ES2591283T3 - Configuración de sensores magnetorresistivos para la medición de corriente - Google Patents

Configuración de sensores magnetorresistivos para la medición de corriente Download PDF

Info

Publication number
ES2591283T3
ES2591283T3 ES08786336.1T ES08786336T ES2591283T3 ES 2591283 T3 ES2591283 T3 ES 2591283T3 ES 08786336 T ES08786336 T ES 08786336T ES 2591283 T3 ES2591283 T3 ES 2591283T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
conductor
current
magnetic field
sensor
magnetoresistive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES08786336.1T
Other languages
English (en)
Inventor
Rudolf Gati
Markus Abplanalp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Application granted granted Critical
Publication of ES2591283T3 publication Critical patent/ES2591283T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G01R15/205—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices using magneto-resistance devices, e.g. field plates

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

Unidad de sensor para la medición de una corriente en un conductor (1) que comprende al menos un sensor magnetorresistivo (5, 6) localizado a una distancia radial de la superficie externa del conductor (1), donde el conductor (1) tiene una sección transversal circular, donde la unidad de sensor comprende al menos una bobina auxiliar (7) para la generación de un campo magnético polarizado (Hbias) al al menos un sensor magnetorresistivo (5, 6) lo suficientemente fuerte para inducir una saturación magnética en al menos un sensor magnetorresistivo (5, 6) continuamente durante todo el proceso de medición de corriente, donde la dirección del campo magnético polarizado (Hbias) proporcionado por la bobina auxiliar (7) está orientada a un ángulo de 88-92° con respecto a la dirección del campo magnético (Hcurr) producido por la corriente en el conductor (1), donde la bobina auxiliar (7) está proporcionada como un arrollamiento de múltiples vueltas alrededor de y coaxial con el conductor (1), y donde el al menos un sensor magnetorresistivo (5 ,6) está insertado entre el conductor y los arrollamientos de la bobina auxiliar, caracterizada por el hecho de que el campo magnético producido por la corriente en el conductor (1) es medido directamente por el al menos un sensor magnetorresistivo (5, 6) utilizando un campo magnético resultante (Hresul) que actúa en dicho al menos un sensor magnetorresistivo (5, 6) y que es dado por la suma vectorial del campo magnético (Hcurr) producido por la corriente en el conductor (1) y el campo magnético polarizado (Hbias).

Description

5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Configuracion de sensores magnetorresistivos para la medicion de corriente Campo tecnico
[0001] La presente invencion se refiere a una unidad de sensor para la medicion de una corriente en un conductor que comprende al menos un sensor magnetorresistivo, asf como a usos de tal unidad de sensor y a un metodo de medicion de corriente que usa tal unidad de sensor.
Antecedentes de la invencion
[0002] La medicion de pequenas senales de corriente ademas de o despues de picos de corriente alta es una tarea experimental que supone un desaffo.
Normalmente se emplean tres tipos diferentes de tecnicas de medicion para resolver este problema:
1) El primer principio de medicion se basa en la integracion de una resistencia adicional en el circuito, una llamada resistencia de shunt, de manera que la corriente que se desea medir (corriente principal) fluya a traves de ella.
Entonces, la corriente se obtiene directamente de la bajada de tension a traves de esta resistencia adicional.
Sin embargo, existen dificultades asociadas a esta tecnica de medicion.
Por un lado, la resistencia tiene que ser elegida de manera que no influya al circuito y, por lo tanto, tiene que ser mucho mas pequena que todas las otras resistencias.
Ademas, durante el pico de corriente no se puede permitir que se caliente, ya que esto generalmente cambiarfa sus caracterfsticas.
Con esto, la bajada de tension se vuelve muy pequena para corrientes pequenas despues del valor maximo y la exactitud de la medicion se reduce.
Tampoco se pueden determinar variaciones pequenas ademas de una corriente grande por la misma razon, ya que solo causan pequenas variaciones en la bajada de tension.
2) La segunda tecnica de medicion se basa en la la deteccion del cambio en el campo magnetico generado por el cambio en la corriente.
Se pueden aplicar tecnicas diferentes para este proposito.
La tecnica mas ampliamente usada se basa en una bobina que se coloca alrededor del cable conductor de corriente.
Los cambios en el campo magnetico inducen una tension en la bobina que puede ser directamente medida.
Esta senal tiene que ser integrada para obtener la propia senal de corriente.
La integracion suma los errores de cada medicion individual dando como resultado una compensacion de la senal corriente.
Por lo tanto, despues de una gran valor maximo de corriente, las corrientes pequenas no se pueden medir con precision debido a la compensacion de la senal.
Ademas de una corriente grande, los cambios pequenos pero rapidos se pueden medir con esta tecnica.
Sin embargo, los cambios lentos, por ejemplo cambios o variaciones de voltaje de valor maximo, no se pueden medir con precision.
Para alcanzar una alta exactitud con esta tecnica, los cambios muy pequenos del campo magnetico se deben detectar con un ancho de banda alto.
Esto se puede realizar o bien usando un gran numero de arrollamientos para la bobina, lo que limita el ancho de banda solo para los bajos valores o bien anadiendo un nucleo ferromagnetico a la bobina para mejorar el campo magnetico y, por lo tanto, la senal.
La dificultad con el nucleo ferromagnetico es que los campos magneticos altos magnetizaran el material y llevaran, por lo tanto, a una distorsion de la senal medida y a desplazamientos adicionales debido a efectos de histeresis.
3) Una forma mucho mas sencilla es medir el campo magnetico directamente en vez de su cambio.
Con esto se evita el problema con los desplazamientos de integracion.
Sin embargo, como los campos magneticos generados por corrientes pequenas son pequenos, la sensibilidad normalmente se aumenta utilizando materiales magneticos.
De este modo, los desplazamientos seguiran estando presentes debido a los efectos de histeresis en estos materiales.
[0003] Otro metodo para la medicion de corrientes consiste en usar sensores de campo magnetico con alta sensibilidad, como por ejemplo elementos sensores magnetorresistivos.
Como se divulga por ejemplo en US 5708407, es posible usar un sensor de corriente circular basado en un material magnetorresistivo a traves del cual el conductor de las corrientes que se desean medir es guiado.
WO 2006/042839 divulga una mejora de tal dispositivo en la que se dice que los problemas de desplazamiento o histeresis se superan aplicando un campo magnetico adicional pulsado a la zona del sensor antes del proceso de
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
medicion real.
[0004] La solicitud de patente EP0294636 A2 divulga un sensor de corriente que comprende piezas de polo ligadas por una derivacion magnetica y un transductor magnetorresistivo que detectan el campo magnetico a lo largo de un eje principal.
Las bobinas de induccion generan un componente de polarizacion de campo magnetico a lo largo de un eje perpendicular al eje principal.
[0005] La solicitud de patente US2008/0100290 divulga un sensor magnetico que tiene dos elementos magnetorresistivos con una estructura apilada.
Las resistencias de los dos elementos magnetoresisitivos cambian en direcciones opuestas conforme al campo magnetico que se ha de detectar.
[0006] La solicitud de patente US2003/0151406 divulga un dispositivo sensor de campo magnetico integrado que incluye al menos dos elementos magnetorresistivos que son desviados en una primera direccion por un conductor integral y que son sensibles a los componentes de campo magnetico en una direccion perpendicular a la primera direccion.
[0007] La solicitud de patente US2007/0076332 divulga un sensor magnetico que incluye un sustrato de elemento con un elemento magnetorresistivo.
El elemento magnetorresistivo tiene: una capa sujeta, una capa intermedia y una capa libre cuya direccion de magnetizacion cambia segun un campo magnetico externo, y una hoja magnetica para aplicar un campo magnetico polarizado al elemento magnetorresistivo.
[0008] La solicitud de patente EP1406094 A1 divulga una unidad de medicion de corriente con un concentrador de campo magnetico y un sensor de campo magnetico colocado en el espacio de aire del concentrador.
Una bobina se enrolla alrededor del concentrador para generar un campo magnetico polarizado.
Resumen de la invencion
[0009] El objeto de la presente invencion es, por lo tanto, proporcionar una unidad de sensor para mediciones de corriente, en particular para mediciones de corriente altamente sensibles de variaciones pequenas en presencia de picos maximo grande de la corriente que ha de ser medida.
Debe ser adecuada para la medicion de corrientes CA asf como de corrientes CC en este regimen.
[0010] La presente invencion resuelve el problema anterior mediante una unidad de sensor para la medicion de una corriente en un conductor que comprende al menos un sensor magnetorresistivo localizado a una distancia radial de la superficie externa del conductor.
En la configuracion, el conductor, que puede formar parte de la unidad de sensor como tal, que tambien puede sin embargo estar rodeado solo por la unidad de sensor, tiene una seccion transversal circular que proporciona un campo magnetico rotatoriamente simetrico para ser medido.
La seccion transversal circular deberfa ser tan circular como sea posible.
Las variaciones en el radio deberfan estar por debajo de 5%, preferiblemente por debajo de 2%, de la forma mas preferible por debajo de 1% e idealmente por debajo de 0,1%.
La unidad de sensor comprende ademas al menos una bobina auxiliar para la generacion de un campo magnetico polarizado Hbias.
La bobina auxiliar esta situada de forma que aplica este campo magnetico polarizado al sensor magnetorresistivo de modo de que es lo suficientemente fuerte en la posicion del sensor para la inducir la saturacion magnetica en el sensor magnetorresistivo.
El campo polarizado aplicado deberfa ser tan homogeneo como sea posible en la zona de deteccion del sensor magnetorresistivo, y la bobina auxiliar esta dimensionada y disenada para ser adecuada para aplicar este campo magnetico polarizado no solo antes del proceso de medicion de manera pulsada, sino para aplicar el campo magnetico polarizado continuamente durante el proceso completo de medicion de corriente, tfpicamente durante un intervalo de tiempo de al menos 30 ms, preferiblemente durante un intervalo de tiempo de al menos 100 ms, y normalmente el campo magnetico polarizado se aplica todo el tiempo, es decir durante mas de un minuto o una hora o varias horas, durante el tiempo en el que dispositivo este encendido.
[0011] Uno de los elementos clave de la unidad de sensor segun la invencion es el hecho de que se ha descubierto que un sensor magnetorresistivo puede estar continuamente en funcionamiento en el regimen de saturacion mediante la aplicacion de un campo polarizado correspondiente, que elimina esencialmente los problemas de desplazamiento e histeresis asociados al funcionamiento convencional de tales sensores.
[0012] El campo magnetico producido por la corriente en el conductor es directamente medido por el al menos un sensor magnetorresistivo que utiliza un campo magnetico resultante Hresul que actua en dicho al menos un sensor magnetorresistivo y que es proporcionado por la suma vectorial del campo magnetico Hcurr producido por la corriente en el conductor y el campo magnetico polarizado Hbias.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
[0013] Ademas, de forma sorprendente, es eficazmente posible usar la dependencia angular de la senal de medicion en el sensor producida por la suma vectorial Hresul del campo de la corriente que ha de ser medida Hcurr y el campo polarizado Hbias.
Tfpicamente, con este fin, la direccion del campo magnetico polarizado Hbias proporcionado por la bobina auxiliar esta orientada a un angulo superior a 45°, preferiblemente a un angulo superior a 60°, de la forma mas preferible a un angulo en el rango de 80-100° con respecto a la direccion del campo magnetico Hcurr producido por la corriente en el conductor para proporcionar una sensibilidad angular alta de la senal de medicion.
Los sensores magnetorresistivos tienen dos magnetizaciones estables.
A uno de estos se dirige el campo polarizado.
Sin embargo, si el angulo de inclinacion es mayor que unos pocos grados en la direccion incorrecta, el campo magnetico que corresponde al pico de corriente dara la vuelta a la magnetizacion del material e invertira de ese modo la senal.
Cuando se usan dos sensores en el dispositivo, uno de los sensores, si el campo polarizado esta inclinado, tendra automaticamente una inclinacion en la direccion incorrecta y el otro no.
Esto conduce a una senal que ya no se puede interpretar sin ambiguedad.
Por lo tanto, preferiblemente el angulo anterior esta dentro del rango de 90° +/- 2°.
[0014] Por ello, se propone un nuevo dispositivo de medicion basado en sensores magnetorresistivos para superar las dificultades en la deteccion de senales de corriente pequenas durante o despues de picos de corriente grandes.
El nuevo metodo mide directamente el campo magnetico generado por la corriente principal.
Permite la deteccion de frecuencias de hasta 1MHz sin mostrar ninguna distorsion significativa de la senal debido a las corrientes grandes, y especialmente sin crear un desplazamiento durante o despues de las mediciones.
[0015] El objetivo para la realizacion de este dispositivo es medir el campo magnetico que es generado por una corriente con una alta resolucion en un rango relativamente pequeno.
Con las tecnicas estandar, las principales dificultades de medicion surgen debido a los efectos de saturacion de los medios magneticos aplicados.
En saturacion, la sensibilidad a la magnitud del campo magnetico se ve fuertemente reducida y, debido a los efectos de la histeresis, se crea un desplazamiento.
[0016] Una idea inventiva es, por lo tanto, usar un material magnetico que se mantiene en saturacion durante todo el proceso de medicion y medir el angulo del campo magnetico en vez de su magnitud.
Los sensores magnetorresistivos son altamente sensibles al angulo de un campo magnetico externo respecto a una corriente de sonda que se envfa a traves de ellos y, de este modo, son idealmente adecuados para la tarea anteriormente mencionada.
Para mantener el material en saturacion, el campo magnetico polarizado adicional se genera y se ajusta para ser, de forma preferible, esencialmente perpendicular al campo magnetico principal creado por la corriente principal.
Con esto, un cambio de la magnitud del campo magnetico principal produce un cambio del angulo del campo magnetico total.
[0017] Segun una forma de realizacion preferida, la bobina auxiliar sirve como un arrollamiento de multiples vueltas alrededor del eje del conductor situado fuera del al menos un sensor magnetorresistivo.
Asf, la bobina auxiliar es coaxial con el conductor y los sensores estan estratificados entre el conductor y los arollamientos de la bobina auxiliar.
De este modo, la bobina auxiliar puede proporcionar un campo magnetico polarizado muy homogeneo, fuerte y en la posicion del sensor que es perpendicular a la direccion del campo magnetico que se ha de medir, ya que el campo magnetico que se ha de medir es circunferencial al conductor.
Ademas, en esta configuracion los sensores se pueden situar tan cerca como sea posible del conductor donde el campo magnetico que se ha de medir es mas fuerte, y la bobina auxiliar proporciona un campo magnetico polarizado tambien con unas caracterfsticas simetricas de manera rotatoria como las del campo que se ha de medir.
[0018] Segun una otra forma de realizacion preferida, al menos un par de sensores magnetorresistivos (tfpicamente situados opuestos con respecto al eje principal del conductor), preferiblemente al menos dos o tres pares de sensores magnetorresistivos, se distribuyen simetricamente alrededor de la circunferencia del conductor.
La provision de al menos un par de sensores permite compensar las contribuciones de campo externo de forma bastante eficaz.
De hecho las contribuciones de campo tfpicamente externo son esencialmente homogeneas en la escala dimensional del sensor, lo que, por lo tanto, en funcion de la configuracion rotatoriamente simetrica, en particular en caso de una bobina auxiliar coaxial con el conductor, permite una cancelacion de las contribuciones de campo externo cuando se suman las senales de los pares de sensores.
Preferiblemente, los sensores se situan tan cerca como sea posible del conductor donde el campo del conductor es mas fuerte, es decir, normalmente a una distancia dentro del rango de 0-10 mm, preferiblemente 0-5 mm, en relacion con su zona de deteccion, de la superficie externa del conductor.
La distancia minima la da el aislamiento dielectrico requerido entre el conductor y los sensores, y es frecuentemente al menos 2 - 3 mm.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
[0019] Segun otra forma de realizacion preferida, el sensor magnetorresistivo es del tipo accionado con una corriente de sonda (Iprobe) que esta esencialmente a un angulo de 45° con respecto a la direccion del campo magnetico polarizado Hbias, y preferiblemente se usa un sensor con una configuracion de Wheatstone con cuatro elementos.
Por ejemplo, es posible el uso de un tipo similar o igual al disponible de NXP Semiconductors (Suiza) con el sensor magnetorresistivo de designacion KMZ.
[0020] Mas especfficamente, segun otra forma de realizacion preferida, tal unidad de sensor puede comprender un elemento de soporte interno aislante, preferiblemente de forma esencialmente cilfndrica, que incluye el conductor (soporte no conductor).
Tal elemento de soporte interno aislante lleva en su superficie externa o al menos parcialmente introducido en el (por ejemplo en cavidades o entrantes correspondientes) al menos un sensor magnetorresistivo.
La interferencia particularmente baja de las conexiones a los sensores se puede conseguir si en este contexto preferiblemente las conexiones electricas al sensor son, cuando vienen del sensor, guiadas primero axialmente (por ejemplo a lo largo de una distancia de al menos 5 mm) y posteriormente radialmente hacia afuera desde el sensor (por ejemplo en canales o entrantes correspondientemente proporcionados en el elemento de soporte interno aislante).
Ademas, preferiblemente se proporciona un elemento de soporte externo.
Asimismo, este elemento de soporte externo puede ser de forma esencialmente cilfndrica e incluye radialmente el elemento interno y los sensores situados sobre el mismo/en el (esencialmente atrapando los sensores entre el elemento de soporte interno y externo).
Se prefiere si en la circunferencia externa del elemento externo o al menos parcialmente introducida en su circunferencia externa lleva la bobina auxiliar, preferiblemente como un arollamiento de multiples vueltas alrededor de y coaxial al eje del conductor en la posicion en la que los sensores estan situados.
Tfpicamente, el elemento de soporte interno y/o el elemento de soporte externo estan hechos de materiales fluorinados, por ejemplo seleccionados de PTFE y modificaciones/mezclas qufmicas de los mismos.
Ya que en el caso particular de las mediciones de CA puede haber una fuerte tension mecanica en la unidad de sensor, se prefiere que el arollamiento de la bobina auxiliar este firmemente fijado a la unidad de sensor, lo que, segun otra forma de realizacion preferida, es posible si el arrollamiento de multiples vueltas es moldeado con resina sobre o dentro del elemento de soporte externo.
Con este fin, por ejemplo el elemento de soporte externo puede disponer de un entrante circunferencial externo correspondiente en que se puede colocar el enrollamiento de multiples vueltas y posteriormente fijar mediante el llenado del entrante con una resina o un material de fijacion correspondiente.
[0021] Para medir las pequenas variaciones de corriente encima de una corriente grande, se pueden usar una o mas bobinas adicionales que compensan el campo magnetico generado por la corriente grande.
De esta manera, el campo magnetico resultante visto por el sensor magnetorresistivo es cercano a cero (a cualquier valor absoluto de la corriente en el que la sensibilidad de medicion deberfa ser alta) y el sensor es sensible.
Una fuente de corriente constante adicional se puede proporcionar para generar este campo magnetico de compensacion o sustraccion.
Tambien es posible ajustar automaticamente el campo de compensacion al componente de baja frecuencia de la corriente principal.
La magnitud total de la corriente es luego obtenida del campo de compensacion requerido y las variaciones pequenas son tomadas directamente del sensor.
[0022] Correspondientemente, por lo tanto, segun otra forma de realizacion preferida de la unidad de sensor segun la invencion, esta comprende una bobina adicional para la generacion de un campo magnetico de sustraccion para el campo magnetico (Hcurr) inducido por la corriente en el conductor.
Con este fin, normalmente la una o mas bobinas adicionales estan dispuestas de manera que el campo generado en la posicion de deteccion del sensor magnetorresistivo esta esencialmente opuesta en direccion al campo magnetico inducido por la corriente en el conductor.
[0023] Se prefiere que el sensor adaptado para la medicion de corrientes en el conductor de por ejemplo hasta 100 kA con una rango de medida de por ejemplo +/- 300 A alrededor del valor cero del campo magnetico (Hcurr) inducido por la corriente en el conductor sea corregido al final para la compensacion con una bobina adicional.
[0024] Para aumentar la sensibilidad se puede implementar otro componente electronico: la fuente de voltaje que conduce la corriente de sonda a traves del sensor esta activamente estabilizada para mantenerla tan constante como sea posible y la corriente que genera el campo magnetico polarizado tambien esta activamente estabilizada para mantener el campo de referencia constante.
[0025] Correspondientemente, por lo tanto, se prefiere que la bobina auxiliar se disene y se situe de modo que produzca un campo magnetico polarizado (Hbias) en la posicion del al menos un sensor de manera que este mantenga el sensor en saturacion pero no por debajo.
Si el campo es demasiado pequeno, la funcion del sensor no se puede garantizar y fallara para picos muy altos.
Asf, el campo normalmente deberfa ser de al menos 3,75 mT.
Puede tener cualquier valor que sea mayor; sin embargo, la sensibilidad del sensor esta directamente relacionada
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
con la fuerza de este campo y se reduce con el aumento del campo.
De este modo, preferiblemente debena usarse el valor necesario mas pequeno, que mantiene el sensor en saturacion pero no por debajo.
Correspondientemente, es preferiblemente elegido para que sea de al menos 3,5 mT, de la forma mas preferible de al menos 3,75 mT.
Preferiblemente esta adaptado para no ser mayor que 4 o 5 mT.
Mas preferiblemente, el campo magnetico polarizado (Hbias) esta controlado para variar en el rango inferior a 0,1 % preferiblemente en el rango inferior a 0,01%.
[0026] Segun otra forma de realizacion preferida de la unidad de sensor segun la presente invencion, esta comprende ademas una unidad electronica para controlar los sensores magnetorresistivos y para alimentar al menos una bobina auxiliar y para amplificar y/o evaluar las senales de los sensores magnetorresistivos.
Debe observarse que la sensibilidad disponible de la unidad de sensor es muy alta y, por lo tanto, se debe tener cuidado de que ningun "ruido magnetico o senal de interferencia" sea producido por las imeas que van o vienen de los sensores y/o por la unidad electronica.
Un medio para mantener las senales de interferencia tan bajas como sea posible es la forma mencionada anteriormente que consiste en alejar primero axialmente y luego radialmente las lmeas que van y vienen los sensores.
Otra posibilidad adicional es evitar el ruido inducido por transformadores para alimentar la unidad electronica.
Con este fin, se puede usar o bien un transformador completamente o fuertemente blindado o bien, como se prefiera, se puede usar una unidad electronica que es de forma esencial exclusivamente alimentada por el uso de al menos una unidad de batena (por ejemplo recargable).
Ademas es aconsejable cerciorarse de que la unidad electronica este construida a partir de componentes de baja produccion de ruido magnetico y/o de ruido de campo electrico.
[0027] Ademas la presente invencion se refiere a un uso espedfico de un sensor como se ha descrito anteriormente. Este uso se caracteriza porque el sensor se usa para la medicion de corrientes en un conductor, preferiblemente de variaciones pequenas y/o de caractensticas de deterioro de la corriente en presencia de altos valores de pico de corriente en el rango de hasta 50 kA, preferiblemente de hasta 100 kA, con una sensibilidad en el rango de +/- 300A. Ademas, es preferido usar la unidad de sensor con una bobina adicional para la generacion de un campo magnetico de sustraccion para el campo magnetico (Hcurr) inducido por la corriente en el conductor para la medicion de corrientes esencialmente directas en un conductor con una sensibilidad muy alta en presencia de altos valores de corriente absolutos.
[0028] Tal uso de un sensor preferiblemente tiene lugar con una bobina adicional para la generacion de un campo magnetico de sustraccion independiente del tiempo para la compensacion del campo magnetico (Hcurr) inducido por una corriente espedfica en el conductor para la medicion precisa de corrientes cercanas a esta corriente espedfica. Las aplicaciones de este uso son en particular la medicion de variaciones en corrientes CC, variaciones en las corrientes de valor maximo de una senal de 50Hz mediante la compensacion del valor maximo previsto / calculado segun promedio, medicion precisa sobre un nivel de corriente espedfica, por ejemplo la corriente de activacion de un fusible.
[0029] Tal uso de un sensor tiene lugar mas preferiblemente con una bobina adicional para la generacion de un campo magnetico de sustraccion en funcion del tiempo con el objetivo de mantener el campo resultante dentro del rango de sensibilidad del sensor, permitiendo una medicion precisa de la diferencia entre el campo de compensacion y el resultante.
El campo de compensacion se puede generar, por ejemplo, usando un mecanismo de retroaccion, una medicion de corriente de baja frecuencia, o una forma de onda predefinida.
Las aplicaciones de este uso son en particular la deteccion de variaciones/armonicos pequenos en una senal de 50Hz mediante la compensacion de una senal sinusoidal perfecta de la amplitud correcta (que se puede ajustar sin retroaccion o medicion de baja frecuencia), la medicion precisa de la desviacion de cualquier corriente prevista en forma de onda, la medicion de cualquier corriente mediante compensacion como sea posible utilizando una retroaccion, donde la senal de retroaccion es una medida para la corriente.
[0030] Ademas, la presente invencion se refiere a un metodo para medir la corriente en un conductor preferiblemente con una unidad de sensor como se detalla anteriormente, donde la bobina auxiliar es alimentada de forma continua y durante todo el proceso de medicion de corriente con una corriente suficiente para inducir una saturacion magnetica en el sensor magnetorresistivo, y donde el campo magnetico polarizado se orienta esencialmente en perpendicular al campo magnetico que se ha de medir.
[0031] Otras formas de realizacion de la presente invencion se detallan en las reivindicaciones dependientes. Descripcion breve de las figuras
[0032] En los dibujos anexos se muestran formas de realizacion preferidas de de la invencion, donde:
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Fig. 1-4
Fig. 5
Fig. 6 Fig. 7 y 8
Fig. 9
Fig. 10
Fig. 11
Fig. 12 Fig. 13 Fig. 14 Fig. 15
Fig. 16
son representaciones esquematicas para los vectores del campo magnetico en situaciones en las que se aplica un campo magnetico polarizado, donde en la Fig. 1 ninguna corriente fluye en el conductor, en Fig. 2 una corriente pequena fluye en el conductor, en la Fig. 3 una corriente media fluye en el conductor y en la Fig. 4 una corriente grande fluye en el conductor, y la representacion esta escalada en la direccion del campo magnetico polarizado para indicar la situacion lfmite;
proporciona la representacion vectorial del angulo a encerrado por la direccion de la corriente de sonda y el campo que se ha de medir;
da la resistencia medida en el sensor magnetorresistivo en la funcion del angulo a;
al igual que las Fig. 5 y 6 respectivamente, sin embargo la direccion de la corriente de sonda esta inclinada 45°, lo que produce una respuesta lineal alrededor de a=0;
vista en perspectiva esquematica sobre una medicion configurada con dos sensores y una bobina para la generacion del campo magnetico polarizado;
una seccion perpendicular al eje del conductor a traves de un sensor segun la Fig. 9 y los campos que actuan sobre los dos sensores; y
muestra un diagrama vectorial de las situaciones de los campos magneticos y la corriente de sonda en los dos sensores segun las Fig. 9 y 10 si se ven a lo largo de la flecha de la Fig. 10 desde el principio o igualmente en la rotacion de 180° del fondo;
muestra una seccion perpendicular al eje principal del conductor e igualmente de la unidad de sensor; muestra una seccion axial a traves del elemento de soporte externo de la unidad de sensor; muestra una vista del elemento de soporte interno de la unidad de sensor;
muestra una seccion axial a traves del elemento de soporte interno a lo largo de la lfnea A-A en la Fig. 12; y
muestra una seccion axial a traves del elemento de soporte interno a lo largo de la lfnea B-B en la Fig. 12.
Descripcion detallada de las formas de realizacion preferidas
[0033] Un elemento magnetorresistivo usado en un sensor magnetorresistivo es un objeto que cambia su resistencia como funcion de la direccion de su magnetizacion respecto a una corriente de sonda pequena que se envfa a traves del elemento.
La resistencia depende aproximadamente del coseno cuadrado del angulo entre esta corriente de sonda y la magnetizacion del material.
Si la corriente y la magnetizacion apuntan en la misma direccion, la resistencia sera maxima.
Si el angulo entre la corriente y la magnetizacion es de 90 grados, la resistencia sera minima.
El dispositivo se instala de manera que la corriente de sonda se incline a 45 grados respecto a un campo magnetico principal, que se ha de medir, y un campo magnetico polarizado se incline otros 45 grados mas a 90 grados con respecto al campo magnetico principal.
Con esto, la resistencia del elemento magnetorresistivo es sensible al campo magnetico principal hasta el punto donde su magnitud es igual a la magnitud del campo magnetico polarizado.
Asf, la sensibilidad del elemento se ajusta mediante la fuerza del campo magnetico polarizado.
Ademas, el punto cero se puede ajustar anadiendo un campo magnetico adicional en la direccion opuesta al campo magnetico principal.
Con esto, el sensor muestra una senal cero si el campo magnetico principal cancela exactamente el campo magnetico adicional.
[0034] En referencia a los dibujos, que pretenden ilustrar las presente formas de realizacion preferidas de la invencion y no limitarlas, las Fig. 1-4 muestran de forma correspondiente diferentes diagramas de vector para la situacion donde un sensor magnetorresistivo se expone a un campo magnetico polarizado Hbias (siempre la flecha de lfnea fina solida) que satura la magnetizacion del sensor.
Si, como se ilustra en la Fig. 1, no fluye ninguna corriente a traves del conductor, no hay generacion de un campo magnetico correspondiente Hcurr que circula alrededor del conductor.
En esta situacion, por lo tanto, toda la magnetizacion que actua sobre el sensor Hresul es dada por Hbias.
Si una corriente baja fluye a traves del conductor, resulta una situacion como la ilustrada en la Fig. 2.
El campo magnetico resultante Hresul que actua sobre el sensor y que determina correspondientemente la senal de sensor es dado por la suma vectorial de Hcurr y Hbias.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Para una corriente aun mas fuerte, la situacion se ilustra en la Fig. 3.
A partir de la comparacion de las dos Fig. 2 y Fig. 3 se puede ver que para corrientes pequenas (donde pequenas significa que la Hcurr resultante esta dentro del rango de Hbias o es menor a el) tiene una dependencia angular fuerte del campo magnetico resultante Hresul en el sensor.
En la Fig. 4 se ilustra la situacion para el flujo de una corriente alta a traves del conductor.
En esta situacion, el angulo entre Hbias y Hresul (designado como a) se acerca a 90°.
Asf, generalmente para valores por encima de 45°, la sensibilidad de sensor es baja, si no es esencialmente nula. Ademas, la senal de sensor para un angulo a es identica a la senal para la corriente menor que corresponde con el angulo de 90°-a.
Por lo tanto, esta configuracion particular es por ejemplo especialmente adecuada para situaciones en las que se han de analizar las caracterfsticas de decaimiento de amperios bajos despues de la presencia de un alto valor maximo de corriente.
La configuracion propuesta permite una medicion precisa de la corriente sin efectos de retraso o histeresis.
Asf, esta configuracion particular es por ejemplo especialmente adecuada para situaciones en las que se necesita que un sensor de corriente de un circuito se necesita no se vea afectado por corrientes con altos valores maximos (por ejemplo cortocircuitos hasta 100kA) y mantenga su calibracion sin alguna distorsion significativa de la senal inmediatamente despues del trastorno.
La configuracion propuesta permite una medicion precisa de la corriente sin efectos de retrasos o histeresis.
Con unidades de sensor segun el estado de la tecnica, uno normalmente tiene una sensibilidad maxima de varios por ciento del valor maximo de la corriente (que en el ejemplo anterior estarfa en el rango de varios 100A) o emplea un largo periodo de tiempo para recuperarse del trastorno.
Ya que el sensor nuevo, sin embargo, esta libre de efectos de histeresis y retrasos, independiente de lo alto que sea el valor maximo corriente, siempre alcanza la misma resolucion de por debajo de 0,1 A y puede medir con precision en la situacion anterior.
[0035] La resistencia de la sonda depende del angulo entre una corriente de sonda en el sensor y la magnetizacion del material de sensor, que es dado nuevamente por la direccion del campo externo.
Esta configuracion relativa de la corriente de sonda Icurr y del campo que se ha de medir Hresul y el angulo incluido se ilustra en la Fig. 5.
La relacion funcional 3 entre la resistencia medida en el sensor como funcion de este angulo a se ilustra en la Fig. 6. La relacion funcional en este caso es como sigue:
R - Ro + Rj (cos(a))2.
[0036] El problema en esta configuracion geometrica de la corriente de sonda y del campo magnetico que se ha de medir es el hecho de que alrededor de la zona mas interesante, es decir, alrededor de valores del angulo dentro del rango de cero, la sensibilidad al angulo es baja y hay una relacion no lineal.
Ademas, no es posible distinguir entre valores positivos y negativos del angulo.
[0037] Por lo tanto, en correspondencia a esto, se propone inclinar la corriente de sonda Iprobe en el sensor 45° como se ilustra en la Fig. 7, lo que esencialmente cambia la funcion anterior por n/4 y la senal de salida se vuelve lineal con respecto al angulo para angulos pequenos y se alcanza la sensibilidad mas alta:
imagen1
[0038] La situacion se ilustra en la Fig. 8, y la aproximacion lineal se ilustra con la lfnea de puntos 4.
De hecho, en tal modo operativo los valores de a dentro del rango de +/- 45° se pueden medir utilizando la relacion funcional completa, y un rango por un factor de dos o tres mas pequeno utilizando la aproximacion lineal.
Como de grande es esta ventana de medicion en realidad depende por supuesto de la amplitud del campo magnetico polarizado, ya que, sin embargo, el campo magnetico polarizado debe al menos ser lo suficientemente fuerte para saturar el sensor, y esto lleva a un rango mfnimo de sensibilidad que iguala el anterior de +/- 45° de +/- 300 A.
Para el regimen lineal, la ventana correspondiente es aproximadamente de +/- 100 A.
Estos valores se aplican para sensores que estan colocados segun el presente estado de la tecnica, donde cuatro sensores forman un sensor individual y estos cuatro sensores estan conectados como un puente de Wheatstone. Tales tipos de sensores estan por ejemplo disponibles de NXP semiconductores bajo el nombre de tipo KMZ.
[0039] Asf, como la resistencia R puede ser medida, el angulo a puede ser calculado.
A partir del valor conocido del campo magnetico polarizado Hbias se puede calcular, por trigonometrfa, el valor del campo magnetico Hcurr .
Ademas, como el campo magnetico Hcurr es directamente proporcional a la corriente soportada por el conductor 1, esta corriente se puede calcular a partir del campo magnetico conocido Hcurr.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
Para recibir mediciones precisas, la unidad de sensor tal y como se describe mas adelante deberfa ser calibrada.
[0040] Una configuracion de sensor especffica se ilustra en la Fig. 9 en una vista perspectiva esquematica.
En este caso especffico, el conductor unico 1 con seccion transversal circular de alta exactitud lleva una corriente segun indica la flecha 2.
En la configuracion usada para realizar pruebas experimentales, el conductor tenia un diametro de 20 mm y era especffico para corrientes hasta 100 kA.
Esta corriente puede bien ser CA o CD, si uno o mas bobinas adicionales estan presentes para la compensacion del campo generado por la corriente CD.
Si fluye en la direccion indicada por la flecha 2, induce un campo magnetico circunferencial simetrico de manera rotatoria como se ilustra por las flechas gruesas solidas Hcurr.
La unidad de sensor comprende un sensor magnetorresistivo superior 5 y un sensor magnetorresistivo inferior 6. Cada uno de estos sensores es por ejemplo del tipo anterior KMZ.
Asf, cada sensor magnetorresistivo 5, 6 se construye con cuatro elementos magnetorresistivos que constituyen un puente de Wheatstone para maximizar la senal obtenida de los elementos.
[0041] Los sensores 5, 6 estan situados tan exactamente como sea posible frente al conductor y de forma simetrica a este, y estan conectados y accionados de forma rotatoriamente equivalente.
Los sensores 5, 6 estan situados tan cerca como sea posible de la superficie externa del conductor; tipicamente la distancia entre la zona de deteccion de los sensores 5, 6 y la superficie externa del conductor esta dentro del rango de 4-5 mm.
[0042] Alrededor del conductor 1 y tambien incluyendo los dos sensores 5, 6 se proporciona una bobina auxiliar 7. Este arrollamiento de multiples vueltas, si se alimenta con la corriente correspondiente, induce un campo magnetico polarizado Hbias en la posicion de los sensores 5, 6 que es esencialmente perpendicular al campo Hcurr que se ha de medir.
La distancia de los arrollamientos mas internos de la bobina auxiliar 7 de la superficie externa del conductor en la configuracion usada aqui fue de alrededor de 12-15 mm.
Generalmente, se puede decir que el campo minimo que esta bobina auxiliar 7 tiene que ser capaz de generar en la posicion de los sensores 5, 6 es un campo que es suficiente para saturar el sensor.
Tipicamente, esto significa que un campo magnetico de al menos 3,5 mT, preferiblemente de al menos 3,75 mT (tambien depende del sensor usado y del material magnetico en su interior) debe ser generado en la posicion de sensor.
Ademas, la bobina debe ser dimensionada no solo para la generacion de campos pulsados de breve duracion sino para la generacion de campos continua en este rango de fuerza.
El campo debe ser aplicado durante el proceso de medicion real, asf que, ya que los procesos mencionados anteriormente ocurren en el rango de diferentes decenas de ms, un campo de la fuerza anterior debe ser proporcionado durante al menos 30ms, preferiblemente al menos 50 ms, y normalmente solo mientras la cabeza del sensor accionada, asf que durante horas o incluso mas.
[0043] La situacion general segun la Fig. 9 se ilustra en la Fig. 10 en una seccion axial vista en una direccion opuesta a la flecha de la Fig. 9.
Aquf se ve que, de hecho, el campo que se ha de medir Hcurr, tambien indicado por las flechas pequenas en los sensores, es perpendicular al campo de polarizacion Hbias.
Ademas, en la Fig. 10 se indica esquematicamente una aportacion de campo magnetico externo general indicada con la referencia 22.
Tipicamente, se observa que tales contribuciones de campo magnetico externo, en la estructura dimensional de la unidad de sensor, son esencialmente homogeneos en cuanto a la amplitud y direccion.
Correspondientemente, como se puede ver por los signos correspondientes + y - dados, debido a la configuracion rotatoriamente simetrica de los dos sensores 5, 6, las contribuciones de este campo magnetico 22 externo se cancelan cuando se suman las senales de medicion de los dos sensores.
Como todavfa puede haber diferencias en la sensibilidad general de sensores individuales, al igual que diferencias geometricas, esta suma es preferiblemente una suma ponderada ajustable cuyo tiempo de espera se puede adaptar en situaciones estandar.
[0044] Para clarificar adicionalmente la orientacion relativa de los varios vectores en la configuracion propuesta, las condiciones en la otra vista de sensor segun la flecha de la Fig. 10 se ilustran en la Fig. 11.
Se puede reconocer que, de hecho, el campo inducido por la corriente Hcurr es perpendicular al campo polarizado Hbias, y que la corriente de sonda esta esencialmente a 45° de estas dos direcciones.
Se debe destacar que se obtiene las misma situacion vectorial si se rota la configuracion como se proporciona en la Fig. 10 alrededor del eje principal del conductor y se ve el sensor inferior 6, ahora en la posicion superior, a lo largo de la flecha.
[0045] Las caracterfsticas de la posible realizacion de tal unidad de sensor se ilustran en las Fig. 12-16.
La configuracion, en referencia a la Fig. 12, comprende un elemento de soporte interno o cilindro interno 9, tipicamente de PTFE, que comprende un orificio axial central 12, en el que el conductor 1 puede ser insertado.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
En su superficie externa, este cilindro interno 9 comprende, en este caso donde se deben usar cuatro sensores, cuatro entrantes igualmente distribuidos 11 en los que los sensores se pueden poner y finalmente fijar.
Ademas, la unidad comprende un elemento de soporte externo o cilindro externo 10, situado en el exterior del cilindro interno y encerrandolo.
El cilindro externo 10 se puede desplazar sobre el cilindro interno 9 una vez que los sensores estan situados en los entrantes 11, y posteriormente los sensores se insertan entre el el cilindro interno y el externo y se sujetan firmemente en la configuracion.
El cilindro interno 9 y el cilindro externo 10 despues pueden ser conectados firmemente usando tornillos radiales que penetran a traves de orificios como se ve en la Fig. 13 y que se acoplan en orificios correspondientes 13 del cilindro interno 9 como se ve en la Fig. 12 o en la Fig. 16.
[0046] En la Fig. 13 solo se proporciona una seccion axial del cilindro externo 10.
El cilindro externo 10 en la parte izquierda comprende un orificio central a traves del cual el conductor penetra.
En esta zona tambien se proporciona el reborde terminal 18.
A la derecha del mismo se proporciona un entrante 14 en la superficie externa, en este entrante el arrollamiento de multiples vueltas para la bobina auxiliar 7 puede ser colocado y fijado firmemente por ejemplo mediante el rellenado con una resina y su reticulacion/polimerizacion.
En esta parte derecha, el diametro interno del orificio central es mayor y en la zona de transicion entre los dos diametros internos se proporciona una superficie de apoyo.
De hecho, si el cilindro interno 9, como se ilustra en la Fig. 15 en una seccion axial, esta equipado con los sensores, el cilindro externo 10 se desplaza hacia el cilindro interno hasta que la superficie 17 del cilindro interno colinda con la superficie 16 del cilindro externo.
En la configuracion final, correspondientemente el lado izquierdo de la unidad de sensor esta formado por el reborde 18, seguido a la derecha por el exterior del arrollamiento auxiliar situado en el entrante 14, y luego seguido de un reborde adicional fino 23 del cilindro externo 10 y un entrante en el que los tornillos mencionados anteriormente pueden ser colocados para penetrar a traves de los agujeros 15 y para acoplarse con los agujeros ciegos 13 del cilindro interno 9 como se ilustra en la Fig. 16.
En el lado derecho, la unidad de sensor esta rodeada por el reborde terminal 19 del cilindro interno (ver Fig. 14 y 16).
Por lo tanto, se proporciona una unidad de sensor claramente definida y muy compacta.
[0047] En la Fig. 14 se proporciona una vista lateral del cilindro interno.
En esta ilustracion 1 se puede ver que el sensor 5/6 esta situado en el entrante 11.
Las conexiones para y del sensor primero son guiadas axialmente a traves del canal axial 20, y posteriormente son guiadas radialmente hacia afuera de la cabeza del sensor a traves de canales 21.
Es posible que la influencia que provoca alteraciones de estos cables sobre los sensores magnetorresistivos pueda ser minimizada.
[0048] Para resumir, la cabeza del sensor se construye a partir de una barra de conduccion 1, un soporte no conductor 9, 10, dos o un numero par de sensores magnetorresistivos 5, 6, una bobina auxiliar 7, y si es necesario, una o mas bobinas adicionales (no ilustradas en las figuras).
La barra cilfndrica de conduccion 1 se necesita para pasar la corriente principal a traves de la cabeza del sensor.
[0049] El soporte no conductor 9, 10 separa los sensores magnetorresistivos 5, 6 de la barra y, de este modo, los afsla del circuito principal.
Ademas, fija la bobina auxiliar 7 con respecto a los sensores magnetorresistivos 5, 6 y permite un ajuste preciso de la cabeza del sensor.
[0050] Los sensores magnetorresistivos 5, 6 estan localizados a una distancia bien definida de la barra 1 y todos los pares de sensores estan opuestos los unos a los otros en lados opuestos del portador de corriente 1.
Con esto, cualquier campo externo homogeneo se elimina de la medicion y con cada par de sensores adicional la sensibilidad total y la relacion de serial a ruido aumenta.
[0051] La bobina auxiliar 7 se necesita para generar un campo magnetico polarizado homogeneo y con el define el rango de sensibilidad del sensor.
[0052] La bobina o bobinas adicionales permiten ajustar la senal cero (senal de referencia) para los sensores.
Tal bobina adicional puede situarse, por ejemplo, en la ilustracion esquematica segun la Fig. 11, como un arollamiento de multiples vueltas alrededor del sensor 5 con su principal eje siendo colineal con la flecha que indica
Hcurr.
El campo de compensacion o de sustraccion adicional de esta bobina adicional es entonces codireccional con la direccion del campo Hcurr que se ha de medir y puede ser usado eficazmente para su compensacion, en particular en caso de mediciones de corriente CD.
[0053] El sensor de corriente consiste en dos partes, la cabeza del sensor como se ha mencionado anteriormente, que detecta el campo magnetico, y una unidad electronica, que proporciona las corrientes para el campo auxiliar y/o
5
10
15
20
25
30
35
40
45
campo de sustraccion y amplifica (tfpicamente alrededor de un factor de 10, en la configuracion descrita con sensores 4 la amplificacion es, de hecho, aproximadamente 10, o 2,5 por sensor) y procesa las senales.
[0054] La unidad electronica consiste en dos partes, una o dos fuentes de corriente y una unidad de procesamiento de senales.
Las fuentes corrientes son responsables de las corrientes constantes a traves de la bobina auxiliar y/o la bobina adicional, y generan asf campos magneticos estables como referencia para los sensores magnetorresistivos y definen la senal cero del sensor.
La unidad de procesamiento de senales se necesita para generar el voltaje de suministro de los sensores y para amplificar las senales de los sensores magnetorresistivos individuales y anadirlas a una senal proporcional a la corriente.
Como las sensibilidades de los sensores individuales son ligeramente diferentes, cada senal se pondera de acuerdo con ello.
Lista de numeros de referencia
[0055]
1 conductor/barra que conduce las corrientes que van a ser medidas
2 direccion de la corriente en 1
3 resistencia medida en el sensor magnetoresistivo como funcion de angulo a
4 indicacion del regimen lineal alrededor del punto cero
5 primer sensor magnetorresistivo
6 segundo sensor magnetorresistivo
7 bobina auxiliar para producir el campo magnetico polarizado
8 direccion de vista
9 elemento de soporte interno de la unidad de sensor, cilindro interno
10 elemento de soporte externo de la unidad de sensor, cilindro externo
11 entrantes para sensores magnetorresistivos
12 orificio en 9 para 1
13 orificio en 9 para tornillo de fijacion
14 entrante para bobina auxiliar 7
15 orificio pasante en 10 para tornillo de fijacion
16 superficie de apoyo en el cilindro externo para cilindro interno
17 superficie de apoyo en el cilindro interno
18 reborde terminal del cilindro externo
19 reborde terminal del cilindro interno
20 entrante axial en 9 para conexiones a 5/6
21 entrante radial en 19 de 9 para conexiones a 5/6
22 aportacion de campo magnetico externo
23 reborde
Hcurr campo magnetico generado por la corriente en 1 que ha de ser medido
Hbias campo magnetico polarizado
Hresut campo resultante de Hcurr y Hbias
Iprobe corriente de sonda en el sensor magnetorresistivo
R resistencia en el sensor magnetorresistivo
R0 valor mfnimo de R en el sensor magnetorresistivo como funcion del angulo a
a angulo entre la corriente de sonda y Hresul

Claims (13)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    55
    60
    65
    1. Unidad de sensor para la medicion de una corriente en un conductor (1) que comprende al menos un sensor magnetorresistivo (5, 6) localizado a una distancia radial de la superficie externa del conductor (1), donde el conductor (1) tiene una seccion transversal circular, donde la unidad de sensor comprende al menos una bobina auxiliar (7) para la generacion de un campo magnetico polarizado (Hbias) al al menos un sensor magnetorresistivo (5, 6) lo suficientemente fuerte para inducir una saturacion magnetica en al menos un sensor magnetorresistivo (5, 6) continuamente durante todo el proceso de medicion de corriente, donde la direccion del campo magnetico polarizado (Hbias) proporcionado por la bobina auxiliar (7) esta orientada a un angulo de 88-92° con respecto a la direccion del campo magnetico (Hcurr) producido por la corriente en el conductor (1), donde la bobina auxiliar (7) esta proporcionada como un arrollamiento de multiples vueltas alrededor de y coaxial con el conductor (1), y donde el al menos un sensor magnetorresistivo (5 ,6) esta insertado entre el conductor y los arrollamientos de la bobina auxiliar, caracterizada por el hecho de que el campo magnetico producido por la corriente en el conductor (1) es medido directamente por el al menos un sensor magnetorresistivo (5, 6) utilizando un campo magnetico resultante (Hresul) que actua en dicho al menos un sensor magnetorresistivo (5, 6) y que es dado por la suma vectorial del campo magnetico (Hcurr) producido por la corriente en el conductor (1) y el campo magnetico polarizado (Hbias).
  2. 2. Unidad de sensor segun la reivindicacion 1, donde al menos un par de sensores magnetorresistivos (5, 6) esta distribuido simetricamente alrededor de la circunferencia del conductor (1), donde los sensores (5, 6) de dicho al menos un par de sensores magnetorresistivos (5, 6) estan localizados a una distancia dentro del rango de 0-10 mm, en relacion a su zona de deteccion, de la superficie externa del conductor (1).
  3. 3. Unidad de sensor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el sensor magnetorresistivo (5, 6) es accionado con una corriente de sonda (Iprobe) que esta a un angulo de 45° con respecto a la direccion del campo magnetico polarizado (Hbias), donde se usa un sensor con una configuracion de Wheatstone de cuatro elementos.
  4. 4. Unidad de sensor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se proporciona un elemento interno de soporte aislante (9), de forma cilfndrica, que incluye el conductor (1) y, en su superficie externa, o al menos parcialmente introducido en su interior, que lleva al menos un sensor magnetorresistivo (5, 6), donde las conexiones electricas al sensor son guiadas primero axialmente y luego radialmente lejos del sensor, y donde ademas se proporciona un elemento de soporte externo (10), de forma cilfndrica, que incluye radialmente el elemento interno y los sensores (5, 6) situados sobre el mismo/en el mismo y en su circunferencia externa o al menos parcialmente introducidos en su circunferencia externa que lleva la bobina auxiliar (7) como un arrollamiento de multiples vueltas alrededor del eje del conductor (1) en la posicion en la que los sensores (5, 6) estan situados, donde ademas el elemento de soporte interno (9) y/o el elemento de soporte externo (10) estan hechos de materiales fluorinados seleccionados de PTFE y modificaciones/mezclas qufmicas de este.
  5. 5. Unidad de sensor segun la reivindicacion 4, donde el arollamiento de multiples vueltas es moldeado con resina sobre o en el elemento de soporte externo (10).
  6. 6. Unidad de sensor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye una bobina adicional para la generacion de un campo magnetico de sustraccion para el campo magnetico (Hcurr) inducido por la corriente en el conductor (1).
  7. 7. Unidad de sensor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores para la medicion de corrientes en el conductor (1) hasta 100 kA, o incluso hasta 200 kA o 500 KA, con un rango de medicion de +/- 300 A alrededor del valor cero del campo magnetico (Hcurr) inducido por la corriente en el conductor (1), corregido para la compensacion con una bobina adicional.
  8. 8. Unidad de sensor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la bobina auxiliar (7) esta disenada y situada para producir un campo magnetico polarizado (Hbias) en la posicion del al menos un sensor (5, 6) de al menos 3,5 mT, y donde ademas el campo magnetico polarizado (Hbias) es controlado para variar a lo largo del tiempo dentro del rango inferior a 0,1 %.
  9. 9. Unidad de sensor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye una unidad electronica para controlar los sensores magnetorresistivos (5, 6) y para alimentar la al menos una bobina auxiliar (7) y para amplificar y/o evaluar las senales de los sensores magnetorresistivos (5, 6), donde la unidad electronica es alimentada exclusivamente mediante el uso de al menos una unidad de baterfa, y/o donde esta construida por componentes de generacion de ruidos de campos magneticos y/o electricos bajos.
  10. 10. Uso de una unidad de sensor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores para la medicion de variaciones pequenas y/o de caracterfsticas de deterioro de la corriente en un conductor (1), en presencia de altos valores de pico de corriente en el rango de hasta 50 kA, o de hasta 100 kA o de hasta 200 kA o 500 kA, siendo sensible en el rango de +/- 300A.
  11. 11. Uso de una unidad de sensor segun cualquiera de las reivindicaciones 1-9 con una bobina adicional para la
    generacion de un campo magnetico de sustraccion para el campo magnetico (Hcurr) inducido por la corriente en el conductor (1) para la medicion de corrientes esencialmente directas en un conductor (1).
  12. 12. Uso de una unidad de sensor segun cualquiera de las reivindicaciones 1-9 con una bobina adicional para la 5 generacion de un campo magnetico de sustraccion independiente del tiempo para la compensacion del campo
    magnetico (Hcurr) inducido por una corriente especffica en el conductor (1) para la medicion precisa de corrientes cercanas a esta corriente especffica.
  13. 13. Uso de una unidad de sensor segun cualquiera de las reivindicaciones 1-9 con una bobina adicional para la 10 generacion de un campo magnetico de sustraccion en funcion del tiempo con el objetivo de mantener el campo
    resultante dentro del rango de sensibilidad del sensor, lo que permite una medicion precisa de la diferencia entre el campo de compensacion y el campo resultante, donde el campo de compensacion es generado usando un mecanismo de retroaccion, una medicion de corriente de baja frecuencia, o una forma de onda predefinida.
    15 14. Metodo para la medicion de la corriente en un conductor (1) con una unidad de sensor segun cualquiera de las
    reivindicaciones 1-9, donde, durante todo el proceso medicion de la corriente, la bobina auxiliar (7) es continuamente alimentada con una corriente suficiente para inducir una saturacion magnetica en el sensor magnetorresistivo (5, 6) y donde el campo magnetico polarizado esta orientado en perpendicular al campo magnetico que se ha de medir.
ES08786336.1T 2008-07-22 2008-07-22 Configuración de sensores magnetorresistivos para la medición de corriente Active ES2591283T3 (es)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2008/059609 WO2010009761A1 (en) 2008-07-22 2008-07-22 Magnetoresistive sensor arrangement for current measurement

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2591283T3 true ES2591283T3 (es) 2016-11-25

Family

ID=40635494

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES08786336.1T Active ES2591283T3 (es) 2008-07-22 2008-07-22 Configuración de sensores magnetorresistivos para la medición de corriente

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8884615B2 (es)
EP (1) EP2304447B1 (es)
CN (1) CN102099695B (es)
ES (1) ES2591283T3 (es)
WO (1) WO2010009761A1 (es)

Families Citing this family (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102099695B (zh) 2008-07-22 2015-08-12 Abb研究有限公司 用于电流测量的磁阻传感器布置
CN102866279A (zh) * 2011-07-04 2013-01-09 新科实业有限公司 电流传感器装置
DE102011110648A1 (de) * 2011-08-18 2013-02-21 Universität Stuttgart Strommessgerät
DE112012003417A5 (de) 2011-08-18 2014-04-30 Universität Stuttgart Strommessgerät
EP2587268A1 (en) * 2011-10-26 2013-05-01 LEM Intellectual Property SA Electrical current transducer
US20140028307A1 (en) * 2012-07-26 2014-01-30 Udo Ausserlechner Magnetoresistive sensor systems and methods having a yaw angle between premagnetization and magnetic field directions
EP2927701B1 (en) * 2012-11-29 2021-09-22 SIRC Co., Ltd Electrical power measurement device
US20140300349A1 (en) 2013-03-12 2014-10-09 GMW Associates Incorporated Coreless current probe and a method of measuring direct current
WO2014192335A1 (en) * 2013-05-30 2014-12-04 Sintokogio, Ltd. Surface property inspection apparatus, surface property inspection system, and surface property inspection method
US9535098B2 (en) * 2013-09-02 2017-01-03 Senis Ag Current transducer for measuring an electrical current
DE102013112628A1 (de) * 2013-11-15 2015-05-21 Epcos Ag Vorrichtung, Anordnung und Verfahren zur Messung einer Stromstärke in einem stromdurchflossenen Primärleiter
US9618588B2 (en) 2014-04-25 2017-04-11 Infineon Technologies Ag Magnetic field current sensors, sensor systems and methods
CN104101366A (zh) * 2014-07-21 2014-10-15 浙江巨磁智能技术有限公司 抗外磁干扰的方法及使用该方法的磁传感芯片
CN105656000A (zh) * 2014-11-08 2016-06-08 孙麓轩 一种新型电涌保护器
DE102015100924B3 (de) * 2015-01-22 2016-06-02 Sensitec Gmbh Magnetfeldsensorvorrichtung zur Messung des Stromes durch einen stromführenden Leiter
DE102015004992A1 (de) * 2015-04-18 2016-10-20 Man Truck & Bus Ag Anordnung zur Ermittlung einer Drehzahl und Drehrichtung eines rotierenden Bauteils
EP3171190B1 (en) * 2015-11-18 2021-08-25 Nxp B.V. Magnetic field sensor
WO2017197269A1 (en) * 2016-05-13 2017-11-16 The University Of North Carolina At Charlotte Wideband contactless magnetoresistive-rogowski current sensing
US10859406B2 (en) * 2017-01-31 2020-12-08 Analog Devices Global Magnetic sensor position measurement with phase compensation
US10739165B2 (en) * 2017-07-05 2020-08-11 Analog Devices Global Magnetic field sensor
CN107328980B (zh) * 2017-07-13 2020-01-21 北京科技大学 多芯电缆非侵入式电流测量方法及测量装置
CN109782043B (zh) * 2017-11-10 2024-09-13 许继集团有限公司 外卡型电流传感器及其制作方法、辅助制作工装
EP3818382B1 (de) * 2018-09-04 2022-10-19 Isabellenhütte Heusler GmbH & Co. KG Strommesswiderstand und zugehöriges herstellungsverfahren
CN111521857B (zh) * 2019-05-29 2021-05-25 重庆大学 基于tmr隧道磁阻的多导体电流测量系统
CN110345938B (zh) * 2019-06-25 2021-08-31 潍坊歌尔微电子有限公司 一种晶圆级的磁传感器及电子设备
CN111551776B (zh) * 2020-06-29 2021-04-27 南方电网数字电网研究院有限公司 一种基于粒子群算法的双通电导体电流测量方法、装置
CN112834805A (zh) * 2021-01-04 2021-05-25 中国电力科学研究院有限公司 具有位置误差校准功能的隧穿磁阻电流传感器及校准方法
CN114264862B (zh) * 2021-12-29 2023-06-23 湖北天瑞电子股份有限公司 一种应用于微电流检测的磁阻式传感器
CN114487545B (zh) * 2021-12-31 2025-01-21 歌尔微电子股份有限公司 电流传感器、电子设备及检测装置
JP7615070B2 (ja) * 2022-02-21 2025-01-16 株式会社東芝 センサ及び検査装置
CN114689925B (zh) * 2022-05-31 2022-09-20 陕西半导体先导技术中心有限公司 一种隔离式瞬态短路电流的测试系统及方法
CN115219959B (zh) * 2022-07-11 2024-06-25 湖南大学 基于磁阻效应的干式空心电抗器匝间短路磁场检测装置

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4841235A (en) * 1987-06-11 1989-06-20 Eaton Corporation MRS current sensor
US6984978B2 (en) * 2002-02-11 2006-01-10 Honeywell International Inc. Magnetic field sensor
DE10240242A1 (de) * 2002-08-31 2004-03-11 Robert Bosch Gmbh Stromsensor mit orthogonaler Ummagnetisiereinrichtung
US7164263B2 (en) * 2004-01-16 2007-01-16 Fieldmetrics, Inc. Current sensor
FR2876800B1 (fr) * 2004-10-18 2007-03-02 Commissariat Energie Atomique Procede et dispositif de mesure de champ magnetique a l'aide d'un capteur magnetoresitif
JP4298691B2 (ja) * 2005-09-30 2009-07-22 Ｔｄｋ株式会社 電流センサおよびその製造方法
JP4361077B2 (ja) * 2006-10-31 2009-11-11 Ｔｄｋ株式会社 磁気センサおよびその製造方法
CN102099695B (zh) 2008-07-22 2015-08-12 Abb研究有限公司 用于电流测量的磁阻传感器布置

Also Published As

Publication number Publication date
CN102099695A (zh) 2011-06-15
US8884615B2 (en) 2014-11-11
EP2304447B1 (en) 2016-06-29
EP2304447A1 (en) 2011-04-06
US20110121828A1 (en) 2011-05-26
WO2010009761A1 (en) 2010-01-28
CN102099695B (zh) 2015-08-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2591283T3 (es) Configuración de sensores magnetorresistivos para la medición de corriente
JP6661215B2 (ja) 位置検出装置およびカメラモジュール
JP5250108B2 (ja) 磁気平衡式電流センサ
US7795862B2 (en) Matching of GMR sensors in a bridge
JP5654455B2 (ja) 歯車の回転速度検出方法および歯車の回転速度検出装置
ES2916340T3 (es) Caudalímetro magnético-inductivo y procedimiento para el funcionamiento de un caudalímetro magnético-inductivo
US10012707B2 (en) Magnetic field sensor with 3-axes self test
FI100037B (fi) Laite magneettikentän, etenkin maan magneettikentän voimakkuuden ja su unnan määräämiseksi
WO2007132592A1 (ja) ２軸磁界センサ
WO2011043193A1 (ja) 磁気平衡式電流センサ
CN102292648A (zh) 磁场感测器件
JP6508332B2 (ja) 液面検出装置
JP2008516225A (ja) 非線形磁界センサ及び電流センサ
Ripka et al. Precise DC current sensors
ES2267580T3 (es) Un dispositivo detector de corriente mejorado para disyuntores de circuito de potencia de bajo voltaje.
US12188787B2 (en) Position detection unit, lens module, and imaging apparatus
US12174045B2 (en) Position detection unit, lens module, and imaging apparatus
CN107093508A (zh) 磁体装置和传感器设备
JP2011158337A (ja) 電流センサ
JP2012063203A (ja) 磁気センサ
US20160266172A1 (en) Device, Arrangement, and Method for Measuring a Current Intensity in a Primary Conductor Through which Current Flows
Mlejnek et al. Off‐Center Error Correction of AMR Yokeless Current Transducer
CN108226818B (zh) 磁传感器
JP2008232894A (ja) ヘルムホルツ・コイルを用いた変位センサ
Ripka et al. A 3-phase current transducer based on microfluxgate sensors