Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Stromstärke eines einzelnen Leiters eines Mehr ^¬ leitersystems .

Zur Übertragung von Wechselstrom, seltener auch von Gleichstrom, werden Mehrleiterkabel umfassend wenigstens zwei Lei- ter verwendet. Bei Mehrleiterkabeln wird jeder Leiter für sich der Spannung entsprechend isoliert. Alle Leiter werden dann typischerweise miteinander verseilt und nochmals mit ei ^¬ nem gemeinsamen Isolationsmaterial umkleidet. Das Messen des Stromflusses in einem einzelnen Leiter eines solchen Mehrleitersystems kann mittels Shuntwiderständen, Ringkernwandlern, Rogowskispulen oder mit einem auf einer Feldsonde basierenden Sensorsystem erfolgen.

Nachteiligerweise muss allerdings der zu messende Leiter ein- zeln für eine Messung zugänglich sein, was häufig bedeutet, dass das Mehrleiterkabel aufgetrennt werden muss.

In der deutschen Patentanmeldung DE 102016210970.7 wird ein Mess-System vorgeschlagen, mit welchem der Stromfluss in ei- nem einzelnen nicht direkt zugänglichen Leiter eines Mehrleitersystems gemessen werden kann ohne das Mehrleitersystem zu beschädigen. Das Mess-System umfasst wenigstens zwei Feldsensoren, die auf einer Leiterplatte um das Mehrleitersystem herum angeordnet sind. Die Feldsensoren sind geeignet, ein Magnetfeld resultierend aus einer Linearkombination der Mag ^¬ netfelder der einzelnen Stromleiter zu messen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Das Mess-System umfasst auch eine Signalauswertevorrichtung, mittels der die Stromstärke in dem Stromleiter mittels der Signale der wenigstens zwei Feldsensoren und mittels wenigstens eines Abstands des Strom ^¬ leiters zu einem der Feldsensoren ermittelt wird.

Nachteiligerweise ist dieses Mess-System empfindlich gegen- über Fremdfeldern, wodurch die Messung des Stromflusses im Leiter verfälscht werden kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrich- tung und ein Verfahren anzugeben, mit welchem der Stromfluss in einem nicht direkt zugänglichen Mehrleitersystem gemessen werden kann und das dabei unempfindlich gegenüber Fremdfeldern ist. Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen einer Stromstärke in einem Stromleiter eines Mehrleitersystems mit wenigstens zwei Stromleitern umfasst wenigstens zwei Feldsensoren. Jeder Feldsensor ist geeignet, ein Magnetfeld resultierend aus ei ^¬ ner Linearkombination der Magnetfelder der einzelnen Stromleiter zu messen und in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Ein erster Feldsensor ist auf einem ersten Radius kreisseg- mentartig um den Stromleiter angeordnet und ein zweiter Feld ^¬ sensor ist auf einem zweiten Radius kreissegmentartig um den Stromleiter angeordnet, wobei der erste Radius größer als der zweite Radius ist. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Signalauswertevorrichtung, welche geeignet ist, die Strom- stärke in dem Stromleiter mittels der Differenz der Signale der wenigstens zwei Feldsensoren und mittels wenigstens eines ersten Abstands des Stromleiters zu dem ersten Feldsensoren oder mittels eines zweiten Abstands des Stromleiters zu dem zweiten Feldsensor zu ermitteln.

Durch die Zuordnung der Sensorsignale der zwei Feldsensoren in unterschiedlichem Abstand zu dem Stromleiter und durch Bilden der Differenz der Signale, wird der störende Einfluss von Fremdfeldern, insbesondere von homogenen Fremdmagnetfel ^¬ dern, auf das Ergebnis der Ermittlung der Stromstärke in dem Stromleiter deutlich reduziert. Das Auftrennen der Mehrleitersysteme derart, dass einzelne Stromleiter direkt zugäng- lieh sind, wird vorteilhaft vermieden. Weiterhin kann vorteilhaft eine Messbereichserweiterung erreicht werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind der erste und der zweite Feldsensor auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet. Alle Feldsensoren, das bedeutet sowohl die Feldsensoren auf dem ersten Radius als auch die Feldsensoren auf dem zweiten Radius, sind auf der gemeinsamen Leiterplatte angeordnet und können um das Mehr- leitersystem gelegt und fixiert werden. Somit sind die rela ^¬ tive Lage und der Abstand der Feldsensoren untereinander und zu dem zu messenden Stromleiter während der Messung konstant. Dies ermöglicht vorteilhaft konstante Messungen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind der erste Feldsensor auf einer ersten Leiterplatte und der zweite Feldsensor auf einer zweiten Lei ^¬ terplatte angeordnet. Vorteilhaft können so der erste und der zweite Radius unabhängig voneinander gewählt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die gemeinsame Leiterplatte, die erste und/oder die zweite Leiterplatte als flexible Leiterplatte ausgestal ^¬ tet. Vorteilhaft kann somit die Leiterplatte mit den Feldsen- soren variabel um das Mehrleitersystem gelegt werden. Das Mehrleitersystem kann dabei unterschiedliche Formen haben, insbesondere kreis- oder ovalförmig. Weiterhin müssen der Umfang des Mehrleitersystems und die Länge der ersten und/oder zweiten Leiterplatte nicht genau aufeinander abgestimmt sein. Es ist vorteilhaft ausreichend, wenn die Leiterplatten je ^¬ weils teilweise um das Mehrleitersystem herum gelegt werden können. Durch ein Fixieren der flexiblen Leiterplatte um das Mehrleitersystem herum, ist gewährleistet, dass der Abstand der Feldsensoren zu dem jeweiligen einzelnen Stromleiter, der zu messen ist, konstant gehalten wird. Vorteilhaft kann die flexible Leiterplatte sowohl an neuen Mehrleitersystemen, wie auch an bereits verbauten Altanlagen eingebaut werden. Die Fixierung kann beispielsweise durch flexible Klemmen, eine Verschraubung oder durch einen auf Passung gefertigten Adapter erfolgen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil- dung der Erfindung ist die Anzahl der Feldsensoren auf einer Leiterplatte gleich oder größer als die Anzahl der Stromlei ^¬ ter. Vorteilhaft ist es dann möglich, für jeden einzelnen Stromleiter des Mehrleitersystems die Stromstärke zu bestim ^¬ men. Die Feldsensoren weisen unterschiedliche Abstände zum zu messenden Stromleiter auf. Da das Magnetfeld eines geraden stromdurchflossenen Stromleiters reziprok mit dem Abstand abnimmt, kann dann mit Hilfe einer Linearkombinationen der Magnetfelder der einzelnen Stromleiter auf die Stromstärke in einem bestimmten einzelnen Stromleiter zurückgeschlossen wer- den.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Anzahl der Feldsensoren auf der ersten und zweiten Leiterplatte gleich. Vorteilhafterweise sind dann jeweils ein erster und ein zweiter Feldsensor einander paarweise zugeordnet. Die beiden Sensoren können dann vorteilhaft Signale erzeugen, welche zur Ermittlung des

Stromflusses in dem zu messenden Stromleiter herangezogen werden. Die Differenz dieser beiden Signale ermöglicht vor- teilhaft, den Einfluss von Fremdfeldern, insbesondere von ho ^¬ mogenen Fremdmagnetfeldern, zu minimieren.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung liegt das Verhältnis des ersten Radius zu dem zweiten Radius in einem Bereich zwischen 1,1 und 3. In diesem Bereich sind die Messsignale des ersten und zweiten Feldsensor einerseits ausreichend unterschiedlich, um Fremdfelder von der Messung ausschließen zu können, und andererseits noch in derselben Größenordnung, um die Stromstärke be- rechnen zu können.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind der erste Feldsensor und der zweite Feldsensor radial fluchtend, das heißt von einem Mittelpunkt des Mehrleitersystems aus auf einer Linie, angeordnet. Die empfindliche Richtung der Feldsensoren ist dabei im Wesentli ^¬ chen parallel zueinander ausgerichtet. Vorteilhaft kann durch diese Anordnung der Feldsensoren der Einfluss von homogenen Fremdfeldern auf die Ermittlung des Stromflusses in dem

Stromleiter weiter minimiert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbil- dung der Erfindung ist wenigstens einer der Feldsensoren ein Fluxgate-Sensor oder ein Hall-Sensor. Unter einem Fluxgate- Sensor wird ein Sensor verstanden, welche ein Magnetometer zur vektoriellen Bestimmung eines Magnetfelds darstellt. Der Fluxgate-Sensor wird auch Förstersonde genannt. Mit Fluxgate- Sensoren ist es möglich, Magnetfelder von 0, 1 nT bis 5 mT zu messen. Ein Hall-Sensor nutzt vorteilhaft den Halleffekt zur Messung von Magnetfeldern. Vorteilhaft verändert ein Hall- Sensor das zu messende Magnetfeld nicht, da keine magnetisch aktiven Materialien in Hall-Sensoren verbaut werden müssen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind der erste und der zweite Feldsensor im Wesentlichen planar zueinander angeordnet. Die erste und die zweite Leiterplatte sind dann auch im Wesentlichen zuei ^¬ nander planar angeordnet. Die empfindliche Richtung der je ^¬ weiligen Feldsensoren ist dabei parallel zueinander ausgerichtet . In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung sind die Leiterplatten derart um das Mehrleitersystem angeordnet, dass die Leiterplatten bezüglich ihrer Flächennormalen parallel zur axialen Richtung des Mehrleiterkabels angeordnet ist. Bei dieser Anordnung ist der Ab- stand des ersten und zweiten Feldsensors zueinander und zum Mittelpunkt des Mehrleitersystems in radialer Richtung kon ^¬ stant. Weiterhin kann der Abstand der Feldsensoren zum Mittelpunkt des Systems leicht über den Umfang ermittelt werden, sodass dieser Abstand bekannt ist. Diese Anordnung kann damit vorteilhaft die notwendige Flexibilität während der Montage ^¬ phase der Leiterplatte gewährleisten und weiterhin vorteil ^¬ haft die räumlich feste radiale Anordnung der Feldsensoren zueinander und zu den zu messenden Stromleitern während der Mess-Phase gewährleisten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Länge der Leiterplatte derart wählbar, dass das Mehrleitersystem kreissegmentartig wenigs ^¬ tens 180° um das Mehrleitersystem herum angeordnet ist. Vorteilhafterweise kann die Leiterplatte unterschiedliche Mehr ^¬ leitersysteme mit unterschiedlichen Umfangslängen und Um- fangsformen herum angeordnet werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Signalauswertevorrichtung auf der Leiterplatte angeordnet. Vorteilhaft ist zum Messen der

Stromstärke in einem Stromleiter dann lediglich das Anbringen der gesamten Vorrichtung nötig und das zusätzliche Anbringen von Signalauswertevorrichtungen kann vorteilhaft vermieden werden .

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Stromstärke ei- nes Stromleiters in einem Mehrleitersystem mittels des Aus ^¬ wertens wenigstens zweier elektrischer Signale aus wenigstens zwei Feldsensoren in einer Signalauswertevorrichtung bestimmt. Aus einem ersten Signal wird eine erste magnetische Feldstärke ermittelt und aus einem zweiten Signal wird eine zweite magnetische Feldstärke ermittelt. Weiterhin ist ein erster Abstand zwischen dem ersten Feldsensor und dem Stromleiter bekannt oder es ist ein zweiter Abstand zwischen dem zweiten Feldsensor und dem Stromleiter bekannt. Unter Verwendung des Gesetzes von Biot-Savart wird dann aus der Differenz der ersten und zweiten magnetischen Feldstärke und aus dem ersten oder dem zweiten Abstand die Stromstärke des Stromlei ^¬ ters ermittelt. Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: Figur 1 einen Querschnitt einer Messvorrichtung mit Mehrleitersystem;

Figur 2 eine Draufsicht einer Messvorrichtung mit Mehrleitersystem;

Figur 3 ein Mehrleitersystem mit einem zu seiner Flächennormalen parallel zur Achse des Mehrleitersystems laufendem Feldsensorband . Figur 1 zeigt eine Messvorrichtung 1 und ein Mehrleiterkabel 14 im Querschnitt. Das Mehrleiterkabel 14 umfasst drei Strom ^¬ leiter 7. Diese Stromleiter 7 sind in diesem Ausführungsbeispiel symmetrisch um eine gedachte Mitte des Mehrleiterkabels 14 angeordnet. Es ist aber ebenso denkbar, dass die Stromlei- ter 7 nicht symmetrisch in dem Mehrleiterkabel 14 angeordnet sind .

Um das Mehrleiterkabel 14 ist die Messvorrichtung 1 zum Mes ^¬ sen der Stromstärke in wenigstens einem Stromleiter 7 ange- ordnet. Die Messvorrichtung 1 umfasst eine flexible Leiter ^¬ platte 2. Es ist auch möglich (nicht in Figur gezeigt), dass auf der flexiblen Leiterplatte 2, zwei Bänder auf jeweils dem ersten und zweiten Radius angeordnet sind, welche die Feld ^¬ sensoren umfassen. Auf der flexiblen Leiterplatte 2 in diesem Beispiel sind ein erster Feldsensor 3 in einem ersten Radius Rl und ein zweiter Feldsensor 4 in einem zweiten Radius R2 um die Mitte des Mehrleitersystems 14 herum angeordnet. Der ers ^¬ te Radius Rl beschreibt dabei einen größeren Radius um die Mitte des Mehrleitersystems herum als der zweite Radius R2.

Auf jedem dieser beiden Radien Rl, R2 um die Mitte des Mehrleiterkabels 14 befinden sich wenigstens so viele Feldsenso ^¬ ren 3, 4 wie Stromleiter 7 in dem Mehrleitersystem 14 vorhan- den sind. Von der Mitte des Mehrleiterkabels 14 aus gesehen sind der erste und der zweite Feldsensor 3, 4 auf einer Linie 10 fluchtend angeordnet. Das bedeutet auch, dass die empfind ^¬ liche Richtung 11 der beiden Feldsensoren 3, 4 parallel zuei- nander angeordnet ist. Ein Sensorpaar 16 zeigt Figur 1. Die empfindliche Richtung 11 der ersten Feldsensoren 3 und der zweiten Feldsensoren 4 ist parallel zum Umfang der flexiblen Leiterplatte 2 angeordnet. Die flexible Leiterplatte 2 ist bezüglich ihrer Flächennormalen 17 parallel zur axialen Rich- tung des Mehrleitersystems 2 angeordnet. Der erste Radius Rl und der zweite Radius R2 hängen von den Anforderungen an die Isolation, die Geometrie der Leiteranordnung, der Stromstärke und der Art der verwendeten Feldsensoren ab. Der erste Radius Rl der ersten Feldsensoren 3 beträgt in diesem Beispiel

Rl=70mm und der zweite Radius R2= 54mm. Dadurch, dass die empfindliche Richtung 11 der Feldsensoren parallel angeordnet ist, ist die magnetempfindliche Richtung der Feldsensoren 3, 4 unter dem gleichen Winkel a _s zu dem zu messenden Stromleiter 7 angeordnet. Einer der beiden paarweise einander zu- geordneten Feldsensoren 3,4 befindet sich dabei auf dem äußeren Radius Rl mit einem ersten Abstand 5 zum dem Stromleiter 7 und der andere auf einem inneren Radius R2 mit einem zwei ^¬ ten Abstand 6 zu dem Stromleiter 7 des Mehrleitersystems 14. Basierend auf der Felddifferenz zwischen dem inneren und dem äußeren Feldsensor, also dem ersten Feldsensor 3 und dem zweiten Feldsensor 4, des Sensorpaares, und dem ersten Abstand 5 oder dem zweiten Abstand 6 kann der Stromfluss in dem Stromleiter 7 ermittelt werden. In diesem Beispiel sind den drei zu messenden Stromleitern 7 jeweils sechs Feldsensoren auf dem ersten Radius Rl und sechs Feldsensoren auf dem zweiten Radius R2 angeordnet. Die beiden Feldsensoren 3,4 sind in diesem Beispiel Fluxgate-Sensoren . Es ist alternativ möglich, Hallsensoren einzusetzen.

Zum Auswerten der Signale der Feldsensoren 3,4 ist eine Signalauswertevorrichtung 8 elektrisch mit der flexiblen Leiterplatte 2 verbunden. Die Signalauswertevorrichtung 8 ist ge- eignet, aus wenigstens zwei Signalen von wenigstens zwei Feldsensoren 3, 4 mit zwei unterschiedlichen Radien Rl, R2, insbesondere aus einem Feldsensorpaar 16, eine Stromstärke in einem einzelnen Leiter 7 eines Mehrleitersystems 14 zu ermit- teln. Durch die Verwendung von zwei konzentrisch ringförmig um den Stromleiter 7 angeordneten Feldsensoren 3,4 und der parallele Ausrichtung bezüglich der empfindlichen Richtung 11, kann unter Verwendung magnetischer Felddifferenzen der störende Einfluss von Fremdfeldern auf das Ergebnis deutlich verringert werden.

Die flexible Leiterplatte 2 ist kürzer als der Umfang des Mehrleiterkabels 14, sodass eine erste Öffnung 15 zum Mehr ^¬ leiterkabel 14 hin frei bleibt.

Zum Ermitteln der Stromstärke in dem Stromleiter 7, muss wenigstens der erste 5 oder der zweite Abstand 6 bekannt sein. In diesem Beispiel ist die Geometrie des Mehrleiterkabels 14 bekannt, sodass die Abstände des Stromleiters 7 zu den beiden Feldsensoren 3,4 bekannt sind. Im Falle, dass die Geometrie des Mehrleiterkabels 14 unbekannt ist, können Skalierungsfak ^¬ toren ermittelt werden. Zum Ermitteln eines Skalierungsfaktors wird eine definierte Stromstärke durch den Stromleiter 7 geschickt, und anschließend wird mittels des ersten und zwei- ten Feldsensors 3,4 das Magnetfeld gemessen. Daraus lassen sich Skalierungsfaktoren berechnen, welche wiederum beim Durchströmen einer unbekannten Stromstärke durch den Stromleiter 7 herangezogen werden können. Figur 2 zeigt eine Draufsicht des Mehrleiterkabels 14 und der Messvorrichtung 1. In dieser Ansicht ist gut zu sehen, dass die flexible Leiterplatte 2 mit ihrer Flächennormalen 17 pa ^¬ rallel zum stromführenden Stromleiter 7 im Mehrleiterkabel 14 angeordnet ist. Weiterhin ist die Öffnung 15 zu sehen, da die flexible Leiterplatte 2 kürzer ist als der Umfang des Mehr ^¬ leiterkabels 14. Weiterhin ist die Signalauswertevorrichtung 8 auf der flexiblen Leiterplatte 2 angeordnet. Das Ermitteln der Stromstärke erfolgt basierend auf dem Gesetz von Biot-Savart:

Gleichung 1

Das Gesetz von Bio-Savart sagt aus, das ein Stromleiter der infinitesimalen Länge dl am Ort r', der von einem Strom I durchflössen wird an einem Ort r die magnetische Feldstärke dH aufweist.

Nach Gleichung 2 bis 7 können dann eine Anzahl M Ströme aus einer Anzahl von N Sensorsignalen mittels der Methode der kleinsten Quadrate ermittelt werden. Dabei ist Η _μ1 die magnetische Feldstärke, die vom ersten Feldsensor 3, in den For- mein μΐ, an der Stelle (χ _μ ιΥ _μ1 ) gemessen wird. Η _μ2 ist die magnetische Feldstärke, die vom zweiten Feldsensor 4, in den Formeln mit μ2 bezeichnet, an der Stelle ( ^χ _μ 2Υ _μ 2) gemessen wird. I _# ist der Strom an der Stelle (x _# y _# ) , also in dem

Stromleiter 7.

Η _μ = Η _μ · Gleichung 2

Η _μ ι = Σ _# =ι ³ μΐθ · Gleichung 3-1

^Η μ2 = Σ _# =ι ³ μ2θ ' Gleichung 3-2

Η = Α ₁ ·Ϊ Gleichung 4-1 Η ₂ =Α ₂ ·Ι Gleichung 4-2

Gleichung 5-1

A ₂ = Gleichung 5-2 Gle ⁱ chung 6-1 . ,

Gle ⁱ chung 6-2

Gleichung 7

Der Winkel _3μ ι ist der Winkel zischen der magnetischen Feld empfindlichen Richtung des Sensors μΐ und der x-Achse des Ko- ordinatensystems 9 in Figur 1. Der Winkel _3μ 2 ist der Winkel zischen der magnetischen Feld empfindlichen Richtung des Sensors μ2 und der X-Achse Das Koordinatensystem 9 bezieht sich auf Gleichungen 2 bis 7. Figur 3 zeigt ein Mehrleitersystem 14 mit einer Messvorrichtung 1, wobei die ersten Feldsensoren 3 auf einem ersten Band 12 und die zweiten Feldsensoren 4 auf einem zweiten Band 13 mit ihrer Flächennormalen 17 parallel zur axialen Richtung des Mehrleitersystems 14 angeordnet sind. Das erste Band 12 und das zweite Band 13 sind fest miteinander verbunden, so dass die räumlich feste radiale Anordnung der Feldsensoren 3, 4 um den Stromleiter 7 während der Betriebs- bzw. Messphase gewährleistet werden kann. Das flexible Bandsystem, umfassend das erste und zweite Band 12, 13 hat vorteilhaft wenigstens die eine Öffnung 15, damit die mechanische Flexibilität wäh ^¬ rend der Montage der Messvorrichtung 1 gewährleistet werden kann .

Sowohl das Montieren des ersten und zweiten Bands 12, 13 als auch das Montieren der einen flexiblen Leiterplatte 2 ermöglicht ein einfaches Nachrüsten an bestehenden Anlagen mit der Messvorrichtung 1 ohne größere Modifikationen oder es ermöglicht temporäre Messungen, insbesondere bei der Inbetriebnah ^¬ me einer Anlage.