用于测量电导体中的电流的装置和方法与流程

本发明基于一种用于测量电导体中的电流的装置，其中，所述装置包括用于检测所述电流的检测装置，其中，所述装置包括用于屏蔽所述电导体与所述检测装置之间的耦合的屏蔽装置。

背景技术：

这种装置是从现有技术中已知的。

举例而言，文献US 2006/0232265 A1公开了一种用于测量电流的装置，其中，所述装置包括罗氏线圈(Rogowski-Chattock-Spule)以及连接至所述罗氏线圈的电路。在这种情况下，罗氏线圈和电路各自具有屏蔽件，其中，这两个屏蔽件具有与地的连接。在这种情况下，罗氏线圈的屏蔽件防止或减少了作用在罗氏线圈与待测量电导体之间的电容。

而且，文献US 2014/0340072 A1公开了一种罗氏线圈，所述罗氏线圈包括其本身与有待由所述罗氏线圈测量的电导体之间的屏蔽件。在这种情况下，屏蔽件防止或减少了作用在罗氏线圈与电导体之间的电容。

文献2012/0243140 A1公开了一种电流测量布置，其中，有待测量的导体被线圈环绕，并且在所述线圈与所述导体之间设置了电介质材料。

另外，文献WO 2015/104189 A1公开了一种包括两个屏蔽件的罗氏线圈，其中，在待测量电导体与罗氏线圈之间设置电介质材料，并且在屏蔽件之间设置绝缘件。

而且，文献US 2015/0293150 A1公开了一种包括电流传感器的电子车辆部件，其中，屏蔽件保护所述电流传感器免受开关的磁场的影响。

在从现有技术已知的用于测量电导体中的电流的装置的情况下，经常使用罗氏线圈，其中，所述罗氏线圈环绕待测量电导体，以便通过罗氏线圈中所感生的电压来测量电导体中的电流。在电动车辆中以及在机动车辆的电力电子系统中，极高电压的发生率越来越高，所述极高电压可以通过其电场耦合至罗氏线圈从而可以破坏罗氏线圈的测量结果。为了防止这种破坏，经常将处于固定电势的屏蔽件定位在罗氏线圈与待测量电导体之间，所述屏蔽件防止或减小了电耦合。然而，使用这种屏蔽件减小了罗氏线圈的测量带宽，因为屏蔽件构成了电容并单独地像电容一样作用于罗氏线圈。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种对现有技术的用于测量电导体中的电流的替代性装置。在这种情况下，所述装置应该优选地允许特别准确且简单地测量电流。

本发明的目的是通过如下项1-9来实现的。

1.一种用于测量电导体中的电流的装置，其中，所述装置包括用于检测所述电流的检测装置，其中，所述装置包括用于屏蔽所述电导体与所述检测装置之间的耦合的屏蔽装置，其特征在于，所述屏蔽装置被设计的方式为使得能够控制对所述耦合的屏蔽。

2.如上述1所述的装置，其中，所述屏蔽装置至少部分地被布置在所述电导体与所述检测装置之间。

3.如前述中任一项所述的装置，其中，所述检测装置包括罗氏线圈。

4.如上述1或2所述的装置，其中，所述屏蔽装置包括电势控制屏蔽件。

5.如上述1或2所述的装置，其中，所述屏蔽装置包括用于控制所述电势控制屏蔽件的控制单元。

6.如上述5所述的装置，其中，所述控制单元被配置的方式为使得所述检测装置的电势被施加到所述电势控制屏蔽件。

7.一种用于具体使用如前述项之一所述的装置来测量电导体中的电流的方法，其中，使用所述装置的检测装置来检测所述电流，其中，使用所述装置的屏蔽装置来屏蔽所述电导体与所述检测装置之间的耦合，其特征在于，使用所述屏蔽装置来控制对所述耦合的屏蔽。

8.如上述7所述的方法，其中，由所述屏蔽装置的控制单元控制所述屏蔽装置的电势控制屏蔽件。

9.如上述8所述的方法，其中，所述电势控制屏蔽件由所述控制单元控制，其方式为使得所述检测装置的电势被施加到所述电势控制屏蔽件。

通过一种用于测量电导体中的电流的装置来实现该目的，其中，所述装置包括用于检测所述电流的检测装置，其中，所述装置包括用于屏蔽所述电导体与所述检测装置之间的耦合的屏蔽装置，其中，所述屏蔽装置被设计的方式为使得可以控制对所述耦合的屏蔽。

根据本发明的装置优于现有技术的优点是：对耦合的可控屏蔽允许特别准确且简单地测量电流。

所述耦合优选地包括电容性耦合。

通过参考附图可以从以上项2-6及从说明书中获得本发明的有利的优化和发展。

根据本发明的优选实施方案，提供的是屏蔽装置至少部分地被布置在电导体与检测装置之间。这允许特别简单地控制对耦合的屏蔽并且还允许有效的屏蔽。

根据进一步优选的实施方案，提供的是检测装置包括罗氏线圈。这允许已经在各种应用领域中测试过的特别实际的检测装置。这因此允许特别准确且简单地测量电流。

根据优选的实施方案，提供的是屏蔽装置包括电势控制屏蔽件。电势控制屏蔽件可以用于特别有利地将屏蔽件的电势与检测装置的(优选地，罗氏线圈的)电势进行匹配，并因此避免或最小化电势控制屏蔽件与检测装置(优选地，罗氏线圈)之间的电势差。

根据本发明的优选实施方案，提供的是屏蔽装置包括用于对电势控制屏蔽件进行控制的控制单元。根据本发明，所述控制单元优选地包括或是反馈环路，所述反馈环路优选地耦合至检测装置。这有利地允许具体地以与应用于检测装置(优选地，应用于罗氏线圈)的电压相匹配的方式来控制电势控制屏蔽件。

根据本发明的优选实施方案，提供的是控制单元被配置的方式为使得检测装置的电势被施加到电势控制屏蔽件。这具有的特别有利的效果是：与现有技术相比，减小或避免了电势控制屏蔽件与检测装置(优选地，罗氏线圈)之间的电容效应。

本发明的进一步主题是一种用于具体使用根据本发明的装置来测量电导体中的电流的方法，其中，使用所述装置的检测装置来检测所述电流，其中，使用所述装置的屏蔽装置来屏蔽所述电导体与所述检测装置之间的耦合，其中，使用所述屏蔽装置来控制对所述耦合的屏蔽。根据本发明的装置的优点也相应地适用于根据本发明的方法。

根据本发明的进一步优选实施方案，提供的是由屏蔽装置的控制单元来控制屏蔽装置的电势控制屏蔽件。

本发明还优选地提供了所述电势控制屏蔽件由所述控制单元控制，其方式为使得所述检测装置的电势被施加到所述电势控制屏蔽件。

附图说明

从附图中并且还从通过参考附图而对优选实施方案进行的以下说明中，可以得出发明的进一步细节、特征和优点。在此，附图仅仅展示了本发明的、不对本发明的基本概念进行限制的示例性实施方案。

图1至图3和图6示出了从现有技术已知的用于测量电导体中的电流的装置。

图4和图5示出了从现有技术已知的用于测量电导体中的电流的装置的等效电路图。

图7至图13示出了本发明的示例性实施方案。

具体实施方式

准确的电流测量结果是电力电子技术和EMC技术的核心要素。由于控制环路，电流测量结果一般直接确定了整体系统的质量。

电流测量结果的核心质量特性包括以下各项：

--高频谱带宽(低频率处和高频率处)

--小测量偏差(恒定误差)

--低漂移(波动误差)

--可控误差

--高动态范围(关于振幅的测量范围)

--准确相位测量结果(例如，对电流过零的准确时间检测)

以非常高的动态范围(从μA(微安)到kA(千安))及高准确度水平对交流电进行检测一般借助于其磁场来进行。在这个过程中，除了经常经受高测量偏移的霍尔传感器之外，一般罗氏线圈突出，罗氏线圈在没有磁芯并因此没有使得高频测量困难的磁惯性的情况下使用。

使用有待放置在测量电流周围的环形线圈的罗氏线圈是已知的，例如从“Proceedings of the Physical Society of Londong(伦敦物理学会报告)23-26页，A.P.Chattock(1887)，On a magnetic potentiometer(关于磁性电位计)”以及“Archiv für Elektrotechnik(电气工程档案)，1(4):141-150，W.Rogowski和W.Steinhaus(1912)，对磁性电压的测量：对磁场强度的线性积分的测量(Die Messung der magnetischen Spannung:Messung des Linienintegrals der magnetischen Feldstarke)”。相比之下，例如从“欧洲PCIM 1617-1624页，S.Hain,M.Bakran(2014)，以电感电流传感器进行高度动态电流测量——数值方法(Highly dynamic current measurements with inductive current sensors-a numerical recipe)”同样已知多种装置，其中，线圈不一定环绕电导体。

罗氏线圈允许从毫赫范围到兆赫范围的非常高的带宽，但生成通过磁感应产生并因此与测量电流的导数成比例的测量信号。出于这个原因，可以不对DC电流进行测量。

图1至图3和图6示出了从现有技术已知的用于测量电导体3中的电流的装置1，其中，每个装置1在每种情况下包括罗氏线圈9。

罗氏线圈的测量原理是基于磁感应。在此，例如，与待测量对象的电耦合或由其他设备造成的电磁干扰(elektromagnetische Einstreuungen，EMI)使测量结果失真，其结果是产生测量误差。然而，特别是在如电力电子装置中和电动车辆中所使用的高电压的情况下，与测量电流的电气或电容性耦合或由电场所生成的耦合可以不再被忽略。

因此，现有技术讨论了对线圈的屏蔽，但这具有的技术缺陷是所述屏蔽显著地减小了带宽，尤其是在高频率下。

从现有技术已知的装置1的进一步缺陷是，由于测量信号的高阻抗或由于从线圈流入测量放大器中并且不足以能够使信号稳定以对抗干扰的仅低电流，例如电导体3的弱电压信号也可以被耦合到测量信号中。

图4和图5示出了从现有技术已知的用于测量电导体中的电流的装置的等效电路图。

在此，图4通过附加电容15以简化的等效电路图描述了如从现有技术已知的屏蔽件造成的可以由罗氏线圈9测量的带宽减小。如图4中通过示例示出的，屏蔽件在屏蔽件的接地连接与测量线圈9之间形成电容器15。图4还示出了使用进一步的电容器17和电压源19对测量电流的不期望干扰或电耦合。而且，图4利用电流源21示出了感生测量信号。第一电阻器23、第二电阻器25以及用于评估单元的两个连接部27完成了图4中的简化等效电路图。所有的电容与电感一起形成了可以将测量带宽减小多个数量级的滤波器或谐振。

图5示出了具体为π等效电路图的进一步简化的等效电路图，示出了：除了线圈导体9与屏蔽件之间的电容15之外，另外的电容29还可以产生于导体之间并造成干扰，尤其是在高频率，只要由于短波长而形成了罗氏线圈9的连续线匝之间的相位差。

图6示出了：为了最好的可能屏蔽结果，屏蔽件环绕罗氏线圈的全部导体并且还填充了导体之间的中间空间。为此，屏蔽件包括屏蔽部31以及还有用于增大距离并因此用于减小电容的隔离器33或间隔器。屏蔽件还包括针对罗氏线圈9的线匝37之间的电容的附加屏蔽部35。因此，产生了绝缘的线圈导体37。然而，图6中所示实施方案的一个缺点是，屏蔽件与线圈导体37之间的电容增大，至少近似地随着表面并反比例地随着距离而升高。

图7至图13示出了本发明的示例性实施方案。在此，用于测量电导体3中的电流的装置1包括检测装置5和屏蔽装置7。在此，检测装置5被提供用于检测电流，并且屏蔽装置7被提供用于屏蔽电导体3与检测装置5之间的耦合。屏蔽装置7还被设计的方式为使得可以控制对耦合的屏蔽。举例而言，检测装置5包括罗氏线圈9，并且屏蔽装置7包括电势控制屏蔽件11。屏蔽装置7进一步包括用于对电势控制屏蔽件11进行控制的控制单元13，并且控制单元13优选地被配置的方式为使得检测装置5的电势被施加到电势控制屏蔽件11。

如图7至图9中所示，屏蔽装置7(优选地，电势控制屏蔽件11)至少部分地被布置在电导体3与检测装置5之间。

示例性实施方案可以有利地用于减小(基本上从现有技术已知的)屏蔽件对检测装置5以及因此对用于测量电导体3中的电流的测量信号的电容性影响。举例而言，除了如从现有技术已知的距离的增加之外，可以进一步减小电容对屏蔽的影响。由于屏蔽装置7被设计的方式为使得可以控制对耦合的屏蔽，电容的效果会由于电容两端的电压差被最小化而被减小或完全消除。本发明的一种观点是不使用从现有技术已知的连接至例如地或另一固定电势的无源屏蔽件。相反，使用经受开环或闭环控制的屏蔽件11。在此，优选地提供的是，电势控制屏蔽件11的电势基本上被控制为测量线圈的或罗氏线圈9的线路的电势。特别优选地提供的是，电势控制屏蔽件11的电势基本上被控制为罗氏线圈9的线路的电势，其方式为使得电势控制屏蔽件11的电势遵循罗氏线圈9的线路的电势的时间轮廓。结果是，有利地可能将电势控制屏蔽件11与罗氏线圈之间的电容两端的电压差最小化。结果是，可有利地最小化或避免附加电容以及还有由于附加电容而发生的谐振的滤波效果。

而且，还有利的是，驱动或电势控制屏蔽件11本身由于主动控制而稳定。

根据本发明，进一步提供的是装置1包括另一个屏蔽件39，优选地是常规的接地屏蔽件，其中，所述另一个屏蔽件39被设计的方式为使得所述另一个屏蔽件39至少部分地环绕电势控制屏蔽件11。这允许特别稳定的电势控制屏蔽件11。这在图8至图13中通过示例被示出。

图8使用等效电路图示出了本发明的示例性实施方案。在此，检测装置5包括也在图7中被示出的评估单元41，其中，所述评估单元41包括仪表放大器。在此，例如提供的是所述仪表放大器包括三个运算放大器43和电阻器25。而且，图8举例示出了控制单元13包括低通滤波器45，优选地为电阻器/电容器组合或RC元件。而且，控制单元13包括电势控制屏蔽件11与可选限流设备49的耦合47。如图8中举例示出的，评估单元41经由罗氏线圈9的平均电势51耦合至控制单元13。

因此，有利地使得反馈路径的放大率<1是可能的并因此提供了装置1，所述装置确保了整体系统特别高的稳定性，并且与现有技术相比，避免了振荡或显著地减小了振荡。具体地借助反馈布置中或控制单元13中或屏蔽装置7中的低通滤波器45抑制或显著地减少高频效应是可能的。

根据本发明，优选地提供的是，低通滤波器45被配置的方式为使得反馈布置中的低通滤波器45的截止频率的波长的一半大于或等于反馈单元或屏蔽装置7的(优选地，控制单元13的)电路的长度或至少是最长电流路径的长度，优选地，装置1中的最长电流路径的长度，特别优选地，屏蔽装置7中的最长电流路径的长度，非常特别优选地，控制单元13或反馈单元中的最长电流路径的长度。作为替代性方案或者另外，特别优选地提供的是，低通滤波器45被配置的方式为使得低通滤波器45的截止频率的波长的一半大于或等于罗氏线圈9的线圈导体长度的长度。

而且，还例如提供的是，与从现有技术已知的装置相比，装置1被设计成特别地小。这有利地允许最小化高电压时的相位差。

图9中所示的示例性实施方案基本上对应于图8中所示的示例性实施方案。然而，图9中所示的评估单元41包括阻抗匹配布置53。

图10示出了本发明的进一步示例性实施方案，其中，装置1包括测量放大器55(优选地，仪表放大器)、平均电势形成布置57(优选地用于形成罗氏线圈9的平均电势51)、放大和/或阻尼布置59(优选地包括运算放大器43和电阻器25)、滤波器61(优选地，低通滤波器45)、以及用于驱动电势控制屏蔽件11的屏蔽件驱动器63。

根据本发明，具体地通过对控制单元13或反馈布置进行修改而提供了图11至图13中所展示的进一步示例性实施方案。这具体地允许对反馈环路的相位偏移和高频效应进行补偿。在此，特别有利地减小了高频率时可能的限制性和可能的稳定极限的效应。例如，以此方式可以减小测量线圈的或罗氏线圈9的共模电势65的反馈环路从一定频率开始的、在中间级上的延迟。因此，有利地避免了将共模信号(优选地，共模正弦信号)(特别优选地，两个线圈连接的平均值)从测量线圈或从罗氏线圈9传输或施加到屏蔽件上或到电势控制屏蔽件11上时的延迟。例如，因此防止从一定频率开始反相地对信号(优选地，共模信号)进行反馈并因此有利地避免了第一谐振。另外，因此可以有利地避免由所述第一谐振所产生的进一步谐振，具体地，如果反馈布置的时延达到周期持续时间的一半的奇数倍。

优选地提供的是，装置1包括补偿滤波器，优选地为可选的常规且优选地均衡滤波器67。因此，尤其在周期性信号的情况下，考虑反馈布置的空载时间和测量线圈的进一步参数，比如例如测量线圈的电容，有利地可能减小高频率时可能的限制性和可能的稳定性限制的效应。例如通过对相位进行补偿来实现这一点。在此，针对特定的频率，相位优选地被增大了又π/2，从而再次展现具有π的倍数的近似总相位。

还特别优选地提供的是，接通合适的模式以对瞬态信号(比如例如脉冲)进行针对性测量，所述模式免除了这种补偿并且相反地衰减了任何反馈，优选地从此谐振频率开始。

还优选的是，反馈布置或控制单元13包括有源信号滤波器。例如通过对耦合进行屏蔽来实现这一点，优选地电导体3与检测装置5之间的耦合，由共模电势或共模信号65以及进一步信号来控制，优选地由输出信号69来控制，特别优选地由这两个线圈连接之差来控制。在图11中通过举例示出了共模信号65和输出信号69或传输这两个信号所经过的导体。图11另外示出了装置1的用于对共模信号65和输出信号69进行组合和/或用于滤波和/或用于振幅匹配和/或用于进一步功能的处理设备71。最终，图11示出了所述装置包括屏蔽件驱动器73。

根据本发明，优选地提供的是，装置1已经包括用于抑制测量线圈中的信号(优选地，共模信号65和/或输出信号)的有源滤波器。因此，装置1的放大器(优选地，仪表放大器)有利地未过载。放大器的过载包括例如：放大器被过驱动、超过放大器的动态极限、由于与相对测量误差有关的更高信号而导致的增大的测量误差、增大共模串扰或者诱发非线性度。

根据本发明还提供的是，特定信号或模式将被隔离和/或以针对性的方式来抑制特定信号分量。根据本发明，例如还提供的是，所述装置包括可调谐滤波器。特别优选地提供的是，所述可调谐滤波器以此方式被配置以便执行傅里叶分析、小波分析和/或相关变换，优选地在物理方面。

与现有技术相反，现有技术避免了第一放大器级上游的(主要是无源的)滤波器，因为这些一般意味着如附加阻尼、电平损失并且提高了噪声(热约翰森-尼奎斯特(Johnson-Nyquist)噪声以及还有散粒噪声两者)，这明显不适用于此。同时在非理想阻抗转换的情况下，此点处的有源滤波器增大了失真。

根据本发明，在有源信号滤波器的情况下，具体地提供的是，提供了对等效直接滤波器进行正向映射。这是特别有利的，因为反馈具有阻尼效应。在此，特别优选地提供的是，用于生成有源输入滤波器的反馈滤波器映射直接无源输入滤波器将具有的频率轮廓(非反相等)。

根据本发明，还有利地提供的是，为了所有频率的更高稳定性，反馈路径的总放大率被选定为<1。

优选地提供的是，装置1包括抗混叠滤波器。在此，抗混叠滤波器被配置的方式为使得可以执行对测量信号的AD转换。在此，例如提供的是，所述滤波器抑制了位于采样率附近且高于所述采样率的光谱分量(见香农定律)。

图12示出了包括有源信号滤波器的装置1。在此，装置1可选地包括常规滤波器67和追踪器75。图12中所示的装置1对信号隔离特别地有利。如果测量信号包含例如多个信号分量或模式，则装置1的有源滤波器可以用于隔离这些分量之一。例如，提供的是有源滤波器包括常规或传统滤波器67。然而，优选地提供的是，有源滤波器包括自适应滤波器或追踪器75。结果是，可以有利地实现更高的信噪比以及与信号的准确匹配。在此，追踪器75还优选地被配置的方式为使得模式可以被追踪器检测到并且可以相对于反馈路径中的进一步信号分量而被放大。追踪器75特别优选地被配置的方式为使得以正向方式进行反馈。追踪器75非常特别优选地被配置的方式为使得放大率<1。根据本发明，另外例如还提供的是，追踪器75被配置的方式为使得可由追踪器75来检测自适应信号变化，优选地，谐波信号情况下的相移或频率变化。根据本发明，追踪器75优选地包括谐振电路、PLL、似然估计器和/或卡尔曼滤波器。在优选的进展中，PLL被配置的方式为使得PLL基于输入信号(例如，来自噪声正弦信号的相关联无噪声且相位、振幅和频率正确的正弦信号)生成响应并将其反馈回去。图12中通过举例展示的追踪器75优选地被提供用于将共模信号65和输出信号69进行组合和/或用于滤波和/或用于振幅匹配和/或用于进一步功能。

还优选地提供的是，装置1被提供用于进行信号抑制，或者装置1的有源滤波器被提供用于进行信号抑制。在此，信号抑制基本上对应于信号隔离，然而，以负向方式进行反馈。例如，提供对来自电源系统的50Hz/60Hz干扰的抑制。

图13示出了包括可调谐滤波器的装置。在此，装置1包括信号发生器77。图13中所展示的处理设备71优选地被提供用于滤波和/或用于振幅匹配和/或用于进一步功能。根据本发明，使用所述可调谐滤波器优选地执行对测量信号的分量进行标识。在此，并非从测量信号生成的、以固定方式预先指定的信号例如出于测试的目的被反馈至电势控制屏蔽件11。在此，可调谐滤波器有利地被配置的方式为使得可以进行信号相关或信号变换，优选地，傅里叶变换。在此，将例如测试信号引入反馈环路中，其中，测量信号对应于加性叠加并且被相应地放大。

根据优选的进一步实施方案，可调谐滤波器被配置的方式为使得：连续地反馈列表中的信号并记录相关联的测量信号，或者相应地，反馈参量信号比如像或小波并改变所述或这些参数并记录相关联的测量信号。

另外，由可调谐滤波器通过一定的频率和相位范围对反馈信号进行调谐，例如用于傅里叶变换。作为替代性方案，可调谐滤波器例如被配置的方式为使得可调谐滤波器进行小波变换，优选地，对测试小波进行拉伸和相移。

下面参照图1至图13通过举例来讨论根据本发明的方法。根据本发明的方法涉及一种用于具体使用根据本发明的装置1来测量电导体3中的电流的方法。在此，使用装置1的检测装置5来检测电流，并且使用装置1的屏蔽装置7来屏蔽电导体3与检测装置5之间的耦合。另外，还使用屏蔽装置来控制对所述耦合的屏蔽。举例而言，进一步由屏蔽装置7的控制单元13来控制屏蔽装置7的电势控制屏蔽件11。电势控制屏蔽件11优选地还由所述控制单元来控制，其方式为使得检测装置5的电势被施加到电势控制屏蔽件11。