CH651701A5

CH651701A5 - Kompensierter messwandler.

Info

Publication number: CH651701A5
Application number: CH9568/80A
Authority: CH
Inventors: Heinz Lienhard; Jan Petr
Original assignee: Landis & Gyr Ag
Priority date: 1980-12-24
Filing date: 1980-12-24
Publication date: 1985-09-30
Also published as: DE3133908C2; DE3133908A1; US4596950A

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kompensierten Mess wandler der genannten Art zu schaffen, der 5 einfacher ist, keinen magnetischen Kern aufweist und sich trotzdem durch eine hohe Messgenauigkeit auszeichnet.

Bei einem kompensierten Messwandler mit einer Halleffekt-Sonde kann der magnetische Kern nicht ohne weiteres weggelassen werden, weil die zu messenden Magnetfelder io senkrecht zur Hauptebene der plättchenförmigen Halleffekt-Sonden eingekoppelt werden müssen, was infolge der ohnehin geringen Empfindlichkeit der Halleffekt-Sonde nur mittels eines magnetischen Kerns mit genügender Effizienz möglich ist.

15 Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Massnahmen.

Elektrische Brücken aus magnetoresistiven Dünnfilmen zur Messung eines von einem Strom erzeugten Magnetfeldes sind zwar an sich bekannt (IEEE Transactions on Magnetics, Nov. 1976, Seiten 813-815). Ferner ist es bekannt (DE-AS 23 44 508), mittels eines ferromagnetischen Dünnfilms ein Magnetfeld zu messen und dabei mit einer Kompensationsspule das zu messende Magnetfeld durch ein regelbares und bekanntes Magnetfeld zu kompensieren; hierbei wird jedoch 25 nicht der magnetoresistive Effekt des Dünnfilms ausgenützt, sondern ein induziertes elektrisches Signal analysiert.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild eines Messwandlers,

3o Fig. 2 Teile eines Messwandlers in perspektivischer Darstellung,

Fig. 3 ein Schaltbild einer Brücke,

Fig. 4 und 5 Varianten einer Brücke und

Fig. 6 und 7 Schaltbilder von Varianten des Messwand-35 lers.

In der Fig. 1 bedeuten 1 bis 4 vier ferromagnetische magnetoresistive Dünnfilme, die eine elektrische Brücke 5 bilden. Diese Brücke 5 ist aus einer Strom- oder Spannungsquelle 6 gespeist, stellt eine Magnetfeldsonde mit Ausgangs-"to klemmen 7, 8 dar und ist einem magnetischen Aussenfeid Ha ausgesetzt. Ein in einem Messleiter 9 fliessender Messstrom Im erzeugt ein Messmagnetfeld Hm, und ein in einem Kompensationsstromleiter 10 fliessender Kompensationsstrom Ih erzeugt ein dem Messmagnetfeld Hm entgegengerichtetes 45 Kompensationsmagnetfeld Hh, so dass Ha= Hm — Hh ist. Die an den Ausgangsklemmen 7, 8 entstehende Brückenspannung Ub ist auf den Eingang eines Differenzverstärkers 11 geschaltet, welcher ausgangsseitig mit dem Kompensationsstromleiter 10 verbunden ist und den Kompensationsstrom Ih treibt, so Über einem in den Kompensationsstromkreis geschalteten Widerstand 12 fällt eine Ausgangsspannung Ua ab, die zum Kompensationsstrom Ih proportional ist. Infolge der Wirkung der aus der Brücke 5, dem Differenzverstärker 11 und dem Kompensationsstromleiter 10 bestehenden Regelschleife stellt ss sich der Kompensationsstrom Ih so ein, dass das magnetische Aussenfeid Ha praktisch verschwindet und Ih = Im ist.

In der nicht massstäblich gezeichneten Fig. 2 liegen die Dünnfilme 1 und 4 in einer ersten gemeinsamen Ebene und die Dünnfilme 2 und 3 in einer zweiten, zur ersten Ebene so parallelen Ebene. Der Dünnfilm 1 befindet sich deckungsgleich über dem Dünnfilm 2 und der Dünnfilm 4 deckungsgleich über dem Dünnfilm 3. Die Dünnfilme 1, 2 sowie die Dünnfilme 4,3 sind gleich dick und bilden je ein Dünnfilmpaar, d.h. sie sind magnetostatisch miteinander gekoppelt und 65 daher in sehr geringem Abstand, durch eine nicht gezeichnete Schicht voneinander isoliert, übereinander angeordnet. Der Messstrom Im im Messleiter 9 und der Kompensationsstrom Ih im Kompensationsstromleiter 10 fliessen in Richtung der

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leichten Magnetachse EA der Dünnfilme 1 bis 4. Als Messleiter 9 und als Kompensationsstromleiter 10 dienen vorteilhaft flache Leiterbahnen oder Flachspulen, wobei die Brücke 5 in einer Zone angeordnet ist, in welcher sowohl der Messstrom Im als auch der Kompensationsstrom Ih ein homogenes Magnetfeld Hm bzw. Hh erzeugen, welche die Dünnfilme 1 bis

4 in Richtung ihrer harten Magnetachse HA magnetisieren. Da die Dünnfilme 1 bis 4, der Messleiter 9 und der Kompensationsstromleiter 10 in zueinander parallelen 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 der Magnetfelder Hm und Hh in die Dünnfilme 1 bis 4 erfolgt trotzdem mit hoher Effizienz.

In der Fig. 3 sind die Dünnfilme 2 und 3 gestrichelt gezeichnet, um anzudeuten, dass sie unter dem Dünnfilm 1 bzw. 4 liegen. Die beiden in der Zeichnung hinteren Enden der Dünnfilme 1, 2 und die beiden vorderen Enden der Dünnfilme 3,4 sind an die Spannungs- oder Stromquelle 6 (Fig. 1) angeschlossen, welche einen Strom In in die Brücke 5 einspeist. Das vordere Ende des Dünnfilms 2 sowie das hintere Ende des Dünnfilms 4 sind mit der Ausgangsklemme 7 und das vordere Ende des Dünnfilms 1 sowie das hintere Ende des Dünnfilms 3 mit der Ausgangsklemme 8 der Brücke

5 verbunden.

Der im Dünnfilm 2 fliessende Strom '/2l0 erzeugt im Dünnfilm 1 ein in der Zeichnung nach links gerichtetes magnetisches Hilfsfeld + Hb, wodurch der Magnetisierungsvektor M im Dünnfilm 1 im Gegenuhrzeigersinn um einen bestimmten Winkel aus der leichten Magnetachse EA herausgedreht wird. Analog entsteht durch den im Dünnfilm 3 fliessenden Strom Viln im Dünnfilm 4 ein Hilfsfeld + Hb und eine Drehung des Magnetisierungsvektors M im Gegenuhrzeigersinn. Der im Dünnfilm 1 bzw. 4 fliessende Strom Vil0 bewirkt im Dünnfilm 2 bzw. 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 im 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 verschieden vormagnetisierten Dünnfilmen 1 bis 4 unterschiedlich, und es entsteht eine Brückenspannung Ub, die ein weitgehend lineares Abbild des Aussenfeides Ha darstellt.

Innerhalb des zulässigen Aussteuerungsbereichs, der dadurch begrenzt ist, dass jeweils ein Dünnfilm der Dünnfilmpaare 1, 2 und 3,4 gesättigt wird, gilt

Dabei bedeuten:

AR die maximale Widerstandsänderung der Dünnfilme, y = N • Ms/Hk einen normierten Entmagnetisierungsfaktor, Y12 = N|2 • Ms/Hk einen normierten Kopplungsfaktor,

N den Entmagnetisierungsfaktor in den Dünnfilmen, N12 die gegenseitige Beeinflussung der Dünnfilme eines

Dünnfilmpaares,

Ms die Sättigungsmagnetisierung,

Hk die Anisotropiefeldstärke,

hb = Hb/Hk und ha = Ha/Hk

Infolge des beschriebenen Nullabgleichs des Aussenfel-des Ha wird die Linearität des beschriebenen Messwandlers durch allfällige Linearitätsfehler der Brücke 5 nicht beeinträchtigt.

Bei den Ansprüchen nach den Fig. 4 und 5 werden die Hilfsfelder Hb unabhängig vom Strom I0 erzeugt. Die Dünnfilme 1 bis 4 liegen in einer gemeinsamen Ebene, weshalb die Dünnfilme 2 und 3 mit nicht unterbrochenen Linien gezeichnet sind. Die elektrischen Verbindungen der Dünnfilme 1 bis 4 entsprechen jenen der Fig. 3, sind aber der besseren Übersichtlichkeit halber in den Fig. 4 und 5 nicht dargestellt.

Gemäss der Fig. 4 erfolgt die Erzeugung der Hilfsfelder Hb mittels einer Leiterschleife 30, die dicht unter den Dünnfilmen 1 bis 4 angeordnet und von diesen isoliert ist und von einem Hilfsstrom Ib durchflössen wird. Bei der Anordnung nach Fig. 5 ist dicht unterhalb jedes Dünnfilms 1 bis 4 eine von diesem isolierte permanentmagnetische Schicht 13 bis 16 angeordnet, welche das Hilfsfeld Hb in den zugehörigen Dünnfilm einkoppelt. In beiden Fällen ist y 12 = 0.

Zur Unterdrückung von Offsetspannungen der Brücke 5 und des Verstärkerkreises ist in der Fig. 6 die Brücke 5 aus einer Wechselspannungs- oder Wechselstromquelle 17 mit z.B. rechteckförmigem oder sinusförmigem Kurvenverlauf gespeist. An die Ausgangsklemmen 7, 8 der Brücke 5 ist ein Wechselspannungs-Differenzverstärker 18 angeschlossen, welchem ein Synchrondetektor 19, ein Filter 20 und ein den Kompensationsstrom Ih treibender Verstärker 21 nachgeschaltet sind. Der Synchrondetektor 19 polt die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 18 im Takt des alternierenden Stromes Io um. Am Ausgang des Filters 20 entsteht ein zum magnetischen Aussenfeid Ha proportionales, von Offsetfehlern befreites elektrisches Signal. Der gestrichelt gezeichnete Synchrondetektor 19 ist nur erforderlich, wenn die Brücke 5 gemäss Fig. 4 oder 5 ausgebildet ist, d.h. wenn die Hilfsfelder Hb unabhängig vom Strom I() erzeugt werden. Werden hingegen die Hilfsfelder Hb gemäss der Fig. 2 und 3 mittels des Stromes I0 erzeugt, so kann der Synchrondetektor 19 weggelassen werden, weil bei einem Vorzeichenwechsel des Stromes I0 auch die Hilfsfelder Hb ihre Richtung umkehren und daher, wie aus Gleichung (1) ersichtlich ist, die Brückenspannung Ub ihr Vorzeichen nicht wechselt.

Die beschriebene Wechselstromspeisung der Brücke 5 bewirkt (sofern die Brücke 5 nicht gemäss den Fig. 2 und 3 ausgebildet und mit einem rechteckförmigen Wechselstrom gespeist ist) eine Modulation der Brückenspannung Ub. Dies gestattet, als Wechselspannungs-Differenzverstärker 18 einen schmalbandigen frequenzselektiven Verstärker einzusetzen, wodurch eine grosse Verstärkung bei gutem Signal/Stör-Verhältnis erzielt werden kann. Wird die Brücke 5 gemäss der Fig. 4 ausgebildet, so kann die Modulation der Brückenspannung Ub auch dadurch erfolgen, dass der Hilfsstrom Ib ein alternierender Wechselstrom und somit das Hilfsfeld Hb ein alternierendes Wechselfeld ist.

Wird die Brücke 5 in der Schaltungsanordnung nach der Fig. 6 gemäss den Fig. 2 und 3 ausgebildet, so alternieren der Strom I(l und die Hilfsfelder Hb mit der gleichen Frequenz f0. Da die Brückenspannung Ub sowohl zum Strom 10 als auch zum Hilfsfeld Hb proportional ist, enthält die Brückenspannung Ub eine Komponente der Frequenz 2f0. Somit kann im Differenzverstärker 18 die Komponente der Frequenz 2f0 frequenzselektiv verstärkt und ein Übersprechen der Frequenz f0 wirksam verhindert werden. Dieses Prinzip lässt sich auch bei der Ausbildung der Brücke 5 gemäss der Fig. 4 anwenden, indem der Hilfsstrom Ib und der Speisestrom I0 der Brücke mit der Frequenz f0 alternieren.

Die Dynamik des beschriebenen Messwandlers ist durch den zulässigen Aussteuerungsbereich der Brücke 5 begrenzt. Übersteigt das magnetische Aussenfeid Ha beispielsweise

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beim Einschalten der Speisespannung oder infolge von Störimpulsen einen vorgegebenen Wert, so gelangen die Dünnfilme 1 bis 4 in die Sättigung und die Regelschleife kann nicht mehr ordnungsgemäss arbeiten. Anhand der Fig. 7 wird gezeigt, wie dies vermieden und der Dynamikbereich vergrös-sert werden kann.

Der Messwandler nach Fig. 7 enthält neben der Brücke 5 noch eine weitere, gleichartige Brücke 22, die gleich aufgebaut ist wie die Brücke 5, jedoch einen grösseren Aussteuerungsbereich und eine kleinere Empfindlichkeit aufweist. Der Aussteuerungsbereich der Brücke 5 beträgt beispielsweise ±5 Oersted und jener der Brücke 22 z.B. ± 50 Oersted. Ein Umschalter 23 schaltet in der einen Schalterstellung den Ausgang der Brücke 5 über einen Differenzverstärker 24 auf den Eingang eines Verstärkers 25 und in der zweiten Schalterstellung den Ausgang der Brücke 22 über einen Differenzverstärker 26 auf den Eingang des Verstärkers 25. Der Verstärkungsfaktor der Differenzverstärker 24, 26 ist konstant. Der Verstärker 25 treibt den Kompensationsstrom ^ und weist daher einen hohen Verstärkungsfaktor auf. Der Ausgang der Brücke 22 ist über den Differenzverstärker 26, einen Gleichrichter 27, ein Filter 28 und einen Schwellenschalter 29 an einen Steuereingang des Umschalters 23 angeschlossen.

Beim ordnungsgemässen Betrieb des Messwandlers befindet sich der Umschalter 23 in der gezeichneten Stellung und die Regelschleife wird über die empfindliche Brücke 5, den Differenzverstärker 24 und den Verstärker 25 geschlossen. Solange diese Regelschleife die Änderungen des durch den Messstrom Im erzeugten Messmagnetfeldes Hm ausgleichen kann, bleibt das Aussenfeid Ha sehr klein. Die Brücke 5 arbeitet dabei im linearen Bereich.

Beim Einschalten der Speisespannung oder beim Auftreten von Störspitzen ist es möglich, dass das Aussenfeid Ha den Aussteuerungsbereich der Brücke 5 übersteigt und diese gesättigt wird, so dass die Regelschleife über die empfindliche Brücke 5 nicht funktionsfähig ist. In diesem Fall wird jedoch das Ausgangssignal des als Absolutwertbildner arbeitenden Gleichrichters 27 so gross, dass der Schwellenschalter 29 anspricht, der Umschalter 23 umschaltet und die Regelschleife über die weniger empfindliche Brücke 22 5 geschlossen wird. Sobald das Aussenfeid Ha wieder klein genug und die Ausgangsspannung des Filters 28 den unteren Schwellenwert des Schwellenwertschalters 29 unterschreitet, übernimmt wieder die Brücke 5 die Regelfunktion.

Die anhand der Fig. 6 erläuterte Wechselstromspeisung io und Wechselstromverstärkung wird vorteilhaft auch bei den Brücken 5 und 22 bzw. den Verstärkern 24 und 26 der Fig. 7 angewandt.

Zur Vergrösserung des Dynamikbereichs ist es auch möglich, mittels eines Magnetfeld-Nullindikators den jeweiligen 15 Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Messmagnetfeldes Hm zu erfassen. Bei ordnungsgemäss arbeitender Regelschleife ist bei Im = 0 auch Ih « 0. Nach einer Übersteuerung der Brücke 5 ist jedoch diese Bedingung nicht mehr erfüllt. Übersteigt der Kompensationsstrom Ih zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs 20 des Messmagnetfeldes Hro einen vorgegebenen Betrag, so kann mittels einer Logikschaltung auf die Regelschleife so eingewirkt werden, dass der Kompensationsstrom Ih kurzzeitig verschwindet, wodurch das magnetische Aussenfeid Ha unter die Aussteuerungsgrenze der Brücke 5 sinkt und die 25 Schaltung danach wieder im Einfangbereich der Regelschleife arbeitet. Als Magnetfeld-Nullindikator kann ebenfalls ein magnetoresitiver Dünnfilm eingesetzt werden.

Der beschriebene magnetkernlose Messwandler liefert bei galvanischer Trennung ein genaues lineares Abbild des Mess-3o stromes Im und ist zur Messung von Wechsel- und Gleichströmen geeignet. Die Dünnfilme 1 bis 4 der Brücken 5 und 22, die elektronischen Komponenten und der gegebenenfalls als Dünnfilmspule ausgebildete Kompensationsstromleiter 10 lassen sich in integrierter Schaltungstechnik herstellen und 35 auf einem einzigen Halbleiterplättchen vereinigen.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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(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) durch magnetkernlose Kopplung dem Messmagnetfeld (Hm) sowie dem Kompensationsmagnetfeld (Hh) soiausge-setzt sind, dass sie durch diese beiden Magnetfelder (Hm; Hh) in Richtung ihrer harten Magnetachse (HA) magnetisierbar sind.

1. Kompensierter Messwandler zur Bildung eines linearen Abbildes eines in einem Messleiter fliessenden Messstromes, mit einer Magnetfeldsonde, die dem vom Messstrom erzeugten Messmagnetfeld sowie einem diesem entgegengerichteten Kompensationsmagnetfeld ausgesetzt ist und deren Ausgang über einen elektronischen Verstärkerkreis mit einem das Kompensationsmagnetfeld erzeugenden Kompensationsstromleiter gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsonde eine aus vier ferromagnetischen magnetore-sistiven Dünnfilmen (1 bis 4) bestehende, aus einer Stromoder Spannungsquelle (6; 17) gespeiste elektrische Brücke (5) ist, dass an jeden Dünnfilm (1 bis 4) in Richtung der harten Magnetachse (HA) ein magnetisches Hilfsfeld (Hb) so angelegt ist, dass die Magnetisierung (M) in jedem Dünnfilm
2. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite, gleichartige Brücke (22) vorgesehen ist, deren Empfindlichkeit geringer ist als jene der ersten Brücke (5), dass der Ausgang der ersten Brücke und der Ausgang der zweiten Brücke über einen Umschalter (23) an den Verstärkerkreis (24; 25; 26) anschaltbar sind und dass der Ausgang der zweiten Brücke (22) über einen Absolutwertbildner (27) an einen Steuereingang des Umschalters (23) angeschlossen ist.

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PATENTANSPRÜCHE
3. Messwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (5 ; 22) mit einer Wechselspannung oder einem Wechselstrom gespeist ist.
4. Messwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brücke (5; 22) an einen Wechselspannungs-Dif-ferenzverstärker (18) angeschlossen ist, welchem ein Synchrondetektor (19) und ein Filter (20) nachgeschaltet sind.
5. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsfeld (Hb) ein alternierendes Wechselfeld ist und dass die Brücke (5 ; 22) an einen Wechselspannungs-Differenzverstärker (18) angeschlossen ist, welchem ein Synchrondetektor (19) und ein Filter (20) nachgeschaltet sind.
6. Messwandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselspannungs-Differenzverstärker (18) ein schmalbandiger frequenzselektiver Verstärker ist.
7. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnfilme (1 bis 4) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und dass zur Erzeugung der Hilfsfelder (Hb) eine stromdurchfiossene Leiterschleife (30) vorgesehen ist.
8. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, dass die Dünnfilme ( 1 bis 4) in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und dass zur Erzeugung der Hilfsfelder (Hb) permanentmagnetische Schichten (13 bis 16) vorgesehen sind.

Es ist ein kompensierter Messwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bekannt (DE-AS 26 21 302), bei dem der Messleiter und der Kompensationsstromleiter als Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators ausgebildet und auf einem magnetischen Kern angeordnet sind. Als

Magnetfeldsonde dient eine Halleffekt-Sonde, die sich in einem Luftspalt des magnetischen Kerns befindet.