CH627875A5

CH627875A5 - Measurement transformer for the floating measurement of currents or voltages

Info

Publication number: CH627875A5
Application number: CH564478A
Authority: CH
Inventors: Heinz Lienhard; Gernot Schneider
Original assignee: Landis & Gyr Ag
Priority date: 1978-05-24
Filing date: 1978-05-24
Publication date: 1982-01-29
Also published as: DE2825397C2; DE2825397B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Messwandler der im 35 Material mit im Vergleich zur Länge und Breite sehr geringer Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art. Ein solcher Mess- Dicke. Er ist vorteilhaft magnetisch anisotrop oder uniaxial, wandler ist Gegenstand des Schweizerpatentes Nr. 618 043 und Das Auftragen des Magnetfilms 48 auf das Substrat 47 kann zeichnet sich dadurch aus, dass der Magnetfeldkomparator ein nach bekannten Verfahren zum Beispiel durch Aufdampfen im Magnetfilm mit im Vergleich zur Länge und Breite sehr gerin- Vakuum oder galvanische Beschichtung erfolgen. Zur Formge-ger Dicke ist. Beim Nulldurchgang des durch den Vormagneti- 40 bung können zum Beispiel photolithographische Verfahren sierungsstrom und durch den Messstrom erzeugten Magnet- angewandt werden. Als magnetoresistives Material eignen sich feldes wird in der Vormagnetisierungswicklung bzw. in einer vorzugsweise NiFe-Legierungen und daraus abgeleitete ter-gesonderten Induktionswicklung ein Ausgangsimpuls induziert, näre (z. B. NiFeCr oder NiFeCo) oder höhere Legierungen. Die der den Zeitpunkt des Magnetfeld-Nulldurchgangs eindeutig aktive Länge und Breite des Magnetfilms 48 entspricht den und mit grosser Genauigkeit markiert. Nachteilig ist bei diesem 45 Abmessungen des Luftspalts 43 und beträgt zum Beispiel je Messwandler, dass die Vormagnetisierungswicklung bzw. die 1 mm. Die typische Dicke des Magnetfilms 48 liegt in der Grös-Induktionswicklung, an der die Ausgangsimpulse abgegriffen senordnung von 40 nm. Um extrem kleine Werte für die Dicke werden, mit dem Messleiter induktiv gekoppelt ist. Im Messlei- des Magnetfilms 48 zu vermeiden und dennoch einen für die ter fliessende hochfrequente Störsignale werden daher induk- Detektion der Widerstandsänderung geeignet hohen Wider-tiv auf die als Ausgangswicklung dienende Vormagneti- 50 standswert zu erzielen, kann der Magnetfilm mäanderförmig sierungs- oder die Induktionswicklung übertragen, wo sie sich ausgebildet sein. Die längsseitigen Enden des Magnetfilms 48 den Ausgangsimpulsen überlagern. In der an den Messwandler sind mit einer Leitschicht 49 aus Gold, Kupfer oder dergleichen angeschlossenen Auswerteschaltung können solche Stör- von beispielsweise 100 nm Dicke beschichtet, deren äusseres signale von den die Nulldurchgänge des Magnetfeldes markie- Ende jeweils einen Kontakt 50 aus gut leitendem Material renden Ausgangsimpulsen nicht ohne weiteres unterschieden 55 trägt. Über den Leitschichten 49 liegen die Polflächen 44 des werden. Eine Unterdrückung der Störsignale in der Auswerte- Magnetkerns 41 so, dass der mit den Polflächen praktisch in Schaltung ist nicht möglich, wenn das Spektrum der Störsignale einer Ebene liegende Magnetfilm 48 den Luftspalt 43 übergleich ist wie jenes der Ausgangsimpulse oder in dessen Nähe brückt. Die magnetische Vorzugsrichtung des Magnetfilms 48 liegt. kann parallel, senkrecht oder zum Beispiel in einem Winkel von The invention relates to a transducer of the type mentioned in 35 material with very little comparison to the length and width of the preamble of claim 1. Such a measuring thickness. It is advantageously magnetically anisotropic or uniaxial, transducer is the subject of Swiss Patent No. 618 043 and the application of the magnetic film 48 to the substrate 47 can be characterized in that the magnetic field comparator uses a known method, for example by vapor deposition in the magnetic film compared to the Length and width are very low vacuum or galvanic coating. For the Formge-ger thickness. At the zero crossing of the magnetization current caused by the bias, for example, photolithographic processes and magnet magnet generated by the measuring current can be used. A suitable magnetoresistive material is an output pulse, niche (e.g. NiFeCr or NiFeCo) or higher alloys, which is induced in the bias winding or in a preferably NiFe alloy and a separate induction winding derived therefrom. The length and width of the magnetic film 48, which is clearly active at the time of the magnetic field zero crossing, corresponds to and is marked with great accuracy. The disadvantage of this 45 dimensions of the air gap 43 and is, for example, per measuring transducer that the bias winding or the 1 mm. The typical thickness of the magnetic film 48 lies in the Grös induction winding, from which the output pulses are tapped at an order of 40 nm. To make extremely small values for the thickness, the measuring conductor is inductively coupled. Avoiding in the measuring line of the magnetic film 48 and nevertheless achieving a high resistance suitable for the high-frequency interference signals flowing for the ter induction detection of the change in resistance to the pre-magnetic value serving as the output winding, the magnetic film can be meandering or induction winding transmitted where they trained. The longitudinal ends of the magnetic film 48 are superimposed on the output pulses. In the evaluation circuit connected to the measuring transducer with a conductive layer 49 made of gold, copper or the like, such interferences of, for example, 100 nm thickness can be coated, the outer signals of which, from the ends marking the zero crossings of the magnetic field, each have a contact 50 made of a highly conductive material Output pulses are not easily distinguished 55 carries. The pole faces 44 are located over the guide layers 49. A suppression of the interference signals in the evaluation magnetic core 41 so that the practically in circuit with the pole faces is not possible if the spectrum of the interference signals on one plane magnetic film 48 is equal to or bridges the air gap 43 as that of the output pulses. The preferred magnetic direction of the magnetic film 48 is. can be parallel, vertical or for example at an angle of

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mess- 60 45° zur Richtung des Magnetfeldes im Luftspalt 43 liegen. Die wandler zu schaffen, bei dem die Ausgangsimpulse unmittelbar Richtung des im Magnetfilm 48 fliessenden Stromes, der durch am Magnetfeldkomparator abgreifbar sind. Diese Aufgabe eine an die Kontakte 50 angelegte Strom- oder Spannungs-wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angege- quelle hervorgerufen wird, ist im dargestellten Beispiel parallel benen Merkmale gelöst. zur Richtung des Magnetfeldes. The invention is based on the object 60- 45 ° to the direction of the magnetic field in the air gap 43. To create the transducer, in which the output pulses directly in the direction of the current flowing in the magnetic film 48, which can be tapped by the magnetic field comparator. This object, a current or voltage applied to the contacts 50, is caused by the source indicated in the characterizing part of patent claim 1, is achieved in the example shown in parallel with the features. to the direction of the magnetic field.

Mit dem Messwandler nach der Erfindung wird weitestge- 65 Aus der Fig. 2 ist die Anordnung des Magnetfilms 48, der hende Unempfindlichkeit gegenüber Störsignalen im Messlei- Polflächen 44, der Leitschichten 49 und der Kontakte 50, von ter erreicht. Eine Änderung des Widerstandes des magnetoresi- der Seite des Magnetkerns 41 her betrachtet, ersichtlich. The arrangement of the magnetic film 48, the insensitivity to interference signals in the measuring lead pole faces 44, the guiding layers 49 and the contacts 50, is achieved by the measuring transducer according to the invention. A change in the resistance of the magnetoresider side of the magnetic core 41 can be seen here.

stiven Magnetfilms tritt nur im Zeitpunkt des Nulldurchgangs Der beschriebene Messwandler arbeitet wie folgt: Magnetic film only occurs at the time of zero crossing. The described measuring transducer works as follows:

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Im Ruhezustand weist der Magnetfilm 48 einen konstanten ohmschen Widerstand in der Grössenordnung von zum Beispiel 100 Q auf. Durch den Messstrom Im und den Vormagnetisierungsstrom Iv wird im Luftspalt 43 des Magnetkerns 41 ein Magnetfeld aufgebaut, das sich aus einem vom Messstrom Im 5 erzeugten Messmagnetfeld und einem vom Vormagnetisierungsstrom Iv erzeugten Vormagnetisierungsfeld zusammensetzt. Durch das Vormagnetisierungsfeld wird der Magnetfilm 48 abwechselnd in beide Sättigungsrichtungen gesteuert. Der als Magnetfeldkomparator arbeitende Magnetfilm 48 ver- |0 gleicht das Messmagnetfeld mit dem Vormagnetisierungsfeld, indem er jeweils im Nulldurchgang des auf ihn einwirkenden resultierenden Magnetfeldes, das heisst wenn sich das Messmagnetfeld und das Vormagnetisierungsfeld gegenseitig aufheben, seinen Widerstand sprunghaft ändert. Wird an die Kon- 15 takte 50 eine Strom- oder Spannungsquelle angeschlossen, so äussert sich diese Widerstandsänderung in einem nadeiförmigen Spannungs- oder Stromimpuls, der den Zeitpunkt des Nulldurchgangs des resultierenden Magnetfeldes eindeutig und mit grosser Genauigkeit markiert. Da der Magnetfilm 48 bis in die 20 Sättigung betrieben wird, ist die Höhe der Ausgangsimpulse von der Stärke des Magnetfeldes unabhängig. Ist der Momentanwert des Messstromes Im verschieden von Null, so überlagert sich dessen magnetisierende Wirkung jener des Vormagnetisierungsstromes Iv, wodurch eine zeitliche Verschiebung der Ausgangsimpulse auftritt. Diese zeitliche Verschiebung kann in einer an die Kontakte 50 anschliessbaren Auswerteschaltung als Mass für die Stärke und Richtung des Messstromes Im ausgewertet werden. Infolge der galvanischen Trennung zwischen dem Messleiter 45 und dem Magnetfilm 48 gestattet der beschriebene Messwandler die potentialfreie Messung von Strömen oder Spannungen. In the idle state, the magnetic film 48 has a constant ohmic resistance in the order of magnitude of, for example, 100 Q. The measuring current Im and the bias current Iv create a magnetic field in the air gap 43 of the magnetic core 41, which is composed of a measuring magnetic field generated by the measuring current Im 5 and a bias field generated by the bias current Iv. The magnetic film 48 is alternately controlled in both saturation directions by the bias field. The magnetic film 48 working as a magnetic field comparator compares the measuring magnetic field with the premagnetizing field by suddenly changing its resistance at the zero crossing of the resulting magnetic field, that is to say when the measuring magnetic field and the premagnetizing field cancel each other out. If a current or voltage source is connected to the contacts 50, this change in resistance manifests itself in a needle-shaped voltage or current pulse which clearly marks the point in time of the zero crossing of the resulting magnetic field and with great accuracy. Since the magnetic film 48 is operated up to 20 saturation, the level of the output pulses is independent of the strength of the magnetic field. If the instantaneous value of the measurement current Im is different from zero, its magnetizing effect is superimposed on that of the bias current Iv, as a result of which the output pulses are shifted over time. This time shift can be evaluated in an evaluation circuit that can be connected to the contacts 50 as a measure of the strength and direction of the measuring current Im. As a result of the electrical isolation between the measuring conductor 45 and the magnetic film 48, the measuring transducer described allows the potential-free measurement of currents or voltages.

Die Einkoppelung des Magnetfeldes in den Magnetfilm 48 ist am effektivsten, wenn sie in Richtung zur magnetischen Vorzugsrichtung des Magnetfilms erfolgt. Hierbei ist allerdings die 35 erzielbare Widerstandsänderung am wenigsten gross. Sie kann vergrössert werden, wenn gemäss der Fig. 3 auf die aktive Fläche des Magnetfilms 48 um 45° geneigte Bänder 51 aus Gold oder einem anderen elektrisch gut leitenden Material aufgetragen werden. Eine solche, barber pole genannte Ausbildung des 40 Magnetfilms 48 bewirkt eine Drehung der Stromrichtung im Magnetfilm um 45°. The coupling of the magnetic field into the magnetic film 48 is most effective if it takes place in the direction of the magnetic preferred direction of the magnetic film. However, the change in resistance that can be achieved is the least large. It can be increased if, according to FIG. 3, tapes 51 made of gold or another electrically highly conductive material are applied to the active surface of the magnetic film 48 by 45 °. Such a formation of the 40 magnetic film 48, called barber pole, causes the direction of current in the magnetic film to rotate by 45 °.

Wenn die magnetische Vorzugsrichtung des Magnetfilms 48 nicht parallel zur Richtung des Magnetfeldes verläuft, sondern zu dieser einen Winkel von zum Beispiel 90° oder 45° bil- 45 det, ist eine gekreuzte Anordnung gemäss der Fig. 4 vorteilhaft. Im Vergleich zur Fig. 2 sind in der Fig. 4 der Magnetfilm 48 zusammen mit den Leitschichten 49 und den Kontakten 50 in der Zeichenebene so gedreht, dass der Strom im Magnetfilm 48 If the magnetic preferred direction of the magnetic film 48 does not run parallel to the direction of the magnetic field, but instead forms an angle of 90 ° or 45 °, for example, a crossed arrangement according to FIG. 4 is advantageous. In comparison with FIG. 2, the magnetic film 48 together with the conductive layers 49 and the contacts 50 in the drawing plane are rotated in FIG. 4 such that the current in the magnetic film 48

25 25th

30 30th

senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes fliesst. flows perpendicular to the direction of the magnetic field.

Die Anordnung nach der Fig. 5 unterscheidet sich von jener nach der Fig. 1 durch eine Magnetschicht 52, die zwischen dem Magnetfilm 48 und dem Substrat 47 angeordnet und vom Magnetfilm 48 durch eine sehr dünne Isolierschicht 53 isoliert ist. Die Magnetschicht 52 besteht ebenfalls aus einer ferro-magnetischen NiFe-Legierung, ist jedoch wesentlich dicker als der Magnetfilm 48. Die typische Dicke der Magnetschicht 52 beträgt 1 bis 2 Mikron. Die Magnetschicht 52 ermöglicht auch dann eine gute Einkoppelung des Magnetfeldes, wenn das Magnetfeld nicht in Richtung zur Vorzugsachse des Magnetfilms 48 verläuft. Aufgrund der magnetischen Kopplung zwischen der Magnetschicht 52 und dem Magnetfilm 48 ergibt sich eine grosse Widerstandsänderung des Magnetfilms 48 im Nulldurchgang des Magnetfeldes. The arrangement according to FIG. 5 differs from that according to FIG. 1 by a magnetic layer 52 which is arranged between the magnetic film 48 and the substrate 47 and is insulated from the magnetic film 48 by a very thin insulating layer 53. The magnetic layer 52 also consists of a ferro-magnetic NiFe alloy, but is much thicker than the magnetic film 48. The typical thickness of the magnetic layer 52 is 1 to 2 microns. The magnetic layer 52 also enables the magnetic field to be coupled in well if the magnetic field does not run in the direction of the preferred axis of the magnetic film 48. Due to the magnetic coupling between the magnetic layer 52 and the magnetic film 48, there is a large change in resistance of the magnetic film 48 in the zero crossing of the magnetic field.

Die Magnetschicht 52 kann vorzugsweise bei einer gekreuzten Anordnung gemäss der Fig. 6 und 7 angewandt werden. Der Magnetfilm 48 befindet sich bei dieser Anordnung in gleicher Weise wie bei der gekreuzten Ausführung nach der Fig. 4 unmittelbar auf dem Substrat 47 und weist wiederum die Leitschichten 49 und die Kontakte 50 auf, wobei die Richtung des Stroms im Magnetfilm 48 senkrecht ist zur Richtung des Magnetfeldes zwischen den Polflächen 44. Die magnetische Vorzugsrichtung des Magnetfilms 48 ist ebenfalls senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes. Die Magnetschicht 52 liegt an den Polflächen 44 an, überbrückt den Luftspalt 43 und kreuzt den Magnetfilm 48 rechtwinklig. Die magnetische Vorzugsrichtung der Magnetschicht 52 ist parallel zur Richtung des Magnetfeldes. Der Magnetfilm 48 liegt unterhalb der Magnetschicht 52, wobei eine nicht gezeichnete, sehr dünne Isolierschicht den Magnetfilm 48 und die Magnetschicht 52 elektrisch voneinander isolieren. Infolge der magnetischen Kopplung zwischen der Magnetschicht 52 und dem Magnetfilm 48 wird die Magnetisierung des Magnetfilms 48 im Nulldurchgang des Magnetfeldes gedreht, so dass an den Kontakten 50 eine starke Widerstandsänderung feststellbar ist. The magnetic layer 52 can preferably be used in a crossed arrangement according to FIGS. 6 and 7. In this arrangement, the magnetic film 48 is located directly on the substrate 47 in the same way as in the crossed embodiment according to FIG. 4 and in turn has the conductive layers 49 and the contacts 50, the direction of the current in the magnetic film 48 being perpendicular to the direction of the magnetic field between the pole faces 44. The preferred magnetic direction of the magnetic film 48 is also perpendicular to the direction of the magnetic field. The magnetic layer 52 lies against the pole faces 44, bridges the air gap 43 and crosses the magnetic film 48 at right angles. The preferred magnetic direction of the magnetic layer 52 is parallel to the direction of the magnetic field. The magnetic film 48 lies below the magnetic layer 52, a very thin insulating layer (not shown) electrically isolating the magnetic film 48 and the magnetic layer 52 from one another. As a result of the magnetic coupling between the magnetic layer 52 and the magnetic film 48, the magnetization of the magnetic film 48 is rotated at the zero crossing of the magnetic field, so that a strong change in resistance can be determined at the contacts 50.

Vorzugsweise bildet der Magnetfilm 48 zusammen mit einem bzw. mit drei Widerständen einen Spannungsteiler oder eine Brückenschaltung. Diese Widerstände sind vorteilhaft magnetoresistive Magnetfilme der gleichen Art wie der Magnetfilm 48, so dass Temperatureinflüsse kompensiert werden. Ferner können diese Widerstände ebenfalls dem Magnetfeld des Magnetkerns 41 ausgesetzt werden, so dass sich ihre Ausgangssignale in für die Auswertung vorteilhafter Weise überlagern. The magnetic film 48 preferably forms a voltage divider or a bridge circuit together with one or with three resistors. These resistors are advantageously magnetoresistive magnetic films of the same type as the magnetic film 48, so that temperature influences are compensated for. Furthermore, these resistors can also be exposed to the magnetic field of the magnetic core 41, so that their output signals are superimposed in an advantageous manner for the evaluation.

Selbstverständlich kann der beschriebene, mit Kontakten versehene magnetoresistive Magnetfilm 48 auch bei einem Messwandler gemäss der Fig. 11 bis 13 der CH-PS 618 043 eingesetzt werden, welcher keinen Magnetkern aufweist. Of course, the described magnetoresistive magnetic film 48 provided with contacts can also be used in a transducer according to FIGS. 11 to 13 of CH-PS 618 043, which has no magnetic core.

c c

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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PATENT CLAIMS of the magnetic field. So that interference signals still have an effect

1. Transducers for the potential-free measurement of currents can, therefore, either occur in the vicinity of this time or voltages, with a measuring point carrying the measuring current or they must be very strong in order to conduct a change, with a pre-magnetizing current leading the magnetization direction to effect the magnetic film, magnetization winding and with a magnetic field 5 which is statistically significantly less likely than the above comparator, that of the measuring current and the incident described above. Another advantage is that the magnetizing current generated magnetic field is exposed and the bias current in the magnetoresistive magnet does not produce an interference signal due to the magnetic field film generated by the bias current, which is controlled by the contacts being alternately controlled in both saturation directions, superimposed on the magnetic film output pulses, whereby the magnetic field comparator is a magnetic film with a verio. This also has the advantage that the bias magnet is equal to the length and width of a very small thickness, so that the current does not have to obey a constant function, but is characterized in that the magnetic film (48) is made of ferromagneti - which can be, for example, a step-shaped signal.

there is a magnetoresistive material and contacts (50). Below are some exemplary embodiments of those for connecting a current or voltage source. Invention explained with reference to the drawings. Show it :

2. transducer according to claim 1, characterized in FIG. 1 a transducer in side view,

that the magnetic film (48) is meandering. 2 parts of the transducer of FIG. 1 in plan view,

3. transducer according to claim 1, characterized in FIGS. 3 and 4 variants of FIG. 2,

that the magnetic film (48) is coated with oblique tapes (51) made of electrical FIGS. 5 and 6 further transducers in the side view and trisch conductive material. FIG. 7 shows a part of the transducer according to FIG

4. Transducer according to claim 1, characterized in 20 plan view.

that the magnetic film (48) with a magnetic layer (52) magne- In Fig. 1, 41 means a magnetic core made of ferromagnetic

table is coupled, which is thicker than the magnetic film (48). material, the magnetic circuit of which is between two pole

5. Transducer according to one of claims 1 to 4, thereby includes 42 lying air gap 43, the pole area being characterized in that the magnetic film (48) together with a surface 44 of the pole pieces 42 lie in a common plane, or several resistors a voltage divider or a 25 The magnetic core 41 encloses a measuring conductor bridge-shaped pliers. 45, which carries the current to be measured Im. Furthermore, the

6. A measuring transducer according to one of claims 1 to 5, characterized in that the magnetic core 41 has a bias winding 46, which is characterized in that the bias current does not obey a function, for example a triangular bias-continuous function. flows through Iv.

30 The parts of the transducer described below are drawn in an exploded view in FIG. 1 for the sake of clarity. A magnetic film 48 made of ferromagnetic magnetoresistive is located on a non-magnetic, electrically insulating substrate 47