-
Die
Erfindung betrifft einen Stromsensor zur Gleich- oder Wechselstrommessung.
-
Die
galvanisch getrennte Stromerfassung, sei es die Messung von Gleich-
oder Wechselstrom, erfolgt heute vornehmlich über Messsysteme umfassend Hall-
oder AMR-Sensoren. Diese Sensortypen zeichnen sich durch eine hohe
Messgenauigkeit aus. Nachteilig bei derartigen Stromerfassungssystemen ist
jedoch die große
Bauform und das erhebliche Gewicht. Ein derartiger Stromsensor zur
Erfassung eines Spitzenstroms von 600 A weist beispielsweise ein
Gewicht von ca. 1 kg auf. Dieses hohe Gewicht resultiert primär aus der
Tatsache, dass aus Gründen der
Störsicherheit
diese Stromsensoren direkt oder indirekt über einen ringförmigen Flusskonzentrator nach
dem Prinzip des Durchflutungsgesetztes arbeiten. Die große Bauform
und das hohe Gewicht machen solche Systeme für verschiedene Anwendungen
(im Automobilbereich, im Bereich der Robotik oder bei Industrieantrieben
etc.) unattraktiv.
-
Der
Erfindung liegt damit das Problem zu Grunde, einen einfach aufgebauten,
mit geringer Baugröße und geringem
Gewicht herstellbaren Stromsensor anzugeben.
-
Zur
Lösung
dieses Problems ist ein Stromsensor zur Gleich- oder Wechselstrommessung vorgesehen,
umfassend:
- – wenigstens zwei Fluxgate-Sensoren
bestehend jeweils aus einer Erregerspule, einer Induktionsspule
und einem magnetischen Kern,
- – wenigstens
einen den zu messenden Strom führenden
Leiter umfassend wenigstens zwei Leiterabschnitte, denen jeweils
ein Fluxgate-Sensor zugeordnet ist,
wobei an den Induktionsspulen
wenigstens ein Maß für den über den
Leiter geführten
Messstrom darstellendes Messsignal abgreifbar ist.
-
Die
Erfindung schlägt
einen neuen Stromsensortyp vor, der aus wenigstens zwei separat
arbeitenden Fluxgate-Sensoren besteht, die beide einem gemeinsamen,
den zu messenden Strom führenden
Leiter zugeordnet sind, dort jedoch den Strom über jeweils einen separaten
Leiterabschnitt des Leiters messen. An den Induktionsspulen ist
wenigstens ein Messsignal abgreifbar, das ein Maß für den über den Leiterabschnitt geführten Messstrom
darstellt. Entweder wird an jeder Induktionsspule ein Messsignal
abgegriffen, die beide miteinander verknüpft und ein Differenzwert gebildet
wird, bei dem etwaige externe Störkomponenten
nicht mehr enthalten sind. Alternativ können die beiden Induktionsspulen
auch so verschaltet sein, dass über
sie nur ein Messsignal abgegriffen werden kann. Durch entsprechende
Ansteuerung und Auswertung des oder der Signale, insbesondere nach
dem Verfahren der Auswertung der zweiten harmonischen Oberwelle
oder der Auswertung der Pulsposition und Pulshöhe des oder der erfassten Signalpulse,
kann eine sehr hohe Messgenauigkeit bei gleichzeitiger hoher Störsicherheit
erreicht werden.
-
Der
Aufbau eines Fluxgate-Sensors ist an und für sich bekannt, ein solcher
Sensor umfasst eine Erregerspule, die mit einem Erregerstrom betrieben wird,
wobei die Bestromung über
eine geeignete angesteuerte Stromquelle erfolgt. Ferner ist ein
magnetischer Kern vorgesehen, der über die Erregerspule, die mit
einem hochfrequenten Signal angesteuert wird, alternierend magnetisiert
wird. Weiterhin ist eine Induktionsspule vorgesehen, in die über den Kern
in Abhängigkeit
seiner variierenden Magnetisierung ein Induktionsstrom induziert
wird, der ursächlich
für das
an einer Induktionsspule abgreifbare Messsignal ist. Ein solcher
Fluxgate-Sensor kann als integrierter, planarer Sensor ausgeführt werden,
in dem die entsprechenden Spulen bzw. der Kern als dünne Schichten
abgeschieden werden, so dass mithin eine sehr kleine Bauform erreicht
werden kann.
-
Das
Funktionsprinzip ist nun derart, dass die Magnetisierungshysterese
des weichmagnetischen Kerns jedes Fluxgate-Sensors in Abhängigkeit des über einen
Leiterabschnitt geführten
Messstroms, der ein Magnetfeld erzeugt, verschoben wird. Hieraus
resultiert, dass auch das aus der Erregerspulenbestromung resultierende
Induktionssignal variiert, abhängig
davon, wie hoch der anliegende Messstrom bzw. die Verschiebung der
Hysteresekurve ist. Nachdem bei dem erfindungsgemäßen Stromsensor beide
Fluxgate-Sensoren mit dem selben Messstrom beaufschlagt und die
beiden Erregerspulen mit dem selben Erregerstrom betrieben werden,
werden ein oder zwei den Messstrom beschreibende Messsignale an
den jeweiligen Induktionsspulen abgegriffen, das oder die in der
beschriebenen Weise z. B. über die
Oberwellenanalyse verarbeitet werden.
-
Die
Fluxgate-Sensoren sind zweckmäßigerweise
auf einem isolierenden Substrat angeordnet, das wiederum auf dem
Leiter angeordnet ist. Hierüber
ergibt sich also quasi eine Art Sandwich-Aufbau, der eine sehr kompakte
Bauweise ermöglicht,
insbesondere, wenn wie beschrieben die Sensoren als Dünnschichtbauelemente
ausgeführt
werden.
-
Der
Leiter selbst ist bevorzugt ein U-förmiger Leiter, wobei jeweils
ein U-Leiterschenkel einen Leiterabschnitt bildet. Die beiden Fluxgate-Sensoren
liegen also quasi nebeneinander, unter ihnen verläuft der
U-Leiter, über
den der Messstrom geführt
ist. Nachdem die Stromrichtung über
den U-Leiter wechselt, also in den jeweiligen Leiterabschnitten
entgegengesetzt ist, stellen sich auch zwangsläufig entgegengesetzte, vom
Messstrom erzeugte und die Hysteresekurve der weichmagnetischen
Sensorkerne quasi „vorspannende" und verschiebende
Magnetfelder ein. Alternativ zur Verwendung eines U-Leiter wäre auch
die Verwendung eines geschlitzten Leiters, der also in zwei separate
Leiterabschnitte über eine
bestimmte Leiterlänge
aufgetrennt ist, denkbar.
-
Wie
beschrieben wird die Auswertung der beiden Messsignale zweckmäßigerweise über das Differenzfeld-Messprinzip,
wie es von Gradiometern her bekannt ist, vorgenommen, es wird also
ein Differenzsignal aufgenommen bzw. gebildet. Die beiden Induktionsspulen
können
entweder derart miteinander gekoppelt sein, dass über beide
ein einziges Messsignal in Form einer Differenzspannung abgreifbar
ist. Alternativ kann auch an jeder Induktionsspule ein Messsignal
abgreifbar sein, wobei ferner eine Einrichtung zur Bildung eines
Differenzsignals aus den beiden Messsignalen vorgesehen ist.
-
Weiterhin
ist es zweckmäßig, wenn
am Stromsensor selbst eine Filter- und/oder Verstärkungseinrichtung
für die
Messsignale vorgesehen ist. Nachdem die abgegriffenen Messsignale
bzw. das Differenzsignal im mV- oder μV-Bereich liegen, ist vorteilhaft
eine Filterung und Verstärkung
zweckmäßig. Insbesondere
bei einer Auswertung der zweiten harmonischen Oberwelle ist ein
sehr schmalbandiges Filtern zweckmäßig, was durch einen geeigneten Bandpass-Filter
hoher Güte
erreicht werden kann. Das Rauschen kann weitgehend abgeschnitten
werden, eine hohe Signalqualität
und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis
kann erreicht werden.
-
Weiterhin
ist zweckmäßigerweise
am Stromsensor selbst eine Einrichtung zur Durchführung von Korrektur-
oder Kompensationsmaßnahmen
bezüglich
der Messsignale vorgesehen. Dies kann beispielsweise eine Offset-Korrektur
sein, um einen etwaigen Signaloffset von Haus aus zu unterdrücken und
ein bereits korrigiertes Differenzsignal ausgeben zu können. Denkbar
ist auch eine Linearisierung oder eine Temperaturkompensation, soweit
im jeweiligen Einsatzbereich eine Signalbeeinflussung über die Umgebungstemperatur
möglich
ist.
-
Besonders
zweckmäßig ist
es, wenn eine Einrichtung zur Ermittlung und Ausgabe der Höhe des Messstroms
anhand des oder der Messsignale vorgesehen ist, d. h., die sensorseitig
vorgesehene Einrichtung ermittelt unmittelbar den Messstrom, gegebenenfalls
nach vorheriger Signalfilterung und Verstärkung bzw. Korrektur und Kompensation.
Das vom Sensor gelieferte Ausgangssignal ist also eines, das unmittelbar
das Messergebnis selbst angibt.
-
Weiterhin
kann, um die Eigenständigkeit
des Stromsensors noch weiter zu erhöhen, auch eine Einrichtung
zur Steuerung der Bestromung der Erregerspulen über eine Stromquelle vorgesehen
sein, welche Stromquelle mit dem Sensor gekoppelt wird.
-
Das
Vorsehen der verschiedenen Einrichtungen, die bevorzugt insgesamt
in Form einer integrierten Schaltung realisiert sind, ermöglicht eine
sehr hohe Integrationstiefe und Miniaturisierbarkeit der relevanten
Einrichtungen bzw. des Stromsensors selbst. Es kommt also eine vollständige Treiber-
und Auswerteschaltung zur Signalerzeugung und Signalverarbeitung
zum Einsatz, die bevorzugt auch eine Anschlusseinrichtung zum Anschließen einer
externen Verarbeitungseinrichtung in Form eines geeigneten Interfaces
aufweist.
-
Die
Integration der einen oder aller beschriebener Einrichtungen, bevorzugt
als vollständige
Treiber- und Auswerteschaltung, erfolgt zweckmäßigerweise im oder am Substrat
selbst. D. h., im oder am Substrat wird ein geeigneter IC mit den
relevanten Komponenten vorgesehen oder ausgebildet, der die Mikrocontroller-Funktion
darstellt.
-
Wenngleich
ein hochfunktioneller Stromsensor bereits durch Verwendung nur zweier
Fluxgate-Sensoren aufgebaut werden kann, sieht eine zweckmäßige Erfindungsausgestaltung
den Einsatz mehrerer Fluxgate-Sensor-Paare vor, wobei jeweils einer
der Fluxgate-Sensoren dem einen Leiterabschnitt und der andere dem
anderen Leiterabschnitt zugeordnet ist, oder wobei jedem Sensorpaar
ein separater Leiter mit zwei Leiterabschnitten zugeordnet ist.
Hiernach kommen also mehrere entsprechende Sensor-Paare zum Einsatz,
was für
eine weitere Erhöhung
der Störsicherheit
des Sensors von Vorteil ist. Dabei können nach einer ersten Erfindungsalternative
nach wie vor nur zwei Leiterabschnitte vorgesehen sein, denen jeweils
die Hälfte
aller Fluxgate-Sensoren, mithin also jeweils ein Sensor eines Paares,
zugeordnet ist. Denkbar ist es aber auch, separate Leiter, also
eine Mehrzahl beispielsweise U-förmiger
Leiter vorzusehen, die alle mit demselben Messstrom beaufschlagt
werden. Dabei ist es auch denkbar, vier Fluxgate-Sensoren, also
zwei Sensor-Paare, zu einer Wheatestone'schen Brücke zu schalten. Sind mehrere
Sensoren oder Sensorpaare vorgesehen, ist es zweckmäßig, diesen
nur eine gemeinsame Einrichtung, also eine gemeinsame vollständige Treiber-
und Auswerteschaltung zuzuordnen, die die gesamte Signalerzeugung
und -verarbeitung steuert bzw. vornimmt.
-
Zweckmäßigerweise
weist der Stromsensor ein entsprechendes Gehäuse auf, an dem ein oder mehrere
geeignete Anschlussmittel vorgesehen sind, um den Sensor mit den
verschiedenen externen Arbeitskomponenten wie der Stromquelle oder
einer nachgeschaltete Signalaufnahmeeinrichtung oder Signalverarbeitungseinrichtung
etc. zu koppeln.
-
Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der
Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 eine
Prinzipdarstellung eines Stromsensors einer ersten Ausführung als
Aufsicht,
-
2 eine
Seitenansicht des Stromsensors aus 1,
-
3 eine
Prinzipdarstellung der Funktionskomponenten des Stromsensors aus
den 1 und 2,
-
4 eine
Prinzipdarstellung der Magnetisierungsverhältnisse im Stromsensor während der Messung,
-
5 eine
Aufsicht auf einen Stromsensor einer zweiten Ausführungsform
und
-
6 eine
Seitenansicht des Stromsensors aus 5.
-
1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Stromsensor 1,
umfassend zwei eine Kantenlänge von
wenigen mm bis in den Zentimeter-Bereich
aufweisende Fluxgate-Sensoren 2, 3, die auf einem
gemeinsamen Substrat 4 angeordnet sind. Jeder Fluxgate-Sensor
umfasst eine außen
liegende Induktionsspule 5, 6, eine dieser nach
innen gesehen folgende Erregerspule 7, 8 und einen
magnetischen Kern 9, 10. Die Spulen 5, 6, 7, 8 sind
als Flächenspulen,
bevorzugt als sehr dünne
Schichtspulen, ausgebildet, wobei die oberen und unteren flächigen Spulenabschnitte über eine
hier nicht näher
gezeigte Verbindung miteinander gekoppelt sind. Dies gilt sowohl für die Induktionsspulen 5, 6 als
auch die Erregerspulen 7, 8. Der jeweilige magnetische
Kern 9, 10 kann aus einem beliebigen Material
sein, solange er hinreichende weichmagnetische Eigenschaften aufweist. Denkbar
wäre z.
B. ein Kern aus CoFe oder CoFeB oder NiFi. Zweckmäßigerweise
kann ein solcher Kern aber auch als Schichtstapel aus einander abwechselnd
angeordneten weichmagnetischen Schichten und diese pinnenden antiferromagnetischen
Schichten ausgebildet sein. Ein solcher Kern kann als extrem dünnes, kleines
Bauteil ausgebildet werden. Die Dicke einer solchen weichmagnetischen
Schicht ist ≤ 100
nm, insbesondere ≤ 30
nm, die Dicke einer antiferromagnetischen Schicht, die bevorzugt
aus IrMn, also einem natürlichen
Antiferromagneten, gebildet ist, ist bevorzugt ≤ 12 nm, insbesondere ≤ 10 nm. Über einen
solchen Schichtkern ist es möglich,
innerhalb der weichmagnetischen Schichten quasi ein Eindomänenverhalten
zu realisieren, was besonders vorteilhaft ist, als hierdurch die
Hysteresekurve des Schichtkerns stark gekrümmt werden kann, was für die Signalauflösung und
die Auswertung des Messsignals durch Auswerten der zweiten harmonischen Oberschwingung
von Vorteil ist. Nachdem alle Schichten sehr dünn sind, zeigen sie quasi alle
das gleiche weichmagnetische Verhalten, so dass sich über den
Kern ein sehr homogenes magnetisches Verhalten einstellt. Bevorzugt
sind mindestens zehn weichmagnetische Schichten und mindestens elf
antiferromagnetische Schichten, die also jede weichmagnetische Schicht
an beiden Seiten umfassen und damit pinnen, vorgesehen. Je nach
den benötigten magnetischen
Eigenschaften können
beliebig viele Schichten vorgesehen sein.
-
Im
gezeigten Beispiel sind die beiden Induktionsspulen 5, 6 über eine
Verbindungsleitung 11 miteinander gekoppelt, so dass zwischen
ihnen ein Messsignal in Form der Messsignal spannung UMess abgreifbar
ist, also ein Differenzsignal zwischen beiden Induktionsspulen 5, 6.
Die Erregerspulen sind mit einer Stromleitung 12 verbunden, über die
ein Erregerstrom IErr an die Erregerspulen 7, 8 gelegt
wird, verbunden. Diese Stromleitung 12 ist über die
beiden Erregerspulen 7, 8 geführt.
-
Unterhalb
des Substrats ist ein Leiter 13 vorgesehen, der eine U-Form
aufweist und zwei längliche
Leiterschenkel 14, 15 besitzt. Der Fluxgate-Sensor 2 ist
dem Leiterschenkel 14 und der Fluxgate-Sensor 3 dem
Leiterschenkel 15 zugeordnet. Über den Leiter 13 wird
der in seiner Höhe
zu erfassende Messstrom IMess geführt, wie
in 1 dargestellt ist.
-
3 zeigt
eine Prinzipdarstellung des Aufbaus eines Stromsensors 1,
wobei hier noch weitere Funktionseinrichtungen dargestellt sind,
die als integrierter Schaltkreis im oder am Substrat 4 ausgebildet
sein können
und der Signalauswertung und Erzeugung eines auszugebenden, die
Messstromhöhe anzeigenden
Signals dient. Gezeigt sind exemplarisch die beiden Fluxgate-Sensoren 2, 3 sowie
das an ihnen abgegriffene Messsignal UMess.
Dieses wird zunächst
einer Verstärkereinrichtung 16 gegeben,
der eine Filtereinrichtung 17, beispielsweise ein schmaler
Bandpassfilter nachgeschaltet ist, über den das Messsignal schmalbandig
digital gefiltert werden kann. Nachgeschaltet ist eine weitere Verstärkereinrichtung 18,
der im gezeigten Beispiel ein Analog-Digital-Wandler 19 nachgeschaltet
ist. Gegebenenfalls kann, wie gestrichelt dargestellt ist, auch
optional ein Gleichrichter 20 dem Analog-Digital-Wandler vorgeschaltet
sein. Dem Analog-Digital-Wandler 19 ist eine weitere Einrichtung 21 nachgeschaltet,
die der weiteren Signalverarbeitung und Signalauswertung dient. Dort
erfolgt beispielsweise eine Offset-Korrektur, eine Linearisierung
des ermittelten Messsignals oder eine Temperaturkompensation, sofern
erforderlich. Des Weiteren kann dort die Regelung der hier nicht
näher gezeigten
Stromquelle, über
die die Erregerspulen 7, 8 betrieben wird, erfolgen.
Die Erregerspulen 7, 8 werden beispielsweise mit
einem Strom von 20 mA und einer Frequenz von 10 kHz betrieben. Weiterhin kann
ein Analog/Digital-Interface vorgesehen sein, um eine Kopplung des
Stromsensors mit externen Geräten
zu ermöglichen.
In der Einrichtung 21 erfolgt besonders zweckmäßig auch
die Berechnung des Messstroms, also die Ermittlung der tatsächlichen Höhe des Messstroms,
wozu in der Einrichtung 21, bei der es sich um einen geeigneten
Mikrocontroller oder dergleichen Prozessor handelt, geeignete Kalibrierdaten
hinterlegt sind, die zur Auswertung des aufbereiteten Messsignals
dienen. Die gesamte Stromsensoranordnung befindet sich in einem
geeigneten Gehäuse,
wenngleich dieses hier nicht näher dargestellt
ist.
-
Das
Funktionsprinzip des Stromsensors 1 ergibt sich anschaulich
aus 4, in der die magnetischen Verhältnisse
bzw. Vorgänge
dargestellt sind. In dem Bildabschnitt a) ist die Hysteresekurve
eines weichmagnetischen Kerns dargestellt. Die angegebene Achsskalierung
ist lediglich exemplarischer Natur.
-
Wird
nun der Messstrom IMess, bei dem es sich
um einen Gleich- oder
einen Wechselstrom handeln kann, über den Leiter 13 geführt, so
erzeugt dieser ein externes Magnetfeld, wie im Figurenteil b) in 4 dargestellt
ist. Im Falle eines Gleichstroms ist dieses externe Magnetfeld über die
Zeit konstant, im Falle eines Wechselstroms variiert es. In jedem
Fall kommt es über
dieses externe Magnetfeld HExt zu einer
Verschiebung der Hysteresekurve aus Bildteil a) entlang der x-Achse.
Wird nun der Erregerstrom IErr als hochfrequenter
Wechselstrom – dessen
Frequenz bei Messung eines Wechselstroms deutlich höher ist
als die Frequenz des zu messenden Stroms – an die Erregerspulen angelegt,
so wird über
diesen Erregerstrom kontinuierlich die Hysteresekurve durchlaufen,
jedoch um die Feldkomponente des externen Magnetfelds Hext verschoben,
wie anschaulich in 4 gezeigt ist. Durch diese „magnetische Vorspannung" über das externe Magnetfeld
HExt wird ersichtlich nicht die gesamte
Hysteresekurve durchlaufen, vielmehr nimmt der Anteil, in dem sich
der weichmagnetische Kern im Wesentlichen der Sättigung befindet, deutlich
zu, wie sich aus Bildteil c) ergibt. Dort ist die magnetische Flussdichte über die Zeit
aufgetragen. Ersichtlich sind die unteren Kurvenabschnitte deutlich
ausgeprägter
und laufen zu höheren
Werten als die oberen Kurvenabschnitte, nachdem im gezeigten Beispiel
die Hystereseschleife bedingt durch das externe Magnetfeld HExt verstärkt
im linken unteren Schleifenast gemäß Figurenteil a), also in der
negativen Sättigung
durchlaufen wird.
-
Auf
Grund dieser Veränderung
der Hystereseschleife über
das externe Magnetfeld, also den zu messenden Messstrom IMess und der daraus ergebende Veränderung
der Magnetisierung über
das Erregerfeld HErr resultierend aus dem
Erregerstrom IErr ergeben sich zwangsläufig in
den Induktionsspulen entsprechend variierende Induktionssignale,
deren Höhe
abhängig
von dem externen Magnetfeld HExt und mithin
abhängig
vom zu messenden Messstrom IMess ist. Die
abgegriffene Messspannung UMess als Messsignal
ist folglich ein Maß für den Messstrom IMess. Dieser kann anhand geeigneter Kalibrierdaten aus
dem Messsignal, hier also der Messspannung UMess ermittelt
werden.
-
Die 5 und 6 zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Stromsensors 1,
dessen Aufbau dem Stromsensor 1 aus den 1 und 2 entspricht.
Lediglich entfallen ist die Verbindungsleitung 11, über die
die beiden Induktionsspulen 5, 6 beim Stromsensor 1 aus
den 1 und 2 miteinander gekoppelt sind,
um über
diese beiden lediglich ein Messsignal UMess abzugreifen.
Beim Stromsensor 1 aus den 5 und 6 werden
zwei Messsignale UMess abgegriffen, also
an jeder Induktionsspule 5, 6 ein separates Messsignal.
Diese Messsignale werden anschließend über eine geeignete Einrichtung
zur Bildung eines Differenzsignals weiterverarbeitet und anhand dieses
gebildeten einen Signals dann die Stromhöhe ermittelt. Das Funktionsprinzip
des Stromsensors 1 aus den 5 und 6 ist
jedoch grundsätzlich das
Gleiche wie das des Stromsensors 1 aus den 1 und 2.