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Anordnung zur Erfassung der Stärke von durch elektrische
Leiter fliessenden Strömen
Die Erfindung betrifft Anordnungen zur Erfassung der Stärke von durch elektrische Leiter fliessenden Strömen, insbesondere Gleichströmen, mit einer Magnetfeldmessvorrichtung, deren magnetfeldempfindlicher, aus Halbleitermaterial bestehender Messkörper im Magnetfeld des Leiters angeordnet ist.
Ferner sind aus verschiedenen Veröffentlichungen (wie z. B. Zeitschrift für Naturforschung 1952, Bd. 7a, S. 744 - 749 und "The Physical Review" Volume 91, July 1 - September 15,1953, S. 1009 und 1010, usw.). Untersuchungsergebnisse über Am By Verbindungen bekannt, welche eine Reihe von Angaben über deren Hallkoeffizienten, Trägerbeweglichkeit bzw. Hallwinkel aufweisen.
Es sind an sich bereits Messgerate bekanntgeworden, bei denen das vom Strom erzeugte Magnetfeld erfasst und hieraus ein dem zu regelnden Stromwert entsprechender Messwert gebildet wird. Bei einer dieser bekannten Einrichtungen handelt es sich um ein Gerät, bei dem der Halleffekt zur Messung von Strömen, die am Messkörper im Magnetfeld eines stromführenden Leiters auftreten, ausgenutzt wird. Als Material für den Messkörper wurde jedoch Wismut oder Germanium benutzt. Die für die vorgenannten Zwekke bekannten Einrichtungen haben deshalb den Nachteil, dass sie nur dann genaue und zuverlässige Ergebnisse liefern, wenn der Hallkreis des Widerstandskörpers unbelastet bleibt. Um dies zu erreichen, sind besondere Mittel und Massnahmen erforderlich. So muss z. B. die Messung der Hallspannung mit besonders hochohmigen Spannungsmessern wie z.
B. hochempfindlichen Galvanometern, Röhrenvoltmetern od. dgl. erfolgen. Strommesseinrichtungen dieser Art sind jedoch nur für Laboratorien brauchbar und eignen sich nicht für den normalen praktischen Betrieb. Belastungslose Messungen erfordern, falls der gemessene Stromwert weiter verwertet werden soll, um damit eine Regelung oder Steuerung durchzuführen, wobei ein Relais oder andere leistungsaufnehmende Verbraucher gesteuert werden, ausserdem einen besonderen Verstärker, der die Steuerleistung aufbringen muss.
Die zur Strommessung bekannte Einrichtung, bei der das in einem Leiter vom Strom erzeugte Magnetfeld erfasst und der Halleffekt zur Bildung des Messwertes ausgenutzt wird, verwendet als Leiter einen sehr dünnen Draht, der eine grosse Strombelastung aufweist. Dadurch kommt der Messkörper näher an die Mittelachse des Leiters und somit in ein starkers Magnetfeld zu liegen. Man hat durch diese Massnahme die Wirkung des Magnetfeldes auf den Widerstandskörper zu erhöhen und gleichzeitig die Fremdfeldeinflüsse, die die Messgenauigkeit wesentlich störten, zu verringern versucht.
Abgesehen von der eingangs geschilderten äusserst geringen Belastbarkeit der verwendeten Widerstandskörper ist ein Nachteil der be- kannten Einrichtung vor allem darin zu sehen, dass das Einsetzen eines sehr dünnen Drahtes in eine durchgehende Leitung nur in solchen Fällen verwirklicht werden kann, bei denen es sich um die Messung kleiner Ströme handelt. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass durch die Querschnittsverminderung des Leiters eine besonders schwache Stelle in elektrischen Anlagen geschaffen wird, die gerade am Messort nicht erwünscht ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, unter Beseitigung der genannten Nachteile eine Anordnung zur Erfassung der Stärke von durch elektrische Leiter fliessenden Strömen zu schaffen, die eine hohe Empfindlichkeit aufweist und die es ermöglicht, an starken Leitern und Sammelschienen, also auch an solchen Leitern Messungen vorzunehmen, für welche die bisher bekannte Einrichtung, die den Hall-
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effekt zur Messung vonStömen ausnutzt, nicht verwendet werden könnte.
Gemäss der Erfindung wird die- se Aufgabe dadurch gelöst, dass der im Magnetfeld des Leiters angeordnete Messkörper der Magnetfeld- messvorrichtung aus einer AIIIBV-Verbindung mit einer Trägerbeweglichkeit von mindestens 6000 cm/Vsec, insbesondere InSb oder InAs, . besteht, und dass die Messvorrichtung unmittelbar mit einem Messinstrument bzw. Schaltgerät verbunden ist. Unter einer unmittelbaren Verbindung wird hier eine Verbindung ohne einen Leistungsverstärker verstanden, aber Wandler, Gleichrichter bzw. Widerstände können in ihr enthal- ten sein.
Die Anordnung nach der Erfindung kann im Gegensatz zu den mit Germanium arbeitenden Hallspan- nungserzeugern weitgehend belastet werden, ohne dass dadurch eine störende Verfälschung des Messergeb- nisses eintritt. Es können nunmehr Strommessgeräte direkt von Hallgeneratoren gespeist werden. Zu den gemäss der Erfindung verwendeten Stoffen wird auf die franz. Patentschrift Nr. l, 057. 038 verwiesen. Da- bei handelt es sich insbesondere um halbleitende Verbindungen der Form AIJIBV, also um halbleitende
Verbindungen aus einem Element A der dritten Gruppe und einem Element B der fünften Gruppe des periodischen Systems der Elemente. Bevorzugt sollen Indium-Antimonid und Indium-Arsenid verwendet wer- den.
Das Messgerät nach der Erfindung eignet sich vor allem als Ersatz der bekannten Gleichstromwandler, die auf der Grundlage von durch Vormagnetisierung steuerbaren Drosselspulen arbeiten. Diesen gegenüber ist jedoch das Messgerät nach der Erfindung erheblich einfacher, u. zw. sowohl hinsichtlich des Aufwandes als auch der Anwendung und Handhabung.
Zur näheren Erläuterung sei auf die Figuren Bezug genommen, die mögliche Schaltungsbeispiele zeigen.
In Fig. l ist ein magnetfeldabhängiger Widerstand von der Form AIIIBV mit 1 bezeichnet und in der unmittelbaren Nähe eines stromdurchflossenen Leiters 2 angebracht, der z. B. eine Sammelschiene sein kann, die Stromzuführung zu einer Elektrolysenanlage od. dgl.. Der Widerstand 1 ist mit drei weiteren, vorzugsweise ohmschen Widerständen 3 - 5 zu einer Brückenschaltung vereinigt, die aus einem an die Klemmen R, S angeschlossen zu denkenden Wechselstromnetz gespeist wird. An den Galvanometerzweig der Brücke ist ein Transformator 6 angeschlossen, der über eine Gleichrichteranordnung 7 in Graetzschaltung sowie einem nachfolgenden Kondensator 8 und einem Widerstand 9 auf ein nicht mit dargestelltes Gleichstrommessinstrument arbeitet.
Für den Fall, dass kein Gleichstrom J in dem Leiter 2 fliesst, ist die Brückenschaltung abgeglichen. Fliesst dagegen ein Gleichstrom, so wird die Brücke infolge der Widerstandsänderung des AIIIBy-Widerstandes, der vorteilhaft in Form eines dünnen und langen Streifens ausgebildet ist, verstimmt und die im Galvanometerzweig auftretende Spannung transformiert, so dass sie zur Messung als gleichgerichtete Spannung an den Klemmen 10 und 11 und somit als Abbild des Gleichstromes J zur Verfügung steht. Die Messung kann anstatt durch ein Gleichstrominstrument auch durch ein Wechselstrominstrument erfolgen, das unmittelbar in den Galvanometerzweig der Brücke eingeschaltet sein kann.
Während die Einrichtung nach Fig. 1 auf der Änderung des ohmschen Leitwertes des magnetfeldabhängigen. Widerstandes 1 beruht, bildet bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 der Halleffekt die Grundlage der Messung. Mit 1 ist wieder der magnetfeldabhängige Widerstand bezeichnet, der hier jedoch diesmal beispielsweise nicht in einer Brückenschaltung, sondern in einem einfachen Wechselstromkre. is eingeschaltet ist. Der Widerstand 1 liegt in Reihe mit einer Bandringdrosselspule 12, die einen Magnetkern aus hoch permeablem Stoff, z. B. aus einer Legierung mit 501o Nickel und 50% Eisen (im Handel erhältlich unter der Markenbezeichnung Permenorm 5000Z) mit rechteckiger Magnetisierungsschleife aufweist.
Die Bandringdrosselspule 12 lässt infolge ihrer rechteckförmigen Magnetisierungsschleife nur einen ganz bestimmten, von Netzspannungsschwankungen unabhängigen, allein durch die Breite der Magnetisierungsschleife bestimmten Magnetisierungsstrom zu. In dem Widerstand 1 fliesst daher ein praktisch rechteckförmiger konstanter Strom. Durch den in der unmittelbaren Nähe des Widerstandes 1 befindlichen Stromleiter 2 wird ähnlich wie'in Fig. l ein starkes Magnetfeld in dem Widerstand 1 erzeugt. Im Gegensatz zu Fig.-l wird jedoch die an dem Widerstand 1 auftretende und an den Anschlüssen 13 und 14 abgenommene Hal1spannungUHfür die Messung ausgenutzt. Die Hallspannung ist proportional dem Produkt aus der Stärke des Magnetfeldes, das der Strom J erzeugt, und dem Strom durch den Widerstand 1.
Da letzterer voraussetzungsgemäss konstant ist, ist also die Hallspannung nur proportional dem Feld des Leiters 2, d. h. also auch dessen Strom J. Die Hallspannung wird in einem Transformator 6 herauf transformiert und in der gleichen Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. l über eine Gleichrichteranordnung 7, einen Kondensator 8, einen widerstand 9 und die Klemmen 10 und 11 als gleichgerichtete Spannung einem nicht mit dargestellten Messgerät zugeführt.
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Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Schaltungen sind nur als Anhalt zu werten. Es sind darüber hinaus im Rahmen der Erfindung noch weitere an sich bekannte Schaltungen zur Messung von Gleichströmen oder auch von Wechselströmen möglich. Vorteilhafte Anwendungsgebiete des Messgerätes nach der Erfindung sind beispielsweise grosstechnische Galvanisierungs-und Elektrolyseanlagen. Das Messgerät nach der Erfindung kann ferner in verbindung mit von ihm gesteuerten Relais oder Schützen zur Strombegrenzung, insbesondere zur Verhinderung von Tarifüberschreitungen und zur Verhinderung von Betriebsgefährdungen, so z. B. zum Schutze von Maschinen, vor allem beim Anfahren von grossen Gleichstrommaschinen, verwendet werden. Auch für die Regeltechnik bestehen vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Erfassung der Stärke von durch elektrische Leiter fliessenden Strömen, insbesondere Gleichströmen, unter Verwendung einer Magnetfeldmessvorrichtung mit einem Hallspannungserzeuger, der im Magnetfeld des Leiters angeordnet ist und dessen Hallelektroden unmittelbar mit einem Messinstrument verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallspannungserzeuger aus einer AinBv-Ver- bindung mit einer Trägerbeweglichkeit von mindestens 6000 cm2/Vsec, insbesondere InSb oder InAs, besteht.