Intelligente Strommessung

Die Strommessung wird von hochintegrierten Hall-Sensoren kontaktlos durchgeführt.

Strommessung

Im Rahmen des Projekts »Leistungsmonitoringsystem« wurde ein Hall-Sensor gemeinsam mit weiteren analogen und digitalen Komponenten auf einem eigens entwickelten Chip integriert. Die Strommessung wird von hochintegrierten Hall-Sensoren kontaktlos durchgeführt. Von diesen ASICs sind insgesamt acht Stück mit Hilfe geeigneter Aufbau- und Verbindungstechnik ringförmig und äquidistant um den zu überwachenden Stromleiter angeordnet. Dieser symmetrische Aufbau und die simulativ erfasste minimale Anzahl der Hallsensoren ermöglichen es, dass die bei der Montage unvermeidlichen Lagetoleranzen des Leiters sich in der Praxis nicht auf die erreichte Messgenauigkeit auswirken.

Das Messprinzip selbst basiert –ähnlich wie die Rogowski-Spule– auf dem Ampèreschen Durchflutungsgesetz. Dazu erfassen die Hall-Sensoren die Stärke des vom stromdurchflossenen Leiter erzeugten Magnetfelds, das den Leiter umgibt, der Mikrocontroller des Messsystems berechnet eine Näherung des diskretes Ringintegrals aus den Messwerten an acht Punkten und daraus die aktuelle Stromstärke.

Mit einer speziellen Art der Phasenregelschleife, mit Patentanmeldung, kann auf einen Komparator verzichtet werden. Die Synchronisierung der Messung zur Netzfrequenz wird bereits in der Firmware realisiert. Durch die exakte Synchronisierung der Messrate auf die Netzfrequenz und den konstanten Systemtakt des Microcontrollers kann auch die Netzfrequenz genau bestimmt werden. Alle weiteren Werte wie z. B. Wirkleistung und Scheinleistung werden aus den vorhandenen Messwerten berechnet.

Technische Durchführung

Als Basis des Messchips diente eine spezielle 3D-Hall-Sensorzelle, die auf einem CMOS-Standardprozess gefertigt worden ist. Zusätzliche Komponenten auf dem Chip führen die Linearisierung, den Abgleich und die Kompensation von Störgrößen durch. Eine einfache serielle Schnittstelle ermöglicht die Kaskadierung mehrerer ASICs und deren Anschluss an einen Mikrocontroller. Die Abmessungen des Chips wurden so optimiert, dass der Flexleiter nach der Montage der Sensorchips einen möglichst engen Biegeradius einnehmen kann. Dies erlaubte eine Optimierung der Gesamtklemmengröße.