Einrichtung zur Messung der Stromstärke
Um die Stärke eines Stromes zu messen, ist es bekannt, stromdurchflossene magnetfeldabhängige Halbleiterelemente zu verwenden. Letztere werden dem durch den zu messenden Strom erzeugten magnetischen Feld ausgesetzt und die an ihnen auftretende Spannung, sei es die Hallspannung bei Verwendung von Hallgeneratoren oder der Spannungsabfall bei Verwendung magnetfeld abhängiger Widerstände, wird mit einem Messinstrument bestimmt.
Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art sind zwei magnetfeld abhängige Widerstände in einer Messbrücke mit Nullabgleich angeordnet, welche von einer Batterie gespeist ist. Den magnetfeldabhängigen Widerständen ist je eine Erregerspule zugeordnet, welche die Widerstände mit einem konstanten magnetischen Feld gleicher Stärke, jedoch entgegengesetzter Richtung vorerregen. Der Strom in der Brückendiagonale wird mit einem als Abgleich- und Anzeigeinstrument dienenden Galvanometer gemessen, das die Stärke des zu messenden magnetischen Feldes angibt. Nachteilig ist bei dieser bekannten Einrichtung, dass sie eine verhältnismässig grosse magnetische Vorerregung erfordert, wenn die Anzeige des Galvanometers der Feldstärke tatsächlich proportional sein soll.
Diese Proportionalität ist nämlich nur dann gegeben, wenn der Arbeitsbereich im linearen Teil der Widerstands-Induktionskennlinie der magnetfeld abhängigen Widerstände liegt. Die dadurch bedingte verhältnismässig hohe Induktion erfordert aber eine beträchtliche Anzahl Ampere Windungen der Erregerspulen, und es ergibt sich daher ein relativ grosser Aufwand.
Gegenstand der Erfindung ist nun eine Einrichtung zur Messung der Stromstärke, eines Geichstromes grosser Intensität, unter Verwendung von magnetfeldabhängigen Widerstandskörpern, z. B. von Halbleiterelementen grosser Trägerbeweglichkeit, bei welcher Einrichtung die oben geschilderten Nachteile vermieden worden sind und welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die gleich grossen Felder durch je einen Dauermagneten und die beiden anderen Felder durch den zu messenden Gleichstrom erzeugt sind, wobei die auf die Widerstandskörper wirkenden Felder bei dem einen gleichsinnig und bei dem anderen gegensinnig gerichtet sind, und ferner, dass die Brückenschaltung zwischen den beiden Widerstandskörpern und den beiden Widerständen gespeist und parallel zu den in Reihe liegenden Widerstandskörpern ein Anzeige- und Abgleichsinstrument angeschlossen ist.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Einrichtung zur Messung starker Gleichströme,
Fig. 2 ein Diagramm zu Fig. 1 und
Fig. 3 einen Erregerstromkreis.
In der Fig. 1 ist eine Einrichtung zur Messung der Stärke des in einem Gleichstromnetz 1, 2 fliessenden Gleichstromes verhältnismässig grosser Intensität dargestellt. Der Stromleiter 2 ist durch zwei Magnetkerne 3, 4 hindurchgesteckt, die in je einem Schenkel einen Dauermagneten 5 bzw. 6 von gleicher Stärke und mit der angegebenen Polarität aufweisen. In den Luftspalten der Magnetkerne 3, 4 ist je ein magnetfeld abhängiger Widerstandskörper 7 bzw.
8 untergebracht, der aus einem der bekannten Halbleiterwerkstoffe grosser Trägerbeweglichkeit, wie z. lndiumantimonid, hergestellt ist. Die Widerstandskörper 7, 8 befinden sich in einer Brückenschaltung, die durch die Widerstände 9, 10 ergänzt ist. Der Ohmwert der letzteren ist sehr hoch gegenüber dem höchstauftretenden Widerstandswert der Widerstandskörper 7, 8. Die Speisung der Brückenschaltung erfolgt an den Diagonalpunkten 11, 12 über einen Vorwiderstand 13 durch das Gleichstromnetz 1, 2. Die beiden anderen Diagonalpunkte 14, 15, welche den Ausgang der Messeinrichtung bilden, sind an eine Spule 16 eines Quotientenmessinstrumentes 17 angeschlossen. Die zweite Spule 18 desselben ist über einen Vorschaltwiderstand 19 ebenfalls mit dem Gleichstromnetz 1, 2 verbunden.
Der im Stromleiter 2 fliessende Strom erregt die Magnetkerne 3, 4, so dass auf die magnetfeldabhängigen Widerstände 7, 8 je zwei magnetische Felder einwirken, nämlich ein konstantes Feld Bo von den Dauermagneten 5, 6 herrührend und ein dem zu messenden Strom proportionales Feld Bl.
Die Felder Bo und Bl sind im Widerstandskörper 7 gleich-, hingegen im Widerstandskörper 8 entgegengesetzt gerichtet, wie in der Zeichnung durch die Pfeile angedeutet worden ist. Die dargestellte Einrichtung nutzt den quadratischen Zusammenhang aus, der bei relativ kleiner Induktion zwischen letzterer und dem Widerstandswert eines magnetfeldabhängigen Widerstandskörper besteht. Für den Widerstandskörper 7 ist die Kennlinie Kl im Diagramm der Fig. 2 dargestellt.
Für die Induktion Bo des konstanten Magnetfeldes ergibt sich der Arbeitspunkt Al. Da voraussetzungsgemäss die Kennlinien der beiden Widerstandskörper 7 und 8 einander möglichst gleich sein sollen und letztere so geschaltet sind, dass sie einander entgegenwirken, ist in der Fig. 2 die Kennlinie K2 für den Widerstandskörper 8 gleich der Kennlinie Kl, aber mit negabiven Ordinaten und um die Arbeitspunktordinate für die Induktion Bo umgeklappt einzutragen. Wie aus dem Diagramm der Fig. 2 ersichtlich ist, erhält man als Kennlinie des Messbrückenkreises die durch Addition der Ordinaten der beiden Kennlinien K1, K2 sich ergebende Kennlinie K3, die einen linearen Verlauf aufweist.
Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, dass auf den Widerstandskörper 7 eine Induktion Bo + Bi und auf den Widerstandskörper 8 eine Induktion Bo-Bl wirksam ist. Für die Kennlinie Kl, die im betrachteten Bereich einen quadratischen Verlauf aufweist, gilt R7 = Ro + m (Bo + Bl) 2 und für die Kennlinie K2 entsprechend
R8 = Ro + m(B, 2 wobei R gleich dem Widerstandswert der Wider- standskörper 7 bzw. 8 bei der Induktion Null ist, welcher Wert für beide Widerstandskörper als gleich gross angenommen wurde, und m eine ebenfalls für beide Widerstandskörper gleich gross angenommene Konstante bedeutet.
Man erhält nun, wie oben angedeutet, die Gleichung für die Kennlienie K3, indem man die beiden angeführten Gleichungen voneinander subtrahiert.
R7-R8 = 4mBOBl, das heisst die Kennlinie K3 weist tatsächlich einen geradlinigen Verlauf auf.
Wie aus dem Diagramm der Fig. 2 ersichtlich ist, ergibt die beschriebene Schaltungsanordnung eine Erhöhung der Empfindlichkeit dadurch, dass eine Änderung der Induktion Bl eine grössere Widerstandsänderung hervorruft als diejenige, welche an den Widerstandskörpern 7, 8 einzeln auftritt.
Da die Ohmwerte der Widerstände 9, 10 gegenüber denjenigen der Widerstandskörper 7, 8 sehr gross sind, haben Widerstandsänderungen der letzteren keinen Einfluss auf die Stärke des sie durchfliessenden Stromes. Dieser Strom kann daher als konstant angenommen werden, so dass sich für die Ausgangsspannung 7 -R8) = 4n1BOBll ergibt.
Hieraus ist ersichtlich, dass die Ausgangsspannung dem magnetischen Feld Bt, und damit dem zu messenden Gleichstrom, direkt proportional ist und mit dem Instrument 17 gemessen werden kann. Anstelle des Gleichstromnetzes 1, 2 kann für die Speisung der Messbrücke auch eine Wechselstromquelle oder eine Batterie verwendet werden. Als Messinstrument ist in diesen Fällen ein entsprechendes Anzeigeinstrument vorzusehen.
Falls das vom zu messenden Strom erzeugte Feld Bl genügend stark ist, erübrigen sich die Magnetkerne 3, 4. Die Widerstandskörper 7, 8 werden dann je zwischen zwei Dauermagneten angeordnet.
Um etwaige Ungleichheiten zwischen den Widerstandskörpern 7, 8 ausgleichen zu können, ist die Brückenschaltung gemäss der Fig. 3 mit zwei Potentiometern 20, 21 versehen. Das Potentiometer 20 ersetzt die Widerstände 9 und 10. Die Widerstandswerte der Potentiometer sind in der Grössenordnung derjenigen der Widerstände bzw. der Widerstandsköper 7, 8. Der Brückenstrom bleibt in diesem Fall unbeeinflusst von Änderungen der Leitwerte der Widerstandskörper 7, 8. Beide Potentiometer 20, 21 sind aus temperaturempfiindlichem Widerstandsdraht gewickelt. Sie sind derart einzustellen, dass bei Einwirkung von gleich starken magnetischen Feldern, die Spannung am Messbrückenausgang 14, 15 über den ganzen Arbeitsbereich Null ist.
Die erfindungsgemässe Einrichtung hat den Vorteil, dass die bei bekannten Einrichtungen mit magnetfeld abhängigen Widerständen auftretenden störenden Nebeneffekte nicht in Erscheinung treten, so dass eine grössere Messgenauigkeit erreicht wird. Ferner ist die Temperaturkompensation nur für die Kompensation der Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes der Widerstandskörper vorzusehen und kann somit hiefür optimal bemessen werden. Gegenüber den bekannten Messeinrichtungen ergibt sich der Vorteil, dass mit kleinen Induktionen gearbeitet wird. Die Magnetkerne fallen demzufolge viel kleiner aus.