FR2919730A1

FR2919730A1 - CURRENT SENSOR FOR MEASURING CURRENT CIRCULATING IN AT LEAST ONE DRIVER

Info

Publication number: FR2919730A1
Application number: FR0705663A
Authority: FR
Inventors: Sebastien Noel
Original assignee: ABB France SAS
Current assignee: ABB France SAS
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2009-02-06
Also published as: WO2009027603A1

Abstract

L'invention concerne un capteur de courant destiné à mesurer le courant circulant dans au moins un conducteur comprenant un support disposé au moins partiellement autour du conducteur dans lequel circule le courant à mesurer, au moins une sonde (H1, H2, HN) sensible au champ magnétique produit par le courant à mesurer et produisant un signal de sortie dont la valeur de sortie est fonction de ce champ magnétique, et des moyens de traitement du signal provenant de l'au moins une sonde, destinés à fournir un signal de sortie fonction de l'intensité du courant à mesurer. Les moyens de traitement comprennent de plus des moyens de correction du gain du signal de sortie de la sonde (H1, H2, HN) dont la correction est variable en fonction de la température comportant au moins un composant (R2T) dont la caractéristique est dépendante de la température.The invention relates to a current sensor for measuring the current flowing in at least one conductor comprising a support arranged at least partially around the conductor in which the current to be measured circulates, at least one probe (H1, H2, HN) sensitive to magnetic field produced by the current to be measured and producing an output signal whose output value is a function of this magnetic field, and signal processing means from the at least one probe for providing an output signal according to the intensity of the current to be measured. The processing means furthermore comprise means for correcting the gain of the output signal of the probe (H1, H2, HN) whose correction is variable as a function of the temperature comprising at least one component (R2T) whose characteristic is dependent of the temperature.

Description

La présente invention concerne un capteur de courant destiné à mesurer leThe present invention relates to a current sensor for measuring the

courant circulant dans au moins un conducteur. Il est connu, par exemple du document W02005066642 de réaliser un capteur de courant destiné à mesurer le courant circulant dans au moins un 5 conducteur du type comprenant : un support disposé au moins partiellement autour du conducteur dans lequel circule le courant à mesurer, au moins une sonde sensible au champ magnétique produit par le courant à mesurer et produisant un signal de sortie dont la valeur de sortie est 10 fonction de ce champ magnétique, des moyens de traitement du signal provenant de l'au moins une sonde, destinés à fournir un signal de sortie dépendant de l'intensité du courant à mesurer. Les sondes, en particulier les sondes à effet Hall, présentent une 15 dérive de leur signal de sortie avec la température. En conséquence, il est souhaitable de corriger cette dérive pour obtenir une mesure fiable du champ et du courant dans le conducteur. Les sondes comportent à cet effet des moyens de compensation. En particulier, il est connu des documents EP0525235, 20 US4705964, EP0043191, US5389889, de compenser la dérive d'une sonde a effet Hall en contrôlant le courant qui l'alimente. En effet la tension mesurée est proportionnelle au produit du champ magnétique, du courant qui alimente la sonde, à un facteur de gain et au cosinus d'un angle mesurant l'orientation relative entre la sonde et le 25 champ. Il est ainsi possible de compenser la dérive du gain par une correction de la valeur du courant d'alimentation. Plus la température est basse, plus le courant est important et inversement plus la température est haute, plus le courant est faible. En effet, de manière général, la sonde à effet Hall perd de la sensibilité à basse température, c'est pourquoi celle-ci est alimentée par un 30 courant plus important pour compenser cette perte. Inversement, à chaud, la sonde à effet Hall a une sensibilité plus importante, c'est pourquoi elle est alimentée par un courant plus faible. II est également connu du document US3816766 de réaliser au niveau de la sonde une correction de la valeur du signal de sortie, en 35 déterminant la dérive du gain de la sonde. current flowing in at least one conductor. It is known, for example from document WO2005066642, to provide a current sensor for measuring the current flowing in at least one conductor of the type comprising: a support disposed at least partially around the conductor in which the current to be measured flows, at least a probe sensitive to the magnetic field produced by the current to be measured and producing an output signal whose output value is a function of this magnetic field, signal processing means from the at least one probe for providing a output signal dependent on the intensity of the current to be measured. Probes, particularly Hall effect probes, exhibit a drift of their output signal with temperature. Therefore, it is desirable to correct this drift to obtain a reliable measurement of the field and the current in the conductor. For this purpose, the probes comprise compensation means. In particular, it is known from EP0525235, US4705964, EP0043191, US5389889, to compensate the drift of a Hall effect probe by controlling the current which feeds it. Indeed, the measured voltage is proportional to the product of the magnetic field, of the current which supplies the probe, to a gain factor and to the cosine of an angle measuring the relative orientation between the probe and the field. It is thus possible to compensate for the drift of the gain by a correction of the value of the supply current. The lower the temperature, the higher the current and the higher the temperature, the lower the current. In fact, in general, the Hall effect sensor loses sensitivity at low temperature, which is why it is fed with a larger current to compensate for this loss. Conversely, hot, the Hall effect sensor has a higher sensitivity, so it is powered by a lower current. It is also known from US3816766 to perform at the probe a correction of the value of the output signal, by determining the drift of the gain of the probe.

Le problème technique à la base de l'invention est de fournir un capteur de courant qui permettent de corriger la dérive en température du gain d'une ou de plusieurs sondes de façon améliorée. A cet effet, la présente invention a pour objet un capteur du type précité, caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent de plus des moyens de correction du gain du signal de sortie de la sonde dont la correction est variable en fonction de la température comportant au moins un composant dont la caractéristique est dépendante de la température. Grâce aux dispositions selon l'invention, un capteur de courant permet de réaliser une correction du gain indépendamment de la correction pouvant être réalisée au niveau d'une sonde, et d'obtenir ainsi une précision supérieure en opérant des réglages correspondant à l'utilisation souhaitée, lorsque la ou les sondes sont dans l'environnement propre du capteur. II est ainsi possible de réaliser, de façon externe à la sonde, une optimisation liée à l'application spécifique de celle-ci dans un capteur. Avantageusement, le capteur comporte une pluralité de sondes, le signal de sortie des sondes étant additionné, et les moyens de traitement opérant une correction de gain sur le signal sommé. Ces dispositions permettent de réaliser une correction sur le signal 20 global additionné des sondes, ce qui permet une meilleure précision de la correction. Avantageusement, les moyens de correction comportent au moins une thermistance dont la valeur de la résistance dépend de la température. Selon un mode de réalisation, la caractéristique du composant 25 dépendant de la température est non-linéaire par rapport à la température. Ces dispositions permettent de réaliser une correction non linéaire de la dérive du gain des sondes. Avantageusement, les moyens de correction comportent de plus un ensemble de résistances. 30 La valeur de ces résistances permet d'adapter la correction à partir de la caractéristique du composant dépendante de la température. Selon un mode de réalisation, les moyens de correction comprennent un montage de type amplificateur non inverseur. De touf.e façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la 35 description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de ce capteur. The technical problem underlying the invention is to provide a current sensor which makes it possible to correct the temperature drift of the gain of one or more probes in an improved manner. For this purpose, the subject of the present invention is a sensor of the aforementioned type, characterized in that the processing means furthermore comprise means for correcting the gain of the output signal of the probe, the correction of which is variable as a function of the temperature. having at least one component whose characteristic is dependent on the temperature. Thanks to the arrangements according to the invention, a current sensor makes it possible to carry out a correction of the gain independently of the correction that can be carried out at the level of a probe, and thus to obtain a higher accuracy by making adjustments corresponding to the use desired when the probe or probes are in the environment of the sensor. It is thus possible to achieve, externally to the probe, an optimization related to the specific application thereof in a sensor. Advantageously, the sensor comprises a plurality of probes, the output signal of the probes being added, and the processing means operating a gain correction on the summed signal. These arrangements make it possible to make a correction on the global signal added to the probes, which allows a better accuracy of the correction. Advantageously, the correction means comprise at least one thermistor whose value of resistance depends on the temperature. According to one embodiment, the characteristic of the temperature dependent component is non-linear with respect to temperature. These provisions make it possible to perform a nonlinear correction of the gain drift of the probes. Advantageously, the correction means further comprise a set of resistors. The value of these resistors makes it possible to adapt the correction from the characteristic of the temperature-dependent component. According to one embodiment, the correction means comprise a non-inverting amplifier type of mounting. In a way, the invention will be better understood with the aid of the description which follows, with reference to the appended schematic drawing showing, by way of nonlimiting example, an embodiment of this sensor.

La figure 1 est une vue d'ensemble en perspective d'un capteur de courant entourant un conducteur. La figure 2 représente une partie de circuit constituant les moyens de traitement permettant de réaliser la correction de gain. Figure 1 is an overall perspective view of a current sensor surrounding a conductor. FIG. 2 represents a circuit part constituting the processing means making it possible to carry out the gain correction.

La figure 3 représente en pourcentage, et en fonction de la température, la dérive de la précision d'une sonde, la valeur de la correction, et le résultat de la compensation après application de la correction. La figure 4 représente l'évolution du rapport de la valeur de résistance par rapport à la résistance mesurée à 25 C pour une thermistance 10 utilisée dans le capteur selon l'invention. Selon un mode de réalisation de l'invention, un capteur de courant destiné à mesurer le courant circulant dans au moins un conducteur comporte les éléments décrits dans le document WO2005066642, à savoir notamment, ainsi que représenté sur la figure 1 un support 2 disposé au moins 15 partiellement autour du conducteur 3 dans lequel circule le courant a mesurer, et une pluralité de sondes H1 à Hn sensibles au champ magnétique produit par le courant à mesurer et produisant un signal de sortie dont la valeur de sortie est fonction de ce champ magnétique. En particulier, ces sondes H1 à Hn sont constituées par des 20 sondes à effet Hall. Le capteur comporte une pluralité de sondes, le signal de sortie des sondes étant additionné en un point de sommation Z, et les moyens de traitement opérant une correction de gain sur le signal additionné. Le capteur comprend des moyens de traitement du signal provenant de des sondes H1, H2, Hn, destinés à fournir un signal de sortie 25 fonction de l'intensité du courant à mesurer. Les moyens de traitement, comportant par exemple une carte électronique, comprennent des moyens de correction du gain du signal de sortie des sondes dont la correction est variable en fonction de la température. Les moyens de correction sont représentés sur la figure 2. 30 Les moyens de traitement sont agencés entre une entrée E et une sortie S. L'entrée E est reliée en amont au point de sommation E des signaux des sondes à effet Hall H1, H2, Hn. En aval du point S sont disposés des moyens d'amplification du signal non représentés. 35 Les moyens de traitement comprennent un amplificateur opérationnel A moril.é en amplificateur non-inverseur. FIG. 3 shows in percentage, and as a function of temperature, the drift of the precision of a probe, the value of the correction, and the result of the compensation after application of the correction. FIG. 4 represents the evolution of the ratio of the resistance value with respect to the resistance measured at 25 ° C for a thermistor used in the sensor according to the invention. According to one embodiment of the invention, a current sensor for measuring the current flowing in at least one conductor comprises the elements described in document WO2005066642, namely in particular, as shown in FIG. at least partially around the conductor 3 in which the current to be measured flows, and a plurality of probes H1 to Hn sensitive to the magnetic field produced by the current to be measured and producing an output signal whose output value is a function of this magnetic field . In particular, these probes H1 to Hn consist of Hall effect probes. The sensor comprises a plurality of probes, the output signal of the probes being added to a summation point Z, and the processing means operating a gain correction on the summed signal. The sensor comprises signal processing means from probes H1, H2, Hn, intended to provide an output signal 25 as a function of the intensity of the current to be measured. The processing means, comprising for example an electronic card, comprise means for correcting the gain of the output signal of the probes whose correction is variable as a function of temperature. The correction means are shown in FIG. 2. The processing means are arranged between an input E and an output S. The input E is connected upstream to the summation point E of the signals of the Hall effect probes H1, H2 , Hn. Downstream of the point S are arranged unrepresented signal amplification means. The processing means comprise an operational amplifier A moril.ed as a non-inverting amplifier.

L'entrée + de l'amplificateur est reliée à l'entrée E. The + input of the amplifier is connected to input E.

L'entrée û de l'amplificateur est reliée d'une part à la masse par une première résistance R1. The input of the amplifier is first connected to the ground by a first resistor R1.

D'autre part, un ensemble de résistance R2 est disposé entre l'entrée û de l'amplificateur et la sortie de l'amplificateur. On the other hand, a resistor assembly R2 is disposed between the input of the amplifier and the output of the amplifier.

Cet ensemble de résistance R2 comprend deux premières résistances R21 et R22 en série, puis en série avec ces deux premières résistances, un sous ensemble comprenant une résistance R23 et une thermistance R2T en parallèle. This resistance set R2 comprises two first resistors R21 and R22 in series, then in series with these first two resistors, a subassembly comprising a resistor R23 and a thermistor R2T in parallel.

Entre la sortie de l'amplificateur et la sortie des moyens de correction est disposé un diviseur de tension comprenant deux résistances R3 et R4, entre lesquelles est prélevé le signal de sortie. Between the output of the amplifier and the output of the correction means is arranged a voltage divider comprising two resistors R3 and R4, between which the output signal is taken.

Avec un tel montage entre les points E et S, la valeur de la tension en sortie Vs en fonction de la tension en entrée Ve peut être exprimée de la 15 façon suivante : R4 Vs = En prenant des valeurs de R3 et R4 identiques, la formule devient 1 R21+ With such an arrangement between the points E and S, the value of the output voltage Vs as a function of the input voltage Ve can be expressed as follows: R4 Vs = By taking values of R3 and R4 identical, the formula becomes 1 R21 +

Vs = 1-H / 22 + / 2T Ve R1 2 iVs = 1-H / 22 + / 2T Ve R1 2 i

La valeur de la résistance de la thermistance R2T dépend de la The resistance value of the R2T thermistor depends on the

20 température. La valeur des autres résistances R21, R22, R1 est choisie de sorte qu'à une température ambiante de l'ordre de 25 C, les tensions Vs et Ve soient égales. Temperature. The value of the other resistors R21, R22, R1 is chosen so that at an ambient temperature of the order of 25 C, the voltages Vs and Ve are equal.

En particulier, la caractéristique de cette thermistance R2T est représentée sur la figure 3. Il apparaît que la caractéristique de résistance de la In particular, the characteristic of this R2T thermistor is shown in Figure 3. It appears that the resistance characteristic of the

25 thermistance choisie par rapport à la température est non-linéaire. La figure 3 représente par la courbe CO l'évolution du rapport de la valeur de la résistance sur la résistance à une température de 25 C. Ce rapport est donc de 1 à la température de 25 C. La résistance augmente fortement à basse température et diminue fortement à haute température. R3+ R4 1+ R22+/2T R1 R21+ Ve Cette disposition permet de réaliser une correction de gain non linéaire. La figure 4 représente par la courbe Cl la dérive en gain d'une sonde à effet Hall, la courbe Cl exprimant le pourcentage de dérive P en 5 fonction de la température t en degrés Celsius. Il apparaît que la courbe Cl présente deux pentes différentes entre -40 et -25 C et -25 ,et +85 C. En conséquence, la correction appliquée à cette sonde doit être différente pour ces deux gammes de températures. La correction appliquée par les moyens de correction comprenant 10 la thermistance est représentée par la courbe C2 sur la figure 4. Il apparaît que cette correction est non-linéaire du fait de la non-linéarité de la thermistance décrite précédemment. En utilisant les valeurs des résistances R21 et R22 appropriés, la correction peut être adaptée de façon à rapprocher la courbe C2 précisément à 15 l'opposé de la courbe Cl, de façon à obtenir une courbe de gain en sortie des moyens de correction C3 proche de l'axe des abscisse, cette axe correspondant à une compensation parfaite des dérives des sonde. Bien entendu, Le choix de la structure du montage et des composants, en particulier de la caractéristique de la thermistance est fonction 20 de la courbe de correction souhaitée. Etant donnée que l'exemple d'application dont sont issus les figures 3 et 4 correspond à des capteurs principalement utilisés dans des systèmes d'électronique de puissance qui de part leur échauffement, créent une température ambiante élevée supérieure à 40 C, la correction de gain pour 25 des températures au dessus de 0 C a été privilégiée. Pour compenser d'autres sondes, d'autres valeurs de composant ou une réponse de la thermistance différente pourraient être choisis. Les dispositions selon l'invention permettent d'obtenir une très bonne précision, proche des capteurs de technologie "boucle fermée", même 30 avec des capteurs en "boucle ouverte". En effet, la précision obtenue est inférieure à 2% sur toute la plage de température au lieu de + de 4% pour les capteurs de courant connus. On entend par capteur en "boucle fermée" un capteur comprenant un tore bobiné dans lequel une sonde est placée dans un entrefer. La précision 35 est indépendante des dérives de la sonde, puisque directement lié au nombre de spires du tore. On entend par capteur "boucle ouverte", un capteur comprenant un tore avec un entrefer dans lequel est disposée une sonde. Le résultat de la mesure est donc directement lié à performance de la sonde et notamment à ses caractéristiques de linéarité, de dérive et du circuit magnétique, en particulier de ses caractéristiques d'hystérésis, de saturation, de perte fer. Les capteurs du type dit NCS comme décrit dans le document W02005066642 n'ont pas de circuit magnétique, mais une multitude de sonde. Les performances du capteur sont directement liées à celles des sondes. En appliquant les dispositions selon l'invention, on se rapproche donc des performances des capteurs "boucle fermé". Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution du capteur décrite ci- dessus à titre d'exemple, mais elle embrasse au contraire toutes les variantes. En particulier, si les dispositions selon l'invention ont été décrites 15 en référence à un capteur de type NCS, elles peuvent être appliquées à tout type de capteur comprenant au moins une sonde. The chosen thermistor with respect to the temperature is non-linear. FIG. 3 represents, by the curve CO, the evolution of the ratio of the value of the resistance on the resistance at a temperature of 25 C. This ratio is therefore 1 at the temperature of 25 C. The resistance increases strongly at low temperature and strongly decreases at high temperature. R3 + R4 1+ R22 + / 2T R1 R21 + Ve This arrangement makes it possible to perform a nonlinear gain correction. FIG. 4 represents, by the curve C1, the gain drift of a Hall effect probe, the curve C1 expressing the percentage of drift P as a function of the temperature t in degrees Celsius. It appears that the curve C1 has two different slopes between -40 and -25 C and -25, and +85 C. Consequently, the correction applied to this probe must be different for these two temperature ranges. The correction applied by the correction means comprising the thermistor is represented by the curve C2 in FIG. 4. It appears that this correction is non-linear because of the non-linearity of the thermistor described above. By using the values of the appropriate resistors R21 and R22, the correction can be adapted to bring the curve C2 exactly opposite the curve C1, so as to obtain a gain curve at the output of the correction means C3 close of the abscissa axis, this axis corresponding to a perfect compensation of the drifts of the probes. Of course, the choice of the mounting structure and components, in particular the characteristic of the thermistor, is a function of the desired correction curve. Given that the application example from which Figures 3 and 4 are derived correspond to sensors mainly used in power electronics systems which from their heating, create a high ambient temperature above 40 C, the correction of gain for temperatures above 0 C has been favored. To compensate for other probes, other component values or a different thermistor response could be chosen. The arrangements according to the invention make it possible to obtain a very good accuracy, close to "closed loop" technology sensors, even with "open loop" sensors. Indeed, the accuracy obtained is less than 2% over the entire temperature range instead of + 4% for known current sensors. By "closed loop" sensor is meant a sensor comprising a wound toroid in which a probe is placed in a gap. The precision 35 is independent of the drifts of the probe, since it is directly related to the number of turns of the torus. By "open loop" sensor is meant a sensor comprising a toroid with a gap in which a probe is disposed. The result of the measurement is therefore directly related to the performance of the probe and in particular to its characteristics of linearity, drift and the magnetic circuit, in particular its hysteresis, saturation and iron loss characteristics. The sensors of the so-called NCS type as described in document WO2005066642 do not have a magnetic circuit, but a multitude of probes. The sensor performance is directly related to that of the probes. By applying the provisions according to the invention, the performance of closed-loop sensors is therefore approaching. As goes without saying, the invention is not limited to the sole embodiment of the sensor described above by way of example, but it embraces all variants. In particular, if the arrangements according to the invention have been described with reference to a NCS type sensor, they can be applied to any type of sensor comprising at least one sensor.

Claims

1. Current sensor for measuring the current flowing in at least one conductor (3) comprising: a support (2) disposed at least partially around the conductor (3) in which the current to be measured circulates, at least one probe (H1 , H2, HN) responsive to the magnetic field produced by the current to be measured and producing an output signal whose output value is a function of this magnetic field, signal processing means from the at least one probe for supplying an output signal depending on the intensity of the current to be measured, characterized in that the processing means furthermore comprise means for correcting the gain of the output signal of the probe (H1, H2, HN), the correction of which is variable as a function of the temperature comprising at least one component (R2T) whose characteristic is dependent on the temperature.

2. The sensor of claim 1, wherein the sensor comprises a plurality of probes (H1, H2, HN), the output signal of the probes being added, and the processing means operating a gain correction on the summed signal.

3. Sensor according to one of the preceding claims, wherein the component (R2T) whose characteristic is dependent on the temperature is a thermistor (R2T) whose value of the resistance depends on the temperature.

4. Sensor according to one of the preceding claims, wherein the characteristic of the component (R2T) dependent on the temperature is non-linear with respect to the temperature.

5. Sensor according to one of the preceding claims, wherein the correction means further comprise a set of resistors (R21, R22).

6. Sensor according to one of the preceding claims, wherein the correction means comprise a non-inverting amplifier type of mounting. 35