用于绝缘地测量电流的设备和用于绝缘地确定电流的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于绝缘地测量电流的设备，其包括:磁性芯体，该磁性芯体具有至少一个测量区域和穿通部，初级导体延伸穿过该穿通部；补偿绕组，其绕制于芯体的在所述测量区域外部的部分；至少一个激励绕组；以及至少一个测量绕组。此外，本发明涉及一种用于在使用前述用于绝缘地测量电流的设备的条件下绝缘地确定电流的方法。
【背景技术】
[0002]所提及的设备通常用于绝缘地测量很高的直流电流，但是也用于测量交变电流，其中，其电流有待被测量的、输送电流的初级导体在磁性芯体中引起磁通量，其与待测量的电流成比例。磁性芯体具有辅助装置，借助其可以影响或者采集其磁场，由此能够间接地测量电流。该原理提供的优点是，输送电流的初级导体无需与磁性芯体或者其辅助装置电连接。这种绝缘式电流测量的装置和方法以不同的方式通过现有技术公开。
[0003]很常见的是使用霍尔探头来采集磁性芯体的磁场。在该原理中，将输送电流的初级导体引导穿过被补偿线圈绕制的磁性芯体，该磁性芯体具有缝隙，在该缝隙中布置有霍尔探头。输送电流的初级导体在磁性芯体中引起磁性初级通量，而补偿绕组引起与通过霍尔探头测量到的磁通量相关的、反作用于初级通量的补偿通量。该测量布置所固有的气隙使得难以无干扰通量地引导磁通量，限制了测量精度并且取决于布置在气隙中的霍尔探头的尺寸。就此而言的基本的现有技术例如是DE-10011047-A1、US-4639665-A或者GB-2237114-Ao
[0004]从GB-1488262-A中已知用于无接触地测量输送电流的初级导体中的直流电流的装置和方法。该装置包括闭合的磁性芯体，其具有激励绕组、测量绕组、补偿绕组和输送电流的初级导体。激励绕组连接于用于产生交变信号的信号源，测量绕组连接于电路的输入端，而补偿绕组连接于电路的输出端。输送电流的初级导体在磁性芯体中感应出磁通量，激励绕组通过在每半周期中的交变电流使得磁性芯体饱和并且由此在测量绕组中产生脉动信号。电路借助激励电压的脉动信号的脉宽比例控制可以引入到补偿绕组中并且可测量的补偿电流，该补偿电流在磁性芯体中感应出磁通量并且补偿通过输送电流的初级导体产生的磁通量。在通过GB-1488262-A公开的装置中，通过激励绕组将磁性芯体的较大部分饱和，这使得磁性芯体易受剩磁影响，并且消耗较多能量。此外，该装置以0.02秒较慢地反应于输送电流的初级导体的电流变化，并且未构建为不仅测量高的直流电流还测量在大的带宽中的交变电流。
[0005]GB-1481263-A示出了用于对输送电流的初级导体进行绝缘的电流测量的测量设备，该输送电流的初级导体在磁性芯体中感应出磁通量。测量设备包括开放的磁性芯体，该磁性芯体具有多个不同宽度的路径，以用于为通过输送电流的初级导体感应出的磁通量提供多个路径。这些路径之一为了避免磁性芯体的磁饱和而具有缝隙，其可以临时变大以便将输送电流的初级导体引入磁性芯体。一对激励绕组绕制于磁性芯体的窄的路径，并且构建于在该路径中感应出在相反方向上交变的磁通量和磁性饱和该路径。测量设备还具有用于将正的和负的感应尖峰进行比较的装置，由此确定流过输送电流的初级导体的电流的强度。对于以根据GB-1481263-A的测量设备进行的电流测量，总是需要具有相应的切换元件的两个激励绕组。不利的是，通过激励绕组将磁性芯体的较大区域饱和，由此，测量设备消耗较多能量。此外未设置补偿绕组，由此无法测量高电流，或者仅能以相应大尺寸的测量设备测量其。此外，芯体的磁性饱和使得该芯体由于不存在补偿绕组而易受剩磁效应影响，其应该通过气隙来抵抗。然而气隙不利地作用于测量精度和可采集的测量区域。
[0006]通过EP-1542025-A1公开了用于以将磁性芯体划分为三个路径的所谓的磁桥来间接采集电流的多种装置和方法。磁桥为此构建为识别其电流应被测量的、输送电流的初级导体的磁场。借助可选的补偿绕组可以补偿输送电流的初级导体的磁通量。所示出的是具有磁桥的装置，在该磁桥中，两个外部路径被各一个正弦形激励的绕组绕制。绕组的激励在此可以相反地以相同幅度进行，由此两个绕组应该在布置在其间的居中的路径中引起抵消的磁通量。如果电流流过初级导体并且接下来通过调整对激励绕组的激励而又重建，则该所谓的“磁性平衡”首先被干扰。通过不同的装置和方法，利用对激励的该调整来间接确定流过输送电流的初级导体的电流。通过EP-1542025-A1示出的装置的缺点是，输送电流的初级导体(只要设有其)被引导通过测量区域，由此会形成在通过输送电流的初级导体在磁桥中引起的磁通量与激励绕组的磁通量之间的所不希望的相互作用。此外，磁性平衡的重建是麻烦且高开销的。此外，通过激励绕组总是在磁性芯体的很大区域中引起交变磁通量并且在许多情况下甚至在整个区域中通过激励绕组引起交变磁通量，由此助长了所不希望的剩磁效应的出现并且提高了能耗。
[0007]EP O 132 745 A2示出了按照零通量原理工作的用于测量直流电流的装置。该装置包括具有峡部的磁性芯体、初级导体、补偿绕组、指示绕组和预磁化绕组，其中，峡部是芯体的缩窄的路段，其例如是通过穿过芯体横截面的至少一个钻孔产生的。指示绕组提供了用于差分放大器的输入参量并且与后者一起使得在补偿绕组中流过这样的电流，该电流在芯体中引起接近O的所得到的通量。预磁化绕组被施加以交变电流。在峡部的区域中，芯体由至少两个磁导体的并联连接构成，其中的一个磁导体不仅承载预磁化绕组而且承载指示绕组。由此应该实现的是，仅芯体的小的体积，即承载预磁化绕组和指示绕组的导体，需要改变磁化。然而不利的是，预磁化绕组在峡部的所有导体中并且在芯体的部分中引起干扰磁通量和噪声，这阻止了在芯体中产生零通量状态并且不利地作用于该装置的测量精度。在一个实施例中，芯体包括两个彼此分离的、各由三个磁导体的并联连接构成的峡部，其中不仅指示绕组而且预磁化绕组分别仅被施加在峡部的居中的导体上。由此将可能的是，当指示绕组接线为使得其补偿外加场的影响时，抑制外加场的影响。然而设置两个峡部尤其在制造中麻烦并且造成了高的功率吸收。
【发明内容】
[0008]本发明的任务因此是，提供一种开头提及类型的简单、紧凑、精确、功率吸收小的、用于测量很高的直流电流以及在大带宽中的交变电流的设备，其提高了干扰抑制并且剩磁效应很小，以及提供一种用于在使用前述设备的条件下绝缘地确定电流的方法。
[0009]该任务是借助根据权利要求1所述的用于测量电流的设备和根据权利要求13所述的用于确定电流的方法解决的。
[0010]根据本发明的用于测量电流的设备在与开头提及的特征的功能组合中的特征在于，磁性芯体具有带有至少两个穿通部的至少一个测量区域，这些穿通部将测量区域划分为至少三个相邻的通量路径，至少两个通量路径被至少一个激励绕组绕制，而测量绕组绕制于该至少一个测量区域的部分。
[0011]借助该设备可能的是确定输送电流的初级导体的电流强度，其中该设备构建为测量补偿绕组的电流强度。后一电流强度可以换算为输送电流的初级导体的电流强度。输送电流的初级导体应该，只要它尚未，如同样可以设计那样，以一个或多个绕组绕制于芯体的腿部，在此具有与该设备的不太大的距离以将来自产生其他磁通量的元件的干扰影响保持为尽可能小，并且不被引导穿过测量区域的穿通部。输送电流的初级导体应该优选传导直流电流，其中，然而该设备还构建为测量输送电流的初级导体的交变电流。
[0012]例如由铁磁性材料制成的、整体上例如为环形或方形的芯体优选具有闭合的横截面。通过闭合的横截面可以实现特别高的磁导率值，这引起了特别高的敏感性。在芯体中产生的磁通量可以由此被特别好地传导，这有利地影响测量精度。然而还存在这样的应用情况，例如当设备经受重大冲击的风险时，在这样的应用情况中可以在容忍测量精度的损失的情况下必要地设置开放的横截面。伴随开放的横截面的气隙于是优选可以设计在测量区域外部。通过这种气隙可以除了前述那样提高对于冲击效果的抵抗性之外还减小存在的剩磁。
[0013]芯体在其至少一个测量区域中分别具有至少两个穿通部，其在环形或方形的芯体的情况下以特别简单的方式可以将它们的上侧彼此连接，其中然而还可以连接侧面。测量区域相对于芯体的总尺寸优选是较小的，由此，可能的不希望的在测量区域中造成的干扰(例如干扰通量)对于芯体和设备整体具有较小的影响。穿通部尤其可以通过圆形钻出的孔或者通过带有矩形横截面的开口形成。通过该至少两个穿通部可以将每个测量区域划分为三个相邻的通量路径。通量路径在此形成测量区域或者芯体的一部分，在该部分中可以存在磁通量，其中可能的是，芯体在一个测量区域中或者在多个测量区域中被划分为三个相邻的通量路径(在设有两个穿通部时)，四个相邻的通量路径(在设有三个穿通部时)等。
[0014]补偿绕组布置在该至少一个测量区域外部并且绕制于芯体的部分，例如芯体的腿部。通过补偿绕组可以引导电流，该电流在芯体中引起与该电流成比例的磁通量，该磁通量可以被调节为使得通过输送电流的初级导体引起的磁通量理想地被完全地和在实践中至少近似完全地被补偿。在该前提下，在补偿绕组中的电流与初级导体中的电流成比例。通过补偿绕组的在实践中典型地可以在500和多于2000之间的相应的绕组数可以将对于补偿所需的电流限制为通过输送电流的初级导体流动的电流的一部分。芯体的该称作“零通量”的状态和设备的运行模式能够实现很精确的测量。
[0015]测量区域由至少三个通量路径组成，其中至少两个通量路径被一个共同的或者两个单个的激励绕组绕制。被绕制的通量路径在此可以直接相邻或者通过至少一个通量路径彼此间隔。随着在至少一个测量区域中的穿通部和通量路径的总