本發明涉及一種用于確定通過電導體的電功率流和/或能量流的方法，其中在一個位置處實現同時確定兩個物理變量、即電流和電壓并且由此得出電功率和/或電能量。此外，本發明涉及一種用于確定電功率流和/或能量流的裝置。

背景技術：

1、精確確定電能量流和能耗對于不同的應用領域、例如工業自動化、建筑技術以及大范圍的配電網來說是重要的任務。尤其在逐步向可再生能源轉型以及能源生產的去中心化進程中，在未來能夠動態解析電能量流將具有決定性的意義。

2、為了確定電能量流，必須在同一位置上、即在同一線路區段上同時測量兩個物理變量、即電流和電壓。為了進行電流測量和電壓測量，提供不同的測量方法。迄今為止，優選地利用插入到現有的電源連接中的設備、例如電線或電力電纜來進行能量測量。

3、這是必要的，因為迄今為止被證實有效的電壓測量在大多數情況下借助接觸式方法來進行，例如利用模擬數字轉換器。為了在電路中進行直接測量，接觸式方法要求與測量對象建立物理接觸。因此，為此目的需要使用永久集成的測量裝置，或者替代地，待測量的電力線的絕緣必須被中斷，即必須被損壞。這種與引導電流的線路的必要的直接物理接觸尤其在現有的系統(“棕地(brownfield)”)中必須與載流線路直接物理接觸具有缺點，即這些設備為了進行測量或安裝而必須在臨時與電網分離并且在后續的操作中中必須嚴格遵守涉及電氣安全的安全要求。對于數據傳輸也必須實現電流隔離。

4、雖然無接觸式方法、例如霍爾傳感器或羅氏線圈也可用于測量電流，但是電流測量和電壓測量的組合用于確定電功率或能量，迄今為止始存在來接觸式電壓測量的挑戰。

5、從現有技術中、例如從de?10?2010?035?381?a1和de?10?2008?052?477a1中已知一種用于無接觸式電壓測量的方法：mems(微機電系統)電壓計的原理，也稱為微機械場研磨機，基于借助微機電系統測量電容的時間變化。電容隨時間的變化機械地利用電、靜電或熱執行器引起。為了測量電容的變化，通過電流電壓轉換器來檢測位移電流并且由此生成測量信號。通過使電壓包含恒定的部分并且在電壓的開關邊沿期間對電流電壓轉換器采樣，消除了待測量的電壓在測量結果上的影響。該情況能夠掩蓋對在待測量的電壓中的電壓變化的脈沖響應，該電壓變化也作用于測量電容器。利用電容測量原理的特性，即僅當在電容器上電荷移動時才能探測到信號，并且引起位移電流i(t)。為此適用方程i(t)＝dc/dt·u+du/dt·c，其中，c是電容器的電容并且u是電容器上施加的電壓。根據de?102010035?381a1和de?10?2008?052?477?a1能夠通過改變電容器板的面積、尤其通過將隔板插入到電容器間隙中，通過改變電容器板的距離或者通過改變位于板之間的介質的相對介電常數來改變電容器的電容或者測量對象、例如引導電流的導體和傳感器、即mems電壓計之間的電容。

技術實現思路

1、基于上述的現有技術，本發明的任務在于提供一種用于無接觸式地確定電功率流和/或能量流的方法和裝置。

2、該任務通過獨立權利要求1的特征以及通過獨立權利要求5的特征來實現。本發明的改進的設計方案是從屬權利要求的主題。

3、根據本發明的用于電功率和/或電能量的無接觸式確定的方法包括測量信號處理步驟，在該測量信號處理步驟中，從所測量的電流值和電壓值得出電功率和/或能量。在此首先將根據本發明的裝置與待測量的電導體以電流隔離的方式布置，借助第一傳感器通過確定從載流導體所發出的磁場在該電導體上進行電流測量，同時借助第二傳感器通過確定從載流導體發出的電場，在電導體上進行電壓測量，并且借助電路和/或在數字數據處理步驟使這兩個測量信號以模擬的方式互相補償。術語“以電流隔離的方式”應理解成雖然由于電流流動存在作為電場和磁場的潛在影響，但是存在電絕緣，使得沒有電流在待測量的導體和裝置之間流動。在此，該布置便利地借助于間隔件、例如經由機械的安裝裝置或經由在測量技術上確定的定位、尤其也在沒有與待測量的導體的結構連接的情況下實現。該情況的關鍵優勢是能夠在沒有結構干預的情況下翻新現有的系統、例如棕地系統。

4、優選地，在根據本發明的用于電功率和/或能量的無接觸式確定的方法中，借助mems電壓計進行電壓測量。

5、在該方法的特別有利的變型方案中，該裝置借助于間隔件以能預設的測量距離相對于待測量的電導體以電流隔離的方式被布置。由此尤其能夠允許100μm的最小距離和與待確定的電壓水平和另外的干擾的源的最大距離。為此設有間隔件，該間隔件尤其也能夠被實施為安裝裝置、電纜引導部、電纜夾或者特別有利地已經包括電流傳感器的部分、尤其磁場集中器。備選地，間隔件包括距離傳感器，由此能夠固定測量距離。

6、在該方法的另外的變型方案中包括在傳感器層面上的至少一個模擬測量信號預處理步驟，其中尤其借助于i/u轉換器、高通濾波器、低通濾波器和/或放大器產生模擬信號的輸出。

7、根據本發明的方法尤其有利，因為其能夠帶有高時間分辨率的電功率確定和/或能量確定。尤其以高于測量信號的頻率的至少一個數量級的采樣率進行測量。同時測量電流和電壓這兩個物理變量，意味著功率值或能量值也在板上上同時確定。

8、根據本發明的裝置包括無接觸式電流測量器件和無接觸式電壓測量器件，其中，無接觸式測量器件中的至少一個具有電磁場屏蔽件，該裝置具有測量信號處理器件，該測量信號處理器件被實施用于從所測量的電流值和電壓值得出電功率p＝u·i和/或能量e＝∫u·i?dt，并且其中，該裝置包括至少一個間隔件、尤其是安裝裝置，借助于該間隔件，能夠將該裝置以與待測量的電導體電流隔離的方式布置在該待測量的電導體上。所提出的解決方案組合兩種無接觸式測量方法。該裝置的主要優勢是，在待測量的電導體的同一測量點或測量區段上精確地在時間上高分辨率地并且同時確定兩個物理變量、即電流和電壓并且由此得出電功率或電能量。因此提出一種電組件，該電組件利用無接觸式方法解決電源隔離和安全要求的兩個問題。

9、無接觸式測量應理解為無接觸式、即無電位地測量電壓或電流的間接測量。帶電的測量對象產生電場。基于測量電容隨時間的變化，能夠被無接觸式地測量該電場。無接觸式電流測量利用通過運動的電荷感應的磁場作為物理測量變量。借助于計算機操作確定載流導體中的瞬時功率p＝u·i或者載流導體中的時間積分的能量流e＝e＝∫u·i?dt。由于電流隔離，在無接觸式測量中沒有電接觸并且沒有對電路的干預，這意味著絕緣保持不受損。間隔件也能夠非常簡單地翻新現有的系統、例如所謂的棕地系統，而不需要干預，并且因此也能夠簡單地進行數字化。

10、在本發明的特別優選的設計方案中，無接觸式電壓測量器件包括用于測量電場強度的傳感器。尤其是電壓測量器件被設計為mems電壓計。這尤其帶來的優點是，通過mems電壓計技術能夠覆蓋非常大的電壓測量范圍，從單個伏特直至數千伏特。

11、mems電壓計的原理基于兩個電極在外部電場中的周期性屏蔽。因此在電極的電容恒定并且到外部電位的距離恒定的情況下能夠計算電壓。bahrenyni等人所著的《微機械電場傳感器的分析與設計》，發表于《微機電系統雜志》，第17卷，第1期，2008年2月，第31-36頁，大致描述了電場計是上述應用領域中的用于電場的常見傳感器。功能原理基于接地開閉器，該開閉器重復地將傳感器電極組件從待測量的場屏蔽并且再將傳感器電極組件相對于該場暴露。根據高斯定律，我們通過外部電場的感應交替地使在開閉器后面的傳感器電極組件放電和充電(移動電流)。在當前的情況下為此提出一種微型化的裝置。

12、在本發明的另外的優選設計方案中，該裝置包括電流測量器件和電壓測量器件，該電流測量器件和電壓測量器件在被布置在共用電路載體上的兩個單獨的芯片封裝中。在本發明的備選的同樣有利的設計方案中，該裝置包括電流測量器件和電壓測量器件，該電流測量器件和電壓測量器件被布置在共用芯片封裝內的兩個單獨的傳感器芯片上。并且在本發明的另外的備選的同樣有利的設計方案中，該裝置包括電流測量器件和電壓測量器件，該電流測量器件和電壓測量器件布置在共用傳感器芯片上，尤其作為集成的電子裝置。在此，電路載體例如可理解成電路板或用于電子組件的備選的基礎。傳感器芯片尤其是能夠被理解為半導體襯底、所謂的裸片或晶片，其與芯片封裝不同地還未封裝、即是裸露的。然后芯片封裝相應地理解為被包覆的半導體芯片，其中，芯片殼體在此不僅能夠承擔保護功能而且能夠承擔安裝和間隔件功能。

13、在所有情況下，從一個板測量進行兩個測量，即電流和電壓測量。優選地，兩個測量器件相距幾厘米設置，該情況被理解為“相同位置”，“相同測量點”或“在相同線路區段上的測量”。通過這種方式能夠在相同位置處執行電流和電壓測量，尤其借助電磁場屏蔽手段確保了此處不存在能夠干擾測量的場影響。優選地，測量也在相同的板上進行評估。備選地，多個板或電路載體被堆疊。

14、在該裝置的有利的變型方案中，無接觸式電流測量器件包括霍爾元件。借助于霍爾傳感器能夠測量直流電流以及交變電流。霍爾元件是基于磁通密度的測量。即使用約0.5a的非常小的電流和簡單的硅基的霍爾傳感器的情況下，仍能夠實現10mv的可測量的霍爾電壓。通常霍爾元件包括由鐵制成的磁通量集中器，即所謂的imc。也能夠利用所謂的xmr傳感器進行測量，其中存在在電阻中由于磁通量的導致的變化。xmr傳感器是針對磁通量密度的傳感器，尤其是在磁通量的影響下直接改變其電阻的薄膜傳感器。xmr傳感器例如包括gmr傳感器、amr傳感器或cmr傳感器。

15、備選方案是用于無接觸式電流測量的羅氏線圈。然而羅氏線圈只能測量交變電壓。霍爾元件不存在該限制。

16、在該裝置的另外的有利的變型方案中，測量信號處理器件被實施用于以模擬和/或數字的方式使兩個測量信號、即電流和電壓互相補償。如果電流和電壓是已知的，那么功率p＝u·i的值和e＝∫u·i?dt的值是簡單的計算操作。數字評估具有的優點是，各個值隨后也是數字的形式。

17、在該裝置的另外的有利的變型方案中包括處于傳感器、尤其是兩個測量裝置中的一個測量裝置的層面上的信號預處理器件，例如i/u轉換器、高通濾波器、低通濾波器和/或放大器，該信號預處理器件將模擬信號輸出到測量信號處理器件上。

18、優選地，該裝置或測量信號處理器件包括在共用電路載體或共用電路載體堆上的另外的信號處理器件。尤其該裝置或測量信號處理器件被實施成借助共用電路載體在系統層面進行通信。例如該裝置具有用于數據輸出的接頭、插頭、數據接頭或其他接口，由此尤其實現了與數據處理裝置、例如向計算機的通信。計算機例如能夠被理解為個人計算機、服務器、手持計算機系統、掌上電腦設備、移動無線電設備、邊緣設備和其他能夠計算機輔助地處理數據的通信設備、處理器和其他用于數據處理的電子設備。

19、適宜地，該裝置或測量信號處理器件具有用于合并測量信號、尤其用于確定數字的功率值和/或能量值的總線系統。備選地，測量信號處理器件具有用于模擬評估的評估電子器。