WO2021204466A1 - Verfahren zum messen von phasenströmen eines messobjekts, insbesondere eines inverters - Google Patents

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magnetic field
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Andreas Brenneis
Tino Fuchs
Felix Michael Stuerner
Robert Roelver
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for measuring phase currents of a device under test, in particular an inverter, and an arrangement for carrying out the method.
  • An inverter which is also referred to as an inverter or converter, is to be understood as an electrical device that converts a direct voltage into an alternating voltage.
  • Inverters are among others. used as central assemblies in electric vehicles.
  • Inverters are used as electrical energy storage devices in battery or fuel cells. In these, inverters convert a direct voltage from an energy storage device into alternating current for driving an electric motor.
  • the document DE 102015 208 151 A1 describes a method for measuring an electrical current, this current causing a magnetic field.
  • a diamond material which has at least one nitrogen deposit with an adjacent defect is exposed to this magnetic field. In this way, the diamond material is excited to fluorescence, the intensity of which is recorded and evaluated.
  • the presented method is used to measure phase currents of a device under test, in the present case in particular an inverter.
  • the method is basically suitable for measuring phase currents, also for other measurement objects, i.e. applications or electrical circuits.
  • Such measurement objects or applications or electrical circuits within the meaning of the present invention can also be, for example, other energy converters or energy converters in which multiphase current and / or multiphase voltage is available or provided as an input variable and / or as an output variable.
  • a sensor arrangement which has a module which comprises a crystal lattice with a defect, for example an NV flaw or an NV center, is arranged in the region of the inverter.
  • a magnetic field is detected, which is formed by a vector of magnetic fields, which in turn are each caused by one of the phase currents of the inverter.
  • a coefficient matrix is then used to calculate a vector of the phase currents from the vector of the magnetic fields.
  • the use of a single diamond with NV center or NV centers in the diamond for the simultaneous measurement of the currents of all three phases in the output of an inverter is thus presented.
  • the diamond is typically attached or positioned at a location that is approximately the same distance from the phase busbars of the inverter.
  • the vector of the magnetic flux density at the location of the diamond is determined by an ODMR measurement (ODMR: optically detected magnetic resonance) of the electron spin resonance.
  • ODMR optically detected magnetic resonance
  • the triple of the phase currents is determined from the size of the three vector components by solving a linear system of equations from the set of B-field components. With ODMR, the acquisition or detection takes place in the optical frequency range and not at the actual resonance frequency.
  • the presented sensor arrangement and the described method thus use a magnetometer which is set up to detect a magnetic signature and consequently a magnetic field.
  • a magnetic field is a vector field that describes the magnetic influence of electrical charges in relative movements and magnetized materials. Magnetic fields can be caused, for example, by magnetic materials, electrical currents and changes in an electrical field over time.
  • the magnetic flux density which is also referred to as magnetic induction, is a physical quantity in electrodynamics that describes the areal density of the magnetic flux that passes perpendicularly through a certain surface element.
  • the magnetic flux density is a directed quantity, i. H. a vector.
  • the magnetic field strength H is another quantity that describes the magnetic field. This is related to the magnetic flux density B via the relationship:
  • a measuring device which detects a magnitude of the magnetic field, such as the magnetic flux density or the magnetic field strength, and assigns a value to the detected magnitude.
  • a measuring device typically comprises a sensor unit and an evaluation unit.
  • the sensor arrangement is set up to detect the variable which is used to describe the magnetic field and which thus represents this magnetic field.
  • the sensor unit comprises at least one highly sensitive magnetometer, which has a high dynamic range and enables vectorial detection of the magnetic field.
  • Figure 1 shows busbars of three phases at an output of an inverter.
  • Figure 2 shows nitrogen vacancies (NV centers) in a diamond.
  • Figure 3 shows an absorption and emission spectrum of the NV center.
  • FIG. 4 shows the Zeeman effect within the energy diagram of the negatively charged NV center.
  • FIG. 5 shows an optically detected magnetic resonance of a single NV center.
  • Figure 6 shows a crystal unit cell
  • FIG. 7 shows, in a schematic representation, the components required for the sensor unit in one embodiment.
  • FIG. 8 shows power rails of three phases at an output of an inverter.
  • FIG. 9 shows a neural network for predicting currents.
  • FIG. 1 shows a perspective view of three busbars at the output of an inverter 310, namely a first busbar 312, a second busbar 314 and a third busbar 316.
  • the first busbar is a first C-ring 322 and the second busbar 314 is a second C. Ring 324 and a third C-ring 326 assigned to the third busbar 316.
  • the C-rings 322, 324, 326 serve as flow concentrators.
  • the presented method now uses a magnetic field sensor.
  • An example of a magnetic field sensor is a magnetometer. This is a sensory device for measuring magnetic flux densities. Magnetic flux densities are measured in Tesla (T) units.
  • Common magnetometers are, for example, Hall sensors, Förster probes, proton magnetometers, Kerr magnetometers and Faraday magnetometers.
  • FIG. 2 shows a crystal lattice on the left-hand side, in this case a diamond, the crystal lattice being designated as a whole by reference number 10.
  • the crystal lattice 10 comprises a number of carbon atoms 12 and an NV center 14, which in turn has a nitrogen atom 16 and an adjacent defect or vacancy 18.
  • the nitrogen vacancy 14 is aligned along one of the four possible bonding directions in the diamond crystal.
  • the energy level scheme 30 of the negatively charged NV center 14 is shown on the right-hand side.
  • a state 3 E 38 and an intermediate state 40 are also shown.
  • Bracket 42 shows a microwave frequency of 2.87 GHz, which corresponds to a splitting energy or zero-filed splitting D gs.
  • the zero-filed splitting is an intrinsic quantity that is independent of the radiated MW field or the MW frequency. It is approximately 2.87 GHz and is particularly temperature-dependent.
  • the Rydberg constant is a fixed energy that is a location-independent and time-independent constant for all atoms
  • FIG. 3 shows in a graph 50 the absorption and emission spectrum of the NV center which is shown in FIG.
  • the wavelength [nm] is plotted on an abscissa 52 and the absorption coefficient [cm 1 ] on a first ordinate 54 and the fluorescence is plotted on a second ordinate 56.
  • a first curve 60 shows the absorption spectrum
  • a second curve 62 shows the emission spectrum.
  • a first arrow 70 denotes NV ° ZPL
  • a second arrow 72 denotes NV absorption
  • a third arrow 74 denotes NV fluorescence.
  • NV ZPL 76 is also entered at 637 nm.
  • FIG. 4 shows the Zeeman effect in the basic state 150 of the NV center.
  • the excited state 152 and the intermediate state 154 are also entered.
  • a first arrow 160 shows a transition with a high probability or transition rate
  • a dashed arrow 162 shows a transition with a low probability or transition rate.
  • a transition 172 without a magnetic field and a transition 174 with a magnetic field are shown in a box 170.
  • FIG. 5 shows in a graph 100 the optically detectable magnetic resonance (ODMR) of an individual NV center for different background magnetic fields.
  • the microwave frequency is plotted on an abscissa 102 and the fluorescence is plotted on an ordinate 106.
  • FIG. 6 shows a crystal unit cell of diamond, which is designated by the reference numeral 400 as a whole.
  • the illustration shows a nitrogen atom in the middle and the four nearest lattice sites. A vacancy is located on one of these lattice sites, the other three are occupied by carbon atoms.
  • the four possible positions of the vacancy span the space of the four possible Directions of the NV center, which are called bonds in the following. There is a first bond a 410, a second bond b 412, a third bond c 414 and a fourth bond d 416.
  • An arrow 450 illustrates the magnetic field B.
  • a graph 430 is shown on the right-hand side, on whose abscissa 432 the microwave frequency [GHz] and on whose ordinate 434 the fluorescence [arb.u.] is plotted. Fluorescence dips are shown in graph 430, first dips 440 for the first bond a 410, second dips 442 for the second bond b 412, third dips 444 for the third bond c 414 and fourth dips 446 for the fourth bond d 416.
  • the NV center 404 has four options in this unit cell 400 of arranging itself in the crystal. Since the angle between the direction of the magnetic field and the crystal axis is different for each crystal axis, there are different degrees of frequency splitting in the NV centers, depending on the respective crystal direction. This leads to up to four associated pairs of fluorescence dips in the fluorescence spectrum, as can be seen on the right-hand side in graph 430. By evaluating the resonance frequency for each crystal direction, the magnetic field direction and strength can be extracted.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the components required for exciting and reading out a magnetometer with a diamond / NV-based sensor arrangement, which is designated as a whole by reference numeral 200.
  • the illustration shows a laser source 202.
  • an LED can also be used.
  • LP long-pass filter
  • the long-pass filter 212 is, for example, a distributed Bragg reflector and ensures that the green excitation light is blocked and thus does not strike the photodetector 214.
  • the long-pass filter 212 allows the emitted fluorescent light to pass in the wavelength range> 650 nm, ie 650-800 nm.
  • the fluorescent light which is red-shifted with respect to the excitation light, see Figure 3, shows a characteristic dip in the energetic position of the electron spin resonance with additional irradiation of an electromagnetic alternating field (microwave), see Figure 5.
  • the position is linearly dependent due to the Zeeman effect, see Figure 4 from the magnetic field, see Figure 5. This allows a highly sensitive magnetic field sensor to be constructed.
  • FIG. 7 shows schematically all the required components of a magnetometer based on color centers.
  • the NV center in monocrystalline diamond has four options for arranging itself in the crystal lattice, see Figure 6, if a directed magnetic field is present, the NV centers in the crystal have different degrees of impact on the external magnetic field, depending on their location in the crystal react, d. H. the projection of the magnetic field onto the NV axis varies in strength. As a result, in the maximum case four pairs of fluorescence minima belonging to one another can appear in the spectrum, from their position in the spectrum the magnitude and direction of the magnetic field can be clearly determined.
  • suitable technical measures should be taken to ensure that the contributions of all four possible NV orientations in the diamond crystal can be differentiated in the ODMR spectrum even without an external magnetic field acting on the sensor.
  • This can be done by a static bias magnetic field that is provided within the sensor by appropriate technical measures.
  • this bias field should have a field strength that is as homogeneous as possible within the sensitive diamond volume, since inhomogeneities in the bias field impair the sensitivity of the sensor.
  • the sensitivity of a diamond magnetometer is calculated as follows:
  • noise flows which, in the case of optical sensors, corresponds to the physical limit of the photon shot noise, as well as that gyromagnetic ratio h N n, i.e. a material constant, the intensity Io of the fluorescence, the contrast C of the ODM R (contrast) and the line width Dn,
  • the strength of the bias field should be between 100 mT and 10 mT, ideally around 1 mT.
  • the bias field in the area of the diamond volume must not deviate by more than 1 per thousand from the nominal value, i.e. at 1 mT deviate by a maximum of 1 mT.
  • a vector magnetometer based on an ODMR measurement at NV centers in a diamond which is typically positioned at approximately the same distance from the three phase conductors of an inverter, is used. Reference is made to FIG. 8 in this regard.
  • FIG. 8 shows busbars of the three phases at the output of an inverter with a diamond with NV centers for measuring the vector magnetic field which results from the current flows in the phases.
  • the illustration shows a diamond 500, a first conductor 502 for phase 1, a second conductor 504 for phase 2 and a third conductor 506 for phase 3.
  • the coefficient by is determined according to the method by calibration, after the diamond with NV centers is placed in the manner described above at the output of the inverter at approximately the same distance from the three busbars.
  • the coefficients by can also be determined as part of the calibration in that the vector of the magnetic flux density B x , B y , B z is determined for any number of arbitrary triples li, I2, I3 and a neural network is trained, which then determines the current triple of the currents through the phases of the inverter from the measured vector of the magnetic flux density B x , B y , B z when the sensor is used in the field.
  • FIG. 9 in this regard.
  • FIG. 9 shows a neural network 550 for predicting the currents through the three phases of the inverter 552, namely li, I2, I3, from the vector components of the magnetic flux densities, namely B x , B y , B z , at the location of the diamond 554 with NV Centers.
  • the measurement of the magnetic field in diamond with NV centers based on photoelectric detection of magnetic resonance (PDMR) of the NV centers in diamond is also part of at least one embodiment of the method presented.
  • PDMR photoelectric detection of magnetic resonance
  • an electrical current instead of measuring the intensity of the fluorescent light, an electrical current, a photocurrent, is measured.
  • an electrode structure consisting of an electrode and a counter electrode such as, for. B. in the form of an interdigital structure made of a conductive material, such as. Metal, applied.
  • an electrical voltage is applied, a photoelectric current flows when the diamond is excited with green light.
  • the micro-field acting simultaneously on the diamond hits a magnetic resonance of the NV centers at around 2.87 GHz, plus or minus the frequency split by the magnetic field and the Zeeman effect, the photocurrent collapses.
  • the resonance can be determined from the measurement of the photocurrent and the magnetic field can be determined via the gyromagnetic ratio of the NV center.

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Abstract

Verfahren zum Messen von Phasenströmen eines Messobjekts, insbesondere eines Inverters, bei dem eine Sensoranordnung (200), die einen Baustein aufweist, der ein Kristallgitter mit einem Defekt umfasst, im Bereich des Messobjekts, insbesondere Inverters, angeordnet wird, mit der Sensoranordnung (200) ein Magnetfeld erfasst wird, das durch einen Vektor magnetischer Felder gebildet wird, die wiederum jeweils durch einen der Phasenströme des Messobjekts, insbesondere Inverters, bewirkt werden, und über eine Koeffizienten-Matrix aus dem Vektor der magnetischen Felder ein Vektor der Phasenströme berechnet wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Messen von Phasenströmen eines Messobjekts, insbesondere eines Inverters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Phasenströmen eines Messobjekts, insbesondere eines Inverters, und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.
Stand der Technik
Unter einem Inverter, der auch als Wechselrichter oder Drehrichter bezeichnet wird, ist ein elektrisches Gerät zu verstehen, das eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt.
Inverter werden u. a. als zentrale Baugruppen in Elektrofahrzeugen eingesetzt.
So finden Inverter in Batterie- oder Brennstoffzellen als elektrische Energiespeicher Verwendung. In diesen wandeln Inverter eine Gleichspannung eines Energiespeichers in Wechselstrom für den Antrieb eines elektrischen Motors.
Derzeit verfügbare Antriebskonzepte basieren auf dreiphasigen Invertern, die dem Motor einen in Frequenz und Spannung variablen, dreiphasigen Drehstrom zur Verfügung stellen können. Für die Regelung des elektrischen Antriebs kommt es darauf an, die individuellen Ströme in den einzelnen Phasen des Elektromotors genau zu kennen. Es treten dabei Ströme bis über 1000 A auf. Die Messung des Stroms bzw. der Stromstärke der einzelnen Phasen erfolgt bei bekannten Verfahren entweder über Shunt-Widerstände am Ausgang des Inverters, wobei der Spannungsabfall über dem Shunt-Widerstand geteilt durch die Größe des Shunt-Widerstands dem Strom in der Phase entspricht. Dies hat allerdings den Nachteil, dass mit dem Strom durch den Shunt-Widerstand an dieser Stelle auch Leistung verbraucht wird, was den Wirkungsgrad des elektrischen Antriebs verringert. Zudem ist es schwierig und/oder teuer, langzeitstabile Shunt-Widerstände zu realisieren. Deshalb werden immer häufiger Magnetfeldsensoren zum Einsatz gebracht, um den Strom der Phase über das damit einhergehende Magnetfeld zu bestimmen. Dabei wird das Biot- Savart-Gesetz genutzt. Bei gegebener geometrischer Anordnung ist die Stärke des Magnetfelds am Ort des Sensors proportional zu der Stromstärke durch den Leiter. Es werden hierzu meist Sensoren auf Basis von Hall- oder GMR-Effekt (GMR: Giant Magnetoresistance, Riesenmagnetowiderstand) verwendet.
Es ist zu erwarten, dass sich die Anforderung an die Genauigkeit der Strommessung im Inverter von derzeit etwa 0.5% Full Scale bzw. etwa 3% vom Messwert zu deutlich niedrigeren Werten hin verschiebt, da der Fehler im Strom gleichzeitig eine Ungenauigkeit im Antriebsdrehmoment bedeutet. Gegenwärtig lassen sich die bestehenden Genauigkeitsanforderungen an die Strommessung mit Hall-, GMR- und TMR-Sensoren (TMR: Tunnel Magnetoresistance, Magnetischer Tunnelwiderstand) nur dadurch erfüllen, dass Fluss- Konzentratoren für die Magnetfelder der Phasen-Ströme verwendet werden. Dabei muss für jede Phase des Inverter-Ausgangs ein solcher Fluss- Konzentrator, der auch als C-Ring bezeichnet wird, vorgesehen sein. Diese C- Ringe sind zum einen sehr teuer und zum anderen beschränken sie aufgrund ihrer geometrischen Größe die erreichbare Baugröße der Inverter. Es wird in diesem Zusammenhang auf Figur 1 verwiesen.
Die Druckschrift DE 102015 208 151 Al beschreibt ein Verfahren zum Messen eines elektrischen Stroms, wobei dieser Strom ein Magnetfeld bewirkt. Bei dem Verfahren wird ein Diamantmaterial, das zumindest eine Stickstoffeinlagerung mit benachbarter Fehlstelle aufweist, diesem Magnetfeld ausgesetzt. Das Diamantmaterial wird auf diese Weise zu einer Fluoreszenz angeregt, deren Intensität erfasst und ausgewertet wird.
Offenbarung der Erfindung Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
Das vorgestellte Verfahren dient zum Messen von Phasenströmen eines Messobjektes, vorliegend insbesondere eines Inverters. Das Verfahren eignet sich grundsätzlich zur Messung von Phasenströmen auch bei weiteren Messobjekten, also Anwendungen oder elektrischen Schaltungen. Solche Messobjekte bzw. Anwendungen bzw. elektrische Schaltungen im Sinne der vorliegenden Erfindung können beispielsweise auch andere Energie-Wandler oder Energie-Umformer sein, bei denen mehrphasiger Strom und/oder mehrphasige Spannung als Eingangsgröße und/oder als Ausgangsgröße bereitsteht oder bereitgestellt wird.
Die Erfindung ist also nicht auf Inverter beschränkt, wird hier und im Folgenden jedoch anhand eines Inverters beschrieben. Bei dem Verfahren wird eine Sensoranordnung, die einen Baustein aufweist, der ein Kristallgitter mit einem Defekt, bspw. eine NV- Fehlstelle bzw. ein NV-Zentrum, umfasst, im Bereich des Inverters angeordnet wird. Mit der Sensoranordnung wird ein Magnetfeld erfasst, das durch einen Vektor magnetischer Felder gebildet wird, die wiederum jeweils durch einen der Phasenströme des Inverters bewirkt werden. Über eine Koeffizienten- Matrix wird dann aus dem Vektor der magnetischen Felder ein Vektor der Phasenströme berechnet.
Es bietet sich an, die Sensoranordnung in etwa in gleichem Abstand zu den drei Phasen des Inverters zu positionieren, da auf diese Weise insbesondere genaue Ergebnisse erzielt werden können.
Es wurde somit erkannt, dass sich im Gegensatz zu bekannten Verfahren durch die Anwendung einer alternativen Technik zur empfindlichen und präzisen Messung von Magnetfeldern der Einsatz von C-Ringen vermeiden lässt und gleichzeitig noch die Genauigkeit der Strommessung am Inverter-Ausgang erhöht werden kann. Durch Nutzung der zuvor beschriebenen hochempfindlichen elektrooptischen Magnetometrie mit NV-Zentren in einem Baustein, bspw. einem Diamanten, kann eine wesentlich genauere Messung der Stromstärke in den einzelnen Phasen eines Inverters zum Antrieb eines Drehstrommotors realisiert werden, als es derzeit möglich ist.
Es wird somit in Ausgestaltung die Verwendung eines einzelnen Diamanten mit NV-Zentrum bzw. NV-Zentren im Diamant zur gleichzeitigen Messung der Ströme aller drei Phasen im Ausgang eines Inverters vorgestellt. Der Diamant wird dabei typischerweise an einen Ort angebracht bzw. positioniert, der in etwa den gleichen Abstand zu den Phasen-Stromschienen des Inverters hat. Durch eine ODMR-Messung (ODMR: optically detected magnetic resonance, optisch erfasste magnetische Resonanz) der Elektronen-Spinresonanz wird der Vektor der magnetischen Flussdichte am Ort des Diamanten bestimmt. Aus der Größe der drei Vektorkomponenten wird durch Lösen eines linearen Gleichungssystems aus dem Satz der B- Feld- Komponenten das Tripel der Phasenströme bestimmt. Bei der ODMR erfolgt die Erfassung bzw. Detektion im optischen Frequenzbereich und nicht bei der eigentlichen Resonanzfrequenz.
Im Vergleich zu bekannten Verfahren ist es nicht mehr erforderlich, pro Phase einen Sensor zu integrieren, sondern es ist nur noch ein Sensor für den gesamten Inverter notwendig. Zudem ist es nicht mehr erforderlich, jeweils einen Flusskonzentrator für jede Phase bereitzustellen, da die Magnetometrie mit NV- Zentren im Diamant bereits ausreichend empfindlich ist, um die aktuellen Genauigkeitsanforderungen an die Strommessung zu erfüllen. Des Weiteren hat die vorgestellte Lösung den Vorteil, noch Reserven für künftige, enger gefasste Anforderungen an die Genauigkeit zu haben.
Die vorgestellte Sensoranordnung und das beschriebene Verfahren verwenden somit ein Magnetometer, das dazu eingerichtet ist, eine magnetische Signatur und folglich ein Magnetfeld zu erfassen.
Ein Magnetfeld ist ein Vektorfeld, das den magnetischen Einfluss elektrischer Ladungen in Relativbewegungen und magnetisierten Materialien beschreibt. Magnetfelder können bspw. durch magnetische Materialien, elektrische Ströme und zeitliche Änderungen eines elektrischen Feldes verursacht werden.
Ein Magnetfeld kann mit unterschiedlichen Größen beschrieben werden. So ist die magnetische Flussdichte, die auch als magnetische Induktion bezeichnet wird, eine physikalische Größe der Elektrodynamik, die die Flächendichte des magnetischen Flusses, der senkrecht durch ein bestimmtes Flächenelement hindurchtritt, beschreibt. Die magnetische Flussdichte ist eine gerichtete Größe, d. h. ein Vektor.
Die magnetische Feldstärke H ist eine weitere Größe, die das magnetische Feld beschreibt. Diese hängt mit der magnetischen Flussdichte B über die Beziehung zusammen:
B = m * H, wobei m die magnetische Permeabilität ist.
Zum Erfassen eines Magnetfelds ist es erforderlich, eine Größe aufzunehmen, die dieses Magnetfeld beschreibt. So kann bspw. eine Messeinrichtung verwendet werden, die eine Größe des Magnetfeldes, wie bspw. die magnetische Flussdichte oder die magnetische Feldstärke, erfasst und der erfassten Größe einen Wert zuordnet. Eine solche Messeinrichtung umfasst typischerweise eine Sensoreinheit und eine Auswerteeinheit.
Die Sensoranordnung ist dazu eingerichtet, die Größe, die zum Beschreiben des Magnetfeldes herangezogen wird und die somit dieses Magnetfeld repräsentiert, zu erfassen. Die Sensoreinheit umfasst mindestens einen hochsensitiven Magnetometer, der einen hohen dynamischen Bereich aufweist und eine vektorielle Erfassung des Magnetfelds ermöglicht.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt Stromschienen von drei Phasen an einem Ausgang eines Inverters.
Figur 2 zeigt Stickstoff- Fehlstellen (NV-Zentren) in einem Diamant.
Figur 3 zeigt ein Absorptions- und Emissionsspektrum des NV-Zentrums.
Figur 4 zeigt den Zeeman- Effekt innerhalb des Energiediagramms des negativ geladenen NV-Zentrums.
Figur 5 zeigt eine optisch detektierte magnetische Resonanz eines einzelnen NV- Zentrums.
Figur 6 zeigt eine Kristall- Einheitszelle.
Figur 7 zeigt in einer schematischen Darstellung die benötigten Komponenten für die Sensoreinheit in einer Ausgestaltung.
Figur 8 zeigt Stromschinen von drei Phasen an einem Ausgang eines Inverters. Figur 9 zeigt ein neuronales Netz zur Vorhersage von Strömen. Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht drei Stromschienen am Ausgang eines Inverters 310, nämlich eine erste Stromschiene 312, eine zweite Stromschiene 314 und eine dritte Stromschiene 316. Dabei ist der ersten Stromschiene ein erster C-Ring 322, der zweiten Stromschiene 314 ein zweiter C-Ring 324 und der dritten Stromschiene 316 ein dritter C-Ring 326 zugeordnet. Die C-Ringe 322, 324, 326 dienen als Fluss- Konzentratoren.
Das vorgestellte Verfahren verwendet nunmehr einen Magnetfeldsensor. Ein Beispiel für einen Magnetfeldsensor ist ein Magnetometer. Dies ist eine sensorische Einrichtung zum Messen von magnetischen Flussdichten. Magnetische Flussdichten werden in der Einheit Tesla (T) gemessen. Gebräuchliche Magnetometer sind bspw. Hall-Sensoren, Förster-Sonden, Protonenmagnetometer, Kerr- Magnetometer und Faraday- Magnetometer.
Neben den genannten Magnetometern ist auch der Einsatz von Diamanten bekannt, in deren Gitter Defekte bzw. Fehlstellen vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von einem anliegenden Magnetfeld ein erfassbares Verhalten zeigen. Bei diesen wird ein negativ geladenes Farbzentrum aus Stickstoff und Fehlstelle (engl, nitrogen vacancy center, NV-Zentrum) in einem Diamant für hochempfindliche Messungen von Magnetfeldern, elektrischen Feldern, mechanischen Spannungen und Temperaturen genutzt. Es wird in diesem Zusammenhang auf Figur 2 verwiesen.
Figur 2 zeigt auf der linken Seite ein Kristallgitter, in diesem Fall einen Diamant, wobei das Kristallgitter insgesamt mit Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Das Kristallgitter 10 umfasst eine Anzahl von Kohlenstoffatomen 12 und ein NV- Zentrum 14, das wiederum ein Stickstoff-Atom 16 und eine benachbarte Fehlstelle bzw. Vakanz 18 aufweist. Die Stickstoff- Fehlstelle 14 ist entlang einer der vier möglichen Bindungsrichtungen im Diamant- Kristall ausgerichtet.
Auf der rechten Seite ist das Energieniveauschema 30 des negativ geladenen NV-Zentrums 14 dargestellt. Ein Grundzustand 3A232 ist ein Spin-Triplet mit Gesamtspin s = 1. Die Zustände 34 mit magnetischer Spinquantenzahl ms = +- 1 sind gegenüber dem Zustand 36 mit ms = 0 energetisch verschoben. Es sind weiterhin ein Zustand 3E 38 und ein Zwischenzustand 40 dargestellt. Mit Klammer 42 ist eine Mikrowellenfrequenz von 2,87 GHz verdeutlicht, die einer Aufspaltungsenergie bzw. Zero-Filed Splitting Dgs entspricht. Das Zero-Filed Splitting ist eine intrinsische Größe, die unabhängig vom eingestrahlten MW- Feld bzw. der MW-Frequenz ist. Sie beträgt ungefähr 2,87 GHz und ist insbesondere temperaturabhängig. Für die Bestimmung der Resonanzfrequenz gilt folgende Beziehung: v± ~ Dgs + ß * DT ± yiw * Bo; wobei DT die Abweichung von der Raumtemperatur, ß die temperaturbedingte Verschiebung des Zero-Field Splittings mit ß ungefähr -74,2 Kilohertz/Kelvin, yiw das gyromagnetische Verhältnis des NV-Zentrums und Bo die Feldstärke eines externen Magnetfelds angibt.
Die bei den vorgestellten Magnetfeldsensoren verwendeten Quantentechnologien bieten gegenüber klassischen Sensorprinzipien entscheidende Vorteile, die das disruptive Potential der Quantentechnologie unterstreichen. Bei den Stickstoff- Fehlstellen bestehen konkret folgende Vorteile:
- ultrahohe Empfindlichkeiten (1 pT/VHz),
- Vektormagnetometrie, d. h. eine Richtungsbestimmung des Magnetfeldes ist möglich,
- hoher Messbereich (> 1 Tesla),
- Linearität (Zeemaneffekt),
- keine Degradation, da die Messung auf quantenmechanischen Zuständen beruht, ähnlich wie beim Wasserstoffatom, bei dem die Rydbergkonstante eine fixe Energie ist, die für alle Atome eine ortsunabhängige und zeitunabhängige Konstante ist,
- es ist möglich, externe Magnetfelder vektoriell anhand der im Diamant vorhandenen vier möglichen Raumrichtungen der NV-Achsen gleichzeitig zu bestimmen.
Um einen auf NV-Zentren basierten Sensor auszulesen, wird die magnetische Resonanz des Triplets des Grundzustands optisch detektiert, siehe 3A Zustand in Figur 2 (ODM R, optically detected magnetic resonance). Dazu muss das NV- Zentrum mit grünem Licht angeregt werden. Es wird hierzu auf Figur 3 verwiesen.
Figur 3 zeigt in einem Graphen 50 das Absorptions- und Emissionsspektrum des NV-Zentrums, das in Figur 2 dargestellt ist. Im Graphen 50 ist an einer Abszisse 52 die Wellenlänge [nm] und an einer ersten Ordinate 54 der Absorptionskoeffizient [cm 1] und an einer zweiten Ordinate 56 die Fluoreszenz aufgetragen. Eine erste Kurve 60 zeigt das Absorptionsspektrum, eine zweite Kurve 62 zeigt das Emissionsspektrum. Ein erster Pfeil 70 bezeichnet NV° ZPL, ein zweiter Pfeil 72 bezeichnet NV Absorption, ein dritter Pfeil 74 bezeichnet NV Fluoreszenz. Weiterhin ist NV ZPL 76 bei 637 nm eingetragen.
Figur 4 zeigt den Zeemaneffekt im Grundzustand 150 des NV-Zentrums. Weiterhin sind der angeregte Zustand 152 und der Zwischenzustand 154 eingetragen. Ein erster Pfeil 160 zeigt einen Übergang mit hoher Wahrscheinlichkeit bzw. Übergangsrate, ein gestrichelter Pfeil 162 zeigt einen Übergang mit geringer Wahrscheinlichkeit bzw. Übergangsrate. In einem Kasten 170 sind ein Übergang 172 ohne magnetisches Feld und ein Übergang 174 mit magnetischem Feld wiedergegeben.
Figur 5 zeigt in einem Graphen 100 die optisch detektierbare magnetische Resonanz (ODMR) eines einzelnen NV-Zentrums für verschiedene Hintergrundmagnetfelder. In dem Graphen 100 ist an einer Abszisse 102 die Mikrowellenfrequenz und an einer Ordinate 106 die Fluoreszenz aufgetragen.
Eine erste Kurve 110 zeigt die Resonanz für B = 0, eine zweite Kurve 112 zeigt die Resonanz bei B = 2,8 mT mit den negativen Peaks coi 114 und K>2 116, eine dritte Kurve 120 die Resonanz für B = 5,8 mT und eine vierte Kurve 122 die Resonanz für 8,3 mT.
Figur 6 zeigt eine Kristall- Einheitszelle von Diamant, die insgesamt mit der Bezugsziffer 400 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt ein Stickstoff-Atom in der Mitte und die vier nächsten Gitterplätze. Auf einem dieser Gitterplätze ist eine Vakanz lokalisiert, die anderen drei sind durch C-Atome besetzt. Die vier möglichen Positionen der Vakanz spannen den Raum der vier möglichen Richtungen des NV-Zentrums auf, die im Folgenden Bindungen genannt werden. Dabei gibt es eine erste Bindung a 410, eine zweite Bindung b 412, eine dritte Bindung c 414 und eine vierte Bindung d 416. Ein Pfeil 450 verdeutlicht das Magnetfeld B.
Auf der rechten Seite ist ein Graph 430 dargestellt, an dessen Abszisse 432 die Mikrowellen-Frequenz [GHz] und an dessen Ordinate 434 die Fluoreszenz [arb.u.] aufgetragen ist. In dem Graph 430 sind Fluoreszenzdips dargestellt, erste Dips 440 für die erste Bindung a 410, zweite Dips 442 für die zweite Bindung b 412, dritte Dips 444 für die dritte Bindung c 414 und vierte Dips 446 für die vierte Bindung d 416.
Das NV-Zentrum 404 hat in dieser Einheitszelle 400 vier Möglichkeiten, sich im Kristall anzuordnen. Da der Winkel zwischen Magnetfeldrichtung und Kristallachse für jede Kristallachse unterschiedlich ist, kommt es zu unterschiedlich starken Frequenzaufspaltungen in den NV-Zentren, abhängig von der jeweiligen Kristallrichtung. Dies führt zu bis zu vier zusammengehörigen Paaren von Fluoreszenzdips im Fluoreszenzspektrum, wie auf der rechten Seite im Graph 430 zu erkennen ist. Durch Auswertung der Resonanzfrequenz für jede Kristallrichtung lassen sich Magnetfeldrichtung und Stärke extrahieren.
Figur 7 zeigt in schematischer Darstellung die benötigten Komponenten zum Anregen und Auslesen eines Magnetometers mit Diamant/NV-basierter Sensoranordnung, die insgesamt mit Bezugsziffer 200 bezeichnet ist. Die Darstellung zeigt eine Laserquelle 202. Alternativ kann auch eine LED verwendet werden. Weiterhin sind eine Optik 204, eine Mikrowellen-Quelle 206, ein Diamant 208 mit NV- Fehlstellen, eine weitere Optik 210, ein Langpassfilter (LP) 650 nm 212, ein Photodetektor 214, ein Analog-Digital-Wandler 216 und eine Signalverarbeitung 218, die eine Ausgabe 220 mit Magnetfeld, Temperatur,
Druck ausgibt, dargestellt. Der Langpassfilter 212 ist bspw. ein Distributed Bragg Reflector und sorgt dafür, dass das grüne Anregungslicht blockiert wird und damit nicht auf den Photodetektor 214 trifft. Andererseits lässt der Langpassfilter 212 das emittierte Fluoreszenzlicht im Wellenlängenbereich > 650 nm, d. h. 650 - 800 nm, passieren. Das bezüglich des Anregungslichts rotverschobene Fluoreszenzlicht, siehe Figur 3, zeigt bei zusätzlicher Einstrahlung eines elektromagnetischen Wechselfeldes (Mikrowelle) dabei einen charakteristischen Dip bei der energetischen Lage der Elektronenspinresonanz, siehe hierzu Figur 5. Die Lage ist aufgrund des Zeemaneffekts, siehe Figur 4, linear abhängig vom magnetischen Feld, siehe Figur 5. Damit lässt sich ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor konstruieren. Figur 7 zeigt schematisch alle benötigten Komponenten eines Farbzentren basierten Magnetometers.
Da das NV-Zentrum im einkristallinen Diamant vier Möglichkeiten hat, sich im Kristallgitter anzuordnen, siehe hierzu Figur 6, kommt es bei Anwesenheit eines gerichteten Magnetfelds dazu, dass die im Kristall vorhandenen NV-Zentren je nach Lage im Kristall unterschiedlich stark auf das äußere Magnetfeld reagieren, d. h. die Projektion des Magnetfelds auf die NV-Achse ist unterschiedlich stark. Dadurch können im Maximalfall vier einander zugehörige Paare von Fluoreszenz-Minima im Spektrum auftauchen, aus deren Lage im Spektrum Betrag und Richtung des Magnetfelds eindeutig bestimmbar sind.
Um bereits bei schwachen äußeren Magnetfeldern eine Vektorinformation erlangen zu können, sollte durch geeignete technische Maßnahmen dafür gesorgt werden, dass im ODMR-Spektrum auch ohne ein von außen auf den Sensor wirkendes Magnetfeld die Beiträge aller vier möglichen NV- Orientierungen im Diamantkristall unterschieden werden können. Dies kann durch ein statisches Bias- Magnetfeld erfolgen, das innerhalb des Sensors durch entsprechende technische Maßnahmen bereitgestellt wird. Dieses Bias-Feld sollte jedoch innerhalb des sensitiven Diamant-Volumens eine möglichst homogene Feldstärke aufweisen, da Inhomogenitäten des Bias- Felds die Empfindlichkeiten des Sensors beeinträchtigen.
Die Empfindlichkeit eines Diamant- Magnetometers berechnet sich zu:
Figure imgf000013_0001
Dabei fließen ein Rauschen (noise), das bei optischen Sensoren als physikalisches Limit dem Photonen-Schrotrauschen entspricht, sowie das gyromagnetische Verhältnis hNn, d. h. eine Material konstante, die Intensität Io der Fluoreszenz, der Kontrast C der ODM R (contrast) und die Linienbreite Dn,
FWHM der optisch detektierbaren Resonanz mit ein.
Da im empfindlichen Diamant-Volumen jede Abweichung des Bias-Felds von seinem Sollwert zu einer anderen Position der Magnetresonanz führen würde, führt ein Bias- Feldgradient im Diamantvolumen zur Verbreiterung der Resonanz und damit zu einer Verschlechterung der Empfindlichkeit.
Die Stärke des Bias- Felds sollte zur effektiven Aufspaltung der vier NV- Orientierungen zwischen 100 mT und 10 mT, idealerweise etwa 1 mT, betragen. Um dabei eine Empfindlichkeit von 1 pT/VHz zu ermöglichen, darf das Bias-Feld im Bereich des Diamantvolumens um nicht mehr als 1 Promille vom Sollwert abweichen, bei 1 mT also maximal 1 mT abweichen.
Bei dem vorgestellten Verfahren wird ein Vektor- Magnetometer basierend auf einer ODMR-Messung an NV-Zentren in einem Diamanten, der typischerweise in etwa gleichem Abstand zu den drei Phasenleitern eines Inverters positioniert wird, verwendet. Es wird hierzu auf Figur 8 verwiesen.
Figur 8 zeigt Stromschienen der drei Phasen am Ausgang eines Inverters mit einem Diamant mit NV-Zentren zur Messung des Vektormagnetfelds, das durch die Stromflüsse der Phasen resultiert. Die Darstellung zeigt einen Diamant 500, einen ersten Leiter 502 für Phase 1, einen zweiten Leiter 504 für Phase 2 und einen dritten Leiter 506 für Phase 3.
Mit Bezugsziffer 520 ist als Surface-Plot die By-Komponente der magnetischen Flussdichte in Tesla dargestellt, das durch die drei Phasen-Ströme hervorgerufen wird, nämlich k = 1000 A, l2 = -500 A, l3 = -500 A).
Aus der linearen Beziehung zwischen dem elektrischen Strom und der von ihm hervorgerufenen magnetischen Flussdichte einerseits und der linearen Superposition der magnetischen Felder einzelner Stromelemente andererseits, ergibt sich der in (1) angegebene lineare Zusammenhang zwischen dem Vektor der Phasenströme und dem Vektor der magnetischen Flussdichte, der durch die Matrix der Koeffizienten by vermittelt wird. Ist die Koeffizienten- Matrix bekannt, lässt sich der Vektor der Phasenströme durch Multiplikation von B mit der inversen Matrix berechnen, wie in (2) angegeben ist.
Figure imgf000015_0001
Die Bestimmung der Koeffizienten by erfolgt gemäß dem Verfahren durch Kalibration, nachdem der Diamant mit NV-Zentren in der zuvor beschriebenen Weise am Ausgang des Inverters in etwa gleichem Abstand zu den drei Stromschienen platziert wird.
Figure imgf000015_0002
Figure imgf000015_0003
Dazu wird jeweils nur eine Phase mit Strom versorgt, während in den anderen beiden Phasen kein Strom fließt. Mit j als Index der bestromten Phase gilt dann (3) bzw. in (4) aufgelöst nach bij, b2j und b3j. Durch drei Kalibrationsmessungen, j = 1, 2, 3, sind damit alle neun Koeffizienten von by bekannt. Diese Kalibrationskoeffizienten werden im Sensor gespeichert und verwendet, um aus dem per ODM R im Diamant gemessenen Vektormagnetfeld B unter Verwendung der Gleichung (2) die individuellen Ströme der drei Phasen des Inverters (li, I2, I3) zu berechnen.
Alternativ zu dem hier beschrieben Vorgehen können die Koeffizienten by im Rahmen der Kalibration auch dadurch bestimmt werden, dass für eine Vielzahl beliebige Tripel li, I2, I3 der Vektor der magnetischen Flussdichte Bx, By, Bz bestimmt wird und anhand dieser Daten ein neuronales Netz trainiert wird, das dann bei der Anwendung des Sensors im Feld aus dem gemessenen Vektor der magnetischen Flussdichte Bx, By, Bz das vorliegende Tripel der Ströme durch die Phasen des Inverters bestimmt. Es wird hierzu auf Figur 9 verwiesen.
Figur 9 zeigt ein neuronales Netz 550 zur Vorhersage der Ströme durch die drei Phasen des Inverters 552 , nämlich li, I2, I3, aus den Vektorkomponenten der magnetischen Flussdichten, nämlich Bx, By, Bz, am Ort des Diamanten 554 mit NV-Zentren.
Ebenfalls Bestandteil zumindest einer Ausführung des vorgestellten Verfahrens ist die Messung des Magnetfelds im Diamant mit NV-Zentren anhand der photoelektrischen Detektion der magnetischen Resonanz (PDMR) der NV- Zentren in Diamant. Beim PDMR wird anstelle der Messung der Intensität des Fluoreszenzlichts ein elektrischer Strom, ein Fotostrom, gemessen. Dazu wird bspw. auf einer Seite des Diamanten eine Elektrodenstruktur bestehend aus Elektrode und Gegenelektrode wie z. B. in Form einer Interdigitalstruktur aus einem leitfähigen Material, wie bspw. Metall, aufgebracht. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung fließt ein photoelektrischer Strom, wenn der Diamant mit grünem Licht angeregt wird. Wenn das gleichzeitig auf den Diamanten wirkende Mikrofeld eine magnetische Resonanz der NV-Zentren bei etwa 2,87 GHz trifft, zuzüglich bzw. abzüglich der Frequenzaufspaltung durch das Magnetfeld und dem Zeeman- Effekt, dann bricht der Fotostrom ein. Aus der Messung des Fotostroms lässt sich damit die Resonanz und über das gyromagnetische Verhältnis des NV-Zentrums das magnetische Feld bestimmen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Messen von Phasenströmen, insbesondere eines Inverters (310, 552), bei dem eine Sensoranordnung (200), die einen Baustein aufweist, der ein Kristallgitter (10) mit einem Defekt umfasst, im Bereich des Messobjekts, insbesondere Inverters (310, 552), angeordnet wird, mit der Sensoranordnung (200) ein Magnetfeld erfasst wird, das durch einen Vektor magnetischer Felder gebildet wird, die wiederum jeweils durch einen der Phasenströme des Messobjekts, insbesondere Inverters, bewirkt werden, und über eine Koeffizienten- Matrix aus dem Vektor der magnetischen Felder ein Vektor der Phasenströme berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Sensoranordnung (200) in etwa in gleichem Abstand zu den drei Phasen des Messobjekts, insbesondere Inverters (310, 552), positioniert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Defekt eine fluoreszierende Wirkung hat und das Magnetfeld über eine ODMR ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Defekt eine magnetische Resonanz bewirkt und das Magnetfeld über eine PDMR-Messung ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Koeffizienten- Matrix über eine Kalibration ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Koeffizienten- Matrix über ein trainiertes neuronales Netz (550) ermittelt wird.
7. Sensoranordnung zum Messen von Phasenströmen eines Messobjekts, insbesondere Inverters (310, 552), wobei die Sensoranordnung (200) einen Baustein aufweist, der ein Kristallgitter (10) mit einem Defekt umfasst und zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 eingerichtet ist.
8. Sensoranordnung nach Anspruch 7, bei der als Kristallgitter (10) ein Diamant (208, 500, 554) vorgesehen ist.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 7 oder 8, bei der der mindestens eine Defekt als Stickstoff- Fehlstelle (NV-Zentrum) (14, 404) ausgebildet ist.
10. Sensoranordnung nach einem der Anspüche 7 bis 9, die zusätzlich mindestens eine Mikrowellen-Quelle (206) aufweist.
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