CN102099695A - 用于电流测量的磁阻传感器布置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于对导体(1)中的电流进行测量的传感器单元，该传感器单元包括至少一个磁阻传感器(5、6)，其中磁阻传感器(5、6)位于距导体(1)的外表面一定的径向距离处，其中，导体(1)具有圆形横截面，并且其中，该传感器单元包括至少一个辅助线圈(7)，辅助线圈(7)用于对磁阻传感器(5、6)产生偏置磁场(H_bias)，该偏置磁场(H_bias)强到足以在整个电流测量处理期间连续地引起磁阻传感器(5、6)中的磁饱和。此外，公开了这样的传感器的用法和用于使用这样的传感器单元对导体中的电流进行测量的方法。

Description

用于电流测量的磁阻传感器布置

技术领域

本发明涉及一种用于对导体中的电流进行测量的、包括至少一个磁阻传感器的传感器单元，还涉及这样的传感器单元的用法，以及涉及使用这样的传感器单元测量电流的方法。

背景技术

对高电流峰值之上或之后的小电流信号进行测量是有挑战性的实验任务。通常使用以下三种不同类型的测量技术来解决该问题：

1)第一测量原理是基于将附加电阻(所谓的分流电阻器)集成到电路中，以使得待测量的电流(主电流)流经该附加电阻。然后，从该附加电阻两端的压降直接获得电流。

然而，存在与该测量技术相关联的难点。一方面，必须选择不影响电路的电阻，因此该电阻必须比所有的其他电阻小得多。此外，在峰值电流期间不允许该电阻变热，这是因为这通常会改变其特性。在该情况下，对于峰值之后的小电流，压降变得非常小，并且测量的精确度降低。紧接着大电流的小变化也因为相同的原因而不能分辨，这是因为它们只引起压降的小变化。

2)第二测量技术依赖于对由电流的变化而产生的磁场的变化所进行的检测。为此可以应用不同的技术。最广泛使用的技术基于围绕载流线缆放置的线圈。磁场的变化在线圈中感应出可以直接测量的电压。必须对该信号进行积分以便获得电流信号本身。

积分累加了每次单独测量的误差，从而导致了电流信号的偏移。因此，归因于信号的偏移，在大电流峰值之后不能精确地测量小电流。紧接着大电流，可以采用这种技术来测量小而快的变化。然而，不能精确地测量慢的变化，例如峰值电压的漂移或变化。为了采用该技术达到高的精确度，必须采用高带宽来检测磁场的非常小的变化。这可以仅通过使用将带宽限制到低值的线圈的大量绕组来实现，或者通过给线圈增加铁磁芯以增强磁场从而增强信号来实现。采用铁磁芯的难点在于高磁场将使材料磁化，并将因而导致被测信号的失真以及归因于滞后效应的额外偏移。

3)非常好的方式是直接测量磁场而不是测量它的变化。在该情况下，避免了关于积分偏移的问题。然而，由于小电流产生的磁场较小，因此通常通过使用磁性材料来增加灵敏度。因此，归因于这些材料的滞后效应，仍将存在偏移。

用于测量电流的另一种方法是通过使用具有高灵敏度的磁场传感器，例如磁阻传感器元件。如例如在US 5708407中所公开的，可以使用基于磁阻材料的圆形电流传感器，其中待测量的电流的导体被引导通过该圆形电流传感器。WO 2006/042839公开了这样的装置的改进，其中，据说通过在实际测量处理之前在传感器区域中施加脉冲附加磁场来克服滞后或偏移问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用于电流测量的传感器单元，特别地，用于在存在待测量电流的大的最大峰值的情况下的小变化的高灵敏电流测量。本发明将适合于在这种状况下的AC电流以及DC电流的测量。

本发明通过提供一种传感器单元来解决以上问题，该传感器单元用于对导体中的电流进行测量，其包括至少一个位于距该导体的外表面一定的径向距离处的磁阻传感器。在该设置(set up)中，可以是传感器单元的一部分、然而同样也可以仅被传感器单元围绕的导体具有圆形横截面，该圆形横截面提供待测量的旋转对称的磁场。该圆形横截面应该尽可能精确地为圆形。半径的变化应小于5％，优选地小于2％，最优选地小于1％以及理想地小于0.1％。该传感器单元还包括至少一个用于产生偏置磁场H_bias的辅助线圈。辅助线圈被定位成使得以下述方式向磁阻传感器施加该偏置磁场：偏置磁场在传感器位置处强到足以引起磁阻传感器中的磁饱和。所施加的偏置场在磁阻传感器的传感区域中应该尽可能地均匀，并且辅助线圈具有一定尺寸，并被设计成适合于不仅在测量处理之前以脉冲方式施加该偏置磁场，而且在整个电流测量处理期间连续地施加该偏置磁场，因此通常在至少30ms的时间跨度期间，优选地在至少100ms的时间跨度期间施加该偏置磁场，并且通常只要装置开启就一直施加该偏置磁场，因此达到超过一分钟或一个小时或几个小时。

根据本发明的传感器单元的关键因素之一是如下事实：已经发现通过施加相应的偏置场可以使磁阻传感器连续地工作在饱和状况，这基本上消除了与这样的传感器的常规操作相关联的偏移和滞后问题。此外非常有效的是，可以使用由待测量的电流的场H_curr与偏置场H_bias的矢量和H_resul产生的、传感器中的测量信号的角相关性(angular dependency)。为此，通常地，辅助线圈所提供的偏置磁场H_bias的方向被定向为与由导体中的电流产生的磁场H_curr的方向成超过45°的角度，优选地成超过60°的角度，最优选地成在80°至100°范围内的角度，以提供测量信号的高的角灵敏度。磁阻传感器具有两个稳定的磁化。其中一个稳定的磁化由偏置场处理(address)。然而，如果倾斜角在错误的方向上大于一些度数，则与峰值电流相对应的磁场将翻转材料的磁化，并因此反转信号。当在装置中使用两个传感器时，如果偏置场是倾斜的，则其中一个传感器将自动地具有朝向错误的方向的倾斜，而另一个则不会。这导致了一个不再能被明白地解释的信号。因此上述角度优选地在90°+/-2°的范围内。

因此提出了基于磁阻传感器的新的测量装置，以便克服对紧接着大电流峰值或在其之后的小电流信号进行检测的困难。新的方法直接测量由主电流产生的磁场。它允许对高达1MHz的频率进行检测，而在测量期间或测量之后不会表现出由于大电流而导致的信号的任何明显失真，并且尤其不会引起偏移。

实现该装置的目标在于：在相对小的范围内以高分辨率对电流所产生的磁场进行测量。利用标准技术，由于所应用的磁介质的饱和效应而产生主要的测量困难。在饱和时，对磁场量值的灵敏度大大降低，并由于滞后效应而产生偏移。

因此，一个创造性的想法为：使用在整个测量处理期间被保持在饱和的磁性材料，以及测量磁场的角度而不是测量磁场的量值。磁阻传感器对关于通过磁阻传感器传送的探测电流的外部磁场的角度是高灵敏的，因此理想地适合于上述任务。为了使材料保持在饱和，产生附加偏置磁场并将该附加偏置磁场调节为优选地基本上垂直于由主电流所产生的主磁场。在该情况下，主磁场的量值的变化导致了整个磁场的角度的变化。

根据优选实施例，辅助线圈被设置为位于至少一个磁场传感器外的、围绕导体的轴的一个多匝绕组。因此，辅助线圈与导体是同轴的，并且传感器夹在导体和辅助线圈的绕组之间。像这样，辅助线圈可以提供强的、并在传感器的位置处非常均匀的磁偏置场，该磁偏置场垂直于待测量的磁场的方向，而待测量的磁场是环绕着导体的。此外，在这个设置中，传感器可以在待测量的磁场最强的地方被设置成尽可能地靠近导体，并且辅助线圈提供与待测量的场一样也具有旋转对称特性的偏置磁场。

根据另一个优选实施例，围绕导体的周面对称地分布有至少一对磁阻传感器(通常设置成关于导体的主轴相对)，优选地为至少两对或三对磁阻传感器。提供至少一对传感器允许相当有效地对外部场的贡献进行补偿。实际上，外部场的贡献在传感器的空间尺度上通常基本上是均匀的，因此，鉴于旋转对称的设置，特别是在辅助线圈与导体同轴的情形下，当对成对的传感器的信号进行总计时，这使得抵消了外部场贡献。优选地，传感器在导体的场是最强的地方被设置成尽可能地靠近导体，因此传感器通常位于与导体的外表面相距0至10mm范围内的距离处，考虑到传感器的传感区域，优选地位于相距0至5mm范围内的距离处。最小距离由导体和传感器之间所需的电介质隔离给出，并且通常为至少2mm至3mm。

根据另一个优选实施例，磁阻传感器是要用探测电流(I_probe)进行驱动的类型，该探测电流(I_probe)相对于偏置磁场H_bias的方向基本上成45°角，且优选地使用具有四元件惠斯通(Wheatstone)布置的传感器。例如，可能的是使用与从NXP半导体(瑞士)得到的、名称为磁阻传感器KMZ的磁阻传感器相似或等同的类型。

更具体地，根据另一个优选实施例，这样的传感器单元可以包括隔离内部支撑元件(不导电的安装件(mount))，该隔离内部支撑元件优选地基本为包围(enclose)导体的圆筒形状。这样的隔离内部支撑元件在其外表面上或至少部分地嵌入其中(例如，在相应的腔内或凹槽内)承载有至少一个磁阻传感器。如果在这种情况下，优选地如果到传感器的电连接在从传感器出来时首先轴向地(例如，在至少5mm的距离的范围内)并然后径向地被引导远离传感器(例如，在隔离内部支撑元件中的相应地设置的通道或凹槽中)，则可以实现到传感器的连接的特别低的干扰。另外优选的是，设置有外部支撑元件。同样地，该外部支撑元件可以是基本上圆筒形状，并径向地包围内部元件和位于其上/其中的传感器(基本上将传感器夹在内部支撑元件和外部支撑元件之间)。如果在外部元件的外周面上或至少部分地嵌入到其外周面中承载有辅助线圈，则这是优选的，该辅助线圈优选地为在传感器所位于的位置处围绕导体的轴并与导体的轴同轴的多匝绕组。内部支撑元件和/或外部支撑元件通常是由氟化材料制成的，例如选自PTFE(聚四氟乙烯)及其化学改性物(modification)/化学混合物。因为特别是在AC测量的情况下，传感器单元上可能存在较大的机械应力，因此如果辅助线圈的绕组稳固地固定到传感器单元，则传感器单元上可能存在较大的机械应力是优选的，根据另一个优选实施例，如果多匝绕组被树脂浇铸(resin cast)到外部支撑元件之上或之内，则传感器单元上可能存在较大的机械应力是可以的。为此，例如，外部支撑元件可以设置有相应的外部周向凹槽，多匝绕组可以被放置在该外部周向凹槽中，之后通过用树脂或相应的固定材料填充凹槽来固定该多匝绕组。

为了测量紧接着大电流的电流的小变化，可以使用补偿由大电流产生的磁场的一个或若干个附加线圈。采用这种方式，磁阻传感器看到的所得到的磁场接近零(在测量灵敏度应该很高的电流的任何绝对值处)，且传感器是灵敏的。可以设置额外的恒定电流源来产生该补偿磁场或减去磁场。还可以将补偿场自动地调节至主电流的低频分量。然后，从所需的补偿场获得电流的总量值，而直接从传感器获得小的变化。

因此，相应地，根据依照本发明的传感器单元的另一个优选实施例，它包括用于针对由导体中的电流所感应的磁场(H_curr)而产生减去磁场的附加线圈。为此，一个或若干个附加线圈通常被设置成使得在磁阻传感器的传感位置处产生的场在方向上基本上与由导体中的电流所感应的磁场相反。

优选的是，最终利用附加线圈对适合于对导体中的例如高达100kA的电流进行测量的传感器进行校正以用于补偿，其中，测量范围为以由导体中的电流所感应的磁场(H_curr)的零值为中心的例如+/-300A。

为了提高灵敏度，可以实现另外的电子部件：驱动通过传感器的探测电流的电压源是有源稳定(actively stabilized)的，以便保持该电压源尽可能的恒定，并且产生偏置磁场的电流也是有源稳定的，以保持参考场恒定。

因此，相应地，如果辅助线圈被设计和定位成使得在至少一个传感器的位置处产生磁偏置场(H_bias)，以便使传感器保持在饱和而非饱和以下，则这是优选的。如果场太小，则不能够保证传感器的功能，并且对于非常高峰值的场，传感器的功能将会失效。因此，场应该通常为至少3.75mT。它可以具有任何更大的值，然而，传感器的灵敏度直接与该场的强度有关，并随着场的增大而减小。因此，优选地，应该使用使传感器保持在饱和而非饱和以下的最小必要值。相应地，场的强度优选地被选择为至少3.5mT，最优选地选择为至少3.75mT。场的强度优选地适合于不大于4mT或5mT。另外，磁偏置场(H_bias)优选地被控制为在小于0.1％的范围内、优选地在小于0.01％的范围内变化。

根据依照本发明的传感器单元的另一个优选实施例，它还包括用于控制磁阻传感器、用于馈给至少一个辅助线圈以及用于放大和/或估计磁阻传感器的信号的电子单元。应该指出的是，传感器单元的可用灵敏度非常高，因此必须当心引向传感器或从传感器引出的线、和/或电子单元没有产生“磁噪声或干扰信号”。想要以首先轴向地然后径向地将线引向传感器以及从传感器引出的上述方式使干扰信号保持尽可能低。另一个额外的可能性是要避免由用于对电子单元进行供电的变压器所引起的噪声。为此，可以使用完全屏蔽的或厚厚屏蔽的变压器，或者如优选地，可以使用通过使用至少一个电池单元(例如，可再充电的)基本上专门为其供电的电子单元。此外，建议确保电子单元由具有低磁场和/或低电场噪声产生分量的部件构成。

此外，本发明涉及如上所述传感器的特定用法。该用法的特征在于：传感器用于测量导体中的电流，优选地用于在存在高达50kA的范围内、优选地高达100kA的范围内的高峰值电流值的情况下、用+/-300A范围内的灵敏度对电流的小变化和/或衰减特性进行测量。另外优选地是，使用具有附加线圈的传感器单元，该附加线圈用于针对导体中的电流所感应的磁场(H_curr)产生减去磁场，以在存在高绝对电流值的情况下以非常高的灵敏度对导体中的基本上为直流的电流进行测量。

这样的传感器用法优选地采用如下附加线圈来进行：该附加线圈用于产生用于对由导体中的特定电流所感应的磁场(H_curr)进行补偿的、与时间无关的减去磁场，以精确地测量接近该特定电流的电流。该用法的应用特别在于：通过对预期的/平均的峰值进行补偿，对DC电流的变化、50Hz信号的峰值电流的变化的测量；特定电流水平附近的精确测量，例如熔丝的激活电流。

这样的传感器用法优选地还采用以下附加线圈来进行：该附加线圈用于产生与时间无关的减去磁场，该与时间无关的减去磁场旨在将所得到的场保持在传感器的灵敏度范围内，从而允许精确测量补偿场和所得到的场之间的差异。例如可以通过使用反馈机构、低频电流测量、或预定的波形产生补偿场。该用法的应用特别在于：通过补偿具有正确幅度(可以通过反馈或低频测量进行调节)的完美正弦信号对50Hz信号的小变化/谐波的检测；与任何预期电流波形的偏离的精确测量；通过补偿以及可能使用反馈对任何电流的测量，其中反馈信号是电流的量度(measure)。

此外，本发明涉及一种优选地采用如上所述的传感器单元来测量导体中的电流的方法，其中，在整个电流测量处理期间，为辅助线圈连续地馈给足以引起磁阻传感器中的磁饱和的电流，并且其中，偏置磁场被定向为基本上垂直于待测量的磁场。

在从属权利要求中概述了本发明的另外的实施例。

附图说明

在附图中，示出了本发明的优选实施例，其中：

图1-4是在施加偏置磁场情况下的磁场矢量的示意表示，其中，在图1中导体中没有电流流动，在图2中导体中流动有小的电流，在图3中导体中流动有中等的电流，而在图4中导体中流动有大的电流，并且该表示是在偏置磁场的方向上定标的，以表示界限情况；

图5给出了由探测电流的方向和待测量的场的方向所围成的角α的矢量表示；

图6给出了在磁阻传感器中测得的、作为角α的函数的电阻；

图7和图8分别与图5和图6相同，然而探测电流的方向倾斜45°，这导致了在α＝0附近的线性响应；

图9是具有两个传感器和用于产生偏置磁场的线圈的测量设置上方的示意性透视图；

图10是与穿过根据图9的传感器以及作用于两个传感器的场的导体的轴垂直的剖面；

图11示出了在从顶部或者等同地从底部旋转180°沿图10中的箭头观看的情况下，根据图9和图10的磁场以及两个传感器中的探测电流的情况的矢量图；

图12示出了与导体的主轴、等同于与传感器单元的主轴相垂直的剖面；

图13示出了穿过传感器单元的外部支撑元件的轴向剖面；

图14示出了传感器单元的内部支撑元件上方的视图；

图15示出了沿图12中的线A-A穿过内部支撑元件的轴向剖面；以及

图16示出了沿图12中的线B-B穿过内部支撑元件的轴向剖面。

具体实施方式

用在磁阻传感器中的磁阻元件是对于通过该元件传送的小探测电流，作为该元件的磁化方向的函数而改变其电阻的物体。电阻近似地取决于该探测电流和材料的磁化之间的角度的余弦平方。如果电流和磁化指向同一方向，则电阻将最大。如果电流和磁化之间的角度是90度，则电阻将最小。装置被安装成使得探测电流相对于待测量的主磁场倾斜45度，并且偏置磁场被进一步倾斜另一个45度从而相对于主磁场倾斜90度。在该情况下，磁阻元件的电阻对高达如下点的主磁场是灵敏的：其中，主磁场的量值等于偏置磁场的量值。因此，通过偏置磁场的强度来调节元件的灵敏度。此外，可以通过向主磁场添加相反方向的附加磁场来调节零点。在该情况下，如果主磁场恰好与附加磁场相抵消，则传感器表现出零信号。

参照附图，其中该附图是出于示出本发明的当前优选实施例的目的而不是出于限制本发明的目的，图1-4相应地示出了磁阻传感器暴露于使传感器的磁化饱和的偏置磁场H_bias的(一直为细实线箭头)情况下的若干个矢量图。如果如图1中所示，没有电流流过导体，则不产生围绕导体旋转的相应磁场H_curr。因此，在这种情况下，作用在传感器上的全部磁化H_resul是由H_bias给出的。如果有低的电流流过导体，则出现如图2中所示的情况。作用在传感器上并相应地确定传感器信号的所得到的磁场H_resul是由H_curr与H_bias的矢量和给出的。对于甚至更强的电流，在图3中示出了该情况。从图2和图3两个图的对比中可以看出，对于小电流(小的意思是所得到的H_curr在H_bias的范围内，或者小于H_bias)，对传感器上所得到的磁场H_resul具有强的角相关性。在图4中，示出了对于高电流流过导体的情况。在这种情况下，H_bias和H_resul之间的角度(指定为α)接近90°。因此，通常对于在45°以上的值，传感器灵敏度如果不是基本上为零就是很低。另外，角α的传感器信号与对应于角90°-α的较小电流的信号相同。因此，这种特定的设置尤其适合于例如要对在出现高电流峰值之后的低安培衰减特性进行分析的情况。所提出的设置允许进行测量而没有延迟或滞后效应。因此，这种特定设置尤其适合于例如如下情况：电路中需要不受高峰值电流(例如，高达100kA的短路电流)的影响的电流传感器，并且该电流传感器在紧挨干扰之后保持其校准(calibration)而没有任何明显信号失真。所提出的设置允许精确地测量电流而没有延迟或滞后效应。对于根据现有技术水平的传感器单元，其通常具有电流峰值(以上示例中将在几百A的范围内)的若干个百分点的最大灵敏度，并且需要花费很长时间以从干扰中恢复。然而，因为新的传感器不受滞后和延迟效应的影响、与电流峰值有多高无关，所以这样的新的传感器总是达到低于0.1A的相同分辨率，并且在以上情况下可以进行精确地测量。

探测的电阻取决于传感器中的探测电流与传感器材料的磁化之间的角度，传感器材料的磁化又是通过外部场的方向给出的。图5中示出了探测电流I_curr和待测量的场H_resul以及所围成的角度的该相关布置。图6中示出了在传感器中测得的、作为该角α的函数的电阻之间的函数关系3。这种情况下的函数关系如下：

R＝R₀+R₁(cos(α))²。

探测电流和待测量的磁场的这种几何布置中的问题为以下事实：在最关心的区域周围，即在零范围内的角度值的周围，对角度的灵敏度较低，且存在非线性关系。此外，不能够区别角度的正值和负值。

因此，相应地提出将传感器中的探测电流I_probe倾斜45度，如图7中所示，这样就将上述函数基本上移动了π/4，并且输出信号对于小角度的角变成线性的，并达到较高的灵敏度：

R＝R₀+R₁(cos(α-π/4))²＝R₀+R₁/2+R₁/2sin(2α)

图8中示出了这种情况，并且用虚线4示出了线性近似。实际上，在这种操作模式下，可以用全函数关系来测量在+/-45°范围内的α的值，而用线性近似来测量在+/-45°的二分之一或三分之一范围内的α的值。该测量窗实际上是多大当然取决于偏置磁场的幅度，然而，因为偏置磁场必须至少强到足以使得传感器饱和，所以这导致了等于以上+/-300A的+/-45°的最小灵敏度范围。对于线性状况，相应的窗近似为+/-100A。这些值适用于根据目前的技术水平而设置的传感器，其中，在目前的技术水平中，四个传感器形成一个单独的传感器，且这四个传感器被连接作为惠斯通桥。这种类型的传感器为例如从类型名称为KMZ的NXP半导体得到的传感器。

因此，由于电阻R是可以测量的，所以可以计算角α。可以通过三角学根据偏置磁场H_bias的已知值来计算磁场H_curr的值。另外，由于磁场H_curr直接和导体1承载的电流成比例，所以可以根据已知的磁场H_curr来计算该电流。为了得到精确的测量，应该对如下所述的传感器单元进行校准。

在图9中用示意性透视图示出了特定的传感器设置。在这种特定情况下，具有高精度圆形横截面的单个导体1承载有箭头2所指示的电流。在用于实验测试的设置中，导体具有20mm的直径，且被指定用于高达100kA的电流。如果存在一个或若干个附加线圈用于补偿由DC电流所产生的场，则这种电流可以是AC或DC。电流如果在由箭头2所指示的方向上流动，则其感应出由粗实线箭头所示出的旋转对称的环形磁场H_curr。传感器单元包括上磁阻传感器5和下磁阻传感器6。这些传感器中的每一个可以是例如上述的类型KMZ。因此，每一个磁阻传感器5、6是由组成惠斯通桥的四个磁阻元件构成的，以使从元件获得的信号最大化。

传感器5、6被设置成尽可能精确地关于导体相对且关于导体对称，且以旋转等效的方式对其进行连接和驱动。传感器5、6被设置成尽可能地接近导体的外表面，传感器5、6的传感区域和导体的外表面之间的距离通常在4mm至5mm的范围内。

在导体1的周围并且还包围着两个传感器5、6设置有辅助线圈7。该多匝绕组如果被馈以相应的电流，则在传感器5、6的位置处感应出基本垂直于待测量的场H_curr的偏置磁场H_bias。在此处采用的设置中，从导体的外表面到辅助线圈7的最内绕组的距离大约为12mm至15mm。通常可以说，该辅助线圈7必须能够在传感器5、6的位置处产生的最小场是足以使传感器饱和的场。这通常意味着必须在传感器位置处产生至少为3.5mT、优选地至少为3.75mT的磁场(还取决于所使用的传感器以及内部的磁性材料)。此外，线圈的尺寸必须被形成为不只是用于产生脉冲短时间场，也用于产生在该强度范围内的基本连续的场。该场要在实际测量处理期间施加，因此由于上述处理发生在几十ms的范围内，所以具有上述强度的场必须被提供达至少30ms，优选地为至少50ms，并且通常上只要传感器头被操作就提供该强度的场，因此为数小时或甚至更长。

在图10中用轴向剖面示出了根据图9的大体情况，该轴向剖面是在与图9中的箭头相反的方向上观看到的。在此看到，实际上待测量的场H_curr(也用传感器内的小箭头表示)垂直于偏置场H_bias。此外，在图10中，示意性地示出了用标记22表示的大致外部磁场贡献。通常指出，在传感器单元的尺寸框架内，这样的外部磁场贡献就幅度和方向而言基本上是均匀的。相应地，如可以通过给出的相应的符号+和-看到的，由于两个传感器5、6的旋转对称布置，所以当取两个传感器的测量信号的和时，抵消了该外部磁场22的贡献。由于各个传感器的一般灵敏度仍可能存在差异以及几何差异，所以该和优选地为可调节的加权和，其加权可以在标准情况下进行调整。

为了进一步阐明所提出的设置中的各种矢量的相对定向，图11中示出了根据图10中的箭头的、另一个传感器视图中的情况。可以认识到，实际上由电流感应的场H_curr垂直于偏置场H_bias，且探测电流与这两个方向基本上成45°。要指出的是，如果围绕导体的主轴旋转如图10中给出的设置，并沿着箭头观测现在处于上方位置的下传感器6，则可得到相同的矢量情况。

图12-16中示出了这样的传感器单元的可能实现的细节。参照图12，该设置包括通常为PTFE的内部支撑元件或内部圆筒9，该内部支撑元件或内部圆筒9包括中心轴向孔12，导体1可以插入到该中心轴向孔12中。在要使用四个传感器的情况下，该内部圆筒9在其外表面上包括均匀分布的四个凹槽11，传感器可以放置在这四个凹槽11中且最终可以固定在其中。此外，该单元包括位于内部圆筒之外并包围该内部圆筒的外部支撑元件或外部圆筒10。一旦传感器位于凹槽11内，外部圆筒10就可以移动越过内部圆筒9，并且随后传感器被夹在内部圆筒和外部圆筒之间，并牢固地保持在设置中。然后，可以通过使用径向螺钉来紧固地连接内部圆筒9和外部圆筒10，该径向螺钉穿过在图13中可见的孔并且与在图12或图16中可见的、内部圆筒9中的相应的孔13相接合。

在图13中只给出了外部圆筒10的轴向剖面。外部圆筒10在左侧部分中包括导体从其中穿过的中心孔。在该区域中还设置有终端凸缘18。在终端凸缘18的右侧，在外表面中设置有凹槽14，辅助线圈7的多匝绕组放置在该凹槽中并且通过例如填充树脂并对其进行交联/聚合从而被牢固地固定在该凹槽中。在该右侧部分中，中心孔的内直径较大，且在两个内直径之间的过渡区域中设置有抵接表面(abutment surface)16。实际上，如果如图15中以轴向剖面所示出的内部圆筒9装备有传感器，则外部圆筒10被继续移向内部圆筒，直至内部圆筒的表面17与外部圆筒的表面16相抵接。在最终设置中，相应地，传感器单元的左侧由凸缘18形成，接着其右侧的是位于凹槽14中的辅助绕组的外部，之后接着是外部圆筒10的薄的附加凸缘23以及凹槽，其中，上述螺钉可以被放置在该凹槽中，从而穿过孔15并且与如图16中所示的内部圆筒9的盲孔13相接合。至于右侧，传感器单元则以内部圆筒的终端凸缘19作为边界(见图14和图16)。因此得到了非常紧凑且明确限定的传感器单元。

在图14中给出了内部圆筒的侧视图。在这个图示中，可以看出传感器5/6位于凹槽11中。进出传感器的连接首先通过轴向通道20被轴向地引导离开，并然后通过通道21被径向地引导到传感器头之外。可能的是可以使得这些线缆对于磁阻传感器的干扰影响最小化。

总的来说，传感器头包括导电杆1、不导电的安装件9、10、两个或偶数个磁阻传感器5、6、辅助线圈7以及视需要而定的一个或若干个附加线圈(未在图中示出)。导电圆柱杆1需要传送通过传感器头的主电流。

不导电的安装件9、10使磁阻传感器5、6与杆分隔开，并从而将它们与主电路隔离开。此外，不导电安装件9、10相对于磁阻传感器5、6来固定辅助线圈7，并允许精确地调节传感器头。

磁阻传感器5、6位于距离杆1明确限定的距离处，并且所有的成对的传感器在电流载体1的相对的侧上相互面对。这使得任何均匀的外部场从测量结果中被去除，并且每一个附加传感器对都使得总灵敏度和信噪比增大。

辅助线圈7需要产生均匀的磁偏置场，并且用它来限定传感器的灵敏度的范围。

一个或若干个附加线圈允许设置传感器的零信号(参考信号)。这样的附加线圈例如可以位于根据图11的示意图示中，作为围绕传感器5的多匝绕组，其中该附加线圈的主轴与表示H_curr的箭头共线。从而，该附加线圈的附加补偿场或减去场(subtracting field)与待测量的场H_curr的方向同向，并且可以有效地用于其补偿，特别是在DC电流测量的情况下。

电流传感器包括两部分，电子单元和如上所述的传感器头，传感器头对磁场进行检测，电子单元为辅助场和/或减去场提供电流，并对该信号进行放大(通常放大大约10倍，在所述的具有4个传感器的设置中，放大倍数实际上大约为10倍，或者每个传感器2.5倍)和处理。

电子单元包括两部分，信号处理单元和一个或两个电流源。电流源负责通过辅助线圈和/或附加线圈的恒定电流，因而产生作为磁阻传感器的参考的稳定磁场，并限定传感器的零信号。信号处理单元需要产生传感器的供电电压，以及放大来自各个磁阻传感器的信号，并将这些信号与和电流成比例的信号相加。由于各个传感器的灵敏度略微不同，所以每个信号相应地被加权。

附图标记清单

1 传导待测量的电流的导体/杆

2 1中的电流的方向

3 在磁阻传感器中测得的、作为α的函数的电阻

4 在零点周围的线性状况的表示

5 第一磁阻传感器

6 第二磁阻传感器

7 用于产生偏置磁场的辅助线圈

8 观看方向

9 传感器单元的内部支撑元件，内部圆筒

10 传感器单元的外部支撑元件，外部圆筒

11 用于磁阻传感器的凹槽

12 9中的用于1的孔

13 9中的用于固定螺钉的孔

14 用于辅助线圈7的凹槽

15 10中的用于固定螺钉的通孔

16 外部圆筒上的用于内部圆筒的抵接表面

17 内部圆筒上的抵接表面

18 外部圆筒的终端凸缘

19 内部圆筒的终端凸缘

20 9中的用于连接到5/6的轴向凹槽

21 9的19中的用于连接到5/6的径向凹槽

22 外部磁场贡献

23 凸缘

H_curr 1中的待测量的电流所产生的磁场

H_bias 偏置磁场

H_resul 从H_curr和H_bias所得到的场

I_probe 磁阻传感器中的探测电流

R 磁阻传感器中的电阻

R₀ 作为角α的函数的、磁阻传感器中的R的最小值

α 探测电流和H_resul之间的角

Claims (15)

1.一种用于测量导体(1)中的电流的传感器单元，其包括至少一个磁阻传感器(5、6)，其中所述至少一个磁阻传感器(5、6)位于距所述导体(1)的外表面一定的径向距离处，其中，所述导体(1)具有圆形横截面，并且其中，其包括至少一个辅助线圈(7)，所述至少一个辅助线圈(7)用于对所述磁阻传感器(5、6)产生偏置磁场(H_bias)，该偏置磁场(H_bias)强到足以在整个电流测量处理期间连续地引起所述磁阻传感器(5、6)中的磁饱和。

2.根据权利要求1所述的传感器单元，其中，由所述辅助线圈(7)提供的所述偏置磁场(H_bias)的方向被定向为与由所述导体(1)中的电流产生的磁场(H_curr)的方向成大于60°的角，优选地成在80°至100°范围内的角，最优选地成在88°至92°范围内的角，并且其中，优选地，所述辅助线圈(7)被设置作为位于所述至少一个磁阻传感器(5、6)之外的、围绕所述导体(1)的轴的一个多匝绕组。

3.根据上述权利要求中任一项所述的传感器单元，其中，围绕所述导体(1)的周面对称地分布有至少一对磁阻传感器(5、6)、优选地有至少两对或三对磁阻传感器(5、6)，其中优选地，所述传感器(5、6)位于与所述导体(1)的外表面相距0至10mm范围内的距离处，考虑到传感器(5、6)的传感区域，优选地在相距0至5mm范围内的距离处。

4.根据上述权利要求中任一项所述的传感器单元，其中，所述磁阻传感器(5、6)是由与所述偏置磁场(H_bias)的方向基本上成45°角的探测电流(I_probe)来驱动的，其中优选地，使用具有四元件惠斯通布置的传感器。

5.根据上述权利要求中任一项所述的传感器单元，其中，设置有优选地为基本上圆筒形状的隔离内部支撑元件(9)，所述隔离内部支撑元件(9)包围所述导体(1)，且在其外表面上或至少部分嵌入在其中承载有至少一个磁阻传感器(5、6)，其中优选的是，到所述传感器的电连接首先轴向地然后径向地被引导远离所述传感器，并且，其中还优选的是，设置了优选地为基本上圆筒形状的外部支撑元件(10)，所述外部支撑元件(10)径向地包围所述内部元件和位于其上/其中的所述传感器(5、6)，并且在其外周面上或至少部分地嵌入到其外周面中承载有作为多匝绕组的所述辅助线圈(7)，其中所述多匝绕组在所述传感器(5、6)所位于的位置处围绕所述导体(1)的轴，其中还优选的是，所述内部支撑元件(9)和/或所述外部支撑元件(10)是由氟化材料制成的，该氟化材料优选地选自PTFE及其化学改性物/化学混合物。

6.根据权利要求5所述的传感器单元，其中，所述多匝绕组被树脂浇铸到所述外部支撑元件(10)之上或之中。

7.根据上述权利要求中任一项所述的传感器单元，包括附加线圈，所述附加线圈用于针对由所述导体(1)中的电流所感应的所述磁场(H_curr)产生减去磁场。

8.根据上述权利要求中任一项所述的传感器单元，用于对所述导体(1)中的高达100kA、或甚至高达200kA或500kA的电流进行测量，其中测量范围优选地为以由所述导体(1)中的电流所感应的所述磁场(H_curr)的零值为中心的+/-300A，最终采用附加线圈对该传感器单元进行校正以用于补偿。

9.根据上述权利要求中任一项所述的传感器单元，其中，所述辅助线圈(7)被设计和定位成使得在所述至少一个传感器(5、6)的位置处产生至少3.5mT、优选地为至少3.75mT的磁偏置场(H_bias)，并且，其中还优选的是，所述磁偏置场(H_bias)被控制成随着时间在小于0.1％的范围内、优选地在小于0.01％的范围内变化。

10.根据上述权利要求中任一项所述的传感器单元，包括用于控制所述磁阻传感器(5、6)、用于馈给所述至少一个辅助线圈(7)以及用于放大和/或估计所述磁阻传感器(5、6)的信号的电子单元，其中，优选地通过使用至少一个电池单元来专门为所述电子单元供电，和/或其中，所述电子单元是由低磁场噪声部件和/或低电场噪声部件构成的。

11.根据上述权利要求中任一项所述的传感器单元的一种用法，用于对导体(1)中的电流、优选地对在存在高峰值电流值的情况下的电流的小变化和/或衰减特性进行测量，其中，所述高峰值电流值在高达50kA的范围内，优选地在高达100kA的范围内，或在高达200kA或500kA的范围内，所述传感器单元在优选地为+/-300A的范围内是灵敏的。

12.根据权利要求1-10中任一项所述的传感器单元的、利用附加线圈的一种用法，所述附加线圈用于针对所述导体(1)中的电流所感应的磁场(H_curr)产生减去磁场，以对导体(1)中的基本上是直流的电流进行测量。

13.根据权利要求1-10中任一项所述的传感器单元的、利用附加线圈的一种用法，所述附加线圈用于产生与时间无关的减去磁场，所述减去磁场用于对所述导体(1)中的特定电流所感应的磁场(H_curr)进行补偿，以精确测量接近于该特定电流的电流。

14.根据权利要求1-10中任一项所述的传感器单元的、利用附加线圈的一种用法，所述附加线圈用于产生与时间无关的减去磁场，所述减去磁场旨在将所得到的场保持在所述传感器的灵敏度范围内，以允许精确测量补偿场和所述所得到的场之间的差异，其中，优选地通过使用反馈机构、低频电流测量或预定的波形来产生所述补偿场。

15.一种用于采用根据权利要求1-10中任一项所述的传感器单元对导体(1)中的电流进行测量的方法，其中，所述辅助线圈(7)在整个电流测量处理期间被连续地馈以电流，所述电流足以引起所述磁阻传感器(5、6)中的磁饱和，并且其中，所述偏置磁场被定向为基本垂直于待测量的所述磁场。

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