具有冗余电流测量功能的电流测量装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于电流的冗余测量的电流测量装置。


背景技术：

2.从ep0605800a1已知一种电流测量装置，其具有低阻抗电流测量电阻(“分流器”)，由此根据四线技术测量待测量的电流。这里，待测电流通过低阻抗电流测量电阻，由此测量低阻抗电流测量电阻两端的电压降。根据欧姆定律，低阻抗电流测量电阻两端的电压降形成了对待测量的电流的测量。
3.此外，从现有技术已知使用霍尔传感器来测量电流，其检测由待测量的电流产生的磁场。
4.此外，从ep2511714a2已知一种电流测量装置，其结合了两种测量原理并且具有低阻抗电流测量电阻(“分流器”)和霍尔传感器，其能够进行冗余电流测量。在这种已知的电流测量装置中，待测量的电流通过低阻抗电流测量电阻，而霍尔传感器布置在低阻抗电流测量电阻上方并且测量相同的电流。这些已知的电流测量装置可以测量高达1000a的电流，分辨率为1至5a，公差为
±
10％。
5.此外，已知具有集成导体的霍尔传感器，其中待测量的电流流过集成导体。这种霍尔传感器的分辨率约为0.5至1a，公差为
±
1％。
6.然而，这些已知的电流测量装置的缺点是整个电流测量装置的测量范围被限制在1000a并且具有低分辨率和高公差的事实。芯片传感器的测量范围要小得多，但分辨率更高，公差更小。
7.最后，根据权利要求1前序部分的电流测量装置从de102011088893a1和us2020/0300917a1已知。然而，这些已知的电流测量装置还不是最佳的。


技术实现要素：

8.因此，本发明基于创建相应改进的电流测量装置的任务。
9.该任务通过根据独立权利要求的电流测量装置来完成。
10.首先，根据现有技术，根据本发明的电流测量装置具有低阻抗电流测量电阻，以便能够根据例如来自ep0605800a1的已知的四线技术进行电流测量。在这种情况下，电流流过低阻抗电流测量电阻，测量低阻抗电流测量电阻两端的电压降。然后电压测量值根据欧姆定律形成电流测量值。
11.此外，根据ep2511714a2的现有技术，根据本发明的电流测量装置还包括用于冗余电流测量的磁场传感器，即，磁场传感器根据四线技术之外的其它测量原理测量电流。例如，磁场传感器可以是霍尔传感器，如本身已知的。然而，替代地，磁场传感器也可以是磁阻式磁场传感器、例如所谓的gmr传感器(gmr：巨磁阻)，如本身从现有技术中已知的。因此，本发明不限于特定类型的磁场传感器。
12.根据本发明的电流测量装置与现有技术的区别在于测量装置中待测量的电流被
分为具有主电流的主电流通路和具有从电流的从电流通路，主电流通路和副电流通路共同构成并联电路。
13.低阻抗电流测量电阻设置在主电流通路中，主电流流过它，从而可以根据四线技术测量主电流。
14.另一方面，磁场传感器设置在从电流通路中，根据不同的测量原理测量从电流，这又可以实现冗余电流测量。
15.与根据ep2511714a2的已知电流测量装置相比，低阻抗电流测量电阻和磁场传感器不是测量相同的电流，而是测量不同的电流，即一方面是主电流，另一方面是从电流。这具有以下优点，即整个电流测量装置的测量范围不受磁场传感器的有限测量范围的限制，因为磁场传感器测量的电流与低阻抗电流测量电阻测量的电流不同。
16.在本发明的一个优选实施例中，包括主电流通路和从电流通路的并联电路设计为使得通过主电流通路的主电流显著大于从电流通路中的从电流。例如，主电流可以是从电流的至少10、100、200、500甚至1000倍。
17.因此，从电流通路优选具有比主电流通路的电阻值大得多的电阻值。例如，从电流通路的电阻值可以是主电流通路的电阻值的10、100、200、500或1000倍。
18.就绝对值而言，主电流通路的电阻值可以在1μω、10μω、20μω、50μω、100μω、200μω或500μω的范围内，偏差在此限定范围中可不超过
±
50％、
±
20％、
±
10％、
±
5％、
±
2％或
±
1％。
19.另一方面，就绝对值而言，从电流通路的电阻值例如，在1mω、2mω、5mω、10mω、20mω、50mω或100mω的范围内，在此限定范围中，最大偏差为
±
50％、
±
20％、
±
10％、
±
5％、
±
2％或
±
1％。
20.低阻抗电流测量电阻优选地具有比磁场传感器更大的电流测量范围。因此，磁场传感器的电流测量范围通常明显小于低阻抗电流测量电阻的电流测量范围。然而，这在根据本发明的电流测量装置中并不麻烦，因为磁场传感器和低阻抗电流测量电阻测量不同的电流，因此磁场传感器的较小的电流测量范围不限制根据本发明的电流测量装置的整个电流测量范围。
21.此外，补偿电阻可以附加地布置在具有磁场传感器的从电流通路中，以便降低测量的温度依赖性。从de102016014130b3中原则上已知使用补偿电阻来降低测量的温度依赖性的想法，因此可以省略对补偿电阻如何工作的详细描述。在这一点上，应该只提及根据本发明的电流测量装置中的主电流通路和从电流通路均包括相对于电阻值具有一定第一温度系数的导体材料(例如铜)和相对于电阻值具有一定第二温度系数的电阻材料，导体材料的第一温度系数明显大于电阻材料的第二温度系数。因此，导体材料的电阻值基本上比电阻材料的电阻值更依赖于温度。例如，导体材料和电阻材料的两个温度系数可能相差至少10、20、50、100或200倍。从电流通路中的补偿电阻由电阻材料组成，其温度系数明显低于导体材料。现在，补偿电阻相对于其电阻值确定尺寸，使得至少部分地补偿导体材料的电阻值的温度依赖性。
22.因此，导体材料的第一温度系数可以在1,000-10,000ppm/k或3,600-4,000ppm/k的范围内，电阻材料的第二温度系数在0到
±
100ppm/k、0至
±
50ppm/k、0至
±
20ppm/k或0至
±
10ppm/k的范围内。
23.为了补偿温度依赖性，主电流通路和从电流通路优选地在导体材料的电阻值和低电阻电流测量电阻或补偿电阻的电阻材料的电阻值之间具有相同的电阻比。优选地，主电流通路与从电流通路的电阻比的偏差小于
±
20％、
±
10％、
±
5％或
±
2％。
24.在根据本发明的电流测量装置中，低阻抗电流测量电阻可以以常规方式形成。优选地，所述低阻抗电流测量电阻为板状，具有板状电流连接部和板状电阻元件，所述板状电阻元件沿电流流动方向布置在两个板状电流之间，如从ep0605800a1本身已知的。
25.此外，在本发明的范围内，低阻抗电流测量电阻的两个板状电流连接部中的至少一个和/或电阻元件在一侧或两侧具有用于修整电阻值的切口。此外，板状连接部还可以具有用于修整电阻值的中心切口。
26.上面已经提到，在根据四线技术的电流测量中，低阻抗电流测量电阻两端的电压降是根据欧姆定律对流过低阻抗电流测量电阻的电流的测量。根据本发明的电流测量装置因此具有至少一对电压测量触点，其测量低阻抗电流测量电阻两端的电压降。
27.优选地，甚至提供多对电压测量触点，它们横向于电流流动方向分布布置，以便能够计量地补偿电流测量电阻中的电流密度的不均匀性。借助多对电压测量触点来测量低阻抗电流测量电阻两端的电压降的想法在wo2014/161624a1中本身是已知的，因此无需详细描述。
28.此外，在本发明的范围内，如de102020111634.9中所述，在低阻抗电流测量电阻上沿电流方向串联布置多对电压测量触点也是可能的。.
29.此外，低阻抗电流测量电阻的电流连接部可以具有中心切口，也称为电流阴影(stromschatten)，每个切口围绕电压测量触点之一，以影响电流连接部中的电流密度。这种电流阴影在现有技术中是已知的并且例如在de102020111634.9中进行了描述。
30.在本发明的优选实施例中，印刷电路板设置在板状电流测量电阻上，该印刷电路板还承载磁场传感器(例如霍尔传感器、gmr传感器)。磁场传感器和电流测量电阻优选地位于印刷电路板的相反侧。
31.印刷电路板优选地与低阻抗电流测量电阻牢固地连接并且具有过孔以便能够接触低阻抗电流测量电阻的两个电流连接部。过孔优选地在低阻抗电流测量电阻的电阻元件之前的下游和低阻抗电流测量电阻的电阻元件之后的下游接触电流连接部。
32.在这种情况下，从电流通路优选地在印刷电路板上或中延伸，而主电流通路穿过低阻抗电流测量电阻。
33.印刷电路板还可以承载求值电路，该求值电路测量低阻抗电流测量电阻的电阻元件两端的电压降、磁场传感器的输出信号和/或从电流通路中的补偿电阻两端的电压降。
34.此外，印刷电路板可以具有接口以输出磁场传感器的输出信号和/或低阻抗电流测量电阻的电阻元件两端的电压的电压读数。
35.在本发明的优选实施例中，印刷电路板具有多个平行层。在这种情况下，补偿电阻优选设置在印刷电路板的最上层。优选地，具有从电流的从电流通路最初在补偿电阻上游被分配到印刷电路板的多个层中，并且仅在补偿电阻之前聚集在一起，使得整个从电流流过补偿电阻。在补偿电阻的下游，从电流通路然后再次被分配到印刷电路板的多个层之间。将从电流通路分配到印刷电路板的多个层提供了从电流通路中的电阻值相对较小的优点。
36.此外，需要说明的是，电流测量装置通常具有高压区和低压区。低阻抗电流测量电
阻完全位于高压区，而磁场传感器将高压区与低压区隔开。因此，磁场传感器具有低压侧，该低压侧例如用于输出输出信号和提供供电电压。此外，磁场传感器具有包含从电流通路的高压侧。磁场传感器包含绝缘体，将高压区与低压区隔开。
37.一般来说，应该提到根据本发明的电流测量装置可以具有扩至至少0.5ka、1ka、2ka、5ka、10ka或20ka的电流测量范围。
38.此外，应提及的是，根据本发明的电流测量装置优选地在输入侧具有高介电强度，其例如可以扩至至少100v、500v或1kv的工作电压。
39.上述电流连接部的导体材料优选为铜或铜合金或铝或铝合金。
40.低阻抗电流测量电阻的电阻元件的电阻材料例如可以是铜合金、特别是铜锰镍合金、例如可以是cumn12ni2、cu84ni4mn12或cu65mn25ni10。或者，电阻材料可以是铜锰锡合金、例如cumn7sn2,3。此外，电阻材料也可以是铜铬合金。最后，电阻材料也可以是镍合金、例如nicr或cuni。
41.此外，应该提及的是，低阻抗电流测量电阻的电流连接部的导体材料优选地具有比电阻元件的电阻材料更低的电阻率。
42.例如，低阻抗电流测量电阻的电流连接部的导体材料可以具有小于20μωcm、10μωcm、5μωcm或2μωcm的电阻率。
43.与之对比，低阻抗电流测量电阻的电阻元件的电阻材料优选具有小于1000μωcm、500μωcm、250μωcm、100μωcm或50μωcm的电阻率。
44.总的来说，还需要说明的是，低阻抗电流测量电阻的阻值最好在500mω、200mω、100mω、50mω、20mω、10mω、5mω、2mω或1mω。
附图说明
45.本发明的其它有利的实施例在从属权利要求中指出，或者在下面结合附图对本发明的优选实施例的描述进行更详细的解释。
46.图1示出了根据本发明的电流测量装置的透视图，该装置具有低阻抗电流测量电阻和霍尔传感器；
47.图2示出了根据图1的电流测量装置的俯视图；
48.图3示出了根据图1和图2的电流测量电阻的俯视图；
49.图4示出了根据图1-3的电流测量装置的等效电路；
50.图5示出了图3的修改；
51.图6示出了图3的进一步修改；
52.图7示出了主电流通路中电流测量分别在使用和不使用补偿电阻的情况下的温度依赖性；
53.图8示出了从电流通路中电流测量分别在使用和不使用补偿电阻的情况下的温度依赖性。
具体实施方式
54.图1-4示出了根据本发明的用于测量电流i的电流测量装置的不同表示，其中电流测量是冗余地执行的，即一方面根据已知的四线技术并且另一方面通过磁场测量。
55.根据四线技术进行电流测量，电流测量装置有低阻抗电流测量电阻1，它由两个板状电流连接部2、3和低阻抗电阻元件4组成，该电阻元件也是板状的且沿电流流动方向位于两个电流连接部2、3之间。电流连接部2用于将待测电流i引入电流测量电阻1，而电流连接部3如从现有技术中已知的，用于从电流测量电阻1释放待测量的电流i。
56.两个电流连接部2、3分别具有圆柱形孔5、6，其允许例如母线的机械连接。
57.在电流测量电阻1的上侧具有多层印刷电路板7，它通过两个过孔8、9连接到连接部2和3。过孔8接触电流连接部2，而过孔9接触另一个电流连接部3。
58.在印刷电路板7的上侧具有导体通路10、11、12和补偿电阻13。
59.在根据本发明的电流测量装置中，待测量的电流i分为主电流i1和从电流i2。主电流i1在电流测量电阻1中从电流连接部2穿过电阻元件4流向电流连接部3。另一方面，从电流i2从电流连接部2流过过孔8、导体通路10、补偿电阻13、导体通路11、霍尔传感器14、导体通路12，、过孔9并返回到电流连接部3，从电流i2在此再次与主电流i1结合形成电流i。
60.对于根据四线技术的电压测量，提供了多对电压测量触点15-20(参见图3)，每对电压测量触点15、16、17、18或19、20一方面测量电流连接部2处的电压，另一方面测量电流连接部3处的电压。如在wo2014/161624a1中所描述的，电压测量触点对15-20在此布置成横向于电流流动方向分布，以便能够计量地补偿电流测量电阻1中的电流密度的不均匀性。
61.例如，电压测量触点15-20处的电压可以通过可以集成在霍尔传感器14中的测量电路来测量。然而，也可以将单独的测量电路布置在印刷电路板7上，该单独的测量电路测量低阻抗电流测量电阻1的电阻元件4上的电压降。
62.此外，需要说明的是，电流测量电阻1在两个电流连接部2、3的侧向具有多个切口21-24，它们与补偿电阻结合用于温度补偿。
63.从电流通路中的补偿电阻13的目的是降低测量的温度依赖性，正如专利de102016014130b3本身已知的那样。
64.此外，应该提及的是，霍尔传感器14测量流经霍尔传感器14的从电流i2。因此，霍尔传感器14在其测量侧暴露于从电流通路中的高压。此外，霍尔传感器14还具有低压侧，用于输出测量信号和提供供电电压。霍尔传感器14因此将高压侧与低压侧分开并且为此具有集成的绝缘体。
65.根据本发明的电流测量装置能够通过不同的测量原理实现冗余电流测量，即一方面通过低阻抗电流测量电阻1的四线测量，另一方面借助霍尔传感器14的磁场测量。
66.需要说明的是，从电流i2远小于流经低阻抗电流测量电阻1的主电流i1。霍尔传感器14因此可以具有更小的电流测量范围，这是有利的。例如，带有集成导体的霍尔传感器通常具有5a至50a的小电流测量范围。
67.下面，将描述根据图4的等效电路图，其示出了主电流通路25和从电流通路26，主电流通路25和从电流通路26形成并联电路。
68.在主电流通路25中，基本上仅布置了低阻抗电流测量电阻1，其在等效电路图中由欧姆电阻r
shunt
和欧姆电阻r
cu1
的串联连接表示。电阻r
shunt
表示低阻电阻元件4的欧姆电阻。另一方面，欧姆电阻r
cu1
表示两个电流连接部2、3的电阻。
69.霍尔传感器14设置在从电流通路26中。此外，补偿电阻13位于从电流通路26中，其由欧姆电阻r
p
和欧姆电阻r
cu2
表示。电阻r
p
对应于补偿电阻13的电阻元件，而电阻r
cu2
对应于
补偿电阻13的两个连接部。此外，在从电流通路16中示出了电阻r
cu0
，它表示过孔8、9和导体通路10-12的电阻值。
70.在操作中，求值电路测量低阻抗电流测量电阻1的电阻元件4上的电压降。为此，电压测量触点u2/u3、u2a/u3a对应于电压测量图3中的触点15-20，如图4中的等效电路图所示。
71.其次，求值电路检测霍尔传感器14测量的输出电压u
hall
。
72.最后，求值电路还检测通过补偿电阻13的电压降。为此，电压测量触点u5/u6示出在根据图4的等效电路图中。
73.图5示出了根据图3的电流测量电阻1的修改。根据图5的修改在很大程度上对应于根据图3的电流测量电阻1，以便避免重复参考上述描述，由此相同的附图标记用于相应的细节。
74.该实施例的特殊特征是切口27、也称为电流阴影，其布置在电流连接部2中并围绕电压测量触点17。例如在wo2014/161624a1中描述了这种电流阴影的技术背景和操作。因此，电流阴影能够提高测量精度。
75.图6示出了根据图5的电流测量电阻1的进一步修改，因此为了避免重复，再次参考以上描述，其中相同的附图标记用于相应的细节。
76.该实施例的特殊特征是切口28也设置在另一个电流连接部3中。
77.图7示出了不同变体中主电流i1的电流测量与温度的关系。实线表示没有补偿电阻r
p
或13并且没有考虑电流连接部2、3的欧姆电阻r
cu1
的变化过程。另一方面，虚线表示考虑到补偿电阻13的变化过程。最后，虚线表示考虑到补偿电阻r
p
并考虑到电流连接部2、3的欧姆电阻r
cu1
的过程。
78.图8示出了与图7中相同的变体的从电流通路26中的从电流i2的电流测量的温度依赖性。
79.本发明不限于上述优选实施例。相反，大量的变体和偏差是可以想象的，它们也利用了本发明的思想并因此落入保护范围内。特别地，本发明还要求保护独立于所引用的各个权利要求并且特别地也没有主权利要求的特征的从属权利要求的主题和特征。因此，本发明包括彼此独立地享有保护的本发明的各个方面。
80.附图标记列表
81.1低阻抗电流测量电阻
82.2电流测量电阻的用于引入被测电流的电流连接部
83.3电流测量电阻的用于释放被测电流的电流连接部
84.4电流测量电阻的电阻元件
85.5、6电流测量电阻中用于固定电流触点的孔，
86.7印刷电路板
87.8印刷电路板中补偿电阻之前的过孔
88.9印刷电路板中补偿电阻之后的过孔
89.10印刷电路板上补偿电阻之前的导体通路
90.11印刷电路板上补偿电阻和磁场传感器之间的导体通路
91.12印刷电路板上磁场传感器之后的导体通路
92.13补偿电阻
93.14霍尔传感器
94.15-20用于在电流测量电阻的电阻元件上进行电压测量的电压测量触点
95.21-24电流连接部的切口
96.25主电流通路
97.26从电流通路
98.27、28切口(电流阴影)
99.i待测电流
100.i1主电流
101.i2从电流
102.r
shunt
电流测量电阻的电阻元件的电阻
103.r
cu1
电流测量电阻的电流连接部的电阻
104.r
p
补偿电阻的电阻元件的电阻
105.r
cu2
补偿电阻的电流连接部的电阻
106.r
cu0
从电流通路中补偿电阻之前和之后的电阻
107.u
hall
霍尔电压
108.u2/u3用于测量电流测量电阻的电阻元件两端的电压的电压测量触点
109.u2a/u3a用于测量电流测量电阻的电阻元件两端的电压的电压测量触点
110.u5/u6用于测量补偿电阻的电阻元件两端的电压的电压测量触点