CH651671A5 - Anordnung zur messung elektrischer leistung oder energie. - Google Patents

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CH651671A5 CH9569/80A CH956980A CH651671A5 CH 651671 A5 CH651671 A5 CH 651671A5 CH 9569/80 A CH9569/80 A CH 9569/80A CH 956980 A CH956980 A CH 956980A CH 651671 A5 CH651671 A5 CH 651671A5
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Description

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PATENTANSPRÜCHE
1. Anordnung zur Messung elektrischer Leistung oder Energie, mit einem Multiplizierer, an den ein zur Messspannung proportionales elektrisches Signal angelegt ist und der einem magnetischen Aussenfeid ausgesetzt ist, welches zu dem in einem Messleiter fliessenden Messstrom proportional ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiplizierer eine aus vier ferromagnetischen magnetoresistiven Dünnfilmen (1 bis 4) bestehende, mit dem elektrischen Signal (I0) gespeiste elektrische Brücke (5) ist, dass an jeden Dünnfilm (1 bis 4) in Richtung der harten Magnetachse (HA) ein vom elektrischen Signal (I0) unabhängiges magnetisches Hilfsfeld (Hb) so angelegt ist, dass die Magnetisierung (M) in jedem Dünnfilm (1 bis 4) im Vergleich zur Magnetisierung (M) in den beiden elektrisch unmittelbar mit ihm verbundenen Dünnfilmen (2; 3 bzw. 1; 4) gegenläufig drehbar ist, und dass die Dünnfilme (1 bis 4) dem magnetischen Aussenfeid (Ha) so ausgesetzt sind, dass sie durch dieses in Richtung ihrer harten Magnetachse (HA) magnetisierbar sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnfilme (1 bis 4) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und mit dem magnetischen Aussenfeid (Ha) magnetkernlos gekoppelt sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messleiter (10) ein Flachleiter oder eine Flachspule ist und dass die Dünnfilme (1 bis 4 ) in einer zum Messleiter (10) parallelen Ebene angeordnet sind.
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite gleichartige Brücke (19) vorgesehen ist, die aus einer Strom- oder Spannungsquelle (20) gespeist und dem magnetischen Aussenfeid (Ha) ausgesetzt ist und deren Ausgang an Eingänge eines Differenzverstärkers (22) angeschlossen ist, dass ein zweites, zum Messstrom (I„,) proportionales elektrisches Signal (Ux) an einen weiteren Eingang des Differenzverstärkers (22) angelegt ist und dass der Ausgang des Differenzverstärkers (22) mit einer Leiterschleife (21) verbunden ist, deren Strom (Ia) das magnetische Aussenfeid (Ha) erzeugt.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass eine dritte gleichartige Brücke (23) vorgesehen ist, die aus der Strom- oder Spannungsquelle (20) gespeist und durch magnetkernlose Kopplung einem vom im Messleiter (10) fliessenden Messstrom (Im) erzeugten Messmagnetfeld (Hm) sowie einem Kompensationsmagnetfeld (Hh) ausgesetzt ist und deren Ausgang an einen zweiten Differenzverstärker angeschlossen ist, und dass der Ausgang des zweiten Differenzverstärkers (24) mit einer zweiten Leiterschleife (25) verbunden ist, deren Strom (Ih) das Kompensationsmagnetfeld (Hh) erzeugt.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Hilfsfelder (Hb) eine weitere stromdurchflossene Leiterschleife (18) vorgesehen ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Hilfsfelder (Hb) permanentmagnetische Schichten (14 bis 17) vorgesehen sind.
Es ist eine Anordnung zur Messung elektrischer Leistung oder Energie der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bekannt (H.H. Wieder, Hall Generators and Magnetoresistors, Pion Limited London 1971, Seite 86), bei der als Multiplizierer ein Hallgenerator dient. Das magnetische Aussen-feld wird mittels eines magnetischen Kerns in den Hallgenerator eingekoppelt. Aus der genannten Literaturstelle (Seiten 74 und 77) ist auch ein Multiplizierer bekannt, der eine aus zwei Spannungsquellen oder Festwiderständen und zwei Feldplatten (auch «Magnetoresistors» genannt) gebildete Brückenschaltung aufweist.
Bei Hallgeneratoren und Feldplatten wird bekanntlich ein galvanomagnetischer Effekt in Halbleitern ausgenützt. Das zu messende Magnetfeld wird hierbei senkrecht zur Hauptebene des plättchenföimigen Halbleiters eingekoppelt, was infolge der ohnehin geringen Empfindlichkeit des Hallgenerators bzw. der Feldplatten nur mittels eines magnetischen Kerns mit genügender Effizienz möglich ist. Nachteilig ist ferner die grosse Temperaturabhängigkeit und geringe Line-arität.
Ferner ist ein Stromdetektor zur Messung eines in einem Messleiter fliessenden Messstromes bekannt (IEEE Transactions on Magnetics, Nov. 1976, Seiten 813-815), bei dem vier ferromagnetische magnetoresistive Dünnfilmpaare eine Brücke bilden. Die Dünnfilme jedes Paares sind magnetostatisch miteinander so gekoppelt, dass jeweils der im einen Dünnfilm fliessende Strom im anderen Dünnfilm ein magnetisches Hilfsfeld erzeugt. Das vom Messstrom erzeugte magnetische Aussenfeid magnetisiert die Dünnfilme in Richtung ihrer harten Achse. Da die Stärke des Hilfsfeldes vom Speisestrom der Brücke abhängt, kann dieser Stromdetektor nicht als Multiplizierer betrieben werden.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung elektrischer Leistung oder Energie zu schaffen die sich durch eine geringe Temperaturabhängigkeit auszeichnet und die Möglichkeit eröffnet, das magnetische Aussenfeid ohne einen magnetischen Kern in den Multiplizierer einzukoppeln.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines statischen Elektrizitätszählers,
Fig. 2 Teile eines Multiplizierers in perspektivischer Darstellung,
Fig. 3 und 4 Varianten einer Brücke und
Fig. 5 ein weiteres Schaltbild eines statischen Elektrizitätszählers.
In der Fig. 1 bedeuten 1 bis 4 vier ferromagnetische magnetoresistive Dünnfilme, die eine elektrische Brücke 5 bilden. Diese Brücke 5 stellt einen Multiplizierer mit Ausgangsklemmen 6,7 dar, ist über einen aus zwei Widerständen 8,9 bestehenden Spannungsteiler an eine Messspannung Um angeschlossen und somit mit einem Strom I0 gespeist, der zur Messspannung Um proportional ist. Ein in einem Messleiter 10 fliessender Messstrom Im erzeugt ein magnetisches Aussen-feld Ha, mit welchem die Dünnfilme 1 bis 4 magnetkernlos gekoppelt sind. Die an den Ausgangsklemmen 6,7 entstehende Brückenspannung Ub ist auf den Eingang eines Differenzverstärkers 11 geschaltet, der die Brückenspannung Ub mit einem konstanten Faktor verstärkt und dessen Ausgangsspannung Ua zu einem Spannungs/Frequenzwandler 12 gelangt. Ein Zählwerk 13 zählt die Ausgangsimpulse des Spannungs/Fre-quenzwandlers 12.
In der nicht massstäblich gezeichneten Fig. 2 liegen die Dünnfilme 1 bis 4 in einer gemeinsamen Ebene. Unterhalb der Dünnfilme 1 bis 4 ist der Messleiter 10 angeordnet. Über den Dünnfilmen 1 bis 4 und deckungsgleich zu diesen befinden sich in einer gemeinsamen Ebene vier permanentmagnetische Schichten 14 bis 17. Der Messleiter 10, die Dünnfilme 1 bis 4 und die Schichten 14 bis 17 sind durch nicht gezeichnete Isolationsschichten voneinander isoliert.
Der Messstrom Im im Messleiter 10 fliesst in Richtung der leichten Magnetachse EA der Dünnfilme 1 bis 4. Als Messleiter 10 dient vorteilhaft ein Flachleiter oder eine Flachspule, wobei die Dünnfilme 1 bis 4 der Brücke 5 in einer Zone angeordnet sind, in der das vom Messstrom Im erzeugte magnetische Aussenfeid Ha homogen ist und die Dünnfilme 1 bis 4 in Richtung ihrer harten Magnetachse HA magnetisiert. Da die Dünnfilme 1 bis 4 und der Messleiter 10 in zueinander paral2
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lelen Ebenen sehr nahe übereinander angeordnet werden können und nur durch eine dünne Schicht voneinander isoliert werden müssen, ist kein magnetischer Kern erforderlich und die magnetkernlose Einkopplung des Aussenfeides Ha in die Dünnfilme 1 bis 4 erfolgt trotzdem mit hoher Effizienz.
Gemäss der in Fig. 3 sind die beiden in den Fig. 2 und 3 hinteren Enden der Dünnfilme 1,2 und die beiden vorderen Enden der Dünnfilme 3,4 an den Spannungsteiler 8,9 (Fig. 1) angeschlossen, welcher den Strom I0 in die Brücke 5 einspeist. Das vordere Ende des Dünnfilms 2 sowie das hintere Ende des Dünnfilms 4 sind mit der Ausgangsklemme 4 und das vordere Ende des Dünnfilms 1 sowie das hintere Ende des Dünnfilms 3 mit der Ausgangsklemme 7 der Brücke 5 verbunden.
Die nach rechts gerichtete Magnetisierung + H der permanentmagnetischen Schicht 14 (Fig. 2) erzeugt in darunter oder darüber liegenden Dünnfilm 1 ein nach links gerichtetes Hilfsfeld + Hb (Fig.3) wodurch der Magnetisierungsvektor M im Dünnfilm 1 im Gegenuhrzeigersinn um einen bestimmten Winkel aus der leichten Magnetachse EA herausgedreht wird. Analog entsteht durch die Magnetisierung + H der Schicht 17 im Dünnfilm 4 ein Hilfsfeld + Hb und eine Drehung des Magnetisierungsvektor M im Gegenuhrzeigersinn. Die Magnetisierung™ H der Schichten 15 und 16 bewirkt in den Dünnfilmen 2 und 3 ein nach rechts gerichtetes Hilfsfeld Hb und eine Drehung des Magnetisierungsvektors M im Uhrzeigersinn.
Die Hilfsfelder + Hb bzw. - Hb sind also in Richtung der harten Magnetachse HA so angelegt, dass die Magnetisierung in jedem der Dünnfilme 1 bis 4 in Vergleich zur Magnetisierung in den beiden elektrisch unmittelbar mit ihm verbundenen Dünnfilmen 2,3 bzw. 1,4 gegenläufig gedreht wird. Die aus dieser Drehung der Magnetisierung resultierende Widerstandsänderung ist in allen Dünnfilmen 1 bis 4 gleich und die Brücke 5 bleibt im Gleichgewicht.
Sobald die Brücke 5 dem magnetischen Aussenfeid Ha ausgesetzt wird, ändert sich der elektrische Widerstand in den verschiedenen vormagnetisierten Dünnfilmen 1 bis 4 unterschiedlich, und es entsteht eine Brückenspannung Ub.
Innerhalb des zulässigen Aussteuerungsbereich, der dadurch begrenzt ist, dass jeweils ein Dünnfilm der Dünnfilmpaare 1,2 und 3,4 gesättigt wird, gilt wobei
AR die maximale Widerstandsänderung der Dünnfilme, N-Ms y= —— einen normierten Entmagnetisierungsfaktor, H k
N den Entmagnetisierungsfaktor in den Dünnfilmen, Ms die Sättigungsmagnetisierung,
Hk die Anisotropiefeldstärke,
I, Hb A hb = —■ und
Hk
Ha
Ha= —
Hk bedeutet
Die Brückenspannung Ub ist also zum Strom I0 sowie zum magnetischen Aussenfeid Ha und damit zum Produkt
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Um Im proportional. Am Ausgang des Differenzverstärkers 11 steht eine auf Nullpotential bezogene, vom Messleiter 10 galvanisch getrennte Spannung Ua als Abbild der elektrischen Leistung zur Verfügung und am Zählwerk 13 kann die elektrische Energie abgelesen werden. Im Vergleich zu aus Hallgeneratoren oder Feldplatten bestehenden Multiplizierern ist die Produktbildung UmTm mit einem weit geringeren Temperaturfehler behaftet.
Die Stärke der Hilfsfelder Hb muss konstant und also vom Strom I0 unabhängig sein, da sie unmittelbar in das Messresultat eingeht. Die Brückenspannung Ub und damit die erzielbare Messgenauigkeit sind am grössten, wenn gewählt wird.
Gemäss der Fig. 4 kann die Erzeugung der Hilfsfelder Hb mittels einer Leiterschleife 18 erfolgen, die anstelle der permanentmagnetischen Schichten 14 bis 17 dicht unter oder über den Dünnfilmen 1 bis 4 angeordnet und von diesen isoliert ist und von einem Hilfsstrom Ib durchflössen wird.
Der Spannungs/Frequenzwandler 12 kann nach dem bekannten Verfahren der periodischen Polaritätsumschaltung arbeiten, das sich durch eine hohe Genauigkeit und die Unterdrückung von Nullpunktfehlern auszeichnet. Die dabei erforderliche periodische Umschaltung des Vorzeichens der Multiplikation kann mittels eines Analogschalters erfolgen, der z.B. die Polarität des Stromes I0, des Hilfsstromes Ib oder der Brückenspannung Ub umschaltet.
In der Fig. 5 weisen gleiche Bezugszeichen wie in der Fig. 1 auf gleiche Teile hin. Ausser der Brücke 5 ist eine zweite, gleichartige Brücke 19 vorgesehen, die aus einer Strom- oder Spannungsquelle 20 gespeist und zusammen mit der Brücke 5 dem magnetischen Aussenfeid Ha ausgesetzt ist. Dieses Aus-senfeld Ha ist zwar zum Messstrom Im bzw. zu einer Eingangsspannung Ux proportional, wird jedoch nicht unmittelbar durch den Messstrom Im, sondern durch den in einer Leiterschleife 21 fliessenden Strom Ia erzeugt. Die Leiterschleife 21 tritt also in der Fig. 2 an die Stelle des Messleiters 10. Der Ausgang der Brücke 19 ist an Eingänge eines Differenzverstärkers 22 angeschlossen, der einen sehr hohen Verstärkungsfaktor aufweist. An einen weiteren Eingang des Diffe-renzverstärkers 22 ist die zum Messstrom Im proportionale Spannung Ux angelegt.
Die Brücke 19, der Differenzverstärker 22 und die Leiterschleife 21 bilden eine Regelschleife, die das Aussenfeid Ha so regelt, dass die Differenz zwischen der Ausgangsspannung Ubl der Brücke 19 und der Eingangsspannung Ux minimal wird, so dass sich bei konstanter Speisespannung der Brücke 19 ein zur Eingangsspannung Ux proportionales Aussenfeid Ha einstellt. Am Ausgang des Differenzverstärkers 11 entsteht eine zum Produkt Ux Um proportionale Spannung Ua. Allfällige Nichtlinearitäten der Brücken 5 und 19 in Abhängigkeit vom Aussenfeid Ha kompensieren sich gegenseitig, so dass sich nur noch die Differenz der beiden Linearitätsfehler auf das Messresultat auswirken kann.
Zur Erzeugung Ux aus dem Messstrom Im bei galvanischer Trennung der beiden Stromkreise kann ein herkömmlicher Stromwandler dienen. Vorteilhafter ist es, hierzu eine dritte Brücke 23 vorzusehen, die gleichartig ist wie die Brücken 5 und 19 und ebenfalls aus der Strom- oder Spannungsquelle 20 gespeist ist. Die Brücke 23 ist durch magnetkernlose Kopplung einem Messmagnetfeld Hm sowie einem diesem entgegengerichteten Kompensationsmagnetfeld Hh ausgesetzt. Das Messmagnetfeld Hm wird von dem im Messleiter 10 fliessen3
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den Messstrom Im erzeugt. Der Ausgang der Brücke 23 ist an einen Differenzverstärker 24 angeschlossen, der einen sehr hohen Verstärkungsfaktor aufweist und dessen Ausgang mit einer Leiterschleife 25 verbunden ist. In Reihe mit der Leiterschleife 25 ist ein Widerstand 26 geschaltet, über dem die Eingangsspannung Ux abfällt.
Der in der Leiterschleife 25 fliessende Kompensationsstrom Ih erzeugt das Kompensationsmagnetfeld Hh. Infolge der Wirkung der aus der Brücke 23, dem Differenzverstärker 24 und der Leiterschleife 25 bestehenden Regelschleife stellt sich der Kompensationsstrom Ih so ein, dass die Differenz zwischen dem Messmagnetfeld Hm und dem Kompensationsmagnetfeld Hh minimal wird und Ih=Im ist. Infolge des Null-abgleichs des auf die Brücke 23 einwirkenden Differenzfeldes
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Hm - Hh wird die Proportionalität zwischen der Eingangsspannung Ux und dem Messstrom Im durch allfällige Lineari-tätsfehler der Brücke 23 nicht beeinträchtigt.
5 Der beschriebene statische Elektrizitätszähler nach der Fig. 5 zeichnet sich aufgrund der beiden Regelschleifen durch eine besonders gute Messgenauigkeit aus. Der technische Aufwand mag zwar auf den ersten Blick hoch erscheinen, fällt aber tatsächlich nicht ins Gewicht, da keine Magnetkerne er-lo forderlich sind und die Dünnfilme der Brücken 5,19 und 23, die elektronischen Komponenten und die gegebenenfalls als Dünnfilmspulen ausgebildeten Leiterschleifen 21 und 25 in integrierter Schaltungstechnik hergestellt und auf einem einzigen Halbleiterplättchen vereinigt werden können.
C
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CH368864A (de) * 1959-04-25 1963-04-30 Landis & Gyr Ag Einrichtung zur Messung der Stromstärke

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