DEVICE FOR MEASURING ELECTRICAL CURRENTS USING A MAGNETIC-FIELD SENSOR

Abstract: 1. An arrangement for measuring electric currents by means of a magnetic field sensor which is arranged in a housing so as to be shielded from external magnetic fields and a conductor for electric current consisting of an OMEGA-shaped clip is looped around the sensor, which has a sensitive axis which coincides with an axis of the housing or an axis that is parallel thereto, characterized in that the magnetic field sensor (1) contains a Wheatstone bridge that consists of four resistors which are responsive to magnetic fields, the OMEGA-shaped clip (6) consists entirely or in part of ferromagnetic material, the housing of the magnetic field sensor (1) is cylindrical or is partly cylindrical and differs from a cylindrical shape by having a planar section (4) which is parallel to the axis, and the sensitive axis of the magnetic field sensor (1) is the longitudinal axis (2) of the cylinder or an axis that is parallel thereto.

Description: Anordnung zum Messen von elektrischen Strömen unter Verwendung eines Magnet feldsensors. Ziel der Erfindung ist eine zum Messen von elektrischen Strömen besonders geeignete Anordnung unter Verwendung eines Magnetfeldsensors, welcher in einem zylindrischen oder teilzylindrischen, sich durch einen achsparallelen, ebenen Abschnitt von der Zylindergestalt unterscheidenden Gehäuse eine Wheatstonebrücke aus vier magnetfeldempfindlichen Widerständen enthält, welche derart angeordnet sind, dass die empfindliche Achse des Magnetfeldsensors die Längsachse des Zylinders oder eine dazu parallele Achse ist. Derartige Magnetfeldsensoren sind bekannt und z.B. beschrieben in der Firmenschrift Philips Technical publication 102, The magnetoresistive sensor" auf welche hiermit Bezug genommen wird. Diese Druckschrift zeigt einen Magnetfeldsensor in einem teilzylindrischen Gehäuse, welches sich von einem exakt zylindrischen Gehäuse dadurch unterscheidet, dass durch einen Abschnitt eines Teils des Zylinders eine achsparallele ebene Fläche gebildet ist. Bei diesem bekannten Magnetfeldsensor ist die empfindliche Achse die Längsachse des Zylinders, d.h., dieser Magnetfeldsensor reagiert auf An'derungen eines Magnetfeldes, dessen Feldstärke die Richtung der empfindlichen Achse hat, mit einer Verstimmung der Wheatstonebrücke. In dieser Druckschrift findet sich auch bereits ein Hinweis, dass man mit dem Magnetfeldsensor das Fliessen von elektrischem Strom überwachen kann, z.B. zur Überwachung der Funktion von Scheinwerfern in Fahrzeugen. Angaben darüber, wie das im Einzelnen geschehen soll, finden sich in dieser Druckschrift nicht. Durch die Erfindung soll die Möglichkeit geschaffen werden, nicht nur das Fliessen oder Nichtfliessen eines Stromes festzustellen, sondern auch seine Stärke zu messen. Dabei soll die Anordnung möglichst preiswert und für eine Massenfertigung geeignet sein. Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gelöst, in welcher ein Magnetfeldsensor der eingangs genannten Art von einem elektrischen Stromleiter in Gestalt einer j förmigen Schelle umschlungen ist. Im Inneren einer solchen Schelle erzeugt der elektrische Strom, welcher durch die Schelle hindurchfliesst, ein weitgehend homogenes Magnetfeld, dessen Stärke der Stromstärke direkt proportional ist. Diese Feldstärke beeinflusst den Magnetfeldsensor, der darauf mit einer Verstimmung seiner Wheatstonebrücke reagiert, welche in üblicher Weise gemessen werden kann. Von Vorteil ist, dass das Magnetfeld im Innern der JCL -förmigen Schelle in seiner Richtung übereinstimmt mit der empfindlichen Achse des Magnetfeldsensors, sodass dessen Empfindlichkeit optimal ausgenutzt wird. Die Schelle hat jedoch nicht nur die Aufgabe, den elektrischen Strom, welcher gemessen werden soll, um den Magnetfeldsensor herumzuführen, sie hat vielmehr die weitere Aufgabe, den Magnetfeldsensor auf einem Träger, insbesondere auf einer elektrischen Leiterplatte, zu befestigen. Zum Befestigen dienen die beiden in entgegengesetzte Richtungen weisenden Enden der#-förmigen Schelle. Die Verbindungspunkte der Schelle am Träger sind zweckmässigerweise zugleich die elektrischen Anschlusspunkte für die Zu- und Ableitung des zu messenden Stromes. Durch die Ausbildung des#-förmigen Stromleiters als Schelle zum Befestigen des Magnetfeldsensors ergibt sich als weiterer Vorteil, dass wegen der guten Fixierung des Magnetfeldsensors mittels der Schelle auf dem Träger (Leiterplatte) die elektrischen Kennwerte der Strommessanordnung gut reproduzierbar sind, was für einen Massenartikel von grosser Bedeutung ist. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die gewählte Anordnung praktisch keine störende Induktivität aufweist, weil der Stromleiter keine geschlossene Windung um den Magnetfeldsensor herum bildet, sondern ein seitlich, nämlich an den Füssen des 32 & , offenes Gebilde darstellt. Weitere Vorteile der erfindungsgemässen Messanordnung liegen darin, dass sie einen geringen Innenwiderstand aufweist, welcher durch den Widerstand der Schelle bestimmt ist, und dass der Messeingang der Anordnung (das sind die Anschlusspunkte der Schelle) und der Messausgang der Anordnung (das sind die beiden Anschlusspunkte der Wheatstonebrücke, an welchen das Messsignal abgegriffen wird) galvanisch vollständig voneinander getrennt sind. Die neuartige Messanordnung ist unmittelbar einsetzbar zum Messen von Stromstärken bis ungefähr 100 A, und durch Verwendung von Nebenschlussschaltungen können auch höhere Stromstärken gemessen werden. Ferner ist die Messanordnung verwendbar für Gleichstrom und für Wechselstrom bei Frequenzen bis zu 10 MHz. Durch die Q förmige-förmige Schelle kann in vorteilhafter Weise der Magnetfeldsensor zugleich gegen magnetische Störfelder abgeschirmt werden. Um dies zu erreichen, kann man die Schelle aus ferromagnetischem Werkstoff herstellen, z.B. durch Biegen eines ferromagnetischen Bleches in eine# Q -förmige Gestalt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine aus einem Kupferblech gebogene, Q -förmige Schelle auf ihrer Aussenseite mit einem ferromagnetischen Werkstoff zu beschichten. Die Messempfindlichkeit der Anordnung kann in gewissen Grenzen beeinflusst werden durch die Wahl der Breite der¯ -förmigen Schelle. Eine andere Art der Beeinflussung der Empfindlichkeit der Messanordnung besteht darin, dass man die Schelle als Schichtkörper ausbildet, in welchem zwischen je zwei elektrisch gut leitenden Schichten eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet ist. Dieser Schichtkörper kann obendrein - vorzugswei#se auf seiner Aussenseite zur Abschirmung des Magnetfeldsensors gegen magnetische Störfelder eine Schicht aus ferromagnetischem Werkstoff aufweisen. Die elektrisch leitenden Schichten der -förmigen Schelle können in unterschiedlicher Weise elektrisch miteinander verbunden werden. Verbindet man sie parallel miteinander, dann erhält man eine Messanordnung, welche sich bei geringerer Empfindlichkeit eher für das Messen grosser Ströme eignet. Verbindet man die elektrisch leitenden Schichten hingegen in Reihe, dann erhält man eine Messanordnung, welche sich eher für kleine Stromstärken eignet, dafür eine grössere Empfindlichkeit besitzt. Die Art und Weise der Verbindung der elektrisch leitenden Schichten der Schelle kann grundsätzlich vom Hersteller gewählt und vorgegeben sein, sie kann aber auch dem Anwender über-¯¯ lassen bleiben Zweckmässigerweise erfolgt die elektrische Verbindung der Schichten über den Trägern, auf welcher die Messanordnung mittels der Schelle befestigt wird. Sie kann aber auch - insbesondere bei einer Parallelschaltung der Schichten - an der Schelle selbst erfolgen. In jedem Fall ist bei der Verbindung darauf zu achten, dass durch die Verbindung keine den Magnetfeldsensor völlig umschliessende Strombahn gebildet wird, welche eine störende Induktivität nach sich ziehen würde. Die Herste#llung von Schichtkörpern für elektrische Zwecke ist Stand der Technik. Für den vorliegenden Anwendungszweck stellt man vorzugsweise zunächst eine her sogenannte Multilayer-Folie/aus'welcher man anschliessend durch einen Umformschritt Q -förmige Schellen herstellen kann. Ein Ausführungsbeispiel der Neuerung ist schematisch in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Figur i zeigt eine Messanordnung für elektrische Ströme in einer Schrägansicht, und Figur 2 zeigt eine abgewandelte Messanordnung mit einer als Schichtkörper aufgebauten Schelle bei Blickrichtung in Achsrichtung auf das eine Ende des Magnetfeldsensors. Die in Fig. 1 dargestellte Messanordnung besteht aus einem teilzylindrischen Magnetfeldsensor 1, dessen Ge häuseform dadurch von der wahren Zylinderform abweicht, dass durch einen parallel zur Zylinderachse 2 geführten Schnitt am Gehäusemantel 3 eine achsparallele, ebene Fläche 4 gebildet ist. Aus der einen Endfläche des Gehäuses des Magnetfeldsensors 1 führen vier elektrische Anschlussleitungen 5 heraus, welche zu den vier Eckpunkten der Wheatstonebrücke im Innern des Magnetfeldsensors Verbindung haben. Der Magnetfeldsensor ist umgeben von einer Q-förmigen Schelle 6, welche den Mantel des Magnetfeldsensors in seinem zylindrischen Bereich eng umschliesst und nur die ebene Fläche 4 des Magnetfeldsensors freilässt. Die beiden in entgegengesetzte Richtungen weisenden Füsse 6a und 6b der Schelle dienen zur Zu- und Ableitung des elektrischen Stromes, dessen Stärke gemessen werden soll, sowie zum Befestigen der Messanordnung auf einem Träger, insbesondere auf einer elektrischen Leiterplatte. Die Füsse 6a und 6b können auf dem Träger in üblicher Weise befestigt werden, z.B. durch Vernieten oder Verlöten. Die Schelle besteht im einfachsten Fall aus einem elektrisch leitenden Blech , welches in eine zu-förmige Gestalt gebogen wurde. Mit Vorteil kann die Schelle auch als Schichtkörper ausgebildet sein. Figur 2 zeigt eine solche Anordnung mit einer Schelle, welche aus zwei elektrisch leitfähigen Schichten 7 und 8 besteht, welche durch eine elektrisch isolierende Zwischenschicht 9 voneinander getrennt sind. Im gezeichneten Beispiel sind die beiden elektrisch leitenden Schichten 7 und 8 parallel miteinander verbunden; die Verbindung ist am Ende der Füsse 6a und 6b erfolgt.

Claims: Patentansprüche: 1. Anordnung zum Messen von elektrischen Strömen unter Verwendung eines Magnetfeldsensors, welcher in einem zylindrischen oder teilzylindrischen, sich durch einen achsparallelen, ebenen Abschnitt von der Zylindergestalt unterscheidenden Gehäuse eine Wheatstonebrücke aus vier magnetfeldempfindlichen Widerständen enthält, welche derart angeordnet sind, dass die empfindliche Achse des Magnetfeldsensors die Längsachse des Zylinders oder eine dazu parallele Achse ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (1) von einem elektrischen Stromleiter in' Gestalt einer förmigen Schelle (6) umschlungen ist. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Q -förmige Schelle (6) aus ferromagnetischem Werkstoff besteht. 3. Anordnung nach Anspruch 1. dadurch gekenn zeichnet, dass die S -förmige Schelle (6) ein Schichtkörper ist, von dessen Schichten (7,8,9) wenigstens eine, vorzugsweise die äusserste (9) der elektrisch leitenden Schichten (7, 9), aus ferrq- magnetischem Werkstoff besteht. 4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die förmige Schelle (6) ein Schichtkörper ist, in welchem zwischen je zwei elektrisch gut leitenden Schichten (7,9) eine elektrisch isolierende Schicht (8) angeordnet ist.

Inventors: SCHULZE, GUNTER, DIPL.-ING.
Applicants: DODUCO KG. DR. EUGEN DURRWACHTER
Application year: 1984
Main classification: G01R1
IPC codes: G01R15