用于测量直流电流和交流电流的传感器设备制造技术

本发明专利技术涉及一种用于测量通过导体(2)的直流电流和交流电流的传感器设备(1)，其中该传感器设备(1)具有罗氏线圈(3)，其中该罗氏线圈(3)的主延伸平面与该导体(2)的主延伸方向大体上正交，其中该导体(2)被该罗氏线圈(3)围绕，其特征在于，该传感器设备(1)具有多个磁场传感器(4)。

【技术实现步骤摘要】
用于测量直流电流和交流电流的传感器设备
本专利技术涉及一种用于测量电导体中的直流电流和交流电流的传感器设备。
技术介绍
精确的电流测量是功率电子技术和EMV技术的核心元素。在此，电子系统相互间的调节通常借助所执行的电流测量来进行。为了在对电子系统的运行品质的高要求下保证电子系统的稳定运行，电流测量必须具有多种特性。在此，对电流测量的核心要求是大的频谱带宽，即，在低频交流电流和高频交流电流中电流测量运作良好、测量偏差小、测量漂移小、动态范围大并且测量相位准确。检测具有大的动态范围(例如从几个μA直至达多个kA)的交流电流通常通过其磁场以非常高的准确性来实现。在此，除了大多导致大的测量偏差的霍尔传感器之外，罗戈夫斯基-施泰恩豪斯-查托克(Rogowski-Steinhaus-Chattock)线圈(在下文中一般通常仅被称为“罗氏线圈(Rogowski-Spule)”)也引人关注，该罗氏线圈通常以没有磁芯并且因此没有使高频测量变得困难的磁惯性的状态来使用。罗氏线圈允许从毫赫兹范围至兆赫兹范围的非常大的带宽，但会产生如下测量信号，该测量信号由磁感应而产生并且因此与所测量的电流的时间导数成比例。罗氏线圈以非常简单的测量原理为基础，该测量原理获取有待测量的电流的导数并且因此与变压器非常相似地运作。基于通过法拉第感应定律(Faraday’scheInduktion)来获取有待测量的电流的时间导数的测量原理，罗氏线圈原理上不可以测量直流电流。虽然通过提高敏感度可以检测几乎任意低的频率。但纯直流分量是难以实现的。面临于此引起对直流电流分量测量的较高的兴趣。从现有技术中已知一种系统，该系统在将传感器设备插到有待测量的电流导线或汇流条上之前在一开始就藉由对电流的导数信号进行数学积分而得出有待测量的电流的等效值。然而该系统是极不准确的并且带宽有限的，原因在于针对这种功能在低频谱范围内进行优化，而对应地针对高频率下的高电流值不再有这种品质。虽然原理上可能开发出这样的系统，这些系统使用多个独立的电流测量系统并且随后将其信息整合在数字处理器中，然而大多数的罗氏线圈借助预期模拟信号输入的模拟测量系统或示波器来使用。数字组合可能产生延迟，潜在随后的、重新的模拟变换(为了将其传递给另外的模拟信号处理)可能造成信号的品质明显地劣化并且由于所有转换器必须具有大的频谱带宽和分辨率而造成不必要的高成本。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于，提供一种传感器设备，该传感器设备不具有现有技术的缺点，而是提供成本有效地并且准确地测量交流电流和直流电流的可能性。该目的通过一种用于测量通过导体的直流电流和交流电流的传感器设备来实现，其中该传感器设备具有罗氏线圈，其中该罗氏线圈的主延伸平面与该导体的主延伸方向大体上正交，其中该导体被该罗氏线圈围绕，其特征在于，该传感器设备具有多个磁场传感器。根据本专利技术的传感器设备可以实现测量直流电流以及交流电流。在此，借助罗氏线圈来测量交流电流，并且借助磁场传感器来测量直流电流。罗氏线圈是环形的空心线圈。导电线围绕由空气形成的环形的核心部缠绕成几乎封闭的圆形区段并且磁中性地从绕组的末端通过核心部返回至绕组的起始端。当将罗氏线圈插到导体上时，流动通过导体的交流电流的交变磁场在罗氏线圈中感应产生电压。通常，以高电阻的方式来测量罗氏线圈中的电压，从而使得罗氏线圈中的电流几乎为零并且因此感应电压与有待测量的交流电流的时间导数成比例。导体中的直流电流通过其磁场借助于磁场传感器来测量。可设想的是，罗氏线圈仅以小的弹性并且几乎没有弹性地制造而成。因此可以实现，罗氏线圈被布置在相对于导体在空间上准确地被限定的位置中。此外可设想的是，多个磁场传感器包括四个磁场传感器并且优选包括七个磁场传感器。测量误差随着磁场传感器的数量的增加而减小。在此，七个磁场传感器已经证明对于误差减小与生产耗费的关系而言是特别有利的。本专利技术的有利的设计方案和改进方案可以自以下优选实施方式以及从参考附图的说明中得出。根据本专利技术的一个优选实施方式提出：这些磁场传感器是霍尔传感器。这可以实现的是：代替仅检测磁场的大小，也检测磁场的方向相关性。如果要获得电流方向，这是尤其有利的。然而还可以设想的是GMR传感器或TMR传感器。根据本专利技术的另一个优选实施方式提出：这些磁场传感器被布置在该罗氏线圈的主延伸平面中，其中优选地，该罗氏线圈被布置在该导体与这些磁场传感器之间。导体越远离罗氏线圈的中心并且越靠近罗氏线圈或磁场传感器的位置，则磁场部分的测量误差越增大。已经表明，罗氏线圈比磁场传感器更容错，并且因此能够减小测量误差。根据本专利技术的另一个优选实施方式提出：这些磁场传感器被布置在围绕该导体的环形面上，其中优选地，该导体被布置在该环形面的中心点，其中特别优选地，沿着该环形面的相邻的磁场传感器之间的间距是相等的。通过这样布置磁场传感器总体上改善了测量品质。可设想的是，磁场传感器被紧固在罗氏线圈上。根据本专利技术的另一个优选实施方式提出：这些磁场传感器被布置成使得这些磁场传感器的测量方向与该罗氏线圈相切并且沿着该罗氏线圈的主延伸平面。如果导体被布置成以其主延伸方向与罗氏线圈的主延伸方向正交，则与罗氏线圈相切并且沿着罗氏线圈的主延伸平面的方向与由有待测量的直流电流感应产生的磁场线的方向相对应。根据本专利技术的另一个优选实施方式提出：该传感器设备具有用于评估这些磁场传感器的测量值的评估电子器件，其中优选地，该评估电子器件是模拟评估电子器件。有利地，借助于评估电子器件可以将测量出的直流电流的值加到测量出的交流电流的值上。还可以设想的是，评估电子器件同样被配置为用于评估罗氏线圈的测量值。优选地，评估电子器件被配置为用于评估罗氏线圈的测量值、并且用于评估磁场传感器的测量值、并且用于计算由通过导体的直流电流和交流电流构成的总电流。根据本专利技术的另一个优选实施方式提出：该评估电子器件具有低通滤波器。因此可以滤除不期望的高频信号，这引起对测量结果的改善。根据本专利技术的另一个优选实施方式提出：该评估电子器件针对每个磁场传感器具有前置放大器，其中该评估电子器件具有放大器，其中优选地，这些前置放大器被配置为用于各自以前置放大系数进行前置放大，其中这些前置放大系数与相应的磁场传感器至其最相邻的磁场传感器的间距成比例。相应的前置放大系数应被选择成使得斯托克斯(Stokes)积分的黎曼-斯蒂尔杰斯(Riemann-Steltjes)式离散(Ampère’schesGesetz，安培定律)可以全部被映射至恒定的前置放大系数上。因此，借助于安培定律得出电流为其中Γ是闭合的环路，该环路被布置成穿过磁场传感器并且近似地沿罗氏线圈的走向而布置。dγ是曲线Γ的矢量路径元素(Wegelement)。B是磁场，C是常量，以及ri是第i个磁场传感器的位置矢量。‖ri-r(i-1)‖是第i个磁场传感器至最相邻的传感器的间距，并且‖ri+1-r(i-1)‖是在环路Γ上相对于第i个磁场传感器的两侧的路径元素。优选地，通过所属的电阻Ri、Rj、…的对应大小得出磁场传感器i、i本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量通过导体(2)的直流电流和交流电流的传感器设备(1)，其中该传感器设备(1)具有罗氏线圈(3)，其中该罗氏线圈(3)的主延伸平面与该导体(2)的主延伸方向大体上正交，其中该导体(2)被该罗氏线圈(3)围绕，其特征在于，该传感器设备(1)具有多个磁场传感器(4)。/n

【技术特征摘要】
20190201 DE 102019102567.21.一种用于测量通过导体(2)的直流电流和交流电流的传感器设备(1)，其中该传感器设备(1)具有罗氏线圈(3)，其中该罗氏线圈(3)的主延伸平面与该导体(2)的主延伸方向大体上正交，其中该导体(2)被该罗氏线圈(3)围绕，其特征在于，该传感器设备(1)具有多个磁场传感器(4)。


2.根据权利要求1所述的传感器设备(1)，其中这些磁场传感器(4)是霍尔传感器。


3.根据前述权利要求之一所述的传感器设备(1)，其中这些磁场传感器(4)被布置在该罗氏线圈(3)的主延伸平面中，其中优选地，该罗氏线圈(3)被布置在该导体(2)与这些磁场传感器(4)之间。


4.根据前述权利要求之一所述的传感器设备(1)，其中这些磁场传感器(4)被布置在围绕该导体(2)的环形面上，其中优选地，该导体(2)被布置在该环形面的中心点，其中特别优选地，沿着该环形面的相邻的磁场传感器(4)之间的间距是相等的。


5.根据前述权利要求之一所述的传感器设备(1)，其中这些磁场传感器(4)被布置成使得这些磁场传感器(4)的测量方向与该罗氏线圈(3)相切并且沿着该罗氏线圈(3)的主延伸平面。


6.根据前述权利要求之一所述的传感器设备(1)，其中该传感器设备(1)具有用于评估这些...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·格利茨，
申请(专利权)人：保时捷股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE