DE1935238A1

DE1935238A1 - multiplier

Info

Publication number: DE1935238A1
Application number: DE19691935238
Authority: DE
Inventors: Hans Hieronymus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-07-11
Filing date: 1969-07-11
Publication date: 1971-01-14

Description

Multiplikator Die Erfindung betrifft einen Multiplikator mit zwei magnetfeldabhängigen Widerständen, die in einer Widerstandsbrücke angeordnet sind, wobei jeder magnetfeldabhängige Widerstand einer vormagnetisierenden Induktion Bo und einer veränderlichen magnetischen Induktion B ausgesetzt ist, die bezüglich der magnetfeldabhängigen Widerstände entgegengesetzt gerichtet ist.Multiplier The invention relates to a multiplier by two magnetic field-dependent resistors, which are arranged in a resistor bridge, where each magnetic field-dependent resistance of a pre-magnetizing induction Bo and is subjected to a variable magnetic induction B related to of the magnetic field-dependent resistances is directed in the opposite direction.

Signalgeber, deren Signalspannung das Produkt zweier elektrischer Größen ist, und bei denen die elektrische Multiplikation mit hoher Genauigkeit erfolgt, sind bekannt und werden als Multiplikatoren bezeichnet. Sie werden in der Steuer- und Regeltechnik und für Meßzwecke verwendet. Beispielsweise lassen sie sich in kWh-Zählern einsetzen.Signaling devices whose signal voltage is the product of two electrical Quantities, and for which the electrical multiplication takes place with high accuracy, are known and are called multipliers. You will be in the tax and control technology and used for measurement purposes. For example, they can be used in Use kWh meters.

Die Multiplikatoren müssen möglichst temperaturstabil sein. Bekannt ist es, beispielsweise auch zur Kompensation des Temperaturfehlers des eingangs genannten, vorgeschlagenen Multiplikators, zusätzliche aufwendige temperaturabhängige Bauelemente zu verwenden.The multipliers must be as temperature-stable as possible. Known it is, for example, also to compensate for the temperature error of the input mentioned, proposed multiplier, additional complex temperature-dependent To use components.

Es besteht die Aufgabe, bei Multiplikatoren der eingangs genannten Art Temperaturfehler mit einfachen Mitteln zu kompensieren.There is the task of multipliers of the aforementioned Kind of compensating temperature errors with simple means.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Widerstandswert der Vergleichswiderstände temperaturabhängig ist und an Bo und das Temperaturverhalten der magnetfeldabhängigen Widerstände angepaßt ist.According to the invention this object is achieved in that the resistance value the comparison resistance is temperature-dependent and on Bo and the temperature behavior the magnetic field-dependent resistances is adapted.

Vorzugsweise ist bei Vergleichswiderständen mit gleichem Widerstandswert.R für B < < BO der Widerstandswert R gegeben durch: worin RO der Grundwiderstand, S die Steilheit und ß der Faktor der Widerstandsänderung der magnetfeldabhängigen Widerstände im Arbeitspunkt Bo und #ß, a s und # R Änderungen von ß, S und R bei einer Temperaturänderung dT sind.For comparison resistors with the same resistance value.R for B <<BO, the resistance value R is preferably given by: where RO is the basic resistance, S is the steepness and ß is the factor of the change in resistance of the magnetic field-dependent resistances at the operating point Bo and # ß, as and # R are changes of ß, S and R with a temperature change dT.

Bei dem erfindungsgemäßen Multiplikator wird durch die Anpassung des Widerstandswertes R der Vergleichswiderstände der Temperaturgang der Signalspannung kompensiert. An die Vergleichswiderstände sind weiter keine besonderen Forderungen zu stellen. Als Vergleichswiderstand können Drahtwiderstände mit positivem Temperaturkoeffizienten benutzt werden.In the case of the multiplier according to the invention, by adapting the Resistance value R of the comparison resistances the temperature response of the signal voltage compensated. Furthermore, there are no special requirements for the comparison resistors to deliver. Wirewound resistors with a positive temperature coefficient can be used as a reference resistor to be used.

Vorteilhaft ist es, zur Yormagnetisierung einen Dauermagneten mit negativem Temperaturkoeffizienten vorzusehen und mit Bo einen Arbeitspunkt zu wählen, in dem bei abnehmendem Bo die Signalspannung Us zunimmt. Durch diese Anpassung des Arbeitspunktes ist eine zusätzliche Möglichkeit zur Kompensation von Temperaturfehlern gegeben, die vorzugsweise eingesetzt wird, wenn die Widerstandsbrücke mit konstanter Spannung und einem Vorwiderstand, d.h. mit halb eingeprägtem Strom,betrieben wird.It is advantageous to use a permanent magnet for Yormagnetization to provide a negative temperature coefficient and to select an operating point with Bo, in which the signal voltage Us increases with decreasing Bo. By adapting the Operating point is an additional option to compensate for temperature errors given, which is preferably used when the resistance bridge with constant Voltage and a series resistor, i.e. with half-impressed current.

Vorzugsweise wird mit BO ein Arbeitspunkt gewählt, für den ß > 2 gilt. Als Dauermagnetwerkstoff kann ein Ferrit vorgesehen sein.A working point is preferably selected with BO for which ß> 2 applies. A ferrite can be provided as the permanent magnet material.

Das Material der magnetfeldabhängigen Widerstände kann InSb, insbesondere mit Einschlüssen einer gutleitenden zweiten Phase, wie NiSb, sein. Solche magnetfeldabhängigen Widerstände, die auch als Feldplatten bezeichnet werden, sind bekannt und handelsüblich. Sie brauchen nicht näher beschrieben zu werden.The material of the magnetic field-dependent resistors can be InSb, in particular with inclusions of a highly conductive second phase such as NiSb. Such magnetic field-dependent Resistors, which are also referred to as field plates, are known and commercially available. They do not need to be described in more detail.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung an Hand der Fig.1 bis 5 beispielhaft näher beschrieben. In den Figuren sind identische Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In the following, the device according to the invention is illustrated with reference to FIG to 5 described in more detail by way of example. There are identical components in the figures provided with the same reference numerals.

In Fig.1 ist das Schaltbild eines erfindungsgemäßen Multiplikators dargestellt.In Fig.1 is the circuit diagram of a multiplier according to the invention shown.

Die magnetfeldabhängigen Widerstände (Feldplatten) 1 und 2 sind mit den Vergleichewiderständen 3 und 4 zu einer Widerstandsbrücke zusammengefaßt. Über die Klemmen 5 und den Vorwiderstand 6 wird die Widerstandsbrücke mit dem Strom I beaufschlagt. Die Signalspannung US ist Uber die Klemmen 7 abnehmbar. Auf die magnetfeldabhängigen Widerstände 1 und 2 wirkt eine konstante Induktion BO ein, die die Feldplatten 1 und 2 vormagnetisiert.The magnetic field-dependent resistances (field plates) 1 and 2 are with the comparison resistors 3 and 4 combined to form a resistor bridge. Above the terminals 5 and the series resistor 6 becomes the resistor bridge with the current I. applied. The signal voltage US can be removed via the terminals 7. On the magnetic field dependent A constant induction BO acts on resistors 1 and 2, which the field plates 1 and 2 premagnetized.

In Fig.1 wird die magnetische Induktion Bo durch Dauermagnete 8 erzeugt. Die Induktion Bo kann auch mit einer stromdurchflossenen Spule erzeugt werden. Mit den Spulen 9a und 9b, die Uber die Klemmen 10 und 11 mit dem Strom I1 beaufschlagt sind, wird eine veränderliche magnetische Induktion B erzeugt, wobei die Induktion B für die Feldplatte 1 entgegengesetzt zur Induktion B fUr die Feldplatte 2 gerichtet ist.In FIG. 1, the magnetic induction Bo is generated by permanent magnets 8. The induction Bo can also be generated with a current-carrying coil. With the coils 9a and 9b to which the current I1 is applied via the terminals 10 and 11 a variable magnetic induction B is generated, the induction B for the field plate 1 is directed opposite to the induction B for the field plate 2 is.

Für die magnetfeldabhängigen Widerstände 1 und 2 gilt: R1,2 = RO (KO + K1B1,2 + K2B1,2²) mit = BO + B B2 = = Bo - B Eo K1 und K2 sind Stoffkonstante, die temperaturabhängig sind.The following applies to the resistors 1 and 2, which are dependent on the magnetic field: R1,2 = RO (KO + K1B1,2 + K2B1,2²) with = BO + B B2 = = Bo - B Eo K1 and K2 are material constants, which are temperature dependent.

Ist der Widerstandswert der Vergleichswiderstände 3 und 4 gleich groß (R3 = R4 = R), so erhält man für die Signalspannung US bei eingeprägtem Strom I: worin S = K1 + 2K2 K Bo die Steilheit #R1,24B des Feldplattenwiderstandes im Arbeitspunkt BO und ß = KO + K1 . BO + K2BO² der Faktor der Widerstandsänderung im Arbeitspunkt BO, d.h. das Verhältnis des Feldplattenwiderstandes R1,2 im Magnetfeld BO zum Widerstand RO im Magnetfeld B = O bei Bezugstemperatur, ist. Bei kleiner Aussteuerung, d.h. unter der Annahme B < < BO, kann in (2) K2 . B² gegen ß vernachlässigt werden und (2) vereinfacht sich zu@ Man erhält also eine lineare Beziehung zwischen der Signalspannung US und dem Produkt aus I und B, wobei I . B dem Produkt aus 1 und I1 proportional ist. Der Proportionalitätsfaktor K ist jedoch temperaturabhängig, da bei Feldplatten die Steilheit S immer stärker temperaturabhängig ist als der Faktor der Widerstandsänderung ist zwar schwächer teiperaturabhängig als' S oder ß allein, aber die Temperaturabhängigkeit bedingt noch einen unzulässigen Temperaturgang der Signalspannung US des Multiplikators. Beispielsweise erhält man bei handelsüblichen Feldplatten bei einer Erwärmung von 25°C auf 65°C und einem Vormagnetisierungsfeld BO = 5000 G eine Änderung der Steilheit von: # S/S = -30% und eine Änderung des Faktors ß von: #ß/ß = -25%. Aus (3) ergibt sich damit ein Temperaturfehler der Signalspannung von # US/US = -13,2% bei einem Verhältnis R/RO = 1.If the resistance value of the comparison resistors 3 and 4 is the same (R3 = R4 = R), the following is obtained for the signal voltage US with an impressed current I: where S = K1 + 2K2 K Bo is the slope # R1,24B of the field plate resistance at the operating point BO and β = KO + K1. BO + K2BO² is the factor of the change in resistance at the operating point BO, ie the ratio of the field plate resistance R1,2 in the magnetic field BO to the resistance RO in the magnetic field B = O at the reference temperature. With a small modulation, ie assuming B <<BO, in (2) K2. B² can be neglected against ß and (2) simplifies to @ A linear relationship is thus obtained between the signal voltage US and the product of I and B, where I. B is proportional to the product of 1 and I1. The proportionality factor K, however, is temperature-dependent, since in field plates the slope S is always more temperature-dependent than the factor of the change in resistance is less dependent on temperature than 'S or ß alone, but the temperature dependence still causes an impermissible temperature response of the signal voltage US of the multiplier. For example, with commercially available field plates, when heated from 25 ° C. to 65 ° C. and a bias field BO = 5000 G, a change in the slope of: # S / S = -30% and a change in the factor ß of: # ß / ß = -25%. From (3) a temperature error of the signal voltage of # US / US = -13.2% with a ratio R / RO = 1 results.

Der Proportionalitätsfaktor K wird praktisch temperaturunabgängig, falls das Widerstandsverhältnis R/Ro richtig gewählt wird und die Vergleichswiderstände 3 und 4 mit richtigem Vorzeichen temperaturabhängig sind. Erhält man bei einer Temperaturänderung # T = T1 - T2 die Widerstandsänderung # R, die Änderung # S der Steilheit und die Änderung # ß des Faktors ß so läßt sich aus (3) das Verhältnis R/RO bestimmen, für das K wenigstens in T1 und T2 und näherungsweise in kleinen Temperaturbereichen # T temperaturunabhängig wird: wobei fUr die relative Widerstandsänderung d R gilt: #R/R = 1 + α #T und α der Temperaturkoeffizient des Widerstandes R ist. Zur Temperaturkompensation wird daher vorzugsweise ein Widerstandsverhältnis R gewählt, das dem mit (4) errech-RO neten ungefähr entspricht.The proportionality factor K is practically temperature-independent if the resistance ratio R / Ro is chosen correctly and the comparison resistances 3 and 4 are temperature-dependent with the correct sign. If the change in resistance # R, the change # S in the slope and the change # ß in the factor ß are obtained for a temperature change # T = T1 - T2, the ratio R / RO can be determined from (3), for the K at least in T1 and T2 and approximately in small temperature ranges # T becomes independent of temperature: where for the relative change in resistance d R applies: # R / R = 1 + α #T and α is the temperature coefficient of the resistance R. For temperature compensation, a resistance ratio R is therefore preferably chosen that approximately corresponds to the RO calculated with (4).

Für das oben angegebene Beispiel sind Vergleichswiderstände 3 und 4 mit positiven Temperaturkoeffizienten geeignet. Beispielsweise lassen sich Metalldráhtwiderstände aus Nickel, Eisen usw. verwenden. Mit Nickel-Drahtwiderständen als Vergleichswiderstände, deren Temperaturkoeffizient α = 6 . 10-3/°C ist, ergibt sich für das angeführte Beispiel ein Widerstandsverhältnis von R/RO = 1,1. Für dieses Widerstandsverhältnis tritt zumindest im Temperaturbereich zwischen 25 und 65°C ein Temperaturgang der Signalspannung US praktisch nicht mehr auf.For the example given above, comparison resistors are 3 and 4 suitable with positive temperature coefficients. For example, metal wire resistors can be used made of nickel, iron, etc. use. With nickel wire resistors as comparison resistors, whose temperature coefficient α = 6. 10-3 / ° C results for the above Example a resistance ratio of R / RO = 1.1. For this drag ratio occurs at least in the temperature range between 25 and 65 ° C Signal voltage US practically no longer occurs.

Der Gleichung (3) ist zu entnehmen, daß die Temperaturabhängigkeit des Proportionalitätsfaktors K auch durch eine entsprechende Änderung von ß und S kompensiert werden könnte. Diese Änderung läßt sich mit dem Arbeitspunkt Bo erreichen. In Fig.2 ist die mittlere Signalspannung U5 einer Widerstandsbrücke nach Fig.1 in Abhängigkeit vom Vormagnetisierungsfeld Bo dargestellt. Zur Messung wurde die Brücke mit einer Wechselspannung von 25 Veff ohne Vorwiderstand, d.h. bei eingeprägter Spannung, betrieben. Die Induktion B wurde mit einem Wechselstrom gleicher Frequenz erzeugt und betrug 1 kG Spitzenwert. Aus der Kurve 12 ist ersichtlich, daß bei einem Arbeitspunkt Bo der größer als 3 kG ist, die Signalspannung US bei abnehmendem Bo eunimmt. Mit einer Induktion BO, die temperaturabhängig ist, läßt sich daher der Temperaturgang des Proportionalitätsfaktors K und damit der Signalspannung US bei richtiger Anpassung des Arbeitspunktes Bo kompensieren. Eine Induktion Bo mit einem negativen Temperaturkoeffizienten erzeugen alle Dauermagnete. Als Dauermagnetwerkstoff sind Ferrite, beispielsweise Bariumferrit, Strontiumferrit usw., besonders geeignet, deren Temperaturkoffizient ungefähr 2 . 10-3/°C beträgt.From equation (3) it can be seen that the temperature dependence of the proportionality factor K by a corresponding change in ß and S could be compensated. This change can be achieved with the operating point Bo. In Figure 2, the mean signal voltage U5 of a resistor bridge according to Figure 1 is in Dependence on the bias field Bo is shown. The bridge was used for the measurement with an alternating voltage of 25 Veff without a series resistor, i.e. with impressed Voltage, operated. Induction B was with an alternating current of the same frequency and was 1 kG peak. From the curve 12 it can be seen that in one Working point Bo which is greater than 3 kG, the signal voltage US at decreasing Bo e takes. With an induction BO, which is temperature-dependent, can therefore the temperature response of the proportionality factor K and thus the signal voltage US compensate for correct adjustment of the operating point Bo. An induction Bo with all permanent magnets generate a negative temperature coefficient. As a permanent magnet material ferrites, for example barium ferrite, strontium ferrite, etc. are particularly suitable, whose temperature coefficient is approximately 2. 10-3 / ° C.

Für Feldplatten liegt das Maximum der Kurve 12 grundsätzlich bei Arbeitspunkten Bo die einen Faktor der Widerstandsänderung # = # 2 ergeben. Zur Anpassung müssen daher Arbeitspunkte Bo gewählt werden, für die/3>2 gilt.For field plates, the maximum of curve 12 is basically at operating points Bo which give a factor of the change in resistance # = # 2. Need to adjust therefore operating points Bo are chosen for which / 3> 2 applies.

In Fig.3 ist der Temperaturgang der Signalspannung Us in Abhängigkeit von der Temperatur T bei einem Vormagnetisierungsfeld Bo von 5 kG dargestellt. Die aufgezeichnete relative Signalspannung USrel. ist bezüglich der Temperatur T = 25°C normiert. Die Kurve 14 wurde mit einem Dauermagneten gemessen, dessen Werkstoff unter dem Namen "Alnico" im Handel erhältlich ist. Der Temperaturkoeffizient von "Alnico" beträgt ungefähr 2 . 10-4/°C. Zur Kompensation des Temperaturganges von US reicht dieser Dauermagnetwerkstoff nicht aus. Die Kurve 15 wurde mit einem Dauermagneten aus einem Ferrit gemessen. Der Kurve 15 ist zu entnehmen, daß über einen weiten Bereich der Temperaturfehler ungefähr 172% beträgt. Die Genauigkeit für die Signalspannung US ist damit hinreichend sichergestellt.In Figure 3, the temperature response of the signal voltage Us is dependent from the temperature T with a bias field Bo of 5 kG. the recorded relative signal voltage USrel. is with respect to the temperature T = 25 ° C normalized. The curve 14 was measured with a permanent magnet, the material of which is commercially available under the name "Alnico". The temperature coefficient of "Alnico" is around 2. 10-4 / ° C. To compensate for the temperature variation of US this permanent magnet material is not sufficient. The curve 15 was made with a permanent magnet measured from a ferrite. The curve 15 can be seen that over a wide area The temperature error range is approximately 172%. The accuracy for the signal voltage US is thus adequately ensured.

Es ist anzuführen, daß die Temperaturkompensation durch Anpassung des Arbeitspunktes Bo unter Verwendung eines Dauermagneten mit negativen Temperaturkoeffizienten vorzugsweise bei einer Brücke mit eingeprägter Spannung durchgeführt wird. Bei einer Brücke mit eingeprägtem Strom, bei der die Kompensation des Temperaturfehlers durch die Anpassung der Vergleichswiderstände R erfolgen kann, kann mit der Anpassung des Arbeitspunktes Bo eine Erweiterung des Kompensationsbereiches erreicht werden. Wird eine Brücke mit konstanter Spannung U und Vorwiderstand 6, d.h. mit halbeingeprägtem Strom I, betrieben, so lassen sich beide Kompensationsmethoden vorteilhaft kombinieren.It should be noted that the temperature compensation is through adaptation of the working point Bo using a permanent magnet with negative temperature coefficients is preferably carried out on a bridge with impressed stress. At a Bridge with impressed current, in which the compensation of the temperature error is carried out the adaptation of the comparison resistors R can be done with the adaptation of the working point Bo an expansion of the compensation range can be achieved. If a bridge with constant voltage U and series resistor 6, i.e. with a half-stamped Current I, operated, so both compensation methods can be advantageous combine.

In Fig. 4 ist der Aufbau eines erfindungsgemäßen Multiplikators dargestellt. Die Feldplatten 1 und 2 sind in den Luftspalten 16 und 17 eines Magnetjoches 18 angeordnet. Zur Vormagnetisierung ist ein Dauermagnet 8 vorgesehen. Bei dieser Vorrichtung kann die Kompensation des Temperaturganges der Signalspannung Us über die Anpassung der Vergleichswiderstände 3 und 4 und über die Anpassung des Arbeitspunktes BO mittels der Dauermagnete erfolgen.4 shows the structure of a multiplier according to the invention. The field plates 1 and 2 are in the air gaps 16 and 17 of a magnetic yoke 18 arranged. A permanent magnet 8 is provided for premagnetization. With this device can compensate for the temperature response of the signal voltage Us via the adaptation of the comparison resistors 3 and 4 and via the adaptation of the operating point BO by means of the permanent magnets.

In der Vorrichtung nach Fig.5 ist zur Vormagnetisierung ein Magnetfeld verwendet, das durch die Spule 19 erzeugt wird, die über die Klemmen 20 mit dem Strom 12 beaufschlagt ist.In the device according to FIG. 5 there is a magnetic field for the premagnetization used, which is generated by the coil 19, which is connected via the terminals 20 to the Current 12 is applied.

7 Patentansprüche 5 Figuren7 claims 5 figures

Claims

Patent claims 1. Multiplier with two magnetic field-dependent resistors, which are arranged in a resistance bridge, each magnetic field dependent Resistance of a bias induction Bo and a variable magnetic induction Induction B is exposed to the opposite with respect to the magnetic field-dependent resistances is directed, characterized in that the resistance value of the comparison resistors is temperature-dependent and at Bo and the temperature behavior of the magnetic field-dependent Resistors (1,2) is adapted.

2. Multiplier according to claim 1, characterized in that two resistors with the same resistance value R are provided as comparison resistors (3, 4) and that for B <<Bo the resistance ratio R / Ro is given by: where RO is the basic resistance, S is the steep work and ß is the factor of the change in resistance of the magnetic field-dependent resistances (1, 2) at the operating point BO and # ß, # S and # R are changes of ß, S and R with the temperature change # T.

3. Multiplier according to claim 1 or 2, characterized in that the comparison resistors (3,4) wirewound resistors with positive temperature coefficients are.

4. Multiplier according to one of claims 1 to 3, characterized in that that a permanent magnet (8) with a negative temperature coefficient for premagnetization is provided and that an operating point is selected with Bo, in which with decreasing Bo the signal voltage US increases.

5. Multiplier according to claim 4, characterized in that with BO an operating point is selected for which ß> 2 applies.

6. Multiplier according to claim 4 or 5, characterized in that a ferrite is provided as a permanent magnet material.

7. Multiplier according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the material of the magnetic field-dependent resistors (1,2) InSb, in particular with Inclusions of a highly conductive second phase such as NiSb. is.