DE2825397B1 - Messwandler zur potentialfreien Messung von Stroemen oder Spannungen - Google Patents

Description

• NiFeCr oder NiFeCo) oder höhere Legierungen. Die aktive Länge und Breite des Magnetfilms 48 entspricht den Abmessungen des Luftspalts 43 und beträgt z. B. je 1 mm. Die typische Dicke des Magnetfilms 48 liegt in der Größenordnung von 40 nm. Um extrem kleine Werte für die Dicke des Magnetfilms 48 zu vermeiden und dennoch einen für die Detektion der Widerstandsänderung geeignet hohen Widerstandswert zu erzielen, kann der Magnetfilm mäanderförmig ausgebildet sein.
• Die längsseitigen Enden des Magnetfilms 48 sind mit einer Leitschicht 49 aus Gold, Kupfer o. dgl. von beispielsweise 100 nm Dicke beschichtet, deren äußeres Ende jeweils einen Kontakt 50 aus gut leitendem Material trägt. Über den Leitschienen 49 liegen die Polflächen 44 des Magnetkerns 41 so, daß der mit den Polflächen praktisch in einer Ebene liegende Magnetfilm 48 den Luftspalt 43 überbrückt. Die magnetische Vorzugsrichtung des Magnetfilms 48 kann parallel, senkrecht oder z.B. in einem Winkel von 45" zur Richtung des Magnetfeldes im Luftspalt 43 liegen. Die Richtung des im Magnetfilm 48 fließenden Stromes, der durch eine an die Kontakte 50 angelegte Strom- oder Spannungsquelle hervorgerufen wird, ist im dargestellten Beispiel parallel zur Richtung des Magnetfeldes.
• Aus der Fig. 2 ist die Anordnung des Magnetfilms 48, der Polflächen 44, der Leitschichten 49 und der Kontakte 50 von der Seite des Magnetkerns 41 her betrachtet ersichtlich.
• Der beschriebene Meßwandler arbeitet wie folgt: Im Ruhezustand weist der Magnetfilm 48 einen konstanten ohmschen Widerstand in der Größenordnung von z. B. 100 Ohm auf. Durch den Meßstrom Imund den Vormagnetisierungsstrom In wird im Luftspalt 43 des Magnetkerns 41 ein Magnetfeld aufgebaut. Jeweils im Nulldurchgang dieses Magnetfeldes ändert der Megnetfilm 48 seinen Widerstnd sprunghaft. Wird an die Kontakte 50 eine Strom- oder Spannungsquelle angeschlossen, so äußert sich diese Widerstandsänderung in einem nadelförmigen Spannungs- oder Stromimpuls, der den Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Magnetfeldes eindeutig und mit großer Genauigkeit markiert. Da der Magnetfilm 48 bis in die Sättigung betrieben wird, ist die Höhe der Ausgangsimpulse von der Stärke des Magnetfeldes unabhängig. Ist der Momentanwert des Meßstromes 1m 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.
• 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 erzielbare Widerstandsänderung am wenigsten groß. Sie kann vergrößert werden, wenn gemäß der Fig. 3 auf die aktive Fläche des Magnetfilms 48 um 45" geneigte bzw, schräggestellte Bänder 51 aus Gold oder einem anderen elektrisch gut leitenden Material aufgetragen werden. Eine solche, »barber pole« genannte Ausbildung des Magnetfilms 48 bewirkt eine Drehung der Stromrichtung im Magnetfilm um 45".
• Wenn die magnetische Vorzugsrichtung des Magnetfilms 48 nicht parallel zur Richtung des Magnetfeldes verläuft, sondern zu dieser einen Winkel von z. B. 90" oder 45" bildet, ist eine gekreuzte Anordnung gemäß der F i g. 4 vorteilhaft. Im Vergleich zur F i g. 2 sind in der F i g. 4 der Magr etfilm 48 zusmmen mit den Leitschichten 49 und den Kontakten 50 in der Zeichenebene so gedreht, daß der Strom im Magnetfilm 48 senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes fließt 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 ferromagnetischen 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 Koppelung zwischen der Magnetschicht 52 und dem Magnetfilm 48 ergibt sich eine große Widerstandsänderung des Magnetfilms 48 im Nulldurchgang des Magnetfeldes.
• Die Magnetschicht 52 kann vorzugsweise bei einer gekreuzten Anordnung gemäß der F i g. 6 und 7 angewandt werden. Der Magnetfilm 48 befindet sich bei dieser Anordnung in gleicher Weise wie bei der gekreuzten Ausführung nach der F i g. 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.
• 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.
• Selbstverständlich kann der beschriebene, mit Kontakten versehene »magnetoresistive« Magnetfilm 48 auch bei einem Meßwandler gemäß der F i g. 11 bis 13 des Patents 27 34 729.1 eingesetzt werden, welcher keinen Magnetkern aufweist.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Meßwandler zur potentialfreien Messung von Strömen und Spannungen, mit einem den Meßstrom führenden Meßleiter, mit einer einen Vormagnetisierungsstrom führenden Vormagnetisierungswicklung und mit einem Magnetfeldkomparator, der dem vom Meßstrom sowie dem vom Vormagnetisierungsstrom erzeugten Magnetfeld ausgesetzt ist und durch das vom Vormagnetisierungsstrom erzeugte Magnetfeld abwechselnd in beide Sättigungsrichtungen gesteuert wird, wobei der Magnetfeldkomparator ein Magnetfilm mit im Vergleich zur Länge und Breite sehr geringer Dicke ist, nach Patent 2734729.1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfilm (48) aus ferromagnetischem Material mit einem magnetfeldabhängigen ohmschen Widerstand besteht und Kontakte (50) zum Anschluß einer Strom- oder Spannungsquelle aufweist.
2. 2. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfilm (48) mäanderförmig ausgebildet ist.
3. 3. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfilm (48) mit Bändern (51) aus elektrisch leitendem Material beschichtet ist, die schräg über die aktive Fläche des Magnetfilms verlaufen.
4. 4. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfilm (48) mit einer Magnetschicht (52) magnetisch gekoppelt ist, die dicker ist als der Magnetfilm (48).
5. 5. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfilm (48) zusammen mit einem oder mehreren Widerständen einen Spannungsteiler oder eine Brückenschaltung bildet.

   Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßwandler der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art. Ein solcher Meßwandler ist Gegenstand des deutschen Patents 27 34 729.1 und zeichnet sich dadurch aus, daß der Magnetfeldkomparator ein Magnetfilm mit im Vergleich zur Länge und Breite sehr geringer Dicke ist.

   Beim Nulldurchgang des durch den Vormagnetisierungsstrom und durch den Meßstrom erzeugten Magnetfeldes wird in der Vormagnetisierungswicklung bzw. in einer gesonderten Induktionswicklung ein Ausgangsimpuls induziert, der den Zeitpunkt des Magnetfeld-Nulldurchgangs eindeutig und mit großer Genauigkeit markiert. Nachteilig ist bei diesem Meßwandler, daß die Vormagnetisierungswicklung bzw.

   die Induktionswicklung, an der die Ausgangsimpulse abgegriffen werden, mit dem Meßleiter induktiv gekoppelt ist. Im Meßleiter fließende hochfrequente Störsignale werden daher induktiv auf die als Ausgangswicklung dienende Vormagnetisierungs- oder Induktionswicklung übertragen, wo sie sich den Ausgangsimpulsen überlagern. In der an den Meßwandler angeschlossenen Auswerteschaltung können solche Störsignale von den die Nulldurchgänge des Magnetfeldes markierenden Ausgangsimpulsen nicht ohne weiteres unterschieden werden. Eine Unterdrückung der Störsignale in der Auswerteschaltung ist nicht möglich, wenn das Spektrum der Störsignale gleich ist wie jenes der Ausgangsimpulse oder in dessen Nähe liegt.

   Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen Meßwandler der eingangs genanten Art zu schaffen, bei dem die Ausgangsimpulse unmittelbar am Magnetfeldkomparator abgreifbar sind und weitestgehende Unempfindlichkeit gegenüber Störsignalen im Meßleiter erreicht wird.

   Mit dem Meßwandler nach der Erfindung gemäß Anspruch 1 wird dies erreicht. Eine Änderung des Widerstandes des magnetfeldabhängigen Magnetfilms tritt nur im Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Magnetfeldes auf. Damit sich Störsignale noch auswirken können, müssen sie daher entweder in der Nähe dieses Zeitpunktes auftreten oder aber sehr stark sein, um eine Änderung der Magnetisierungsrichtung des Magnetfilms zu bewirken, was statistisch wesentlich unwahrscheinlicher ist als der oben beschriebene Störfall. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Vormagnetisierungsstrom im »magnetoresistiven« Magnetfilm kein Störsignal hervorruft, das sich den an den Kontakten des Magnetfilms abgreifbaren Ausgangsimpulsen überlagert. Daraus ergibt sich auch der Vorteil, daß der Verlauf des Vormagnetisierungsstroms keiner stetigen Funktion entsprechen muß, sondern z. B. ein treppenförmiges Signal sein kann.

   Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Meßwandler in der Seitenansicht, Fig.2 Teile des Meßwandlers nach der F i g. 1 in der Draufsicht, F i g. 3 und 4 Varianten der F i g. 2, F i g. 5 und 6 weitere Meßwandler in der Seitenansicht und Fig.7 einen Teil des Meßwandlers nach der Fig. 6 in der Draufsicht.

   In der Fig.1 bedeutet 41 einen Magnetkern aus ferromagnetischem Material, dessen Magnetkreis einen zwischen zwei Polschuhen 42 liegenden Luftspalt 43 einschließt, wobei die Polflächen 44 der Polschuhe 42 in einer gemeinsamen Ebene liegen. Der Magnetkern 41 umschließt zangenförmig einen Meßleiter 45, der den zu messenden Strom Im führt. Ferner trägt der Magnetkern 41 eine Vormagnetisierungswicklung 46, welche von einem z. B. dreieckförmigen Vormagnetisierungsstrom lvdurchflossenwird.

   Die nachfolgend beschriebenen Teile des Meßwandlers sind in der Fig. 1 der besseren Übersicht halber in auseinandergezogener Darstellung gezeichnet. Auf einem nichtmagnetischen, elektrisch isolierenden Substrat 47 befindet sich ein Magnetfilm 48 aus ferromagnetischem magnetfeldabhängigen, d. h. magnetoresistivem Material mit im Vergleich zur Länge und Breite sehr geringer Dicke. Er ist vorteilhaft magnetisch anisotrop oder uniaxial. Das Auftragen des Magnetfilms 48 auf das Substrat 47 kann nach bekannten Verfahren z. B. durch Aufdampfen im Vakuum oder galvanische Beschichtung erfolgen. Zur Formgebung können z. B. photolithographische Verfahren angewandt werden. Als solches »magnetoresistives« Material eignen sich vorzugsweise NiFe-Legierungen und daraus abgeleitete ternäre (z. B.