專利名稱：電流測(cè)量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電流測(cè)量傳感器，其用于在具有直到幾kV的額定電壓的能量分配設(shè)備中電位分離地測(cè)量較高的直流電流。例如可以在直流快速開關(guān)的過流繼電器中使用這個(gè)測(cè)量傳感器。
到目前為止，分流緩沖放大器、具有鐵氧體磁芯和霍爾傳感器的測(cè)量裝置以及LEM變換器用于電流的測(cè)量。可是這些已知的裝置有顯著的缺點(diǎn)。
例如在借助于分流電阻的電流測(cè)量的情況下必須測(cè)量的電流通過測(cè)量電阻傳導(dǎo)，并且測(cè)量通過電流引起的電壓降。通過這種形式的測(cè)量消耗不必要的能量，這有助于開關(guān)環(huán)境的變暖。此外這個(gè)電流測(cè)量裝置必要地集成在必須測(cè)量的回路中，由此本身影響必須測(cè)量的電流，因此按分流電阻的數(shù)值或多或少地篡改了測(cè)量。此外按照這種方式在高電壓的情況下電位分離的測(cè)量是不可能的。
在LEM變換器中圍繞導(dǎo)體布置鐵氧體磁芯，測(cè)量其電流。圍繞這個(gè)鐵氧體磁芯布置一個(gè)第二線圈，通過該線圈如此控制電流，引起的磁場(chǎng)調(diào)準(zhǔn)到零。按照這種方式雖然能夠電位分離地測(cè)量，可是這種方式測(cè)量的費(fèi)用是高的。
借助于霍爾傳感器在利用霍爾效應(yīng)的情況下相對(duì)有利地測(cè)量磁場(chǎng)?；魻杺鞲衅鳟a(chǎn)生正比于磁場(chǎng)的電壓，該磁場(chǎng)作用于霍爾傳感器。依賴于應(yīng)用的材料不同強(qiáng)度地出現(xiàn)這個(gè)霍爾效應(yīng)，最有益的是由半導(dǎo)體形成的霍爾傳感器。通過霍爾傳感器因此可以測(cè)量磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)是通過流經(jīng)導(dǎo)體的電流感應(yīng)的。按這種方式實(shí)現(xiàn)電位分離的電流測(cè)量。
可是由于在測(cè)量時(shí)通過霍爾傳感器產(chǎn)生的電壓是低的，并且在正常條件下磁場(chǎng)遭受外部影響，磁場(chǎng)的放大是必須的，在通常情況下通過鐵氧題磁芯實(shí)現(xiàn)這個(gè)放大?？墒窃谶@個(gè)裝置中根據(jù)應(yīng)用的鐵氧體磁芯的飽和關(guān)系出現(xiàn)非線性。這導(dǎo)致這個(gè)缺點(diǎn)，僅僅在確定限制的范圍內(nèi)可以足夠準(zhǔn)確地測(cè)量電流，可是在這個(gè)范圍之外根據(jù)飽和關(guān)系測(cè)量的電流顯著偏離實(shí)際電流。此外根據(jù)鐵氧體磁芯的這個(gè)測(cè)量裝置的費(fèi)用是相對(duì)高的。
概括起來根據(jù)技術(shù)狀況該裝置具有這個(gè)缺點(diǎn)，根據(jù)飽和關(guān)系出現(xiàn)非線性，該裝置僅僅具有有限的耐壓強(qiáng)度，該裝置引起相對(duì)高的費(fèi)用并且此外具有高的本身消耗。
因此本發(fā)明基于這個(gè)任務(wù)，建立一個(gè)價(jià)格便宜的電流測(cè)量傳感器，其電位分離地檢測(cè)電流值，擁有足夠的準(zhǔn)確性并且具有廣泛的抗干擾性。
通過在附上的權(quán)利要求1中闡述的電流測(cè)量傳感器解決這個(gè)任務(wù)。也就是說，根據(jù)本發(fā)明的電流測(cè)量傳感器具有至少二個(gè)布置在導(dǎo)體上的霍爾傳感器。如此布置該霍爾傳感器，即其數(shù)值上相同地檢測(cè)通過流經(jīng)導(dǎo)體的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及數(shù)量上相同地檢測(cè)干擾場(chǎng)，并且以分別不同的符號(hào)檢測(cè)或者磁場(chǎng)或者干擾場(chǎng)。
在從屬權(quán)利要求中闡述了另外的擴(kuò)展。
與此相應(yīng)或者通過加法或者通過減法放大電流測(cè)量值，可是消除了根據(jù)外部的干擾影響的干擾場(chǎng)。
通過根據(jù)本發(fā)明的電流測(cè)量傳感器以有益的方式實(shí)現(xiàn)，可以成本低地實(shí)施電流值檢測(cè)，因?yàn)椴恍枰郊拥蔫F氧體磁芯。對(duì)此可以實(shí)現(xiàn)廣泛的抗干擾性以及高的絕緣電壓。
根據(jù)本發(fā)明按這種方式在直流范圍內(nèi)可以獲得適合于簡(jiǎn)單的電子釋放器的電流測(cè)量傳感器，該傳感器對(duì)于直到4kV的直流電壓電位分離地檢測(cè)電流值。
下面根據(jù)實(shí)施例參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。圖示

圖1指出了具有根據(jù)第一實(shí)施例、安裝在線路上的電流測(cè)量傳感器的過電流繼電器的圖解描述，圖2指出了根據(jù)詳細(xì)指出電流測(cè)量傳感器的圖1的說明的放大的局部圖，圖3指出了根據(jù)第二實(shí)施例的電流測(cè)量傳感器，圖4指出了根據(jù)第一或第二實(shí)施例的電流測(cè)量傳感器的求值電路的方框圖，和圖5指出了根據(jù)第三實(shí)施例、具有四個(gè)霍爾傳感器的電流測(cè)量傳感器的求值電路的方框圖。
圖1指出了根據(jù)第一實(shí)施例的過電流繼電器的圖解描述。過電流繼電器具有基本開關(guān)BS和消弧系統(tǒng)LS，可是對(duì)這個(gè)實(shí)施例其準(zhǔn)確功能是不重要的，因此取消其準(zhǔn)確說明。
在線路2上安裝一個(gè)電流測(cè)量傳感器SMA。這個(gè)電流測(cè)量傳感器SMA以表面場(chǎng)測(cè)量的原理或者霍爾效應(yīng)為基礎(chǔ)。
這個(gè)根據(jù)第一實(shí)施例的電流測(cè)量傳感器SMA在圖2中詳細(xì)說明。對(duì)此二個(gè)霍爾傳感器1a和1b彼此相對(duì)地布置在導(dǎo)體2的一部分上。
應(yīng)用二個(gè)霍爾傳感器1a和1b，因?yàn)榇艌?chǎng)是相對(duì)弱的，并且由于環(huán)境的干擾影響、也就是說干擾場(chǎng)干擾該磁場(chǎng)。為了消除這個(gè)外部的干擾影響如此布置這二個(gè)霍爾傳感器1a和1b，即二個(gè)霍爾傳感器相同地測(cè)量由于電流通過產(chǎn)生的磁場(chǎng)的數(shù)值，可是以彼此相反的符號(hào)分別測(cè)量磁場(chǎng)。如果由流經(jīng)導(dǎo)體2的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的數(shù)值是B，則霍爾傳感器1a例如測(cè)量磁場(chǎng)+B，而霍爾傳感器1b測(cè)量磁場(chǎng)-B。
從二個(gè)霍爾傳感器1a和1b輸出的信號(hào)相減。由此從輸出信號(hào)中消除干擾場(chǎng)，放大磁場(chǎng)的測(cè)量值。因此這是不必的，借助于比如根據(jù)技術(shù)狀況的鐵氧體磁芯放大磁場(chǎng)，因?yàn)橥ㄟ^信號(hào)的相減廣泛地消除了干擾場(chǎng)并產(chǎn)生必須測(cè)量的磁場(chǎng)的強(qiáng)大測(cè)量信號(hào)。
以MW1a表示霍爾傳感器1a的測(cè)量值，以MW1b表示霍爾傳感器1b的測(cè)量值。如果幾乎足夠彼此靠近地布置二個(gè)霍爾傳感器，則作為在二個(gè)霍爾傳感器上的干擾場(chǎng)假設(shè)為相同的。因此對(duì)于測(cè)量值得出MW1a＝+B+SMW1b＝-B+S在此以S表示干擾場(chǎng)。二個(gè)測(cè)量值的相減因此導(dǎo)致總測(cè)量值MWMW＝MW1a-MW1b＝+B-(-B)+S-S+2B因此消除了干擾場(chǎng)，加倍了有效測(cè)量值、也就是測(cè)量的磁場(chǎng)值。
有選擇地為此可以如此布置二個(gè)霍爾傳感器，其分別以不同的符號(hào)測(cè)量完全測(cè)量的磁場(chǎng)，也就是說有效場(chǎng)B具有相同的符號(hào)，干擾場(chǎng)S具有不同的符號(hào)。在這種情況下通過相加消除干擾場(chǎng)MW1a＝B+SMW1b＝B-SMW＝MW1a+MW1b正如前面說明的，在霍爾傳感器的這個(gè)布置中注意，探頭彼此具有盡可能短的間隔，因此在霍爾傳感器1的位置上的干擾場(chǎng)盡可能是相同。此外這是重要的，不由于電流集膚效應(yīng)影響場(chǎng)強(qiáng)。對(duì)此霍爾傳感器布置在圓形導(dǎo)體上是有益的。根據(jù)圖2例如導(dǎo)體2在霍爾傳感器附近作為圓形導(dǎo)體實(shí)施。
因此二個(gè)霍爾傳感器數(shù)值上相同地測(cè)量通過在導(dǎo)體2中流過的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，以與導(dǎo)體2相同的間隔布置二個(gè)霍爾傳感器。
此外可以如此布置霍爾傳感器1，導(dǎo)體2處在二個(gè)霍爾傳感器1之間，正如在圖2中描述的。這個(gè)布置是一種可能，如此布置霍爾傳感器，其數(shù)值上相同地、可是以相反符號(hào)檢測(cè)磁場(chǎng)。可是自然也可以考慮另外的布置，例如一個(gè)這樣的布置，在該布置中二個(gè)霍爾傳感器1直接并排布置在導(dǎo)體2的一側(cè)。
根據(jù)圖1包括霍爾傳感器1的電流測(cè)量傳感器、比如根據(jù)圖1在具有導(dǎo)體2和回線4的過電流繼電器中、安裝在預(yù)定的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中。因此可以如此布置并校準(zhǔn)霍爾傳感器1a和1b，考慮回線4的影響，由此根據(jù)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)降低至少已知的干擾影響。根據(jù)第一實(shí)施例的電流測(cè)量傳感器因此可以主要應(yīng)用在已知的并固定不變的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中。
下面根據(jù)第二實(shí)施例描述電流測(cè)量傳感器，其可以應(yīng)用在非已知的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中。
在圖3中描述了這個(gè)電流測(cè)量傳感器。根據(jù)圖3一個(gè)管狀的屏蔽3包圍二個(gè)霍爾傳感器。通過這個(gè)措施屏蔽外部的干擾影響，因此準(zhǔn)確的測(cè)量是可能的。
根據(jù)前面說明的實(shí)施例，應(yīng)用二個(gè)霍爾傳感器，也就是說一個(gè)霍爾傳感器對(duì)?？墒且部梢允褂萌我鈹?shù)目的霍爾傳感器，只要這些霍爾傳感器如此錯(cuò)接，即消除干擾場(chǎng)并相加測(cè)量值信號(hào)。
通過提高霍爾傳感器的數(shù)目，可以擴(kuò)大產(chǎn)生的測(cè)量值MW到干擾場(chǎng)的距離，因?yàn)樵诿總€(gè)霍爾傳感器對(duì)中消除干擾場(chǎng)，而加倍測(cè)量的信號(hào)。也就是說在n個(gè)霍爾傳感器的情況下測(cè)量2n倍的磁場(chǎng)。
下面參考圖4描述根據(jù)具有二個(gè)霍爾傳感器的第一和第二實(shí)施例的電流測(cè)量傳感器的求值電路。
在管狀的導(dǎo)體L上彼此相對(duì)地布置二個(gè)霍爾傳感器11和21。如此彼此相反地布置這些霍爾傳感器，通過從二個(gè)霍爾傳感器輸出的信號(hào)的相減消除干擾場(chǎng)。
從霍爾傳感器11輸出的信號(hào)首先被傳遞給溫度補(bǔ)償傳感器12。通過這個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器12消除溫度對(duì)測(cè)量的影響。通過放大器13放大已補(bǔ)償?shù)男盘?hào)，其中已放大的信號(hào)被供給一個(gè)偏差-補(bǔ)償設(shè)備14，在這個(gè)設(shè)備中補(bǔ)償信號(hào)的偏差(Offset)。
以相同的方式，從霍爾傳感器21輸出的信號(hào)被供給溫度補(bǔ)償傳感器22、放大器23和偏差-補(bǔ)償設(shè)備24。通過偏差-補(bǔ)償設(shè)備14和23相互補(bǔ)償信號(hào)，如此可以把信號(hào)供給一個(gè)減法器5。
減法器5使二個(gè)測(cè)量信號(hào)彼此相減并且輸出一個(gè)由此產(chǎn)生的信號(hào)，正如前面說明的，在該信號(hào)中消除了干擾場(chǎng)。通過一個(gè)放大器6放大從減法器5輸出的信號(hào)，并且輸出到相應(yīng)另外的處理單元。作為實(shí)例在此描述了一個(gè)過電流斷路器8和信號(hào)轉(zhuǎn)換器接口7。過電流斷路器可以是比如在第一實(shí)施例中說明的釋放器。信號(hào)轉(zhuǎn)換器接口7例如輸出一個(gè)電流，其正比于測(cè)量信號(hào)，并且例如在4和20mA之間變化。此外可以連接另外的接口，通過參考符號(hào)9以虛線表明的。
正如前面說明的，電流測(cè)量傳感器的霍爾傳感器的數(shù)目不局限于二個(gè)，而且可以是任意數(shù)目的霍爾傳感器對(duì)。
下面參考圖5說明具有四個(gè)根據(jù)第三實(shí)施例的霍爾傳感器的電流測(cè)量傳感器的求值電路。
在說明中相同參考數(shù)目與比如在圖4中的相同元件一致。也就是說具有溫度補(bǔ)償傳感器12和22、放大器13和23與偏差補(bǔ)償設(shè)備14和24的二個(gè)在該說明的上班部分中指出的支路與根據(jù)圖4的布置一致。這二個(gè)支路的輸出信號(hào)通過減法器51彼此相減，由此消除干擾場(chǎng)。在信號(hào)被供給加法器15之前，通過放大器61放大從減法器51輸出的信號(hào)。
附加于這個(gè)布置在該導(dǎo)體上布置了二個(gè)另外的霍爾傳感器31和41，其例如與霍爾傳感器11和21的布置相比偏移90°。類似地正如前面說明的，從霍爾傳感器31輸出的信號(hào)被供給一個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器32，通過放大器33放大已溫度補(bǔ)償?shù)男盘?hào)，并且通過偏差-補(bǔ)償設(shè)備34實(shí)現(xiàn)偏移或者偏差補(bǔ)償。從霍爾傳感器41輸出的信號(hào)被供給一個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器42，通過放大器43放大已溫度補(bǔ)償?shù)男盘?hào)，并且通過偏差-補(bǔ)償設(shè)備44實(shí)現(xiàn)偏移或者偏差補(bǔ)償。然后偏差-補(bǔ)償設(shè)備34和44輸出的信號(hào)通過減法器52彼此相減，其中在該信號(hào)被供給加法器15之前，通過放大器62放大從減法器52輸出的信號(hào)。
加法器15使來自二個(gè)霍爾傳感器對(duì)11和21以及31和41的由此產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)相加。通過放大器16方法合成信號(hào)，然后正如在根據(jù)圖4的求值電路中一樣合成信號(hào)被供給另外的單元7、8和9。
根據(jù)第三實(shí)施例，使用二個(gè)霍爾傳感器對(duì)。正如前面已經(jīng)說明的，也可以使用較高數(shù)目的霍爾傳感器對(duì)。類似地比如根據(jù)圖5一樣地建立一個(gè)如此布置的求值電路，其中然后多個(gè)信號(hào)被供給加法器15。
在根據(jù)圖4和5的求值電路的變化中為霍爾傳感器選擇一個(gè)布置，在這個(gè)布置中象在第一實(shí)施例的描述中提到的一樣，通過輸出信號(hào)的相加消除干擾場(chǎng)。也就是說在這種情況下必須如此布置這些霍爾傳感器，即這些霍爾傳感器以分別相同的符號(hào)檢測(cè)通過導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，可是以不同的符號(hào)檢測(cè)干擾場(chǎng)。在求值電路中根據(jù)第三實(shí)施例必須用一個(gè)加法器代替減法器5。在具有二個(gè)霍爾傳感器對(duì)的求值電路的變體中根據(jù)第四實(shí)施例必須分別用加法器代替減法器51和52。
前面給出了一個(gè)電流測(cè)量傳感器，其以表面場(chǎng)測(cè)量的原理為基礎(chǔ)。電流測(cè)量傳感器具有至少二個(gè)布置在導(dǎo)體2上的霍爾傳感器1a和1b。如此布置這些霍爾傳感器，其數(shù)值上相同地檢測(cè)通過流經(jīng)導(dǎo)體的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及數(shù)值上相同地檢測(cè)干擾場(chǎng)，并且以分別不同的符號(hào)檢測(cè)或者磁場(chǎng)或者干擾場(chǎng)。與此相應(yīng)，或者通過加法或者通過減法放大電流測(cè)量值，可是消除了由于干擾場(chǎng)的外部干擾影響。
權(quán)利要求
1.電流測(cè)量傳感器，具有至少二個(gè)布置在導(dǎo)體(2)上的霍爾傳感器(1a、1b)，其中如此布置霍爾傳感器(1a、1b)，即其數(shù)值上相同地檢測(cè)通過流經(jīng)導(dǎo)體(2)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及數(shù)值上相同地檢測(cè)干擾場(chǎng)，并且以分別不同的符號(hào)檢測(cè)或者磁場(chǎng)或者干擾場(chǎng)。
2.按照權(quán)利要求1的電流測(cè)量傳感器，其中如此布置霍爾傳感器(1a、1b)，由二個(gè)霍爾傳感器以分別不同的符號(hào)檢測(cè)通過流經(jīng)導(dǎo)體(2)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，并且霍爾傳感器(1a、1b)的輸出信號(hào)彼此相減。
3.按照權(quán)利要求1的電流測(cè)量傳感器，其中如此布置霍爾傳感器(1a、1b)，由二個(gè)霍爾傳感器以相同的符號(hào)檢測(cè)通過流經(jīng)導(dǎo)體(2)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，并且霍爾傳感器(1a、1b)的輸出信號(hào)相加。
4.按照上述權(quán)利要求之一的電流測(cè)量傳感器，其中如此布置二個(gè)霍爾傳感器(1a、1b)，導(dǎo)體(2)處在二個(gè)霍爾傳感器之間。
5.按照上述權(quán)利要求之一的電流測(cè)量傳感器，具有一個(gè)屏蔽(3)，其圍繞霍爾傳感器(1a、1b)和導(dǎo)體(2)安裝。
6.按照上述權(quán)利要求之一的電流測(cè)量傳感器，其中在導(dǎo)體(2)中涉及一個(gè)圓形導(dǎo)體。
7.按照上述權(quán)利要求之一的電流測(cè)量傳感器，其中霍爾傳感器(1a、1b)彼此具有盡可能小的間距。
8.按照上述權(quán)利要求之一的電流測(cè)量傳感器，其中霍爾傳感器(1a、1b)分別具有到導(dǎo)體(2)相同的間距。
9.按照權(quán)利要求2的電流測(cè)量傳感器，其中預(yù)先規(guī)定多個(gè)霍爾傳感器對(duì)(11和21、31和41)，其中在每個(gè)對(duì)中輸出信號(hào)通過減法器(5、51、52)彼此相減，并且從霍爾傳感器對(duì)輸出的由此產(chǎn)生的信號(hào)通過加法器(15)相加。
10.按照權(quán)利要求3的電流測(cè)量傳感器，其中預(yù)先規(guī)定多個(gè)霍爾傳感器對(duì)(11和21、31和41)，其中在每個(gè)對(duì)中輸出信號(hào)通過加法器相加，并且從霍爾傳感器對(duì)輸出的由此產(chǎn)生的信號(hào)通過加法器(15)相加。
11.按照上述權(quán)利要求之一的電流測(cè)量傳感器，其中霍爾傳感器(11、21、31、41)的輸出信號(hào)被供給一個(gè)溫度補(bǔ)償傳感器(12、22、32、42)。
全文摘要
給出一個(gè)電流測(cè)量傳感器,其以表面場(chǎng)測(cè)量的原理為基礎(chǔ)。對(duì)此應(yīng)用霍爾傳感器(1),如此布置這些霍爾傳感器,正比于電流的磁場(chǎng)激勵(lì)這些霍爾傳感器。如此布置二個(gè)霍爾傳感器,霍爾傳感器數(shù)值上相同地、可是以相反的符號(hào)檢測(cè)必須測(cè)量的場(chǎng)。通過從霍爾傳感輸出的信號(hào)的相減放大電流測(cè)量值,可是消除了外部干擾影響。
文檔編號(hào)G01R15/20GK1353818SQ00808302
公開日2002年6月12日 申請(qǐng)日期2000年1月19日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月31日
發(fā)明者T·普尼奧克, G·約德爾, H·沃爾尼 申請(qǐng)人:Aeg低壓技術(shù)股份有限兩合公司