US6346805B1描述了一种宽范围的电流测量的装置，在其中将在带有磁芯 的低功率测量变压器中产生的第一信号和在类似Rogowski线圈的非磁测量变压 器中产生的第二信号进行比较。然后根据精确度，通过对来自两个测量变压器 的信号进行比较和将该信号间的偏差估算作为选择信号的标准，选择该两个信 号之一，进而对选择的信号进一步处理。低功率测量变压器被使用在实际计量 范围和大部分的保护范围中，而Rogowski线圈仅仅被使用在检测高、固定或转 移电流的保护范围中。齐纳二极管(Zener diode)被用作保护元件以限制在 Rogowski线圈中生成的电压和保障电磁兼容。US6346805B1中的装置需要两个 测量变压器用于保护和计量范围。因为依据所要求精度所选择的信号中的各个 信号必需被估计，因此需要快速信号处理系统。该装置仅仅能够被使用在依赖 于低功率测量变压器性能的预定计量范围和依赖于Rogowski线圈的性能和A/D 转换器上限的预定保护范围。其目的不在于将该装置使用在其它计量和/或保护 电流范围。

本发明的目的是提供一种使用电流传感器检测保护电流范围中的电流的装 置，该电流传感器还可被使用在计量电流范围内并且这些电流范围是可调整的， 以及提供一种操作这种装置的方法。
通过依据独立权利要求的装置和方法实现这个目的。
一种依据本发明的用于检测保护电流范围中的电流的装置，保护电流范围 具有保护电流上限，该装置包括产生电压信号的电流传感器。同一电流传感器 还被使用在具有计量电流上限的计量电流范围中。该装置进一步包括限压电子 元件，其具有电子元件保护电压上限和电子元件计量电压上限，该电子元件计 量电压极限小于该电子元件保护电压上限。该电子元件适于以具有保护电压上 限的保护电压范围内的测量精度来测量保护电压信号，保护电压信号根据过电 流而产生。该电子元件进一步适于在具有计量电压上限的计量电压范围内测量 计量电压信号，该计量电压信号根据计量电流而产生，该计量电压极限小于保 护电压极限。
对于保护电压范围中的电压信号，该信号超过电子元件保护电压上限，无 源模拟衰减元件被电连接至电流传感器，衰减元件以衰减因子衰减保护和计量 电压信号，所述衰减因子大于一且除以衰减因子的保护电压信号小于或等于电 子元件保护电压上限，和/或对于计量电压范围中的电压信号，该信号超过电子 元件计量电压上限，无源模拟衰减元件被电连接至电流传感器，衰减元件以衰 减因子衰减保护和计量电压信号，所述衰减因子大于一且除以衰减因子的计量 电压信号小于或等于电子元件计量电压上限。这种装置被用于不同计量和/或保 护电流范围，在该装置中无需使用其他传感器或部件以调整这些传感器对处理 设备的灵敏度。仅仅需要一个电流传感器用于计量电流范围和保护电流范围， 从而避免了不同传感器的使用且不需要进行计算来确定处理来自哪个电流传感 器的信号。因此该装置的可靠性增加。此外，可以调整所述信号以符合电子元 件的计量和/或保护电压范围，从而可以在宽范围内测量电流。
在优选实施例中，电流传感器被以充气磁性电压传感器的方式构造，其通 过适于通过将一次电流变化转变为电压信号而检测电流，其尤其为Rogowski线 圈，具有大线性动态范围。在另一优选实施例中，电流传感器为光电流传感器， 其具有大线性动态范围且将一次电流转换为电压信号。这种光电流传感器在DE 4 224 190 A1和EP 1 154 278 A2中描述。在另一实施例中，衰减元件是包括至 少两个欧姆电阻器的结构。在这种结构中，电阻器可以被串联设置。该至少两 个欧姆电阻器廉价，且容易依据理想衰减因子提供衰减元件。
在另一优选实施例中，电子元件包括模拟/数字转换器和积分器和/或同一电 子元件被用于测量保护及计量电压信号。
在另一优选实施例中，在保护电压上限超过电子元件保护电压上限的情况 中，无源模拟衰减元件被电连接至电流传感器。除以衰减因子的保护电压极限 小于或等于电子元件保护电压上限。在这种情况下，该装置在实施测量之前被 预先调整以便检测最大保护电流。这种装置可用于多种测量任务，因为保护电 流范围可容易地在该装置中被设置，而无需改变传感器或A/D转换器。
在另一优选实施例中，在计量电压上限超过电子元件计量电压上限的情况 中，无源模拟衰减元件被电连接至电流传感器。除以衰减因子的计量电压极限 小于或等于电子元件计量电压上限。在这种情况下，该装置在实施测量之前被 预先调整以便检测最大计量电流。这种装置可使用于多种测量任务，因为计量 电流范围可容易地在该装置中被设置，而无需改变传感器或A/D转换器。
在另一优选实施例中，衰减元件的衰减因子为大于一的2的幂指数，即2n， n为自然数。这种衰减因子是有益的，因为A/D转换器中的数字化导致二进制 数之后，通过改变相应二进制数字，实际信号值可以被容易且快速地重建。
在另一优选实施例中，该装置包括电连接元件，尤其是集成模拟开关，通 过该连接元件，衰减元件可被电连接至电流传感器。使用这种开关，保护和/或 计量电流范围可以容易且快速地被调整。
在另一实施例中，该连接元件被手动电连接。若保护电流和/或计量电流的 上限被给定且该装置被预先调整，则这是有利的。
在另一实施例中，该连接元件通过控制信号的操纵被电连接。若保护电流 和/或计量电流的上限是未知的或者在测量期间发生变化，则这是有利的，从而 电压信号的衰减在测量期间被调节。
在另一优选实施例中，该装置包括增益元件，尤其是集成可切换电阻器网 络和放大器，通过该增益元件，电压信号可以以至少一个增益因子放大，该至 少一个增益因子大于一且乘以该增益因子的保护电压信号小于或等于电子元件 保护电压上限，和/或乘以该增益因子的计量电压信号小于或等于电子元件计量 电压上限。通过这种放大，电压信号可最佳地适应于电子元件的保护和/或计量 电压范围，从而信号的分辨率被增加。
在另一优选实施例中，乘以增益因子的保护电压上限小于或等于电子元件 保护电压上限，和/或乘以该增益因子的计量电压上限小于或等于电子元件计量 电压上限。若保护电流和/或计量电流的上限被给定，则为了最佳地使用电子元 件保护和/或计量电压范围及增加保护和/或计量电压分辨率，这是有利的。
在另一优选实施例中，衰减因子为2的幂指数，即2n，n为自然数，并且 所述至少一个增益因子为大于一的2的幂指数，最大增益因子小于或等于2n-1。 作为2的幂指数的衰减因子和增益因子的这种组合是有益的，因为在A/D转换 器中的数字化产生二进制数之后，实际信号值可以通过改变用于衰减和放大的 相应二进制数字而被容易且快速地重建。
在另一优选实施例中，该装置包括相位校正装置，其形式尤其是至少一个 电容器，用于校正由于衰减元件而导致的电压信号的相移。如果该装置包括至 少一个增益元件，则相位校正装置还可以被用于校正由于该至少一个增益元件 所导致的相移。
在另一优选实施例中，该装置包括过电压保护元件，尤其是气体过压保护 器，以保护该装置抵抗过电压。
在一种依据本发明的用于操作检测具有依据该装置设计的保护电流上限的 保护电流范围和具有计量电流上限的计量电流范围中电流的装置的方法中，下 面步骤被实施：
—电流通过充气磁性电压传感器被检测且被转换为电压信号，
—使用限压电子元件测量该电压信号。
在电流传感器中保护电流上限产生保护电压上限，以及在电流传感器中计 量电流上限产生计量电压上限。在电流被被检测之前，下面步骤被实施：
—确定保护电压上限除以电子元件保护电压上限的第一比值，和/或
—确定计量电压上限除以电子元件计量电压上限的第二比值，
—和，在第一和/或第二比值超过一的情形中，电流传感器被电连接至衰减 元件，衰减元件具有衰减因子，该衰减因子大于或等于所述第一和/或第二比值，
—以及在该情况下，保护和计量电压信号被除以衰减因子。
这种方法是有益的，因为保护和计量电流可以使用相同电流传感器被检测 到，不需要使用不同传感器和实施计算来判断所处理的信号来自于哪个电流传 感器。这样，使该方法的可靠性增加，且可以避免由于对来自不同传感器的信 号进行比较而导致的计算处理。取决于测量任务，衰减因子的倒数值可选择为 大于或等于第一和第二比值之一或第一和第二比值两者。
在另一优选实施例中，在电流传感器保持与衰减元件断开的情形中，如果 未衰减的保护电压信号小于或等于除以大于1的增益因子的电子元件保护电压 上限，未衰减的保护和计量电压信号被乘以大于1的增益因子。通过这种放大， 保护电压信号可最佳地适应于电子元件的保护电压范围，使信号的分辨率增加。
在衰减元件电连接至电流传感器情形下，如果衰减的保护电压信号小于或 等于除以所述增益因子的电子元件保护电压上限，则衰减的保护和计量电压信 号乘以大于一的增益因子。通过这种放大，保护电压信号可最理想地适应于电 子元件的保护电压范围，使信号的分辨率增加。
在另一优选实施例中，在电流传感器保持与衰减元件断开的情形中，如果 未衰减的计量电压信号小于或等于除以增益因子的电子元件计量电压上限，则 未衰减的保护和计量电压信号乘以大于1的增益因子。通过这种放大，计量电 压信号可最理想地适应于电子元件的计量电压范围，使信号的分辨率增加。
在衰减元件电连接至电流传感器情形下，如果衰减的计量电压信号小于或 等于除以所述增益因子的电子元件计量电压上限，则衰减的保护和计量电压信 号乘以大于一的增益因子。通过这种放大，计量电压信号可最理想地适于电子 元件的计量电压范围，使信号的分辨率增加。
根据从属权利要求，依据本发明的另外优点将是显而易见的。
附图说明
在下面参考附图的文本中将更详细地解释本发明的主题，附图中：
图1显示依据本发明的装置的第一实施例；以及
图2显示依据本发明的装置的另一实施例。
在图中所使用的附图标记及其含义被概述在附图标记列表中。通常，类似 或类似功能部件被给予同一附图标记。所述实施例被表示为示例，而不应当限 制该发明。

图1显示依据本发明的用于检测电流的装置。该装置包括电流传感器1，该 电流传感器1以充气磁性电压传感器的方式被构造，尤其为Rogowski线圈，其 通过导体2被电连接至单端运算放大器。在Rogowski线圈和运算放大器6之间 有包括至少两个电阻器元件31、32的无源模拟衰减元件3，该元件31为串联电 阻器，以及元件32可经由电连接元件5(尤其为集成模拟开关)电连接。运算 放大器6的输出被电连接至增益元件8，其尤其是集成可切换电阻器网络 (switchable resistor network)和放大器，该增益元件8又被连接至限压电子元件 7。该电元件7包括模拟/数字转换器(A/D转换器)和电子积分器。
在图1中所示的装置中，一次电流的变化在Rogowski线圈中被转换为电压 信号。该一次电流可以是具有计量电流上限的计量范围中的计量电流或具有保 护电流上限的保护电流范围中的保护电流，该计量电流上限小于保护电流上限。 计量电流范围中的电流被转换为计量电压范围中的二次电压信号，计量电流上 限被转换为计量电压上限。保护电流范围中的电流被转换为具有在保护电压范 围内的测量精度的二次电压信号，保护电流上限被转换为保护电压上限。限压 电子元件7具有电子元件保护电压范围和电子元件计量电压范围，电子元件保 护电压范围具有电子元件保护电压上限，电子元件计量电压范围具有电子元件 计量电压上限，电子元件计量电压极限小于电子元件保护电压上限。
在本发明的第一实施例中，对于处于保护电压范围中的电压信号(该信号 超过了电子元件保护电压上限)，衰减元件3被电连接至Rogowski线圈。衰减 元件3以衰减因子衰减随后的保护及计量电压信号。衰减因子以下面方式被选 择：其大于一并且除以该衰减因子的保护电压信号小于或等于电子元件保护电 压上限。
在本发明的另一实施例中，对于处于计量电压范围中的电压信号(该信号 超过了电子元件计量电压上限)，衰减元件3被电连接至Rogowski线圈。衰减 元件3以衰减因子衰减随后的二次保护及计量电压信号。衰减因子以下面方式 被选择：其大于一并且除以该衰减因子的计量电压信号小于或等于电子元件计 量电压上限。
在本发明的又一实施例中，以衰减因子衰减所述电压信号，使得除以该衰 减因子的计量电压信号及保护电压信号分别小于或等于电子元件计量电压上限 或电子元件保护电压上限。
在本发明的又一实施例中，在保护电压上限超过电子元件保护电压上限的 情况中，衰减元件3被手动电连接至Rogowski线圈，并且除以衰减因子的保护 电压极限小于或等于电子元件保护电压上限。
在本发明的又一实施例中，在计量电压上限超过电子元件计量电压上限的 情况中，衰减元件3被手动电连接至Rogowski线圈，并且除以衰减因子的计量 电压极限小于或等于电子元件计量电压上限。
在又一实施例中，在保护电压上限超过电子元件保护电压上限且计量电压 上限超过电子元件计量电压上限的情况中，衰减元件3被手动电连接至 Rogowski线圈。除以衰减因子的保护电压极限小于或等于电子元件保护电压上 限，并且除以衰减因子的计量电压极限小于或等于电子元件计量电压上限。
确定保护电压上限是否超过电子元件保护电压上限和/或计量电压上限是否 超过电子元件计量电压上限的方法包括下面步骤：
—确定保护电压上限除以电子元件保护电压上限的第一比值，和/或
—确定计量电压上限除以电子元件计量电压上限的第二比值，
—以及在第一和/或第二比值超过一的情况中，充气磁性电压传感器通过电 连接元件5电连接至衰减元件3，衰减元件3具有大于或等于所述第一和/或第 二比值的衰减因子，其超过一，
—以及在该情况下，保护和计量电压信号以该衰减因子衰减。
在又一实施例中，连接元件由控制信号所操控，控制信号依据该装置的设 计或依据来自于前面电压信号的信息而产生。如图2中所示，这个信息作为来 自处理单元14的控制信号被发送，所述处理单元14被电连接至A/D转换器的 输出，如图2中虚线所示经由导体15回连至衰减元件3。控制信号可以考虑电 压信号的过程，以便在电压信号上升分别超过计量电压上限或保护电压上限之 前及时将衰减元件3电连接至Rogowski线圈。
如果信号以一衰减因子被衰减，则关于衰减因子的信息可以从衰减元件3 发送至处理单元14，以使数字信号与衰减因子相乘。
在如图1中所示的本发明装置的另一实施例中，该装置包括增益元件8，尤 其是集成可切换电阻器网络和放大器，通过此增益元件8，可以以至少一个增益 因子放大电压信号。该至少一个增益因子大于一且该增益因子依据下面的特征 之一或其组合被选择：
—乘以该增益因子后的保护电压信号小于或等于电子元件保护电压上限， 或者
—乘以该增益因子后的计量电压信号小于或等于电子元件计量电压上限。
在另一实施例中，增益因子依据下面的特征之一或其组合被选择：
—乘以该增益因子后的保护电压上限小于或等于电子元件保护电压上限， 或者
—乘以该增益因子后的计量电压上限小于或等于电子元件计量电压上限。
如果以增益因子放大所述信号，则关于所述增益因子的信息可从增益元件8 发送至处理单元14，以将数字信号乘以增益因子的倒数值。
在另一实施例中，衰减因子为大于一的2的幂指数，即2n，以及所述至少 一个增益因子为大于一的2的幂指数，最大增益因子小于或等于2n-1，n为自然 数。电子元件可以包括用于校正衰减因子和/或所述至少一个增益因子与这些2 的幂指数的差的装置。
在下面表中，列举了衰减因子和增益因子为2的幂指数的示例。用于确定 衰减因子和最大可能增益因子的Rogowski线圈将50Hz 80A的电流转换为 150mV的电压信号，没有对该电压信号进行任何衰减或放大。该表中的数值被 确定用于具有7.5V的电子元件保护电压上限的电子元件。对于计量范围，数值 被表述分别用于额定电流或电压，额定值为相应计量电流或电压上限的75％。 75％是示例值，其它数值也是可能的。电子元件具有额定电压为150mV的电子 元件计量电压范围，电子元件计量电压上限为200mV。衰减和增益因子根据保 护电流上限和计量电流上限确定。衰减元件3具有24＝16的衰减因子，因此最 大增益因子为23＝8。
  装置编号   I   II   III   IV   V   VI   VII   VIII   额定计量电流(A)   10   20   40   80   160   320   640   1280   计量电流上限(A)   13   27   53   107   213   427   853   1707   保护电流上限(A)   500   1000   2000   4000   8000   16000   32000   64000   额定计量电压(V)   0.019   0.038   0.075   0.150   0.300   0.600   1.200   2.400   计量电压上限(V)   0.025   0.050   0.100   0.200   0.400   0.800   1.600   3.200   保护电压上限(V)   0.9   1.9   3.8   7.5   15.0   30.0   60.0   120.0   衰减因子   无   无   无   无   24   24   24   24   最大增益因子   23   22   2   无   23   22   2   无
装置I为额定计量电流达10A且保护电流上限为500A的装置，对于该装 置，没有衰减元件3连接至Rogowski线圈，并且最大增益因子为23＝8。
装置II为额定计量电流达20A且保护电流上限1000A的装置，对于该装置， 没有衰减元件3连接至Rogowski线圈，并且最大增益因子为22＝4。
装置III为额定计量电流达40A且保护电流上限2000A的装置，对于该装 置，没有衰减元件3连接至Rogowski线圈，并且最大增益因子为2。
装置IV为额定计量电流达80A且保护电流上限4000A的装置，对于该装 置，没有衰减元件3连接至Rogowski线圈，并且没有施加增益。
装置V用于达160A的额定计量电流及8000A的保护电流上限。电压信号 以衰减因子24＝16衰减，最大增益因子23＝8是可能的。
装置VI用于达320A的额定计量电流及16000A的保护电流上限。电压信 号以衰减因子24＝16衰减，以及最大增益因子22＝4是可能的。
装置VII用于达640A的额定计量电流。对于该装置，电压信号以衰减因子 24＝16衰减，最大增益因子为2。
对于额定计量电流达1280A且保护电流上限为64000A的装置VIII，电压 信号以衰减因子24＝16衰减，并且没有增益。
如图2中所示，控制信号可从处理单元14经由虚线所示的导体15发送回 到增益元件8。控制信号可以考虑电压信号的进程，以在电压信号上升分别超过 计量电压上限或保护电压上限或者下降到电压下限以下之前及时调整增益元件 8，为此可以应用较高增益因子。
电子元件可以包括用于校正衰减因子和/或所述至少一个增益因子与这些2 的幂指数的差的装置。
在图2中所示的另一实施例中，相位校正装置9电连接至Rogowski线圈。 在优选实施例中，相位校正装置9包括至少一个电容器。该相位校正装置9校 正由于衰减元件3所导致的相移。如果该装置包括增益元件8，则还可以提供校 正增益元件8中的相移的相位校正装置9。
在图2中所示的另一实施例中，该装置包括保证电磁兼容(EMC保护)的 过电压保护元件11，由此将电压信号限制为最大数值。在优选实施例中，过电 压保护元件11为气体过压保护器(gas arrester)。
该装置可进一步包括低频滤波器10(EMC滤波器)，其具有电容和/或电感 电路。
代替图1中所示运算放大器6，在本发明的另一实施例中，电流传感器1 即Rogowski线圈或光学电流传感器通过导体2和2′被连接至差动放大器61，如 图3中所示。在通过导体2和2′被连接至Rogowski线圈的差动放大器61的情 形中，在Rogowski线圈和差动放大器61之间在每个导体2、2′上可以有衰减元 件3、3′。衰减元件3′包括至少两个电阻器元件31′和32′，元件31′为串联电阻 器及元件32′可经由电连接元件5′(尤其为集成模拟开关)电连接。可选择地， 在导体2之一上仅仅有一个衰减元件3。如果Rogowski线圈是单点接地的以及 如果放大器和Rogowski线圈的接地是不同的，差动放大器61是有益的。由于 接地的不同而导致的电压降可能导致信号失真。这种失真的影响可以通过使用 差动放大器61来避免。在另一实施例中，相位校正装置9被用于校正衰减元件 3和3′每一个导致的相移。
附图标记列表
1电流传感器
2、2′导体
3、3′衰减元件
31、31′串联电阻器
32、32′电阻器
5、5′电连接元件
6运算放大器
61差动放大器
7限压电子元件
8增益元件
9相位校正装置
10低频滤波器
11过电压保护元件
12EMC元件
14处理单元
15用于控制信号的导体