用于采集直流电流的测量装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于采集在电导体中流动的直流电流的测量装置。此外，本发明涉及一种用于采集在电导体中流动的直流电流的方法。


背景技术：

2.在技术设备、开关柜、插入式结构单元或楼宇自动化设备中，缆线或母线用于能量分配。日益增长的环境意识和不断上升的能量成本要求避免能量浪费，并且特别是要求有效地利用电能。为此所需的能量管理需要对作为输入参量的能量分配进行详细监视。在此，到与供电网络连接的耗电器中的能量流动是特别受关注的。为了能够运行能量管理，特别地，必须采集在供电网与耗电器之间的电导体中流动的电流。
3.2012年5月3日的de 102010043254 a1(siemens ag)公开了一种用于监视电气系统(例如耗电器分支)的至少一个相的测量系统，其中霍尔传感器用作电流测量设备。利用基于霍尔效应的霍尔传感器，可以非接触地测量直流电流：在这种电流测量中，借助霍尔传感器，测量与电流成比例的、围绕电流流过的电导体的磁通量。如果布置在该磁场中的霍尔传感器的控制电流保持恒定，则霍尔传感器中产生的霍尔电压uh与磁场的磁场强度成比例，并且由此与导体电流成比例。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是，提供一种改进的用于采集在电导体中流动的直流电流的测量装置。此外，本发明要解决的技术问题是，提供一种改进的用于采集在电导体中流动的直流电流的方法。
5.提供改进的测量装置的技术问题通过用于采集在电导体中流动的直流电流的测量装置来解决，该测量装置包括：电导体；电流测量单元，其具有至少两个用于采集由直流电流产生的磁场的磁场传感器；以及过滤器单元，其用于使在磁场传感器的位置处的不是由直流电流产生的磁场均匀化。
6.测量装置用于采集流过电导体的直流电流。通过采集获得的目标参量是直流电流的电流强度i。
7.测量装置包括电导体，例如电流缆线、布置在电路板(例如pcb(＝printed circuitboard印刷电路板))上的印刷导线或者母线。
8.测量装置包括电流测量单元，该电流测量单元具有至少两个磁场传感器，其用于采集由直流电流产生的磁场。每个直流电流都会产生围绕该直流电流的磁场：在回路闭合的情况下，围绕电导体形成磁场。在此，磁场垂直于载流导体本身起作用。磁感线圆形地围绕导体布置，导体构成磁场的中点。
9.任何磁敏传感器都可以用作磁场传感器，特别是基于以下效应中的至少一种的传感器：霍尔效应、amr(＝anisotropermagneto-resistivereffekt，各向异性磁阻效应)、gmr(＝giantmagneto-resistance，巨磁阻)。
10.测量装置还包括过滤器单元，其用于均匀化在磁场传感器的位置处的外部磁场，即不是由流过电导体的直流电流产生的磁场。与均匀电场类似，均匀磁场具有以下特性：其在每个位置处都具有相同强度并且是相同取向的。如果在磁场的两点之间既没有通量变化又没有场强差异，并且是保持恒定的场，其磁感线全部都平行地在相同的方向上延伸，则称为均匀磁场。
11.提供改进的方法的技术问题通过用于采集在电导体中流动的直流电流的方法来解决，其中，至少两个磁场传感器布置在由直流电流产生的磁场区域中；其中，在磁场传感器的位置处的不是由直流电流产生的外部磁场被均匀化；其中，借助磁场传感器采集由直流电流产生的磁场和叠加在其上的均匀化的磁场；并且其中根据磁场传感器的测量信号确定直流电流的强度。
12.该方法用于采集在电导体中流动的直流电流。在此，至少两个磁场传感器布置在由直流电流产生的磁场的区域中。以如下方式影响不是由直流电流产生的外部磁场，使得该外部磁场在磁场传感器的位置处作为均匀磁场而存在。由直流电流产生的磁场以及叠加在其上的均匀化的磁场借助磁场传感器来采集。最后，根据磁场传感器的测量信号确定直流电流的强度。
13.本发明基于以下发现：不可能以经济上可接受的开销将一个或多个外部磁场从磁场传感器的位置处的测量装置完全移开。如果一个或多个外部磁场可以从磁场传感器位置处的测量装置完全移开，则唯一的磁场传感器就足以采集由直流电流产生的磁场，因为在这种情况下只存在一个未知变量：待测量的磁场，该磁场由流过电导体的直流电流产生。然而，由于以经济上可接受的开销不可能将一个或多个外部磁场从磁场传感器的位置处的测量装置完全移开，因此本发明基于：借助过滤器单元来使一个或多个外部磁场尽可能地均匀。由于一个或多个外部磁场没有移开，而是被均匀化，因此在磁场传感器的位置存在两个叠加的磁场：(a)待测量的磁场，其由流过电导体的直流电流产生，以及(b)一个或多个外部磁场，其作为干扰场起作用。因此，由于存在两个未知变量，即不同起源的两个磁场，因此需要至少两个磁场传感器，以便能够从外部磁场中区分出并且确定待测量的磁场，例如可以借助计算单元中的算法来算出。通过根据本发明的这种结构，实现了使在磁场传感器的位置处的(例如以圆弧或其他扭曲场的形式)的非均匀的外部干扰磁场均匀化。与传统电场相比，外部干扰磁场不会被测量装置转移或屏蔽，而是以这种均匀化的形式穿过测量装置。
14.不均匀的外部磁场在待测量的磁场的每个位置处对合成的磁场有不同的贡献，待测量的磁场即由流过电导体的直流电流产生的磁场，合成的磁场由外部磁场和待测量的磁场的叠加而形成。因此，待测量的磁场受到严重歪曲，无法对测量值进行简单校正。相反，均匀的外部磁场在待测量的磁场的每个位置处对合成的磁场有相同的贡献。因此，在待测量的磁场的每个位置处，外部磁场仅导致待测量的磁场的场强的恒定偏移。因此，简单地通过从测量值中减去由外部磁场产生的恒定偏移，即可进行对磁场传感器的测量值的简单校正。
15.通过根据本发明的测量装置，防止了在基于磁场测量的电流测量中一并测量了外部干扰磁场(即不是由待测量的直流电流产生的磁场)并且由此歪曲了电流测量。外部干扰磁场例如可归因于地球磁场、来自布置在电导体附近的永磁体的磁场、或来自在电导体附近流动的其他电流的磁场。g来自电场的已知屏蔽设计不能转用到直流(dc)应用上，因为在
直流(dc)应用中，不可能放电到地(dc＝direct current)。
16.根据本发明的测量装置放弃了借助由金属构成的封闭壳体的对外部干扰磁场的屏蔽，因为屏蔽带来了许多问题：在组装金属屏蔽壳体时，电导体、电路板、印刷电路板或其他的设备部分可能必须穿过屏蔽壳体。然而，开口会削弱屏蔽，并且锐利的边缘会导致过强的场并可能抵消过滤或屏蔽。此外，在许多情况下，在封闭壳体的情况下，不可能符合电压距离和esd(esd＝electro-static discharge，静电释放)规定。通过放弃难以执行且结构成本高的解决方案，根据本发明的测量装置消除了所有这些问题。
17.在从属权利要求中说明了本发明的有利的设计方案和扩展方案。在此，根据本发明的方法还可以对应于相关的设备权利要求来进一步地构建，反之亦然。
18.根据本发明的优选的设计方案，过滤器单元具有两个过滤器元件，电导体和磁场传感器布置在这两个过滤器元件之间。优选地，过滤器元件是平坦的，即平的。如果过滤器元件不是平的，而是例如凸出或凹入弧形，则两个过滤器元件之间的“均匀化的”磁场将不再完全均匀。优选地，过滤器元件是平面的：平面的过滤器元件在结构上是最简单和最有效的。然而，过滤器元件在此不必被构建为连续的平板，而是允许过滤器元件具有网格或孔，类似于法拉第笼。
19.根据本发明的优选的设计方案，平面的过滤器元件以平板电容器的平板的方式基本上彼此平行地布置。因此，过滤器元件包围长方体体积，在该长方体体积中一个或多个外部磁场被均匀化。
20.根据本发明的优选的设计方案，过滤器元件具有带有磁导率数μr》1的铁磁材料。优选地，过滤器元件具有铁磁材料，其在1000a/m的磁场强度h下具有μr》1000的磁导率数。例如，过滤器元件由符合din en10106:2016-03的硅钢或m 330-50a或m 530-50a电工钢片制成。
21.根据本发明的优选的设计方案，过滤器元件中的至少一个与电导体具有距离a，并且电流测量单元具有至少两个磁场传感器，其以距离b相邻地布置，其中，距离a大于或等于距离b。针对过滤器元件的布置原则上成立的是：i)过滤器元件与磁场传感器和/或电导体的距离越大，则过滤器元件的材料受到的磁场的影响就越小，该磁场由流过电导体的直流电流产生。如果距离a大，则更多的不期望的场将被均匀化并且有用信号、即由流过电导体的直流电流产生的磁场的未受影响的分量将更大。在此，过滤器元件的位置不得与电流测量单元对称。ii)过滤器元件的侧向延伸越大，则可“侧向”侵入测量装置的干扰磁场可以越小。iii)过滤器元件越厚，则其磁饱和越低。在磁饱和的区域中，磁导率显著下降；因此，在该应用中不期望出现磁饱和。
22.根据本发明的优选的设计方案，电流测量单元布置在印刷电路板上。这提供了以下优点：也可以简单地集成另外的电气构件和电子构件，例如用于构建用于传输测量结果、例如用于传输到云的通信接口的通信构件。此外，这提供了以下优点：使得测量装置的紧凑和模块化构建方式更加容易，由此可以节省成本和结构空间。
23.根据本发明的优选的设计方案，电导体布置在印刷电路板上。这提供了以下优点：使得测量装置的紧凑和模块化构建方式更加容易，由此可以节省成本和结构空间。
24.根据本发明的优选的设计方案，电流测量单元包括计算单元、例如处理器，其根据磁场传感器的磁场信号计算在电导体中流动的直流电流。优选地，计算单元和电流测量单
元和/或电导体布置在同一印刷电路板上。对于磁场传感器被构建为霍尔传感器的情况，磁场信号以霍尔电压uh的形式存在。在待测量的磁场的每个位置处，均匀化的外部磁场提供相等的霍尔电压，即霍尔电压的恒定偏移，该霍尔电压由待测量的磁场产生。因此，简单地通过将由均匀化的外部磁场产生的恒定霍尔电压从由磁场传感器作为待测量的磁场与均匀化的外部磁场的叠加而测量的霍尔电压中减去，可以实现对由磁场传感器测量的霍尔电压的简单校正。如果磁场传感器相对于待测量的磁场对称布置，使得霍尔电压既呈现正值又呈现负值，则这可以简单地进行。
附图说明
25.结合以下对结合附图更详细地阐述的实施例的描述，上面所描述的本发明的特性、特征和优点以及如何实现其的方式将变得更加清楚并且更显著地容易理解。在此，以示意图的方式：
26.图1示出了在没有外部干扰磁场的情况下的传统的电流测量单元；
27.图2示出了在存在外部干扰磁场的情况下的传统的电流测量单元；
28.图3示出了在没有外部干扰磁场的情况下的根据本发明的测量装置；
29.图4示出了在存在外部干扰磁场的情况下的根据本发明的测量装置；
30.图5示出了适合作为平板状过滤器元件的示例性的铁磁材料的磁导率数的走向；
31.图6示出了根据本发明的测量装置的另外的实施方案；
32.图7示出了由电流流过的导体产生的待测量的磁场；
33.图8示出了外部非均匀磁场；以及
34.图9示出了由过滤器单元均匀化的外部磁场。
具体实施方式
35.图1示出了布置在印刷电路板3的第一表面31上的直线电导体5的截面，该直线电导体以方形横截面的母线的形式示出，由于施加在电导体5上的电压差，沿该直线电导体的纵轴有直流电流流动。在此，技术上的电流方向、即从正极到负极的电流方向进入绘图平面中，使得根据右手螺旋定则，由电流流动产生的磁场的磁感线6的旋转方向为顺时针方向。
36.在印刷电路板3的相对于印刷电路板3与第一表面31相对布置的第二表面32上，布置有电流测量模块2，该电流测量模块2具有作为磁场传感器的四个霍尔传感器1a至1d，这些霍尔传感器串联地横向于电导体5地布置。这些霍尔传感器1a至1d采集霍尔传感器中产生的霍尔电压uh，该霍尔电压uh与磁场的场强成比例，并且由此与导体电流成比例，并经由信号线14将电压值发送到计算单元12，在那里根据所收集的电压值计算在电导体5中流动的直流电流的强度。
37.图2在图1的基础上，示出了外部不均匀磁场7叠加在由电流流动产生的磁场6上的情况，该外部不均匀磁场7例如是地球磁场或永磁体磁场，或者该外部不均匀磁场7由未示出的另外的电流流过的导体而产生。由于叠加在待测量的磁场6(即，有用信号)上的外部磁场7的不均匀性是未知的，正如在实践中的情况那样；因此，不可能单独确定待测量的磁场6的强度。也无法准确地指示在电导体5中流动的直流电流强度。
38.图3在图1的基础上，示出了根据本发明的测量装置。为简化起见，在此已省略信号
线14和计算单元12的图示。相较于图1中所示出的装置，图3中所示出的根据本发明的测量装置具有过滤器单元8，该过滤器单元8用于使在磁场传感器1a、1b、1c、1d的位置处的不是由电导体5中的直流电流产生的磁场均匀化。在此，过滤器单元8由两个基本上彼此平行布置的平板状过滤器元件8a和8b来构建，在平板状过滤器元件8a和8b之间布置有电导体5和磁场传感器1a、1b、1c、1d。在此，过滤器元件中的一个8a与电导体5具有距离a。两个相邻的磁场传感器1b、1c彼此具有距离b，其中距离a大于距离b。
39.图4在图3的基础上，示出了外部不均匀磁场7叠加在由电流流动产生的磁场6上的情况，该外部不均匀磁场7例如是地球磁场或永磁体磁场，或者该外部不均匀磁场7由未示出的另外的电流流过的导体而产生。由于过滤器单元，外部磁场7在两个平板状过滤器元件8之间具有均匀的、即平行延伸的相等磁场强度的磁感线9，即，外部磁场7在两个平板状过滤器元件8之间被均匀化。
40.通过在两个平板状过滤器元件8之间实现的、对叠加在待测量的磁场6(即，有用信号)上的外部磁场的均匀化9，现在可以借助安装在计算单元12中的算法基于磁场传感器1a、1b、1c、1d的信号来单独地确定待测量的磁场6的强度。因此可以准确地指示在电导体5中流动的直流电流的强度，而其不会被外部磁场歪曲。
41.图5以具有沿x轴以a/m为单位的磁场强度h和沿y轴的无量纲的磁导率数μr的h-μr线图，示出了依据磁场强度h的磁导率数μr的走向16、18，所述走向16、18针对适用于平板状过滤器元件的两种示例性的铁磁材料，即，走向16针对m 330-50a电工钢片的磁导率数μr，以及走向18针对m530-50a电工钢片的磁导率数μr，这些电工钢片分别具有0.50mm的钢片厚度。针对两种材料，磁导率数μr的走向大致相同：直至80或100a/m范围内的磁场强度h，磁导率数上升，在80或100a/m时达到最大值，此后持续下降。选择这两种材料的理由是，在1000a/m的磁场强度h下，其依旧仍然具有μr》1000的磁导率数。
42.两种电工钢片类型仅应被理解为针对合适材料的示例，而不是限制性的；其他铁磁材料也可以用于制造过滤器元件。
43.图6是穿过根据本发明的测量装置的另外的实施方案的截面。在印刷电路板3内，布置有方形横截面的直线电导体5，由于施加在电导体5上的电压差，沿该直线电导体的纵轴有直流电流流动。在此，技术上的电流方向、即从正极到负极的电流方向进入至绘图平面中，使得根据右手螺旋定则，由电流流动产生的磁场的磁感线6的旋转方向为顺时针方向。
44.在印刷电路板3的表面32上，布置有电流测量模块2，该电流测量模块2具有作为磁场传感器的四个霍尔传感器1a至1d，这些霍尔传感器串联地横向于电导体5地布置。这些霍尔传感器1a至1d采集霍尔传感器中产生的霍尔电压uh，该霍尔电压uh与磁场的场强成比例，并且由此与导体电流成比例，并经由信号线14将电压值发送到计算单元12，在那里根据所收集的电压值计算在电导体5中流动的直流电流的强度。
45.测量装置10具有过滤器单元8，其用于使在磁场传感器1a、1b、1c、1d的位置处的不是由电导体5中的直流电流产生的磁场均匀化。过滤器单元8包括两个平板状过滤器元件8a和8b，其布置在电导体5和磁场传感器1a、1b、1c、1d的相对置的侧上。在此，第一过滤器元件8a由第一支撑元件22在与电导体5相距距离a处保持就位，该第一支撑元件22支撑在印刷电路板3上并固定到印刷电路板3上。第二过滤器元件8b由第二支撑元件20在与电导体5相距距离a处保持就位，该第二支撑元件20与第一支撑元件22连接。以该方式，两个过滤器元件
8a、8b相对于彼此和相对于印刷电路板3、并且还相对于电导体5和电流测量模块2布置在固定的、所定义的位置处。
46.图7至图9示出了过滤器单元在分解为子分量的磁场强度方面的均匀化效果。
47.图7示出了待测量的磁场6，该磁场由电流流过的导体5产生。布置在位置1b和1c处的霍尔传感器被定向为使得该霍尔传感器仅在用
┴
表示的横向方向上测量用h来说明的磁场6的磁场强度。布置在第一位置1b处的霍尔传感器在存在于所述第一位置1b处的磁场强度hb中仅测量横向分量hb┴
，而平行分量h
b||
对霍尔传感器的信号没有贡献。布置在第二位置1c处的霍尔传感器在存在于所述第二位置1c处的磁场强度hc中仅测量横向分量hc┴
，而平行分量h
c||
对霍尔传感器的信号没有贡献。应该注意的是，由于两个霍尔传感器相对于载流的电导体5对称定位，第一横向分量hb┴
和第二横向分量hc┴
具有不同的符号。
48.图8示出了外部非均匀磁场7，其不是由电流流过的导体5产生，而是由例如永磁体产生。布置在位置1b和1c处的霍尔传感器被定向为使得该霍尔传感器仅在用
┴
表示的横向方向上测量用g来说明的磁场7的磁场强度。布置在第一位置1b处的霍尔传感器在存在于所述第一位置1b处的磁场强度gb中仅测量横向分量gb┴
，而平行分量g
b||
对霍尔传感器的信号没有贡献。布置在第二位置1c处的霍尔传感器在存在于所述第二位置1c处的磁场强度gc中仅测量横向分量gc┴
，该横向分量gc┴
由于磁场7的走向与磁场强度gc相同。
49.图9示出了外部均匀磁场9，其由过滤器单元根据图8中所示出的非均匀磁场7产生。布置在位置1b和1c处的霍尔传感器被定向为使得该霍尔传感器仅在用
┴
表示的横向方向上测量用f来说明的磁场9的磁场强度。布置在第一位置1b处的霍尔传感器在存在于所述第一位置1b处的磁场强度fc中仅测量横向分量fc┴
，该横向分量fc┴
由于磁场9的走向与磁场强度fb相同。布置在第二位置1c处的霍尔传感器在存在于所述第二位置1c处的磁场强度fc中仅测量横向分量fc┴
，该横向分量fc┴
由于磁场9的走向与磁场强度fc相同。
50.应该注意的是，由于磁场9的均匀性，两个横向分量fb┴
和fc┴
大小相等。因此，在位置1b、1c处由两个场强h和f的横向分量的叠加所合成的霍尔传感器的信号可以简单地排除由均匀化的磁场9所产生的恒定分量fb┴
＝fc┴
，以获得实际的待测量的磁场6的值，该磁场由电导体5中的电流流动产生。