用于采集测量值的电流测量装置、电流传感器以及电流变送器的制作方法

本发明涉及一种用于采集测量值的电流测量装置。本发明还涉及一种可包含在根据本发明的电流测量装置中的电流传感器，以及一种可以是所述电流测量装置的一部分的电流变送器(strommessumformer)。其中，所述电流传感器在精确度以及按比例采集测量值方面的行为得到了改善。

背景技术：

1、这种电流测量装置在工业自动化领域有多种用途。对能源数据(如电流和电压)的采集被用于自动化技术、过程和工艺技术，也被一般性地用来对包括机器人和能源设备在内的机器和设备进行磨损识别。

2、举例而言，电流测量装置可以在风电设备中起监测作用，特别是监测转子叶片的节距调整。此处不进一步传输模拟输出信号，而是直接在风电设备的控制单元中对其进行处理和使用。另一个应用实例则是测量太阳能组件所产生的电流。

3、在另一种应用中，可以在现场总线系统的外围设备上使用电流测量装置。现场总线系统被用于自动化技术、过程和工艺技术，也被一般性地用来对包括机器人在内的机器和设备进行控制。其中，电流测量装置被用来采集传感器的测量值，以及向设备的控制器输出开关信号。

4、就实验室测量仪器而言，针对电压测量或电流测量进行自动测量范围切换的做法已经普遍存在了一段时间。测量范围切换是在后台进行，用户察觉不到或者仅略微有所察觉。举例来说，实验室测量仪器只有一个用于电流或电压输入的连接点，内部放大器相应地切换或放大测量信号，使得所使用的始终是误差最小的最佳范围。

5、然而，就用于工业和设备工程的电流测量装置而言，现有的自动范围切换方案过于复杂且过于昂贵。

6、对于这样的工业测量装置，通过个别端子实现不同的电流测量范围是很常见的做法。然而，此时一旦出现一个接线点被使用两次的情况，通常就需要一条例如能通过dip开关进行切换的完整的第二测量分支。也有一些测量装置则是采用某种窗口技术，在较大的测量范围内通过缩放操作来放大较小的范围。通过这种方式，例如10a的电流测量范围可以映射1a的测量范围。然而，这种情况下会丢失很大一部分通过用a/d转换器检测信号而产生的分辨率。具体来说，这意味着损失了10倍的测量精度。另一个缺点是，测量信号放大10倍会导致信号中的噪声增加10倍。

7、文献de 4422867 a1揭示了对霍尔开关的开关阈值进行编程的做法。但是，这种霍尔开关不用于电流测量。

8、文献de 10305986 a1揭示一种用于中压或高压设备的、在传感头与中央测量装置之间进行光学信号传输的测量系统，其中在传感头中进行测量范围切换。这由微处理器完成，该微处理器与传感头中的差分放大器进行通信。

9、然而，已知解决方案的缺点是要么对于工业测量装置来说过于复杂，要么恰好不涉及电流传感器。

技术实现思路

1、因此，有必要改进电流测量装置，以避免上述这些缺点。

2、这个目的通过一种根据权利要求1所述的用于采集数据的电流测量装置、一种根据权利要求10所述的电流传感器以及一种根据权利要求12所述的电流变送器而达成。

3、从属权利要求包含了本发明的有利的进一步设计和改进方案，以下是对这些措施的相应说明。

4、本发明旨在让测量范围切换直接发生在电流测量装置的电流传感器中。就配备有磁场传感器(例如霍尔探头)的电流传感器而言，这是可以实现的。霍尔探头也已配备了集成电路，这拓宽了其应用范围。为此需要通过编程来进行调整。但这种编程目前仍是一个需要由制造商或用户在安装时实施一次的过程。

5、制造商对传感器内部测量范围的一次性设置通常只针对一个电流测量范围进行优化。但是，如果想要终端设备(电流测量装置)具有两个、三个或更多的电流测量通道，通常就须使用外部放大器(运算放大器)。然而，这些外部放大器的任何信号调理都意味着测量精度的损失。本发明所提出的解决方案则能完整地利用传感器制造商的数据表规格(带霍尔元件的电流传感器)，并在每个可能的测量范围内最佳地使用电流传感器。

6、现在将借助两个例子对此进行详细说明：

7、案例1：

8、电力线上10a的电流强度可对应于例如100mt的安匝(durchflutung)。随后在带有霍尔元件的电流传感器中产生1v的输出电压。这样就处于电流传感器数据表中制造商所规定的精度范围内(例如0.2％的精度)。

9、案例2：

10、现在用这个设置创建第二测量通道，在该测量通道中例如要对高达1a的待测电流进行测量。这意味着磁化安匝只有10mt，在输出端产生的电压振幅为100mv。此时，这个100mv的信号必须由下游放大器放大10倍。这意味着测量误差将大于第一案例，因为测量误差也会相应放大。

11、本发明所提出的解决方案则是在电流传感器内部改变从mt到mv的转换比，从而可以解决这个问题。如果用户想用测量装置测量一个不同的(例如更小的)电流，就按比例地对电流传感器进行重新编程，使得10mt的安匝此时能得到1v的输出振幅。即使是这样一个转换比，也仍然适用电流传感器制造商所规定的关于例如为0.2％的测量精度的数据。

12、根据本发明，切换是在测量系统的运行期间实现的。这种切换/重新编程由电流测量装置中的微控制器支持。用户可以通过输入接口或通信接口来要求切换测量范围。此时可为用户提供一些预定义的测量范围，或者以这样的方式实现，即用户可以自行定义任何可被电流传感器检测到的测量范围。通过连续切换电流传感器中的测量范围，可以实现例如30倍的可能动态范围，而不必忍受较大的测量误差或者不会产生额外的噪音。

13、本发明的第一方面涉及一种用于采集测量值的电流测量装置，该电流测量装置具有电流传感器和电流变送器，其中电流传感器的测量范围可以调节。其中，电流传感器配备有至少一个磁场传感器和至少一个调整电路以及存储器。一个特点是，电流传感器的测量范围切换是基于通过对存储器进行重新编程，调整电路访问存储器中的至少一个新的调整值，通过该调整值可以设定磁场传感器的测量信号的变化。而后可以在存储器特定的写周期数内以任意的频度进行这种重新编程。通过这种方式，甚至还能实现动态测量范围切换。可以通过输入接口提供关于测量范围切换的信息。测量值的输出可以通过输出接口来完成。输入接口和/或输出接口也可以被设计成通信接口。

14、至少一个调整电路等同于放大电路，其放大系数取决于存储器中的至少一个新的调整值，这对电流测量装置是有利的。借此可对检测测量信号的a/d转换器的全分辨率加以利用。

15、为了进一步改善调整，如果至少一个调整电路具有补偿电路，其补偿值取决于存储器中的至少一个新的调整值，则是有利的。

16、在此情况下，补偿值可以等同于偏移值，通过该偏移值来补偿测量信号因出现干扰性直流电压(这种干扰性直流电压例如是生产技术所引发的部件差异(bauteilstreuung)造成的)而发生的偏移。

17、在另一个变体中，补偿值等同于用于校正电压的校正值，通过该校正电压来补偿测量信号因出现温度变化而发生的偏移，这对改善调整是有利的。这可以在补偿干扰性直流电压的基础上进行。为此，如果电流传感器配备有温度传感器，其信号以模拟或数字方式输出到电流变送器，以便电流变送器随后可进行相应的重新编程以实现温度补偿，则是有利的。

18、存储器应当能接受尽可能频繁的写操作。为此，使用eeprom存储器或快闪eprom存储器作为非易失性存储器是有利的。这些存储器提供了最高达100000个写周期的特定写周期数。此外，也可以使用不限制写周期数的cmos ram存储器。也可以使用其他存储模块，例如动态ram存储器。但此时须确保存储器不断得到供电。

19、被用来将调整值传送给电流传感器的接口可以有利地设计成通信接口，特别是ic间总线接口i2c。

20、如果磁场传感器包含至少一个霍尔元件，则特别有利。通过内部放大器可以将这样的磁场传感器特别好地调整到不同的测量范围。

21、所述电流测量装置用途广泛。一个重要的例子是用于测量一个或多个太阳能组件所产生的电流。

22、本发明的另一个方面涉及一种用于电流测量装置的电流传感器。该电流传感器具有包含至少一个调整电路的磁场传感器。此外，该电流传感器具有存储器和接口，通过该接口可以从电流变送器接收至少一个用于切换磁场传感器的测量范围的新调整值，以及具有存储器寻址单元，通过该存储器寻址单元可将接收到的至少一个调整值写入存储器中。借此，用户可以通过将调整值传输给电流发送器，再由后者将调整值转发给电流传感器来进行测量范围切换。针对eprom类型的非易失性存储器，存储器寻址单元可被设计成编程逻辑电路。

23、对于电流传感器来说，如果接口被设计成通信接口，特别是ic间总线接口i2c，也是有利的。

24、本发明的另一个方面涉及一种用于电流测量装置的电流变送器，其中该电流变送器具有微控制器和输出单元，通过该输出单元可以以数字或模拟方式输出采集到的电流测量值。电流变送器具有输入接口，通过该输入接口可以输入关于测量范围切换的信息。输入接口也可以包括通信接口，通过该通信接口可以将关于测量范围切换的数据传输给电流变送器。通信接口可以是现场总线接口或无线电接口。在此情况下，电流变送器具有其他接口和用于生成或接收至少一个新的调整值的构件，该调整值用于切换电流传感器的测量范围，其中微控制器被设计用于执行计算机程序，计算机程序具有程序步骤，当微控制器执行程序时，所述程序步骤促使微控制器通过接口将至少一个新的调整值发送给电流传感器。在一个变体中，调整值可以从工作站被发送到电流变送器。在另一个变体中，可以将测量范围规格传输给电流变送器，电流变送器据此生成至少一个相应的调整值。

25、如果所述其他接口被设计成通信接口，特别是ic间总线接口i2c，这对电流变送器也是有利的。

26、如前所述，本发明的优点是，电流测量装置不必再为不同的测量范围配备如此多的接线点。另一方面，由此释放出来的接线点得以用于扩展功能(工业4.0的接口)。此外还为用户消除了产品上可能存在的故障源。不可能发生用户为电流输入选择错误的接线点，以及控制器错误地测定负载电流，从而导致被控制的装置发生毁损或过载的情况。此外还有新的可能性来提高控制的准确性，因为测量范围可以更频繁地被调节。

27、本发明的多个实施例图示于附图中，下面将参考图式对其进行详细说明。