DE10307704A1

DE10307704A1 - Durch den Anschluss-Stecker programmierbarer Strom-Sensor

Info

Publication number: DE10307704A1
Application number: DE10307704A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey L Viola
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2003-10-02
Also published as: GB0302826D0; US6717396B2; US6570373B1; US20030169031A1; GB2386961A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur sensorischen Erfassung des elektrischen Stroms, der in einen Leiter (10) fließt, weist einen ringförmigen Kern (40) aus Eisen-Material auf mit einem Schlitz, der einen Luftspalt (44) definiert, einen integrierten Schaltkreis mit einem Hall-Effekt-Sensor, der im Luftspalt (44) angeordnet ist und verwendet wird zur sensorischen Erfassung des elektrischen Stroms, der in einem durch eine zentrale Öffnung des Kerns geführten Leiter (10) fließt, und ein Gehäuse, das den Kern (40) und den integrierten Schaltkreis umschließt. Der integrierte Schaltkreis kann programmiert werden, um Funktionen einzustellen wie das Offset für den Messwert am Ausgang, Verstärkung, Temperatur-Kompensation und den Messbereich für den Strom.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Gerät zur Kalibrierung von Sensoren zur Messung von elektrischem Strom.
Im gegenwärtigen Stand der Technik sind analoge Strom-Sensoren so gestaltet, dass sie in einem festgelegten Messwertbereich des Stroms arbeiten. Das Fehlen der Programmierbarkeit bedeutet, dass man verschiedene Ausführungen der gegenwärtig verfügbaren Sensoren herstellen muss, um die Anforderungen von Anwendungen in verschiedenen Strom-Messbereichen zu erfüllen. Weiterhin werden in den gegenwärtig verfügbaren Sensoren die Verstärkungen oder das Offset, bzw. die Nullpunktsverschiebung der Geräte durch mechanische Feineinstellung von Widerstands-Elementen vor der Schlussmontage oder durch Feineinstellung von Potentiometern eingestellt. Beide Methoden haben Nachteile.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Feineinstellung von Sensoren für elektrischen Strom, um Probleme zu lösen, die die Leistung der Sensoren beeinflussen, wie Bauteile-Variationen und Prozess-Schwankungen. Das Gerät entsprechend der vorliegenden Erfindung gibt diesen Sensoren die Flexibilität, für die Messung von Strom in verschiedenen Arbeitsbereichen gemäß den Anforderungen der Anwendungen eingestellt zu werden. Das erfindungsgemäße Gerät weist einen Messwandler für das magnetische Feld auf der Basis des Hall-Effekts auf, der es erlaubt, die Strom-Messung des Sensors über den elektrischen Verbindungs-Stecker des Sensors programmierbar zu gestalten. Die primären Parameter, die über das Stecker-Interface eingestellt werden können, sind die Verstärkung und das Offset des Messwandlers.
Das Gerät zur Erfassung des elektrischen Stroms, der durch einen Leiter fließt, weist einen ringförmigen Kern aus Eisen-Material auf. Dieser Kern weist einen Schlitz auf, der durch den Kern geht und einen Luftspalt definiert. Der Kern besitzt eine zentrale Öffnung und einen Leiter für elektrischen Strom, der durch diese zentrale Öffnung geführt ist. Dieser Kern konzentriert in dem Luftspalt den magnetischen Fluss, der durch den elektrischen Strom in dem Leiter erzeugt wird. Ein Gerät zur Stromversorgung ist an den Leiter angeschlossen, um einen bekannten elektrischen Strom in dem Leiter zu erzeugen, und ein integrierter Schaltkreis mit Hall-Effekt- Sensor ist im Luftspalt angeordnet und besitzt einen Stecker zur Stromversorgung und einen Stecker zum Signalausgang. Ein Gerät zur Programmierung ist mit dem Stecker für die Stromversorgung und dem Stecker für das Ausgangssignal verbunden. Wenn dieses Programmiergerät nun ein erstes Signal mit niedriger Spannung am Stromversorgungs-Stecker anlegt, antwortet der integrierte Schaltkreis mit einem Ausgangs-Signal am Ausgangs Stecker, das dem Wert des bekannten Stroms in dem Leiter entspricht. Der integrierte Schaltkreis antwortet auf ein zweites Signal mit höherer Spannung am Stromversorgungs-Stecker, indem er ein Programmier-Signal am Ausgangs-Stecker empfängt und das Ausgangssignal als Antwort auf das Programmier-Signal kalibriert.
Die Vorteile durch den Einbau eines Sensor-Elements, das durch den Stecker programmierbar ist, sind:

a) die Möglichkeit, Schwankungen der Bauteile und Prozess- Schwankungen bei den fertig gestellten Einheiten auszugleichen.
b) die Programmierbarkeit erlaubt die Einstellung sowohl der Verstärkung und des Offset nach dem vollständigen Zusammenbau, und erlaubt damit die Erstellung einer einheitlichen Hardware, die die verschiedenen Arbeitsbereiche der Strommessung für verschiedene Anwendungen abdeckt. Die Programmierbarkeit erlaubt es dem Hersteller, die Anzahl der Versionen von Bauteilen zu reduzieren, die erforderlich sind, um die Anforderungen der Kunden zu erfüllen, und dadurch Kosten zu reduzieren.

Der Einbau einer Einrichtung zur Programmierung des Sensors für elektrischen Strom nach der Schlussmontage durch den elektrischen Anschluss- Stecker überwindet die Probleme, die mit den gegenwärtig verfügbaren Strom-Sensoren verbunden sind, in einer Art und Weise, die wirtschaftlich und leicht in die Fertigung umzusetzen ist.
Die oben genannten und auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute sofort einsichtig aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführung, wenn sie zusammen mit der begleitenden Zeichnung betrachtet werden. In dieser Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des Geräts zur Strom-Messung entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Strom-Sensors, der in dem Gerät aus Fig. 1 verwendet wird; und
Fig. 3 ein Schaltschema der programmierbaren integrierten Schaltung, die in Fig. 1 verwendet wird.
In Fig. 1 ist ein elektrischer Leiter 10 dargestellt, für den die Parameter bzw. die Werte des Stroms, der durch diesen Leiter fließt, gemessen werden sollen. Der Leiter 10 ist repräsentativ für eine beliebige Schaltungs- Konfiguration, wie zum Beispiel ein elektronisches Modul, das auf korrekte Funktionen nach dem Zusammenbau getestet werden soll, oder die Wicklung eines elektrischen Motors, dessen Stromfluss beobachtet werden soll. Die Enden des Leiters sind mit einem Paar von Klemmen 12 und 14 eines zweipoligen Umschalters 16 trennbar verbunden. Die erste Klemme 14 ist mit einem ersten Pol des Umschalters 16 verbunden. Sie kann über den Schalter wechselweise mit einem ersten Kontakt 18 und oder einem zweiten Kontakt 20 verbunden werden. Die zweite Klemme 14 ist mit dem zweiten Pol des Schalters 16 verbunden und kann zwischen einem dritten Kontakt 22 und einem vierten Kontakt 24 geschaltet werden. Wie gezeigt, werden die Pole gleichzeitig geschaltet, so dass zum Beispiel, wenn die Klemme 12 mit dem Kontakt 18 verbunden ist, die Klemme 14 mit den Kontakt 22 verbunden ist.
Der zweipolige Umschalter 16 ist Teil eines Test- und Kalibrierungs- Schaltkreises 26 mit einem Ampere-Meter 28 und einer Stromquelle 30, die in Reihe geschaltet sind. Der zweite Kontakt 20 und der dritte Kontakt 22 sind mit einer Klemme des Ampere-Meters 28 verbunden, dessen andere Klemme mit einer Klemme der Stromquelle 30 verbunden ist. Die andere Klemme der Stromquelle 30 ist mit der ersten Klemme 18 und der vierten Klemme 24 (des zweipoligen Umschalters) verbunden. Die Stromquelle 30 kann Wechselstrom oder Gleichstrom erzeugen, so wie es für den Test und die Kalibrierung des unten beschrieben Stromsensors erforderlich ist. In der Position des zweipoligen Umschalters 16, der in Fig. 1 gezeigt ist, ist die erste Klemme 12 mit der Stromquelle 30 verbunden und die zweite Klemme 14 mit dem am Ampere-Meter verbunden. Die Umschaltung des Schalters 16 kehrt die Verbindungen der Stromversorgung 26 zum elektrischen Leiter 10 um.
Dadurch kann die Flussrichtung des Gleichstroms, der durch den elektrischen Leiter 10 geleitet wird, umgekehrt werden.
Elektrischer Strom, der durch den Leiter 10 fließt, wird durch einen Sensor für elektrischen Strom 32 entsprechend der vorliegenden Erfindung gemessen. Der Sensor 32 weist ein ringförmiges Gehäuse 34 mit einem Klemmen- Anschluss Block 36 auf, der auf dessen äußere Oberfläche montiert ist. Das Gehäuse 34 ist aus geeignetem Material gefertigt, beispielsweise Plastik- Material im Spritzguss-Verfahren, und umhüllt einen interaktiven Aufnehmer 38, der in Fig. 2 gezeigt ist. Der Aufnehmer 38 weist einen geschlitzten Kern 40 aus Eisen (ferro- oder weichmagnetisch) auf, der durch eine Aufnahme-Spule 42 geführt ist. In dem Spalt 44 des Kerns 40 ist ein programmierbarer linearer integrierter Schaltkreis mit Hall-Effekt-Sensor 46 positioniert, zum Beispiel ein MLX 90237 Chip, gefertigt durch Melexis und in den Vereinigten Staaten erhältlich von Dominion Group of Fishers, IN. Dieser integrierte Schaltkreis verwendet einen Ein-Chip-Aufbau und ist durch seine elektrischen Anschlüsse, die zum Anschlussfeld 36 geführt sind, digital programmierbar.
Ein Schaltschema der Verbindungen des integrierten Schaltkreises 46 ist in Fig. 3 gezeigt. Ein Anschluss-Pin für die Versorgungsspannung I1 ist mit der positiven Spannungsquelle einer Stromversorgung 48 verbunden. Dabei wird eine Stromversorgung mit variabler Spannung verwendet, um die Funktion des integrierten Schaltkreises 46 zu steuern, wie unten beschrieben. Ein Anschluss-Pin I2 ist ein Test-Pin zum Auslesen von diagnostischen Informationen. Ein Anschluss Pin I3 ist verbunden mit dem Null- (Ground-)Potential des Schaltkreises. Ein Ausgangs-Pin I4 wird zur Ausgabe des vom integrierten Schaltkreis sensorisch erfassten Strom-Signals verwendet, er kann in die Funktion eines Eingangs-Pins umgeschaltet werden.
Der Sensor 38 für elektrischen Strom ist ein interaktiver (berührungsloser) Aufnehmer. Ein Draht (elektrischer Leiter 10 in Fig. 1 und Draht 42 in Fig. 2), durch den der zu messende Strom läuft, geht durch das Zentrum des C- förmigen eisernen Ringkörpers 40. Im Fluss Spalt 44 des mit einem Spalt versehenen Ringkörpers 40 ist der digital programmierbare integrierte Schaltkreis 46 mit Hall-Sensor eingebaut. Nach Abschluss der Montage des Strom-Sensors 32 (Fig. 1) können Verstärkung und Temperatur- Kompensation der integrierten Schaltung 46 justiert und eingestellt werden, und zwar über die Anschluss Stecker der integrierten Schaltung 46, die am Anschlussfeld 36 zugänglich sind. Der Pin I1 ist verbunden mit dem Anschluss-Stecker T1. Die Pins I2 und I3 sind mit einem Paar Anschlussstecker T2 und T4 verbunden und der Pin I4 ist mit dem Anschluss Stecker T3 verbunden.
Die Technik der Programmierung gestattet es, den Ausgangs-Pin I4, der mit dem Anschlussstecker T3 verbunden ist und im Normalfall als Ausgangs-Pin für das analoge Mess-Signal dient, als einen Eingangs-Pin in die integrierte Schaltung 46 für serielle digitale Daten zu nutzen. Beispielsweise verhält sich der Ausgang am Anschluss-Stecker T3 normal, wenn am Anschluss- Stecker T1 eine Versorgungsspannung im Bereich zwischen 4,5 V und 5,5 V anliegt. Wenn die Versorgungsspannung auf 13 V angehoben wird, arbeitet der Stecker I4, der zum Anschluss Stecker T3 verbunden ist, als ein Eingang, der es erlaubt, ein Programmier-Signal bestehend aus einem 31 Bit- Wort getaktet einzulesen. Alle Daten werden durch eine einzige Leitung in einem sequenziellen Ladevorgang ohne ein zugeordnetes Takt-Signal geladen. Takt und Daten sind integriert in ein Programmier-Signal, das mit dem Beginn der Lade-Sequenz gestartet wird und mit der positiven Flanke von jenem Bit getaktet wird. Dabei sind keine zusätzlichen unterstützenden Eingangs-Pins zur Programmierung erforderlich. Außerdem wird der Aufwand für die Justierung eines Potentiometers oder das Laser-Trimmen von Widerständen vermieden. Die Stabilität gegen Schwankungen von Bauteilen wird verbessert und Kosten werden reduziert.
In Fig. 1 ist ein Programmiergerät 50 gezeigt, das von der Firma Melexis als Modell PTC 01 für die Programmierung der integrierten Schaltung 46 hergestellt wird. Die Programmierungs-Ein-/Ausgänge des Programmiergeräts 50 werden mit den Anschluss-Steckern T1 bis T3 am Anschlussfeld 36 verbunden. Ein serielles Interface mit dem RS 232 -Protokoll ist verbunden mit einem Prozessor 52 eines Personal Computers 54. Auf den Computer 54 läuft eine Standard-Software von Melexis zur Programmierung der integrierten Schaltung 46 unter dem Betriebssystem Windows. Die Software und das Programmiergerät 50 erlauben es dem Benutzer, Einstellungen für die Funktion der magnetischen Antwort des Schaltkreises zu laden, Messungen durchzuführen und den Sensor 32 zu kalibrieren. Mit Hilfe der Test- und Kalibrierungs-Schaltung 26 kann der Sensor 32 programmiert werden, mit zahlreichen verschiedenen Leiterformen für den elektrischen Strom 10 zu arbeiten. Zum Beispiel kann jeweils ein separater Sensor 32 zur Messung bezogen sein auf jeweils einen Strom führenden Leiter eines vielphasigen elektrischen Motors, um Rückkopplungs-Signale für ein Steuergerät zu erzeugen. Jeder der Sensoren 32 kann bezogen auf den jeweiligen Stromleiter nach der Installation kalibriert werden. Der Sensor 32 kann mit elektrischen Motoren verschiedener Größe verwendet werden, indem der zu erfassende Strom-Messbereich programmiert wird.
Der mit dem Spalt versehene Kern 40 besitzt im Allgemeinen einen kreisförmigen Querschnitt und wird im Plastikgehäuse 34 in seiner Lage gehalten durch eine im Spritzguss eingebettete (nicht gezeigte) Lasche, die in den Spalt 44 passt. Die Lasche ist kleiner als der Spalt 44, aber größer als die Breite der integrierten Schaltung mit dem Hall-Sensoren 46. Dies dient dazu, den Kern 40 zu befestigen, da es die Rotation des Kerns verhindert und die Verwendung eines kreisförmigen Querschnitts an Stelle des traditionellen mehr gebräuchlichen rechtwinkligen Kerns ermöglicht. Ein Kern mit kreisförmigem Querschnitt ist weniger kostspielig in der Herstellung als ein rechtwinkliger Kern. Zusätzlich ist die Feldverteilung in einem kreisförmigen ringkörper-artigen Kern einheitlicher, eine Eigenschaft, die die Leistungsfähigkeit verbessert und die die für den Kern erforderliche Materialmenge reduziert.
Entsprechend den Regelungen für die Patent-Erteilung ist die vorliegende Erfindung beschrieben worden in ihrer bevorzugten Ausführung. Trotzdem ist es wichtig zu bemerken, dass die Erfindung anders, als hier speziell in Zeichnung und Text dargestellt, ausgeführt werden kann, ohne Zweck und Geist dieser Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Ein Gerät zur sensorischen Erfassung eines elektrischen Stroms durch einen Leiter (10) weist auf:
einen ringförmigen Kern (40) aus Eisen-Material mit einem Schlitz durch den genannten Kern (40), wodurch ein Luftspalt (44) definiert wird, und wobei dieser Kern (40) eine zentrale Öffnung besitzt;
einen Leiter (10) für elektrischen Strom, der durch diese zentrale Öffnung verläuft, wobei der besagte Kern (40) in dem Luftspalt (44) den magnetischen Fluss konzentriert, der durch den elektrischen Strom erzeugt wird, der in dem elektrischen Leiter (10) fließt;
ein Stromversorgungs-Gerät (30), das mit dem Leiter (10) verbunden ist und das einen bekannten elektrischen Strom in dem Leiter (10) erzeugt;
einen integrierten Schaltkreis (46) mit einem Hall-Effekt Sensor, der in dem Luftspalt (44) positioniert ist, und der einen Stecker für das Stromversorgungs-Gerät und einen Ausgangs-Stecker besitzt; und
eine Programmier-Einrichtung (50), die mit dem Stromversorgungs- Gerät (30) und dem Ausgangs-Stecker verbunden ist, wobei die integrierte Schaltung (46) auf das Anlegen eines ersten Signals an den Stromversorgungsstecker durch die Programmier-Einrichtung (50) dadurch antwortet, dass sie am Ausgangs-Stecker ein Ausgangssignal erzeugt, das die Größe des bekannten Stroms durch den Leiter (10) repräsentiert, und dass die integrierte Schaltung (46) auf ein zweites Signal am Stromversorgungs-Stecker dadurch reagiert, dass sie ein Programmier-Signal empfängt, das am Ausgangs-Stecker angelegt ist, und das Ausgangssignal als Antwort auf das Programmier- Signal kalibriert.

2. Das Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät einen Schalter (16) hat, der den elektrischen Leiter (10) und das Stromversorgungs-Gerät (30) verbindet und es erlaubt, die Polarität des Stromversorgungs-Geräts (30) umzukehren.

3. Das Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Programmier-Einrichtung ein Programmiergerät (50) aufweist, das mit den Steckern verbunden ist, um das erste Signal, das zweite Signal, und das Programmier-Signal zu erzeugen.

4. Das Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Programmier-Einrichtung einen programmierten Computer (54) aufweist, der mit dem Programmiergerät (50) verbunden ist, um die Daten zu erzeugen, die im Programmier-Signal enthalten sind.

5. Das Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Programmier-Einrichtung das erste Signal bei einem ersten Spannungsbereich und das zweite Signal bei einem zweiten Spannungsbereich erzeugt, wobei der zweite Spannungsbereich höher ist als der erste Spannungsbereich.

6. Ein Gerät zur sensorischen Erfassung eines elektrischen Stroms, der durch einen Leiter (10) fließt, weist auf:
einen ringförmigen Kern (40) aus Eisen-Material mit einem Schlitz, der sich durch den Kern (40) erstreckt und einen Luftspalt (44) definiert, wobei der Kern (40) eine zentrale Öffnung aufweist, wobei dann, wenn ein Leiter (10) mit dadurch fließendem elektrischen Strom von der zentralen Öffnung aufgenommen ist, der Kern (40) in dem Luftspalt (44) den magnetischen Fluss konzentriert, der durch den im Leiter (10) fließenden Strom erzeugt wird;
einen integrierten Schaltkreis (46) mit Hall-Effekt-Sensor, der im Luftspalt (44) positioniert ist und einen Spannungsversorgungs-Pin (I1) und einen Ausgangs-Pin (I4) aufweist;
ein Gehäuse (34), das den Kern (40) und den integrierten Schaltkreis (46) umschließt, wobei das Gehäuse (34) eine zentrale Öffnung besitzt, die auf die zentrale Öffnung des Kerns (40) ausgerichtet ist; und ein Anschluss-Feld (36), das an dem Gehäuse (34) angebracht ist und einen ersten Anschluss (T1) aufweist, der mit dem Spannungsversorgungs-Pin (I1) verbunden ist und einen zweiten Anschluss (T3) hat, der mit dem Ausgangs-Pin (I4) verbunden ist, und wobei die integrierte Schaltung (46) auf das Anlegen eines ersten Signal an ersten Anschluss (T1) dadurch antwortet, dass sie am zweiten Anschluss (T3) ein Ausgangssignal erzeugt, das die Größe des durch den Leiter (10) fließenden Stroms repräsentiert, und dass die integrierte Schaltung (46) auf ein zweites Signal am ersten Anschluss (T1) dadurch antwortet, dass es ein Programmier-Signal empfängt, das am zweiten Anschluss (T3) anliegt, und Funktionen der magnetischen Antwort als Antwort auf das besagte Programmier-Signal einstellt.

7. Das Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Programmier-Signal Daten für die Einstellung von mindestens einer der Größen Ausgangs-Offset, Verstärkung und Temperatur-Kompensation enthält.

8. Das Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Programmier-Signal Daten für die Einstellung des Strom-Messbereiches enthält.

9. Das Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Programmiergerät (50) mit den ersten und zweiten Anschlüssen (T1, T3) zur Erzeugung des ersten Signals, des zweiten Signals und des Programmier-Signals verbunden ist.

10. Das Gerät nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass es einen programmierbaren Rechner (Computer 54), der mit dem Programmiergerät (50) verbunden ist, zur Erzeugung der Daten, die im Programmier- Signal enthalten sind, aufweist.

11. Das Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Programmiergerät (50) das erste Signal bei einem ersten Spannungswert und das zweite Signal bei einem zweiten Spannungswert erzeugt, wobei der zweite Spannungswert höher ist als der erste Spannungswert.

12. Das Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (32) aus einem Kunststoffmaterial gefertigt ist.