schirmteile auf. Diese Schirmteile sind bei einer möglichen Ausführungsform gelenkig miteinander verbunden und können den Stromleiter 3 umschließen. Bei einer möglichen Ausführungsform sind die Schirmteile des Magnetfeldschirms 2, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, rohr- schellenförmig ausgebildet. Bei einer möglichen Ausführungs- Variante ist der in Fig. 1 dargestellte Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller 11 in dem von dem Magnetfeldschirm 2 umschlossenen Raum angeordnet und dient zur Signalauswertung der von den magnetoresistiven Sensoren 6 abgegebenen Messsig- nale. Bei dieser Ausführungsform schützt der Magnetfeldschirm 2 den Mikrocontroller 11 vor externen Störfeldern und einer zu hohen Feldbelastung durch ein fremdes Magnetfeld und/oder vor dem durch den Stromleiter 3 erzeugten Magnetfeld. Der Stromleiter 3 ist bei einer möglichen Ausführungsform ein flexibler oder starrer Stromleiter mit einem bestimmten Querschnitt, welcher von dem Magnetfeldschirm 2 umschlossen wird. Bei einer möglichen Ausführungsform ist der von dem Magnetfeldschirm 2 umschlossene Stromleiter 3 ein Rundstromleiter mit einem kreisförmigen Querschnitt. Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Stromleiter 3 ein Stromleiter mit rechteckigem Querschnitt. Bei einer möglichen Ausführungsform handelt es sich bei dem Stromleiter 3 um eine Stromsammei- schiene eines Stromsammelschienensystems .
Wenn sich der Absatz komplett auf Fig. 16 bezieht bitte entfernen! !
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform verläuft die Sensitivitätsachse des magnetoresistiven Sensors 6 vorzugsweise parallel zu den Magnetfeldlinien MFL des in dem Spaltbereich 4 des Magnetfeldschirms 2 vorhandenen Magnetfeldes.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur berührungslosen Strom- messung eignet sich sowohl zur Gleichstrommessung als auch zur Wechselstrommessung. Durch den magnetoresistiven Sensor 6 wird sowohl ein durch den Stromleiter 3 hindurchfließender Gleichstrom (DC) als auch ein durch den Stromleiter 3 hindurchfließender Wechselstrom (AC) berührungslos erfasst. Der magnetoresistive Sensor 6 erfasst ein elektrisches Stromsignal einer beliebigen Form, beispielsweise einen gepulsten Strom oder einen sägezahnförmigen Strom. Dabei werden bei der erfindungsgemäßen berührungslosen Strommessvorrichtung 1 durch die magnetoresistiven Sensoren 6 auch mögliche Oberwellen des durch den Stromleiter 3 hindurchfließenden elektrischen Stromsignals miterfasst. Bei einer möglichen Ausfüh- rungsvariante werden diese Oberwellen durch die Auswerteeinheit 8 ermittelt. Bei einer möglichen Ausfuhrungsform leitet der Stromleiter 3 eine Stromphase L an ein an einem Stromversorgungsnetz angeschlossenes Gerät. Bei dem Gerät kann es sich beispielsweise um einen Elektromotor oder dergleichen handeln.
Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform weisen die Schirmteile des Magnetfeldschirms 2 ein amorphes Metall mit hoher Permeabilität und niedriger Remanenz auf. Bei einer Ausfuhrungsva- riante weist das amorphe Metall ein nickelhaltiges amorphes
Metall, insbesondere Supra 50 oder Permalloy 80 auf. Bei diesen Materialien handelt es sich um Nickel-Eisen-Legierungen mit unterschiedlichem Mischungsverhältnis. Dabei weist das sogenannte Supra 50 einen Nickelanteil von etwa 50 % auf. Das sogenannte Permalloy 80 oder auch Mu-Metall besitzt demgegenüber einen Nickelanteil von etwa 80 %. Die beiden Materialien (Supra 50, Permalloy 80) besitzen ähnliche magnetische Eigenschaften bezüglich Permeabilität und Koerzitivfeidstärke , wobei beide Stoffe bzw. Materialien eine geringe Remanenz bei gleichzeitiger hoher Permeabilität besitzen. Die Metalle erhalten dabei die gewünschte magnetischen Eigenschaften im Zuge einer Wärmebehandlung unter Schutzatmosphäre.
Supra 50 hat bei einer möglichen Ausführungsform die folgende Zusammensetzung: 47,5 % Nickel, 0,5 % Mn, 0,1 % Si, 0,005 % C und 51, 895 % Fe.
Demgegenüber besitzt Permalloy 80 die folgende Zusammensetzung: 80 % Nickel, 0,5 % Mn, 4,4 % Mo, 0,3 % Si und 14,8 % Fe. Supra 50 besitzt eine Permeabilität (μιγΐ3Χ) von 190.000, eine Koerzitivfeidstärke (A/M) von etwa 2,8 sowie eine Sättigungspolarisation (T) von 1,5. Demgegenüber besitzt Permalloy 80 eine höhere Permeabilität ( max) von etwa 250.000, eine etwas geringere Koerzitivfeidstärke (A/M) von 1,5 und eine Sättigungspolarisation (T) von 0,8.
Bei einer möglichen Ausführungsform kann bei jedem Spaltbereich 4-i ein weiterer Magnetfeldschirm 31 vorgesehen sein, wie in Fig. 1 und Fig. 26 angedeutet, welcher den jeweiligen magnetoresistiven Sensor 6 zusätzlich abschirmt, insbesondere vor Störfeldern.
Die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung 1 erlaubt eine be- rührungslose Strommessung ohne Unterbrechung des zu messenden Strompfades. Die Strommessvorrichtung 1 besitzt einen Magnetfeldschirm 2, der zur Strommessung eines zumindest an einer Last durch den zugehörigen Stromleiter 3 hindurchfließenden elektrischen Stromes I ohne dessen Unterbrechung den mindes- tens einen Stromleiter 3 bis auf den Spaltbereich 4 umschließend an den mindestens einen Stromleiter 3 montierbar ist. Die Strommessvorrichtung 1 ist somit nachträglich an einer bereits vorhandenen bzw. verlegten elektrisch isolierten Stromleitung 3 nachträglich anbringbar bzw. montierbar, ohne den Stromfluss innerhalb des Stromleiters 3 unterbrechen zu müssen. Durch den Magnetfeldschirm 2 wird eine Homogenisierung und Linearisierung des Magnetfeldes innerhalb der Spalt- bereiche 4 erreicht. Darüber hinaus bietet der Magnetfeldschirm 2 eine Abschirmung gegenüber Fremd- bzw. Störfeldern. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur berührungslosen Strommessung kann an verschiedenartige Stromleiter mit unterschiedlichen Querschnitten montiert werden, beispielsweise auch an Stromleiter mit rechteckförmigem Querschnitt, insbesondere an Stromsammeischienen oder dergleichen.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Strommessvorrichtung 1 mit einem rohrschellenförmig ausgebildeten Magnet- feldschirm 2, der zwei distale Endabschnitte 2A, 2B besitzt, die einen Spaltbereich 4 definieren, in welchem sich der mag- netoresistive Sensor 6 befindet. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Magnetfeldschirm 2 aus drei Schirmteilen. Die Anzahl der Schirmteile 2-i kann bei unterschiedlichen Ausführungsvarianten und Anwendungsfallen variieren. Der Magnetfeldschirm 2 ist bei dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel rohrschellenförmig ausgebildet. Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung der Funktionsweise der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 1. In Fig. 3 ist der magnetoresistive Sensor 6 ein GMR-Sensor. Die strom- durchflossenen GMR-Schichtanordnung des GMR-Sensors 6 verringert oder vergrößert ihren elektrischen Widerstand, sobald sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird. Durch den
Stromleiter 3 fließt ein elektrischer Strom I zu einer Last 14, wobei im Innenraum 5 des Magnetfeldschirms 2 ein magnetisches Feld erzeugt wird. In jedem Spaltbereich 4 des Magnet - feldschirms 2 weist das Magnetfeld linearisierte Feldlinien mit homogenisierter Feldstärke auf. In diesem Spaltbereich 4 ist der GMR-Sensor 6 angeordnet und wird dem linearisierten und homogenisierten Magnetfeld ausgesetzt. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich somit der magnetoresistive Sensor 6 bzw. der GMR-Sensor in einem Hilfs- Stromkreis 15 mit einer Spannungsquelle 16, die beispielsweise 24 Volt liefert. Das Magnetfeld H weist eine Feldstärke auf, die der Stromstärke I des in dem Hauptstromkreis 17 hindurchfließenden elektrischen Stromes I entspricht. Die an den magnetoresistiven Sensoren 6 aufgrund der Widerstandsänderung hervorgerufenen SpannungsSchwankungen AU kann als Messsignal der Auswerteeihheit 8 über die zugehörige interne Messleitung 7 zugeführt werden. Bei einer möglichen Ausführungsform wird das analoge Messsignal zunächst mittels eines ADC in ein digitales Signal umgewandelt und durch die Auswerteeinheit 8 anschließend ausgewertet. Bei der in Fig. 3 dargestellten
Last RL kann es sich beispielsweise um ein Elektrogerät, beispielsweise einen Elektromotor oder dergleichen, handeln. Durch den Hauptstromkreis 17 kann beispielsweise eine Stromphase L des Stromversorgungsnetzwerkes an die Last 14 angelegt werden. Wie man aus Fig. 3 erkennen kann, sind der Nebenstromkreis 15, in welchem sich der jeweilige magnetore- sistive Sensor 6 befindet, und der Hauptstromkreis 17, in welchem sich die zu versorgende Last 14 befindet, voneinander vollständig galvanisch getrennt. Der magnetoresistive Sensor 6 erfasst das durch den Strom I erzeugte Magnetfeld H berührungslos. Durch die berührungslose Strommessung kann eine Strommessung ohne irgendeinen Eingriff in den HauptStromkreis 17 erreicht werden. Ist die elektrisch isolierte Stromleitung 3 des Hauptstromkreises 17 bereits vorhanden bzw. verlegt, kann eine berührungslose Strommessung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ohne Unterbrechung des Stromflusses erfolgen. Eine bestehende Anlage mit elektrisch isolierten Stromleitungen kann daher ohne Unterbrechung des Stromflusses bzw. des Betriebes der Anlage mit einer oder mehreren Vorrichtungen 1 zur berührungslosen Strommessung nachgerüstet werden. Durch den Magnetfeldschirm 2 wird das Magnetfeld H um den magnetoresistiven Sensor 6 herum linearisiert und homogenisiert. Der Bereich, in dem der magnetoresistive Sensor 6 angeordnet ist, ist in den Figuren 4, 5 gestrichelt dargestellt. Wie man aus dem Diagramm gemäß Fig. 4 erkennen kann, hat eine Verschiebung eines magnetoresistiven Sensors 6 in seinem Spaltbereich 4 in y-Richtung bei Vorhandensein eines Magnetfeldschirms 2 eine maximale Abweichung von 4 % zur Folge. Demgegenüber hat eine Verschiebung eines magnetoresistiven Sensors 6 ohne Vorhandensein eines Magnetfeldschirms 2 bei gleicher Verschiebung eine Abweichung von bis zu 20 % zur
Folge, wie aus dem Diagramm gemäß Fig. 5 hervorgeht.
Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung zur berührungslosen Strommessung. Bei der in Fig. 6 dargestellten Strommesseinrichtung ist ein Magnetfeldschirm 2 u- förmig ausgebildet. Der Magnetfeldschirm 2 umschließt einen Stromleiter 3 dabei u- förmig und besitzt zwei Endabschnitte 2A, 2B, die einen Spaltbereich 4 definieren. In diesem Spaltbereich. 4 ist der magnetore- sistive Sensor 6 der Strommessvorrichtung 1 platziert bzw. angeordnet. Fig. 2 zeigt die durch einen Stromfluss durch den Stromleiter 3 hervorgerufenen Magnetfeldlinien MFL schema- tisch. Der u- förmige Magnetfeldschirm 2 wird um den gemessenen Stromleiter 3 gelegt. Durch den Magnetfeldschirm 2 werden die Magnetfeldlinien MFL des Magnetfeldes H im Inneren der u- Form linearisiert . Ohne das Vorhandensein des Magnetfeldschirms 2 würde der Stromleiter 3 ein kreisrundes Magnetfeld ausbilden, sodass ein Sensor, der nur entlang einer Achse sensitiv ist, nicht optimal arbeiten könnte. Neben der Feldlinearisierung bietet die in Fig. 6 dargestellte Anordnung auch eine Feldhomogenisierung. Während die Feldstärke ohne Vorhandensein eines Magnetfeldschirms 2 indirekt proportional zum Leiterabstand abfällt (l/R) , wie in Fig. 5 erkennbar, erfolgt durch den Magnetfeldschirm 2 eine Vergleichmäßigung der Feldstärke im Spaltbereich 4, wie beispielsweise aus dem Diagramm gemäß Fig. 4 erkennbar ist. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung bzw.
Messvorrichtung 1 mit rohrschellenförmigen Schirmteilen besteht darin, dass eine Schirmung vor Fremdfeldern bzw. Störfeldern erfolgt. Fig. 7 zeigt schematisch eine Schirmung durch einen Magnetfeldschirm vor einem Stör- bzw. Fremdfeld. So kann beispielsweise durch einen in der Nähe verlegten anderen Stromleiter ein starkes symmetrisches Störfeld erzeugt werden. Fig. 7 zeigt eine Störquelle SQ, beispielsweise ein Stromleiter, welcher ein ringförmiges störendes Magnetfeld generiert. Wie man aus Fig. 7 erkennen kann, schirmt der Mag- netfeldschirm einen Innenraum 5 weitestgehend von dem magnetischen Störfeld ab. Die Feldlinien, die ohne Vorhandensein des Magnetfeldschirms Undefiniert durch einen in dem Spaltbereich vorgesehenen magnetoresistiven Sensor verlaufen würden, werden mithilfe des Magnetfeldschirms über dessen Schenkel abgeleitet, wie in Fig. 7 schematisch dargestellt. Durch den Magnetfeldschirm erfolgt somit eine Differenzierung des Störfeldes (senkrecht zum magnetoresistiven Sensor abgeleitet, nicht-sensitive Sensorachse) von einem Messfeld (waagrecht zum Sensor, sensitive Sensorachse) .
Fig. 8 zeigt schematisch eine Ansicht auf ein Ausführungsbei- spiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur berührungslosen Strommessung, wobei nur ein Spaltbereich 4 dargestellt ist. Der Magnetfeldschirm 2 besitzt drei Schirmteile. Der Magnetfeldschirm 2 besitzt Schirmteile mit zwei Endabschnitten 2A, 2B, die einen Spaltbereich 4 definieren, in dem ein magne- toresistiver Sensor 6 angeordnet ist. Der Magnetfeldschirm 2 umschließt einen Innenraum 5, in dem mindestens ein Stromleiter 3 angeordnet ist. Bei dem in Fig. 8 ausgeführten Ausführungsbeispiel umschließt der Magnetfeldschirm 2 einen Stromleiter 3 mit rechteckförmigem Querschnitt. Bei dem Stromlei- ter 3 kann es sich beispielsweise um eine Schiene, insbesondere eine Stromsammeischiene, handeln.
Bei einer möglichen Ausführungsform sind die Schirmteile 2-i des Magnetfeldschirms 2 eng miteinander verbunden und erlau- ben ein Aufrasten des Magnetfeldschirms 2 auf eine vorhandene Schiene, insbesondere Stromsammeischiene, wie in Fig. 9 dargestellt. Der Magnetfeldschirm 2, welcher aus einem amorphen Metall mit hoher Permeabilität und niedriger Remanenz bestehen kann, ist beispielsweise ringförmig ausgebildet. Dabei kann der ringförmig ausgebildete Magnetfeldschirm 2 innerhalb eines Kunststoffgehäuses 18 enthalten sein. Das Kunststoffge- häuse 18 kann für den jeweiligen Anwendungsfall symmetrisch ausgeformt sein. Bei dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Kunststoffgehäuse 18, in welchem sich der ringförmige Magnetfeldschirm 2 mit seinen gelenkig verbundenen Magnetfeldschirmteilen befindet, derart ausgeformt, dass die Strommessvorrichtung 1 auf eine Sammelschiene 9 aufsetz- bar und anschließend aufrastbar ist. Bei einer möglichen Ausführungsform ist die Kontur des Kunststoffgehäuses 18 derart ausgebildet, dass die Strommessvorrichtung 1 sowohl auf einen Rundleiter (beispielsweise mit einem Querschnitt von bis zu 300 mm2) als auch für eine Stromsammeischiene (beispielsweise bis zu 30 x 10 mm) nachträglich montierbar ist. Das in Fig. 9 dargestellte Strommessmodul ist vorzugsweise universell ein- setzbar und nicht gerätegebunden. Die Strommessvorrichtung 1 kann auch in einer Anlage im laufenden Betrieb montiert wer- den, ohne den durch die elektrisch isolierte Schiene 9 hindurchfließenden Stromfluss unterbrechen zu müssen. Bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform ist diese klappbar auf einen Stromleiter 3 bzw. eine Stromschiene aufsetzbar und dort montierbar. Bei einer bevorzugten Ausführungsform be- sitzt die Strommessvorrichtung 1 einen Verschlussmechanismus 19, sodass die Strommessvorrichtung nach Aufsetzen auf die Stromsammeischiene 9 fest montiert ist. Der Verschlussmechanismus 19 ist derart ausgebildet, dass er anschließend wieder gelöst werden kann, um die Strommessvorrichtung 1 von dem Stromleiter 3 bzw. der Stromsammeischiene 9 zu entfernen.
Fig. 9 zeigt das Aufsetzen der Strommessvorrichtung 1 auf eine Stromsammeischiene 9 vor Schließen des Verschlussmechanismus 19. Demgegenüber zeigt Fig. 10 die klappbare Strommessvorrichtung 1 nach Aufsetzen auf der Stromsammeischiene 9 und erfolgter Schließung des Verschlussmechanismus 19. Wie man in Fig. 10 erkennen kann, besitzt das Gehäuse 18 der klappbaren Strommessvorrichtung 1 eine geometrische Form, die an die Stromsammeischiene 9 angepasst sein kann. Bei einer möglichen Ausführungsform ist der Verschlussmechanismus 19 auf den Stromsammeischienen 9 oder Stromleiter 3 verschiedener Größen aufrastbar und kann an die Größe des Stromleiters 3 angepasst werden. Nach Aufrasten und Schließen des Verschlussmechanismus 19 sitzt die klappbare Strommessvorrichtung 1 vorzugsweise fest auf der Stromsammeischiene 9. Nach Lösen des Ver- schlussmechanismus 19 kann die klappbare Strommessvorrichtung 1 in Längsrichtung der Schiene 9 an eine andere Stelle bewegt werden und anschließend wieder geschlossen werden. Alternativ kann der Verschlussmechanismus 19 vollständig geöffnet werden und die klappbare Strommessvorrichtung 1 an eine andere
Schiene des Stromsammelschienensystems zur Messung des dort fließenden Stromes aufgesetzt und montiert werden. Fig. 11 zeigt die klappbare Strommessvorrichtung 1 mit teilweise geöffnetem Gehäuse 18. Man erkennt den innerhalb des Gehäuses 18 vorhandenen Magnetfeldschirm 2 mit zwei Endabschnitten 2A, 2B von benachbarten Schirmteilen des Magnet- feldschirms 2, die einen Spaltbereich 4 definieren. In diesem Spaltbereich 4 befindet sich ein magnetoresistiver Sensor 6. Weiterhin befindet sich in dem von dem Magnetfeldschirm 2 umschlossenen Raum ein MikroController 11 zur Signalauswertung eines von dem magnetoresistiven Sensor 6 abgegebenen Messsig- nals. Der Magnetfeldschirm 2 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass er den Mikrocontroller 11 vor externen Störfeldern und einer zu hohen Feldbelastung durch das von dem mindestens einen Stromleiter 3 erzeugte Magnetfeld schützt. Fig. 12 zeigt eine Vorrichtung 1 zur berührungslosen Strommessung. In der dargestellten Variante weist die Strommessvorrichtung 1 ein elektrisch isolierendes Kunststoffgehäuse 20 auf, das aus zwei Gehäuseschalen 20A, 20B besteht. Fig. 13 zeigt perspektivisch eine Ansicht auf die Strommessvorrich- tung 1 gemäß Fig. 12 nach Abnahme der oberen Gehäuseschale
20A. Man erkennt in Fig. 13 einen Magnetfeldschirm 2, der den ggf. mit einem Isolationsmantel umgebenden Stromleiter 3 u- förmig umschließt. In einem Spaltbereich 4 des u- förmigen Magnetfeldschirms 2 befindet sich ein magnetoresistiver Sen- sor 6, wie in Fig. 13 erkennbar. Fig. 14 zeigt die in den Figuren 12, 13 dargestellte Variante nach Abnahme beider Gehäuseschalen 20A, 20B. Ein GMR-Sensor 6 befindet sich auf einem Kunststoffträger 21 mit Schlitzen 22A, 22B, in welche die distalen Endabschnitte 2A, 2B des u- förmigen Magnetfeld- schirms 2 einführbar sind. Die in den Figuren 12, 13, 14 dargestellte Variante erlaubt somit ebenfalls eine nachträgliche Montage auf eine bereits bestehende elektrisch isolierte Stromleitung bzw. einen bereits bestehenden Strompfad, ohne den zu messenden Stromfluss unterbrechen zu müssen. Daher kann eine bestehende Anlage bzw. ein bestehendes Stromversorgungssystem im laufenden Betrieb nachträglich mit einer erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung 1 zur Strommessung ver- sehen werden. Die Strommessvorrichtung 1, wie sie in den Figuren 13, 14 dargestellt ist, ist nicht gerätegebunden und kann beispielsweise für alle stromführenden Leiter mit geeignetem Querschnitt (beispielsweise bis zu 16 mm2) zur Messung eines Stromes I (beispielsweise bis zu 100 A AC) eingesetzt werden. Die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung 1 kann dabei sowohl Gleich- als auch Wechselstrom messen. Beispielsweise kann die Strommessvorrichtung 1 derart ausgebildet sein, dass sie einen Gleichstrom bis 150 Ampere und einen Wechselstrom bis 100 Ampere misst. Bei einer möglichen Ausführungsform liegt der Stromleiter 3 in flexiblen Führungen des Gehäuses 20, die sich auf verschiedene Kabel bzw. Stromleiterquerschnitte einstellen können und somit eine mittige Platzierung des Stromleiters 3 innerhalb des Gehäuses 20 ge- währleisten. Bei der in den Figuren 13, 14 dargestellten Variante kann der Magnetfeldschirm 2 in der oberen Gehäuseschale 20A des Gehäuses 20 eingegossen sein und bei Montage der Strommessvorrichtung 1 auf den Stromleiter 3 in die beiden Schlitze 22A, 22B der Trägerplatte 21 eingeführt werden. Der auf der Trägerplatte 21 vorgesehene magnetsresistive Sensor 6 liefert ein analoges Messsignal. Bei einer möglichen Variante kann in der Trägerplatte 21 ein Mikrocontroller 11 integriert sein, welcher über eine Datenschnittstelle 23 mit einer externen Steuerung der Anlage kommuniziert und/oder Steuersig- nale an einen oder mehrere Aktoren 13 der betreffenden Anlage generiert .
Fig. 15 zeigt eine Variante einer Strommessvorrichtung 1, bei einem auf einer Leiterplatine 24 angebrachten Stromleiter 3. Bei dem in Fig. 15 dargestellten Beispiel ist der Magnetfeldschirm 2 u-förmig ausgebildet, wobei die beiden Schenkel des u- förmig ausgebildeten Magnetfeldschirms 2 durch zwei entsprechende Öffnungen 24A, 24B der Leiterplatine 24 hindurchgeführt sind und die Endabschnitte der beiden Schenkel den offenen Spaltbereich 4 definieren, in welchem sich ein magne- toresistiver Sensor 6 befindet. Bei der in der Figur 15 dargestellten Ausführungsform befindet sich der Stromleiter 3 auf der unteren Seite der Leiterplatine 24, während sich der magnetoresistive Sensor 6 auf der entgegengesetzten oberen Seite der Leiterplatine 24 be- findet. Der Stromleiter 3 besteht beispielsweise aus einer stromleitenden Kupferbahn. Die Kupferbahn selbst wird von dem Magnetfeldschirm 2 umschlossen, wobei die Magnetfeldlinien MFL entlang der Sensitivitätsachsen der magnetoresistiven Sensoren 6 verlaufen. Durch eine mechanische Fixierung kann der Magnetfeldschirm 2 in eine Kunststoffhalterung gepresst werden. Bei der in Figur 15 dargestellten Ausführungsform befindet sich der Stromleiter 3 auf einer Seite der Platine 24. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Stromleiter 3 auch innerhalb der Leiterplatine 24 integriert verlaufen. Ein Vorteil der in der Figur 15 dargestellten Ausführungsform besteht darin, dass die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung 1 angebracht werden kann, ohne dass der Stromfluss durch die Stromleiterbahn 3 unterbrochen werden muss. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung 1 muss somit keine Auftrennung des Strompfades bzw. Stromkreises auf der Platine erfolgen. Die in der Figur 15 dargestellte Ausführungsform zur Anwendung bei einer Platine ermöglicht eine besonders platzsparende Integration der Strommesseinheit 1 für eine Platine eines Schaltgerätes. Die Vorrichtung 1 zur berüh- rungslosen Strommessung, wie sie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 15 dargestellt ist, ermöglicht zudem sowohl die Messung eines Gleichstromes DC als auch die Messung eines Wechselstromes AC oder eines Stromsignales, welches auf einer Leiterbahn einer Platine 24 des Gerätes fließt. Die Öffnungen 24A, 24B werden vorzugsweise bereits bei der Herstellung der
Leiterplatine hergestellt, beispielsweise an vorgegebenen Messpunkten. Weiterhin können Strommessvorrichtungen 1 entweder temporär oder dauerhaft an den verschiedenen Messpunkten der Leiterplatine 24 angebracht werden.
Bei einer möglichen Ausführungsform weist die Strommessvorrichtung 1 zur Anwendung bei Leiterplatinen eine Kunststoff- halterung 25 auf. Durch die mechanische Fixierung der austauschbaren bzw. nachrüstbaren Strommessvorrichtung 1 wird der Magnetfeldschirm 2 in die vorhandene Kunststoffhalterung 25 gedrückt bzw. gepresst . Fig. 16 zeigt die Oberseite einer Leiterplatine 24 mit einer darin vorgesehenen Kunststoffhalterung 25, in welche die beiden Endabschnitte 2A, 2B eines Schirmteils des Magnetfeldschirms 2 zur mechanischen Fixierung gedrückt werden. Fig. 17 zeigt die Unterseite der entsprechenden Leiterplatine 24 und der Kunststoffhalterung mit dem Basisabschnitt des Magnetfeldschirms 2. Der Magnetfeldschirm 2 umschließt die auf der Unterseite der Platine 24 verlaufende Leiterbahn 3, wie in Fig. 17 dargestellt.
Fig. 18 zeigt eine Schaltanordnung, bei der mehrere erfin- dungsgemäße Strommessvorrichtungen 1 zur berührungslosen
Strommessung verwendet werden. Bei der in Fig. 18 dargestellten Schaltanordnung wird eine Last bzw. ein Gerät 14 mit Stromphasen eines Mehrphasen-Stromversorgungsnetzes mit Strom versorgt. Das Stromversorgungsnetz weist drei Phasen LI, L2 , L3 auf sowie einen Nullleiter N. Das Gerät bzw. die Last 14 ist über Stromversorgungsleitungen 3-1, 3-2, 3-3 sowie den Nullleiter 3-4 mit dem Stromversorgungsnetz verbunden. Bei dem in Fig. 18 dargestellten Anwendungsbeispiel ist an jeder Stromleitung 3-i eine erfindungsgemäße Strommessvorrichtung 1 zur berührungslosen Strommessung vorgesehen bzw. montiert. Eine Strommessvorrichtung 1 kann auch an weitere Leitungen, beispielsweise einem PE-Leiter, vorgesehen werden. Diese Strommessvorrichtungen 1-i können auch nachträglich an die bereits vorhandene entsprechende Stromversorgungsleitung 3-i angebracht werden, ohne die Stromversorgung für die Last bzw. das Gerät 14 zu unterbrechen. Die Strommessvorrichtungen 1-i liefern Strommesswerte bzw. Stromsignale 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel an eine Auswerteeinheit 8, welche die Strommesswerte auswertet und die Aus- Werteergebnisse einer Steuereinheit 10 zur Verfügung stellt. Die Auswerteeinheit 8 und die Steuereinheit 10 sind beispielsweise in einem Mikroprozessor 11 oder einer sonstigen Datenverarbeitungseinheit integriert. Die Steuereinheit 10 kann in Abhängigkeit von dem erhaltenen Auswerteergebnis beispielsweise einen oder mehrere Aktoren 13 der Anlage oder das versorgte Gerät 14 selbst ansteuern, beispielsweise durch Veränderung von Geräteparametern des Gerätes 14. Eine Stromphase Lx kann auch über mehrere parallele Leitungen 3-i fließen, die von dem Magnetfeldschirm 2 der Strommessvorrichtung 1 umschlossen sind. Fig. 19 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel für eine Anlage, die Strommessvorrichtungen 1 zur berührungslosen Strommessung gemäß der Erfindung verwendet. Bei der in Fig. 19 dargestellten Anlage wird eine Last bzw. ein Gerät 14 an drei Stromphasen LI, L2 , L3 über Stromversorgungsleitungen 3-1, 3-2, 3-3 mit Strom versorgt. An jeder der drei Stromversorgungsleitungen 3-i ist eine Strommessvorrichtung 1-i vorgesehen, welche Strommesssignale bzw. Strommesswerte an eine zugehörige Auswerteeinheit 8-i liefern. Wie in Fig. 1 graphisch angedeutet, umschließen Magnetfeldschirme 2-i der jeweiligen Strommesseinrichtungen 1-i einen einzelnen Leiter 3-i, um den darin fließenden elektrischen Strom L-i zu messen. Für eine Stromphase L-i können auch mehrere parallele Stromleiter vorgesehen sein. Darüber hinaus weist die Schaltanordnung gemäß Fig. 19 eine Summenstrommessvorrichtung 1-4 auf. Diese Sum- menstrommessvorrichtung hat einen Magnetfeldschirm 2-4, welche alle drei Stromversorgungsleitungen 1-1, 1-2, 1-3 umschließt, wie in Fig. 19 graphisch angedeutet. Die Auswerteeinheit 8-4 wertet das von den magnetoresistiven Sensoren 6 der Summenstrommessvorrichtung 1-4 gemessene Signal aus, wel- ches dem Summenstrom der drei Stromphasen LI, L2 , L3 entspricht. Bei dem in Fig. 19 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die verschiedenen Auswerteeinheiten 8-i mit einer gemeinsamen zentralen Steuereinheit 10 verbunden, welche Aktoren 13 der Anlage sowie das Gerät 14 in Abhängigkeit des ge- messenen Summenstromes sowie der in den verschiedenen Stromleitungen 3-i gemessenen einzelnen Stromphasen LI, L2 , L3 ansteuern kann. Bei einer möglichen Ausführungsform der erfin- dungsgemäßen Strommessvorrichtung 1 ist der ringförmige aus mehreren Schirmteilen bestehende Magnetfeldschirm 2 derart ausgebildet, dass er geeignet ist, entweder eine Stromleitung, zwei Stromleitungen oder mehrere Stromleitungen gleich- zeitig zu umschließen. Bei dieser Ausführungsform kann die Strommessvorrichtung 1 sowohl als Summenstrommessvorrichtung eingesetzt werden als auch als Einzelstrommessvorrichtung . Beispielsweise kann eine derartige Strommessvorrichtung 1 auch geeignet sein, zwei Stromleitungen zu umschließen, um deren Ströme zu messen. Bei dieser Ausführungsform ist die
Strommessvorrichtung 1 somit flexibel für verschiedene Anwendungsfälle einsetzbar. Bei der in Fig. 19 dargestellten
Schaltanordnung können die verschiedenen Strommessvorrichtungen 1-i entweder permanent fest an die vorhandenen Stromlei- tungen montiert werden oder zeitweise. Bei einer möglichen Ausführungsform erfolgt die Signalübertragung von der Strommessvorrichtung 1-i zu der zugehörigen Auswerteeinheit 8-i drahtlos über eine Funkschnittstelle. Hierzu weisen die verschiedenen Strommessvorrichtungen 1-i jeweils einen Transmit- ter bzw. Transceiver zur MessSignalübertragung auf.
Fig. 20 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung 1 zur berührungslosen
Strommessung. Bei der in Fig. 20 dargestellten Ausführungs- form umschließt der aus 3 Schirmteilen bestehende Magnetfeldschirm 2 zwei Stromleitungen 3-1, 3-2, an die eine Last 14 angeschlossen ist. Über den ersten Stromleiter 3-1 fließt ein Hinstrom II und über den zweiten Stromleiter 3-2 ein Rückstrom 12. Beide Stromleiter 3-1, 3-2, werden durch den Mag- netfeidschirm 2 umschlossen, in dessen 3 Spaltbereichen 4 jeweils ein magnetoresistiver Sensor 6 vorgesehen ist, der Messsignale an die Auswerteeinheit 8 der Vorrichtung 1 liefert. Die Strommessvorrichtung 1 misst den Differenzstrom zwischen dem Hin- und Rückstrom. Überschreitet die Differenz zwischen Hin- und Rückstrom einen gewissen Schwellenwert, wird durch die Steuereinheit 10 ein in dem Stromkreis enthaltener Aktor, insbesondere eine Schalteinheit 13, automatisch geöffnet, um den Stromkreis zu unterbrechen. Bei der in Fig. 22 dargestellten Ausführungsvariante sind die beiden parallel angeordneten Stromleiter 3-1, 3-2 antiparallel von zwei verschiedenen elektrischen Strömen II, 12, insbesondere von ei- nem Hin- und Rückstrom, durchflössen, wobei der magnetore- sistive Sensor 6 eine Differenzstromstärke zwischen den
Stromstärken der beiden elektrischen Ströme II, 12 berührungslos erfasst. Die Auswerteeinheit 8 wertet die gemessene Differenzstromstärke aus. Die Steuereinheit 10 steuert in Ab- hängigkeit von der Differenzstromstärke den Aktor 13 an, indem sie ihn bei Überschreitung eines vorgegebenen einstellbaren Schwellenwertes automatisch öffnet.
Fig. 21 zeigt schematisch den Magnetfeldschirm 2 der Strom- messeinrichtung 1 für die in Fig. 20 dargestellte Strommessvorrichtung. Die beiden Stromleitungen 3-1, 3-2 für den Hin- und Rückstrom verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander, insbesondere im Bereich des sie umschließenden Magnetfeldschirms 2.
Fig. 22 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung 1 zur berührungslosen Strommessung. Bei dem in Fig. 22 dargestellten Ausführungsbeispiel verfügt der Mikroprozessor 11 über einen Transceiver bzw. Transmitter 26. Das von der Auswerteeinheit 8 gelieferte Messergebnis wird von dem Transmitter 26 über eine drahtlose Schnittstelle an einen Transceiver bzw. Receiver 27 eines mobilen Endgerätes 28 übertragen, welches über eine Anzeigeeinheit 29 verfügt. Bei dem mobilen Endgerät 28 handelt es sich beispielsweise um ein Mobilfunkgerät bzw. Smartphone . Bei der drahtlosen Funkverbindung handelt es sich beispielsweise um eine NFC-Funkverbindung oder eine Blue Tooth-Verbindung . Der Transceiver 26 überträgt bei einer möglichen Ausführungsform die gemessenen Stromwerte des durch den Leiter 3 hindurch- fließenden elektrischen Stromes I drahtlos zu dem Transceiver 27 des Mobilfunkgerätes 28 eines Nutzers. Die übertragenen Stromwerte werden auf der Anzeigeeinheit bzw. dem Display des Mobilfunkgerätes 28 dem Nutzer angezeigt.
Bei einer weiteren Ausführungs ariante weist die erfindungs- gemäße Strommessvorrichtung 1 eine mechanische Einrichtung zum Aufrasten des Magnetfeldschirms 2 auf die mindestens eine zu messende Stromleitung 3 auf. Dabei kann der Magnetfeldschirm 2 auf eine oder mehrere Stromleiter 3 unterschiedlichen Querschnitts und unterschiedlicher Querschnittsform auf- gerastet werden. Bei einer möglichen Ausführungsvariante wird beim Aufrasten zusätzlich der Querschnitt des betreffenden Stromleiters 3 erfasst bzw. erkannt und daraus abgeleitet, welche Soll-Stromstärke durch den betreffenden Stromleiter innerhalb der Anlage im Normalbetrieb zu fließen hat. Bei ei- ner möglichen Ausführungsform wird der Querschnitt und/oder die Art bzw. der Typ des ausgemessenen Stromleiters 3 an das Mobilfunkgerät 28 des Nutzers übertragen und auf dessen Anzeigeeinheit 29 angezeigt. Beispielsweise kann auf der Anzeigeeinheit angezeigt werden, dass der momentan ausgemessene Stromleiter einen Querschnitt von 16 mm2 aufweist, durch den eine Soll-Stromstärke AC von beispielsweise 100 Ampere oder eine Gleichstromstärke DC von beispielsweise 150 Ampere
Nennstrom fließen soll. Bei einer möglichen Ausführungsform wird auf der Anzeigeeinheit 29 des tragbaren Gerätes 28 so- wohl die gemessene aktuelle Stromstärke als auch die Soll- Stromstärke angezeigt. Weiterhin kann die Differenz zwischen der Soll-Stromstärke und der aktuellen gemessenen Stromstärke angezeigt werden. Fig. 23 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung 1. Bei der in Fig. 23 dargestellten Ausführungsform sind in dem kreisförmigen Magnetfeldschirm 2 zwei halbkreisförmige Gummihäute oder Gummiringe 30A, 3OB gespannt, um den Magnetfeldschirm 2 auf den Strom- leiter 3 aufzusetzen. Die beiden Gummihäute oder Gummiringe
30A, 3OB bestehen aus einem elastischen Material und erlauben ein einfaches Aufsetzen des Magnetfeldschirms 2 auf den zu messenden Stromleiter 3. Die in Fig. 23 dargestellte Ausführungsform eignet sich insbesondere für Stromleiter 3 mit geringerem Durchmesser, auf welche die Strommessvorrichtung 1 aufsetzbar ist.
Die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung 1 kann gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung in einem separaten Strommessgerät, insbesondere einer Strommesszange , integriert sein. Dieses Strommessgerät kann einen durch den Stromleiter fließen- den elektrischen Gleichstrom und/oder einen durch den Stromleiter fließenden elektrischen Wechselstrom messen. Bei einer möglichen Ausführungsvariante wird das Strommessgerät zwischen zwei Betriebsmodi manuell oder automatisch geschaltet, wobei in einem ersten Betriebsmodus ein durch den Stromleiter 3 fließender elektrischer Gleichstrom DC und in einem zweiten Betriebsmodus ein durch den Stromleiter 3 hindurchfließender Wechselstrom AC durch das Strommessgerät gemessen wird. Dieses Strommessgerät weist bei einer möglichen Ausführungsform eine integrierte Auswerteeinheit 8 zur Auswertung der gemes- senen Stromstärke auf. Weiterhin verfügt das Strommessgerät vorzugsweise über eine Anzeigeeinheit zur Anzeige der an dem Stromleiter 3 gemessenen Stromstärke. Darüber hinaus kann das Strommessgerät auch über eine Sendeeinheit zur drahtlosen Übertragung der gemessenen Stromstärke an eine externe Emp- fangseinheit des mobilen Gerätes, beispielsweise eines Mobilfunkgerätes, verfügen.
Alternativ kann die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung 1 fest an einen bereits bestehenden Stromleiter montiert und Strommesssignale an eine zentrale Steuerung der Anlage liefern. Eine bestehende Anlage kann mit einer oder mehreren erfindungsgemäßen Strommessvorrichtungen 1 nachgerüstet werden, ohne den Betrieb der Anlage unterbrechen zu müssen, sofern die gemessene Leitung elektrisch isoliert ist. Die erfin- dungsgemäße Strommessvorrichtung 1 weist einen magnetore- sistiven Sensor 6 auf, der nur einen sehr geringen Platz innerhalb eines Spaltbereichs 4 benötigt. Dementsprechend kann die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung 1 besonders platzsparend implementiert werden und benötigt insbesondere keine relativ großen Strommessspulen, insbesondere Rogowski-Spulen. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung 1 ist diese automatisch mittels eines vorgegebenen Referenzstromes, welcher von einer Referenzstromquelle der Strommessvorrichtung 1 geliefert wird, kalibrierbar. Bei dieser Ausführungsvariante kann der Magnetfeldschirm 2 eine zusätzliche Referenzstromleitung umschließen, durch welche der vorgegebene Referenzstrom IREF zur Kalibrierung der Strommessvorrichtung 1 fließt. Die Kalibrierung kann in einem weiteren Kalibrierbetriebsmodus erfolgen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungs- gemäßen Strommessvorrichtung 1 verfügt die auf die Stromleitung 3 aufgerastete Strommessvorrichtung 1 über eine eigene Anzeigeeinheit bzw. ein Display, um die gemessene Stromstärke einem Nutzer anzuzeigen. Die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung 1 erlaubt eine berührungslose Strommessung mit einer hohen Messgenauigkeit. So kann das erfindungsgemäße Strommessgerät bzw. die Strommessvorrichtung 1 die Stromstärke von 100 Ampere mit einer Messgenauigkeit von unter 1 Ampere mes- sen.
Die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung 1 eignet sich sowohl für Summenstrommessung als auch für Differenzstrommessung. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsvariante um- schließt der Magnetfeldschirm 2 der Strommessvorrichtung 1 zwei Stromleitungen, durch die zwei verschiedene Ströme fließen.
Die erfindungsgemäße Strommessvorrichtung 1 eignet sich zur Messung verschiedener Stromsignale, insbesondere eines
Gleichstromes, eines sinusförmigen Wechselstromes oder sonstiger Stromsignale, beispielsweise Dreiecksignale, Sägezahn- Signale oder Rechtecksignale. Bei einer möglichen Ausführungsform wertet die Auswerteeinheit 8 der erfindungsgemäßen Strommessvorrichtung 1 Oberwellen des fließenden Stromes aus, um mögliche Betriebszustände des angeschlossenen Gerätes bzw. der zugehörigen Stromversorgungseinheit zu erkennen. Bei einer möglichen speziellen AusführungsVariante ermittelt die Auswerteeinheit 8 ein lokales Frequenzspektrum des an die Last 14 zu übertragenen Normstromes . Bei einer weiteren möglichen AusführungsVariante der erfindungsgemäßen Strommesseinheit 1 verfügt der Mikroprozessor 11 über eine Datenschnittstelle zur Übertragung von Messdaten und Auswerteergebnissen an eine externe zentrale Steuerung der Anlage. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsvariante verfügt die Strommessvorrichtung bzw. das Strommessgerät 1 über einen internen Signal- bzw. Datenspeicher zur Aufzeichnung der Auswerteergebnisse, welche über eine Datenschnittstelle auslesbar sind. Erkennt beispielsweise die Auswerteeinheit 8 einen kritischen oder auffälligen Zustand, können die Messsignale und/oder die Auswerteergebnisse für einen vorgegebenen Zeitraum in dem Datenspeicher des Messgerätes 1 aufgezeichnet werden, um anschließend eine genaue Analyse des möglichen Fehlerfalles vornehmen zu können. Fig. 24 zeigt eine mögliche bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur berührungslosen Strommessung mindestens eines durch einen Stromleiter 3 fließenden elektrischen Stromes. Bei dem in Fig. 24 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die Strommessvorrichtung 1 einen mehrteiligen Magnetfeldschirm 2. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Magnetfeldschirm drei Schirmteile, die drei Spaltbereiche 4-1, 4-2, 4-3 definieren. Die Spaltbereiche sind dabei gleichmäßig voneinander beabstandet. In der Mitte eines jeden Spaltbereichs befindet sich ein magnetore- sistiver Sensor 6-i. Die in der Mitte der Spaltbereiche angeordneten magnetoresistiven Sensoren 6-i weisen vorzugsweise voneinander einen Abstandswinkel von = 120° auf. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 24 hat der Magnetfeldschirm drei Magnetfeldschirmteile 32-1, 32-2, 32-3. Bei einer möglichen Ausführungsvariante besitzt jedes der Schirmteile 32 -i an seinen beiden Enden Endabschnitte 2A, 2B . Die drei magnetoresistiven Sensoren 6-i liefern jeweils ein Messsignal über eine zugehörige Messleitung 7-i, wie in Fig. 24 dargestellt. Bei einer möglichen Ausführungsform werden die Messsignale einem Mikrocontroller 11 zugeführt. Dieser Mikro- controller 11 enthält vorzugsweise eine Auswerteeinheit 8 mit einer Berechnungseinheit 33, die geeignet ist, einen Mittelwert der von den magnetoresistiven Sensoren 6-i stammenden Messsignale zu berechnen. Bei einer möglichen Ausführungsform addiert die Berechnungseinheit 33 die Werte der empfangenen Messsignale und mittelt sie anschließend. Das Integral der magnetischen Feldstärke H entlang einer geschlossenen umlaufenden Linie ist gleich dem Gesamtstrom, der in der eingeschlossenen Fläche fließt. Demzufolge werden die Messsignale der drei magnetoresistiven Sensoren 6-1, 6-2, 6-3 addiert und anschließend durch die Berechnungseinheit 33 gemittelt. Um den Einfluss von Magnetfeldern in unmittelbarer Nähe der verschiedenen Sensoren 6-1, 6-2, 6-3 zu minimieren, wird bei dem in Fig. 24 dargestellten Ausführungsbeispiel an jedem der magnetoresistiven Sensoren 6-1, 6-2, 6-3 ein zusätzlicher Magnetfeldschirm 31-1, 31-2, 31-3 angebracht.
Die Magnetfeldschirmteile 32 -i des Magnetfeldschirms 2 sind bei einer möglichen Ausführungsform in einem Kunststoffgehäu- se enthalten. An dem Kunststoffgehäuse ist ein Rastverschluß vorgesehen, wie in Fig. 9, 10 dargestellt. Die zusätzliche Magnetfeldschirme 31-i sind vorzugsweise ebenfalls in dem Kunststoffgehäuse 18 vorgesehen.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1) zur berührungslosen Strommessung mindestens eines durch einen Stromleiter (3) fließenden
elektrischen Stromes (I) mit:
einem Magnetfeldschirm (2) , welcher den mindestens einen Stromleiter (3) bis auf mehrere gleichmäßig beabstandete Spaltbereiche (4) ringförmig umschließt und den umschlossenen Raum (5) vor externen Störfeldern abschirmt,
wobei ein von dem Stromleiter (3) bei hindurchfließendem elektrischen Strom {I) erzeugtes Magnetfeld ( H ) in den Spaltbereichen {4) des Magnetfeldschirms (2} linearisierte Feldlinien mit homogenisierter Feldstärke aufweist und
mit mehreren magnetoresistiven Sensoren (6} , die jeweils in den Spaltbereichen (4) angeordnet sind und die geeignet sind, jeweils das dort bestehende linearisierte und homogenisierte Magnetfeld, dessen Feldstärke der Stromstärke des durch den Stromleiter (3) fließenden elektrischen Stromes (1} entspricht, zu erfassen .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
wobei der Magnetfeldschirm (2} mehrere Schirmteile (32-i) aufweist, die den Stromleiter (3) bis auf die Spaltbereiche (4) ringförmig umschließen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
wobei der Magnetfeldschirm (2} drei Schirmteile (32-1, 32-2, 32-3) aufweist, die den Stromleiter (3) bis auf drei gleichmäßig beabstandete Spaltbereiche {4-1, 4-2, 4- 3) ringförmig umschließen, in denen jeweils ein magne- toresistiver Sensor (6-1, 6-2, 6-3) angeordnet ist.
4 Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis wobei eine Berechnungseinheit (33) vorgesehen ist, welche geeignet ist, einen Mittelwert der von den magnetore- sistiven Sensoren (6-i) stammenden Messsignale zu berechnen.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4,
wobei vor jedem der in den Spaltbereichen (4) angeordneten magnetoresistiven Sensoren (6) ein zusätzlicher Magnetfeldschirm (31) zur Abschirmung des jeweiligen magnetoresistiven Sensors (6) vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 5,
wobei die Schirmteile (32-i) des Magnetfeldschirms (2) gelenkig miteinander verbunden sind und den mindestens einen Stromleiter (3) ringförmig umschließen.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei die magnetoresistiven Sensoren (6) GMR-Sensoren, TMR-Sensoren und/oder AMR-Sensoren aufweisen.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7,
wobei in dem von dem Magnetfeldschirm (2} umschlossenen Raum ein MikroController (11) zur ignalauswertung der von den magnetoresistiven Sensoren (6) abgegebenen Mess- signale angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 ,
wobei der Magnetfeldschirm (2) den Mikrocontroller (11) vor externen Störfeldern und einer zu hohen Feldbelastung durch das von dem mindestens einen Stromleiter (3) erzeugte Magnetfeld schützt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der von dem Magnetfeldschirm (2) umschlossene
Stromleiter (3) einen Rundstromleiter mit kreisförmigem Querschnitt oder einen Stromleiter mit rechteckigem Querschnitt, insbesondere eine Stromsammeischiene, aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
wobei gelenkig miteinander verbundene Schirmteile des mehrteiligen Magnetfeldschirms (2) auf den Stromleiter (3) aufrastbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis wobei der Magnetfeldschirm (2) eine auf einer Platine (24) verlaufende Leiterbahn (3) oder eine in der Platine (24) integrierte Leiterbahn (3) umschließt.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 12,
wobei die Sensitivitätsachse des magnetoresistiven Sensors (6} parallel zu Magnetfeldlinien MFL in den Spaltbereichen (4} des Magnetfeldschirms (2) verläuft.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 13,
wobei die magnetoresistiven Sensoren (6) jeweils geeignet sind, einen durch den Stromleiter (3) fließenden Gleichstrom oder einen durch den Stromleiter (3) fließenden Wechselstrom oder einen gepulsten Strom einschließlich Oberwellen berührungslos zu erfassen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis wobei der Stromleiter (3) eine Stromphase (L) für ein an ein Stromversorgungsnetz angeschlossenes Gerät (14) leitet. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 15,
wobei der Magnetfeldschirm (2) ein amorphes Metall aufweist .
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 16,
wobei der Magnetfeldschirm (2) mindestens zwei parallel angeordnete Stromleiter (3-1, 3-2) umschließt,
wobei die parallel angeordneten Stromleiter (3-1, 3-2) antiparallel von verschiedenen elektrischen Strömen, insbesondere von einem Hin- und Rückstrom, durchflössen werden und wobei die magnetoresistiven Sensoren (6) geeignet sind, eine Differenzstromstärke zwischen den Stromstärken der elektrischen Ströme berührungslos zu erfassen, oder wobei die parallel angeordneten Stromleiter parallel von in gleicher Richtung fließenden elektrischen Strömen durchflössen werden und wobei die magnetoresistiven Sensoren (6) geeignet sind, eine Summenstromstärke der
Stromstärke der parallel fließenden elektrischen Ströme berührungslos zu erfassen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 17,
wobei eine Auswerteeinheit (8) die sensorisch erfassten Stromstärken des mindestens einen Stromleiters (3) , einer Summenstromstärke und/oder eine Differenzstromstärke auswertet,
wobei eine Steuereinheit (10) geeignet ist, in Abhängigkeit von einem von der Auswerteeinheit (8) gelieferten Auswerteergebnis mindestens einen Aktor (13) anzusteuern und/oder die Auswerteeinheit (8) das Auswertungsergebnis an eine externe Steuerung überträgt.
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