專利名稱：電流測量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電流測量傳感器，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測量傳感器。
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量裝置以及LEM變換器用于電流的測量?？墒沁@些已知的裝置有顯著的缺點。
例如在借助于分流電阻的電流測量的情況下必須測量的電流通過測量電阻傳導(dǎo)，并且測量通過電流引起的電壓降。通過這種形式的測量消耗不必要的能量，這有助于開關(guān)環(huán)境的變暖。此外這個電流測量裝置必要地集成在必須測量的回路中，由此本身影響必須測量的電流，因此按分流電阻的數(shù)值或多或少地篡改了測量。此外按照這種方式在高電壓的情況下電位分離的測量是不可能的。
在LEM變換器中圍繞導(dǎo)體布置鐵氧體磁芯，測量其電流。圍繞這個鐵氧體磁芯布置一個第二線圈，通過該線圈如此控制電流，引起的磁場調(diào)準到零。按照這種方式雖然能夠電位分離地測量，可是這種方式測量的費用是高的。
借助于霍爾傳感器在利用霍爾效應(yīng)的情況下相對有利地測量磁場?；魻杺鞲衅鳟a(chǎn)生正比于磁場的電壓，該磁場作用于霍爾傳感器。依賴于應(yīng)用的材料不同強度地出現(xiàn)這個霍爾效應(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量磁場，該磁場是通過流經(jīng)導(dǎo)體的電流感應(yīng)的。按這種方式實現(xiàn)電位分離的電流測量。
可是由于在測量時通過霍爾傳感器產(chǎn)生的電壓是低的，并且在正常條件下磁場遭受外部影響，磁場的放大是必須的，在通常情況下通過鐵氧題磁芯實現(xiàn)這個放大。可是在這個裝置中根據(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)致這個缺點，僅僅在確定限制的范圍內(nèi)可以足夠準確地測量電流，可是在這個范圍之外根據(jù)飽和關(guān)系測量的電流顯著偏離實際電流。此外根據(jù)鐵氧體磁芯的這個測量裝置的費用是相對高的。
概括起來根據(jù)技術(shù)狀況該裝置具有這個缺點，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度，該裝置引起相對高的費用并且此外具有高的本身消耗。
因此本發(fā)明基于這個任務(wù)，建立一個價格便宜的電流測量傳感器，其電位分離地檢測電流值，擁有足夠的準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中闡述的電流測量傳感器解決這個任務(wù)。也就是說，根據(jù)本發(fā)明的電流測量傳感器具有至少二個布置在導(dǎo)體上的霍爾傳感器。如此布置該霍爾傳感器，即其數(shù)值上相同地檢測通過流經(jīng)導(dǎo)體的電流產(chǎn)生的磁場以及數(shù)量上相同地檢測干擾場，并且以分別不同的符號檢測或者磁場或者干擾場。
在從屬權(quán)利要求中闡述了另外的擴展。
與此相應(yīng)或者通過加法或者通過減法放大電流測量值，可是消除了根據(jù)外部的干擾影響的干擾場。
通過根據(jù)本發(fā)明的電流測量傳感器以有益的方式實現(xiàn)，可以成本低地實施電流值檢測，因為不需要附加的鐵氧體磁芯。對此可以實現(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)可以獲得適合于簡單的電子釋放器的電流測量傳感器，該傳感器對于直到4kV的直流電壓電位分離地檢測電流值。
下面根據(jù)實施例參考附圖詳細說明本發(fā)明。圖示

圖1指出了具有根據(jù)第一實施例、安裝在線路上的電流測量傳感器的過電流繼電器的圖解描述，圖2指出了根據(jù)詳細指出電流測量傳感器的圖1的說明的放大的局部圖，圖3指出了根據(jù)第二實施例的電流測量傳感器，圖4指出了根據(jù)第一或第二實施例的電流測量傳感器的求值電路的方框圖，和圖5指出了根據(jù)第三實施例、具有四個霍爾傳感器的電流測量傳感器的求值電路的方框圖。
圖1指出了根據(jù)第一實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，可是對這個實施例其準確功能是不重要的，因此取消其準確說明。
在線路2上安裝一個電流測量傳感器SMA。這個電流測量傳感器SMA以表面場測量的原理或者霍爾效應(yīng)為基礎(chǔ)。
這個根據(jù)第一實施例的電流測量傳感器SMA在圖2中詳細說明。對此二個霍爾傳感器1a和1b彼此相對地布置在導(dǎo)體2的一部分上。
應(yīng)用二個霍爾傳感器1a和1b，因為磁場是相對弱的，并且由于環(huán)境的干擾影響、也就是說干擾場干擾該磁場。為了消除這個外部的干擾影響如此布置這二個霍爾傳感器1a和1b，即二個霍爾傳感器相同地測量由于電流通過產(chǎn)生的磁場的數(shù)值，可是以彼此相反的符號分別測量磁場。如果由流經(jīng)導(dǎo)體2的電流產(chǎn)生的磁場的數(shù)值是B，則霍爾傳感器1a例如測量磁場+B，而霍爾傳感器1b測量磁場-B。
從二個霍爾傳感器1a和1b輸出的信號相減。由此從輸出信號中消除干擾場，放大磁場的測量值。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，因為通過信號的相減廣泛地消除了干擾場并產(chǎn)生必須測量的磁場的強大測量信號。
以MW1a表示霍爾傳感器1a的測量值，以MW1b表示霍爾傳感器1b的測量值。如果幾乎足夠彼此靠近地布置二個霍爾傳感器，則作為在二個霍爾傳感器上的干擾場假設(shè)為相同的。因此對于測量值得出MW1a＝+B+SMW1b＝-B+S在此以S表示干擾場。二個測量值的相減因此導(dǎo)致總測量值MWMW＝MW1a-MW1b＝+B-(-B)+S-S+2B因此消除了干擾場，加倍了有效測量值、也就是測量的磁場值。
有選擇地為此可以如此布置二個霍爾傳感器，其分別以不同的符號測量完全測量的磁場，也就是說有效場B具有相同的符號，干擾場S具有不同的符號。在這種情況下通過相加消除干擾場MW1a＝B+SMW1b＝B-SMW＝MW1a+MW1b正如前面說明的，在霍爾傳感器的這個布置中注意，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)影響場強。對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)體實施。
因此二個霍爾傳感器數(shù)值上相同地測量通過在導(dǎo)體2中流過的電流產(chǎn)生的磁場，以與導(dǎo)體2相同的間隔布置二個霍爾傳感器。
此外可以如此布置霍爾傳感器1，導(dǎo)體2處在二個霍爾傳感器1之間，正如在圖2中描述的。這個布置是一種可能，如此布置霍爾傳感器，其數(shù)值上相同地、可是以相反符號檢測磁場?？墒亲匀灰部梢钥紤]另外的布置，例如一個這樣的布置，在該布置中二個霍爾傳感器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)第一實施例的電流測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)第二實施例描述電流測量傳感器，其可以應(yīng)用在非已知的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中。
在圖3中描述了這個電流測量傳感器。根據(jù)圖3一個管狀的屏蔽3包圍二個霍爾傳感器。通過這個措施屏蔽外部的干擾影響，因此準確的測量是可能的。
根據(jù)前面說明的實施例，應(yīng)用二個霍爾傳感器，也就是說一個霍爾傳感器對?？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接，即消除干擾場并相加測量值信號。
通過提高霍爾傳感器的數(shù)目，可以擴大產(chǎn)生的測量值MW到干擾場的距離，因為在每個霍爾傳感器對中消除干擾場，而加倍測量的信號。也就是說在n個霍爾傳感器的情況下測量2n倍的磁場。
下面參考圖4描述根據(jù)具有二個霍爾傳感器的第一和第二實施例的電流測量傳感器的求值電路。
在管狀的導(dǎo)體L上彼此相對地布置二個霍爾傳感器11和21。如此彼此相反地布置這些霍爾傳感器，通過從二個霍爾傳感器輸出的信號的相減消除干擾場。
從霍爾傳感器11輸出的信號首先被傳遞給溫度補償傳感器12。通過這個溫度補償傳感器12消除溫度對測量的影響。通過放大器13放大已補償?shù)男盘?，其中已放大的信號被供給一個偏差-補償設(shè)備14，在這個設(shè)備中補償信號的偏差(Offset)。
以相同的方式，從霍爾傳感器21輸出的信號被供給溫度補償傳感器22、放大器23和偏差-補償設(shè)備24。通過偏差-補償設(shè)備14和23相互補償信號，如此可以把信號供給一個減法器5。
減法器5使二個測量信號彼此相減并且輸出一個由此產(chǎn)生的信號，正如前面說明的，在該信號中消除了干擾場。通過一個放大器6放大從減法器5輸出的信號，并且輸出到相應(yīng)另外的處理單元。作為實例在此描述了一個過電流斷路器8和信號轉(zhuǎn)換器接口7。過電流斷路器可以是比如在第一實施例中說明的釋放器。信號轉(zhuǎn)換器接口7例如輸出一個電流，其正比于測量信號，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9以虛線表明的。
正如前面說明的，電流測量傳感器的霍爾傳感器的數(shù)目不局限于二個，而且可以是任意數(shù)目的霍爾傳感器對。
下面參考圖5說明具有四個根據(jù)第三實施例的霍爾傳感器的電流測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償傳感器12和22、放大器13和23與偏差補償設(shè)備14和24的二個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。這二個支路的輸出信號通過減法器51彼此相減，由此消除干擾場。在信號被供給加法器15之前，通過放大器61放大從減法器51輸出的信號。
附加于這個布置在該導(dǎo)體上布置了二個另外的霍爾傳感器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輸出的信號被供給一個溫度補償傳感器32，通過放大器33放大已溫度補償?shù)男盘?，并且通過偏差-補償設(shè)備34實現(xiàn)偏移或者偏差補償。從霍爾傳感器41輸出的信號被供給一個溫度補償傳感器42，通過放大器43放大已溫度補償?shù)男盘?，并且通過偏差-補償設(shè)備44實現(xiàn)偏移或者偏差補償。然后偏差-補償設(shè)備34和44輸出的信號通過減法器52彼此相減，其中在該信號被供給加法器15之前，通過放大器62放大從減法器52輸出的信號。
加法器15使來自二個霍爾傳感器對11和21以及31和41的由此產(chǎn)生的測量信號相加。通過放大器16方法合成信號，然后正如在根據(jù)圖4的求值電路中一樣合成信號被供給另外的單元7、8和9。
根據(jù)第三實施例，使用二個霍爾傳感器對。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。類似地比如根據(jù)圖5一樣地建立一個如此布置的求值電路，其中然后多個信號被供給加法器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布置，在這個布置中象在第一實施例的描述中提到的一樣，通過輸出信號的相加消除干擾場。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檢測通過導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場，可是以不同的符號檢測干擾場。在求值電路中根據(jù)第三實施例必須用一個加法器代替減法器5。在具有二個霍爾傳感器對的求值電路的變體中根據(jù)第四實施例必須分別用加法器代替減法器51和52。
前面給出了一個電流測量傳感器，其以表面場測量的原理為基礎(chǔ)。電流測量傳感器具有至少二個布置在導(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)值上相同地檢測通過流經(jīng)導(dǎo)體的電流產(chǎn)生的磁場以及數(shù)值上相同地檢測干擾場，并且以分別不同的符號檢測或者磁場或者干擾場。與此相應(yīng)，或者通過加法或者通過減法放大電流測量值，可是消除了由于干擾場的外部干擾影響。
權(quán)利要求
1.電流測量傳感器，具有至少二個布置在導(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)值上相同地檢測通過流經(jīng)導(dǎo)體(2)的電流產(chǎn)生的磁場以及數(shù)值上相同地檢測干擾場，并且以分別不同的符號檢測或者磁場或者干擾場。
2.按照權(quán)利要求1的電流測量傳感器，其中如此布置霍爾傳感器(1a、1b)，由二個霍爾傳感器以分別不同的符號檢測通過流經(jīng)導(dǎo)體(2)的電流產(chǎn)生的磁場，并且霍爾傳感器(1a、1b)的輸出信號彼此相減。
3.按照權(quán)利要求1的電流測量傳感器，其中如此布置霍爾傳感器(1a、1b)，由二個霍爾傳感器以相同的符號檢測通過流經(jīng)導(dǎo)體(2)的電流產(chǎn)生的磁場，并且霍爾傳感器(1a、1b)的輸出信號相加。
4.按照上述權(quán)利要求之一的電流測量傳感器，其中如此布置二個霍爾傳感器(1a、1b)，導(dǎo)體(2)處在二個霍爾傳感器之間。
5.按照上述權(quán)利要求之一的電流測量傳感器，具有一個屏蔽(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量傳感器，其中在導(dǎo)體(2)中涉及一個圓形導(dǎo)體。
7.按照上述權(quán)利要求之一的電流測量傳感器，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的電流測量傳感器，其中預(yù)先規(guī)定多個霍爾傳感器對(11和21、31和41)，其中在每個對中輸出信號通過減法器(5、51、52)彼此相減，并且從霍爾傳感器對輸出的由此產(chǎn)生的信號通過加法器(15)相加。
10.按照權(quán)利要求3的電流測量傳感器，其中預(yù)先規(guī)定多個霍爾傳感器對(11和21、31和41)，其中在每個對中輸出信號通過加法器相加，并且從霍爾傳感器對輸出的由此產(chǎn)生的信號通過加法器(15)相加。
11.按照上述權(quán)利要求之一的電流測量傳感器，其中霍爾傳感器(11、21、31、41)的輸出信號被供給一個溫度補償傳感器(12、22、32、42)。
全文摘要
給出一個電流測量傳感器,其以表面場測量的原理為基礎(chǔ)。對此應(yīng)用霍爾傳感器(1),如此布置這些霍爾傳感器,正比于電流的磁場激勵這些霍爾傳感器。如此布置二個霍爾傳感器,霍爾傳感器數(shù)值上相同地、可是以相反的符號檢測必須測量的場。通過從霍爾傳感輸出的信號的相減放大電流測量值,可是消除了外部干擾影響。
文檔編號G01R15/20GK1353818SQ00808302
公開日2002年6月12日 申請日期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 申請人:Aeg低壓技術(shù)股份有限兩合公司