DE3102998C2 - Anordnung zur Messung elektrischer Leistung mit einem Multiplizierer - Google Patents
Anordnung zur Messung elektrischer Leistung mit einem MultipliziererInfo
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Abstract
Ein Multiplizierer besteht aus ferromagnetischen magnetoresistiven Dünnfilmen (1 bis 4), die eine Brücke (5) bilden. An jeden Dünnfilm (1 bis 4) ist in Richtung der harten Magnet achse ein magnetisches Hilfsfeld angelegt. Die Dünnfilme (1 bis 4) sind durch magnetkernlose Kopplung einem magnetischen Außenfeld (H ↓a) ausgesetzt, das zu einem Meßstrom (I ↓m) proportional ist. Ein zu einer Meßspannung (U ↓m) proportionaler Strom (I ↓0) speist die Brücke (5). Die Spannung (U ↓b) am Ausgang der Brücke (5) entspricht der elektrischen Leistung (U ↓m I ↓m).
Description
Spannungs/Frequenzwandlers 12.
In der nicht maßstäblich gezeichneten F i g. 2 liegen die Dünnfilme 1 bis 4 in einer gemeinsamen Ebene. Unterhalb
der Dünnfilme 1 bis 4 ist der Meßleiter 10 angeordnet Ober den Dünnfilmen 1 bis 4 und deckungsgleich
zu diesen befinden sich in einer gemeinsamen Ebene vier permanentmagnetische Schichten 14 bis 17.
Der Meßleiter 10, die Dünnfilme 1 bis 4 und die Schichten
14 bis 17 sind durch nicht gezeichnete Isolationsschichten voneinander isoliert ι ο
Der Meßstrom In, im Meßleiter 10 fließt in Richtung
der leichten Magnetachse EA der Dünnfilme 1 bis 4. Als Meßleiter 10 dient vorteilhaft ein Flachleiter oder eine
Flachspule, wobei die Dünnfilme 1 bis 4 der Brücke 5 in einer Zone angeordnet sind, in der das vom Meßstrom
In, erzeugte magnetische Außenfeld H1 homogen ist und
die Dünnfilme 1 bis 4 in Richtung ihrer harten Magnetachse HA magnetisiert Da die Dünnfilme 1 bis 4 und
der Meßleiter 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 des Außenfeldes Ha in die Dünnfilme 1 bis 4 erfolgt trotzdem mit hoher Effizienz.
Gemäß der F i g. 3 sind die beiden in den F i g. 2 und 3 hinteren Enden der Dünnfilme 1,2 und die beiden vorderen
Enden der Dünnfilme 3,4 an den Spannungsteiler 8,9 (F i g. 1) angeschlossen, welcher den Strom k in die
Brücke 5 einspeist Das vordere Ende des Dünnfilms 2 sowie das hintere Ende des Dünnfilms 4 sind mit der
Ausgangsklemme 6 und das vordere Ende des Dünnfilms 1 sowie das hintere Ende des Dünnfilms 3 mit der
Ausgangsklemme 7 der Brücke 5 verbunden.
Die nach rechts gerichtete Magnetisierung + H der permanentmagnetischen Schicht 14 (F i g. 2) erzeugt im
darunter oder darüber liegenden Dünnfilm 1 ein nach !inks gerichtetes Hilfsfeld + Ht, (F i g. 3), wodurch der
Magnetfeldvektor M im Dünnfilm 1 im Gegenuhrzeigersinn um einen bestimmten Winkel aus der leichten
Magnetachse EA herausgedreht wird. Analog entsteht durch die Magnetisierung + A/der Schicht 17 im Dünnfilm
4 ein Hilfsfeld + Hb und eine Drehung des Magnetisierungs-
oder Magnetfeldvektors M im Gegenuhrzeigersinn. Die Magnetisierung -A/der Schichten 15 und
16 bewirkt in den Dünnfilmen 2 und 3 ein nach rechts gerichtetes Hilfsfeld — Ht und eine Drehung des Magnetisierungsvektors
Mim Uhrzeigersinn.
Die Hilfsfelder + Ht, 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 Außenfeld H3
ausgesetzt wird, ändert sich der elektrische Widerstand in den verschieden vormagnetisierten Dünnfilmen 1 bis
4 unterschiedlich, und es entsteht eine Brückenspannnung Ub,
Innerhalb des zulässigen Aussteuerungsbereichs, der dadurch begrenzt ist, daß jeweils ein Dünnfilm der
Dünnfilmpaare 1,2 und 3,4 gesättigt wird, gilt
wobei
AR die maximale Widerstandsänderung der Dünnfilme.
y =
einen normierten Entmagnetisierungsfaktor,
A/den Entmagnetisierungsfaktor in den Dünnfilmen,
M, die Sättigungsmagnetisierung,
Hk die Anisotropiefeldstärke,
A/den Entmagnetisierungsfaktor in den Dünnfilmen,
M, die Sättigungsmagnetisierung,
Hk die Anisotropiefeldstärke,
hh = —*- und
Hk
bedeutet
Die Brückenspannung Ub ist also zum Strom k sowie
zum magnetischen Außenfeld Ha unv. damit zum Produkt
Un, ■ In, proportional. Am Ausgang ces Differenzverstärkers
11 steht eine auf Nullpotential bezogene, vom Meßleiter 10 galvanisch getrennte Spannung Ua als
Abbild der elektrischen Leitung zur Verfügung und am Zählwer'; 13 kann die elektrische Energie abgelesen
werden.
Im Vergleich zu aus Hallgeneratoren oder Feldplatten bestehenden Multiplizierern ist die Produktbildung
Un, ■ In, mit einem weit geringeren Tempcraturfehler
behaftet Während beispielsweise bei Feldplatten-Widerständen der Widerstand mit der Temperatur um
0,7%/K sinkt, steigt er bei ferromagnetischen Dünnfilmen
um nur 0,3%/K. Außerdem nimmt die Empfindlichkeit der beschriebenen Brücke 5 mit steigender Temperatur
um 0,4%/K ab. Da der Strom /o von der Temperatur unabhängig ist und die Brückenspannung Ub somit
proportional zur Anwendung des Widerstandes der ferromagnetischen Dünnfilme 1 bis 4 mit der Tempe-ratur
steigt ergibt sich gesamthaft ein Temperaturkoeffizient von 03%/K-0,4%/K = -0,1%/K. Ferner wirkt sich
vorteilhaft aus, daß der Temperaturgang außerordentlich linear ist und daher durch einfache Kompensationsmaßnahmen sogar weiter verbessert werden kenn.
Die Stärke der Hilfsfelder Hb muß konstant und also
vom Strom Iq unabhängig sein, da sie unmittelbar in das
Meßresultat eingeht. Die Brückenspannung Ub und damit
die erzielbare Meßgenauigkeit sind am größten, wenn
ht
65
U =
Λ»
gev'ähii wird.
Gemäß der F i g. 4 kann die Erzeugung der Hüfsfelrier
Hb mittels einer Leiierschleife 18 erfolgen, die anstelle
der permanentmagnetischen Schichten 14 bis 17 dicht unter oder über den Dünnfilmen 1 bis 4 angeordnet und
von diesen isoliert ist und von einem Hilfsstrom /t
durchflossen wird.
Der Spannungs/Frequenzwandler 12 kann nach dem bekannten Verfahren der periodischen Polaritätsumschaltung
arbeiten, das sich durch eine hohe Genauigkeit und die Unterdrückung von Nullpunktfehlern auszeichnet.
Die dabei erforderliche periodische Umschaltung des Vorzeichens der Multiplikation kann mittels
eines Analogschalters erfolgen, der z. B. die Polarität des Stromes /0, des Hilfsstromes /j, oder der Brücken-
spannung Lk umschaltet
In der F i g. 5 weisen gleiche Bezugszeichen wie in der F i g. 1 auf gleiche Teile hin. Außer der Brücke 5 ist eine
zweite, gleichartige Brücke 19 vorgesehen, die aus einer Strom- oder Spannungsquelle 20 gespeist und zusam- s
men mit der Brücke 5 dem magnetischen Außenfeld H1
ausgesetzt ist Dieses Außenfeld H, ist zwar zum Meßstrom Im bzw. zu einer Eingangsspannung U, proportional, wird jedoch nicht unmittelbar durch den Meßstrom
Im, sondern durch den in einer Leiterschleife 21 fließen- to
den Strom /, erzeugt Die Leiterschleife 21 tritt also in der F i g. 2 an die Stelle des Meßleiters 10. Der Ausgang
der Brücke 19 ist an Eingänge eines Differenzverstärkers 22 angeschlossen, der einen sehr hohen Verstärkungsfaktor aufweist An einen weiteren Eingang des is
Differenzverstärkers 22 ist die zum Meßstrom In, proportionale Spannung Ux angelegt.
Die Brücke 19, der Differenzverstärker 22 und die Leiterschleife 2! bilden eine Regelschleife, die das Außenfeld H, so regelt daß die Differenz zwischen der
Ausgangsspannung Ub\ der Brücke 19 und der Eingangsspannung Um minimal wird, so daß sich bei konstanter Speisespannung der Brücke 19 ein zur Eingangsspannung Ux proportionales Außenfeld H, einstellt. Am
Ausgang des Differenzverstärkers 11 entsteht eine zum
Produkt Ux ■ Un, proportionale Spannung U^ Allfällige
Nichtlinearitäten der Brücken 5 und 19 in Abhängigkeit vom Außenfeld H1 kompensieren sich gegenseitig, so
daß sich nur noch die Differenz der beiden Linearitätsfehler auf das Meßresultat auswirken kann.
Zur Erzeugung der Eingangsspannung Ux aus dem
Meßstrom In, bei galvanischer Trennung der beiden
Stromkreise kann ein herkömmlicher Stromwandler dienen. Vorteilhafter ist es, hierzu eine dritte Brücke 23
vorzusehen, die gleichartig ist wie die Brücken 5 und 19 und ebenfalls aus der Strom- oder Spannungsquelle 20
gespeist ist Die Brücke 23 ist durch magnetkernlose Kopplung einem Meßmagneifeld Hm sowie einem diesem entgegengerichteten Kompensationsmagnetfeld
Hh ausgesetzt Das Meßmagnetfeld Hn, wird von dem im
Meßleiter 10 fließenden Meßstrom In, erzeugt Der Ausgang der Brücke 23 ist an einen Differenzverstärker 24
angeschlossen, der einen sehr hohen Verstärkungsfaktor aufweist und dessen Ausgang mit einer Leiterschleife 25 verbunden ist In Reihe mit der Leiterschleife 25 ist
ein Widerstand 26 geschaltet, über dem die Eingangsspannung Ux abfällt
Der in der Leiterschleife 25 fließende Kompensationsstrom h erzeugt das Kompensationsmagnetfeld
Hh- Infolge der Wirkung der aus der Brücke 23, dem
DifferenzverstärHfir 24 und der Leiterschleife 25 bestehenden Regelschleife stellt sich der Kompensationsstrom Ih so ein, daß die Differenz zwischen dem Meßmagnetfeld Hm und dem Kompensationsmagnetfeld Hf, minimal wird und Ih=In, ist Infolge des Nullabgleich« des
auf die Brücke 23 einwirkenden Differenzfeldes Hm-Hh wird die Proportionalität zwischen der Eingangsspannung Ux und dem Meßstrom Im durch allfällige Iinearitätsf ehler der Brücke 23 nicht beeinträchtigt
Der beschriebene statische Elektrizitätszähler nach
der Fig.5 zeichnet sich aufgrund der beiden Regelschleifen durch eine besonders gute Meßgenauigkeit
aus. Der technische Aufwand mag zwar auf den ersten Blick hoch erscheinen, fällt aber tatsächlich nicht ins
Gewicht, da keine Magnetkerne erforderlich sind und die Dünnfilme der Brücken 5,19 und 23, die elektronischen Komponenten und die gegebenenfalls als Dünnfilmspulen ausgebildeten Leiterschieifen 21 und 25 in
integrierter Schaltungstechnik hergestellt und auf einem einzigen Halbleiterplättchen vereinigt werden können.
Claims (1)
1 2
scher Leistung bekannt (H. H. Wieder, Hall Generators
Patentansprüche: and Magnetoresistors, Pion Limited London 1971, Seite
86), bei der als Multiplizierer ein Hallgenerator dient
1. Anordnung zur Messung elektrischer Leistung Das magnetische Außenfeld wird mittels eines magnemit einem Multiplizierer, der aus einer elektrischen 5 tischen Kerns in den Hallgenerator eingekoppelt Auch
Brücke mit vier als magnetoresistive Dünnfilme aus- dort ist beschrieben (Seiten 74 und 77), daß ein Mulipligebildeten, magnetfeldabhängigen Widerständen zierer eine aus zwei Spannungsquellen oder Festwiderbesteht, wobei die Brücke mit einem zur Meßspan- ständen und zwei Feldplatten gebildete Brückenschalnung proportionalen elektrischen Strom gespeist ist tung aufweisen kann.
und die Dünnfilme sowohl einem magnetischen Au- io Bei Hallgeneratoren und Feldplatten wini bekannt-
ßenfeld, welches zu dem in einem Meßleiter fließen- lieh ein galvanomagnetischer Effekt in Halbleitern aus-
den Meßstrom proportional ist als auch einem vom genützt Das zu messende Magnetfeld wird hierbei
elektrischen Signal unabhängigen magnetischen senkrecht zur Hauptebene des plattenförmigen HaIb-
Hilfsfeld ausgesetzt sind, und die Ausgangsspannung leiters eingekoppelt was infolge der ohnehin geringen
der Brücke zur elektrischen Leistung proportional 15 Empfindlichkeit des Hallgenerators bzw. der Feldplat-
istdadurchgekennzeichnet, daß ferroma- ten nur mittels eines magnetischen Kerns mit genügen-
gnetisch einachsig anisotrope (jeweils eine schwere der Effizienz möglich ist Nachteilig ist ferner die noch
Magnetisierungsachse (HA) und eine leichte Magne- große Temperaturabhängigkeit und geringe Linearität
tisierungsachse (EA) aufweisende) Dünnfilme (1, 2, Ferner ist ein Stromdetektor zur Messung eines in
3, 4) dem magnetischen Außenfeld (Ha) so ausge- 20 einem Meßleiter fließenden Meßstromes bekannt (IEEE
setzt sifel, daß dieses die Dünnfilme (1, 2, 3 4) in Transactions on Magnetics, Nov. 1976, Seiten 813—815),
Richtung ihrer schweren Magnetisieningsachse bei dem vier ferromagnetische magnetoresistive Dünn-
(HA) magnetisiert daß das magnetische Hilfsfeld filmpaare eine Brücke bilden. Die Dünnfilme jedes Paa-
(Hb) so an jedem Dünnfilm (1, 2, 3, 4) in Richtung res sind magnetostatisch miteinander so gekoppelt, daß
seinerschweren Magnetisierungsachse (HA) anliegt 25 jeweils der im einen Dünnfilm fließende Strom im ande-
daß der resultierende Magnetfeldvektor (M) in je- ren Dünnfilm ein magnetisches Hilfsfeld erzeugt Das
dem Dünnfilm (1,2,3,4) im Vergleich zum Magnet- vom Meßstrom erzeugte magnetische Außenfeld ma-
feldvektor (M) in den beiden elektrisch unmittelbar gnetisiert die Düraifilme in Richtung ihrer harten Ma-
mit ihm verbundenen Dünnfilmen (2; 3 bzw. 1; 4) gnetisierungsachse. Da die Stärke des Hilfsfeldes vom
gegenläufig sus der leichten Magnetisieningsachse 30 Speisestrom der Brücke abhängt kann dieser Stromde-
(EA) herausgedreht ist und daß die Dünnfilme (1,2, tektor nicht als Multiplizierer betrieben werden.
3, 4) magnetlcernlos mit dem magnetischen Außen- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine An-
feld (H1) gekoppelt sind. Ordnung zur Messung elektrischer Leistung der ein-
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- gangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß
zeichnet, daß dis Düniifihne (1 bis 4) in einer gemein- 35 sie sich trotz geringen Raumbedarfs und ohne besondesamen Ebene angeordnet sine·. re Kompensationsmaßnahmen durch eine geringe Tem-
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- peraturabhängigkeit auszeichnet
zeichnet daß der Meßleiter (10) ein Flachleiter oder Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im
eine Flachspule ist und daß die Dünnfilme (1 bis 4) in Kennzeichen des Patentanspruchs 1 dazu angegebenen
einer zum Meßleiter (10) parallelen Ebene angeord- 40 Merkmale gelöst
net und dem unmittelbar vom Meßleiter (10) erzeug- Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in
ten magnetischen Außenfeld (H.) ausgesetzt sind. den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert
45 Es zeigt
F i g. 1 ein Prinzipschaltbild eines statischen Elektrizi-Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur tätszählers,
Messung elektrischer Leistung mit einem Multiplizierer F i g. 2 Teile eines Multiplizierers in perspektivischer
der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Darstellung,
Art. 50 F i g. 3 und 4 Varianten einer Brücke und
Eine solche Anordnung ist bereits bekannt (ATM, F i g. 5 ein weiteres Schaltbild eines statischen Elektri-
Meßtechnische Praxis, Dezember 1972 — Lieferung zitätszählers.
443, Seiten R197 - R204). Als magnetfeldabhängige In der Fig. 1 bedeuten 1 bis 4 vier ferromagnetische
Widerstände werden hierbei Feldplatten verwendet die magnetoresistive Dünnfilme, die eine elektrische Briikeinen Temperaturkoeffizienten von etwa -0,7%/Kauf- 55 ke 5 bilden. Diese Brücke 5 stellt einen Multiplizierer
weisen und aus auf Eisenplättchen aufgedampften Halb- mit Ausgangsklemmen 6,7 dar, ist über einen aus zwei
leiter-Dünnfilmen bestehen. Um eine hohe Empfindlich- Widerständen 8,9 bestehenden Spannungsteiler an eine
keit zu erzielen, sind die Feldplatten in zwei sehr schma- Meßspannung Un, angeschlossen und somit mit einem
len Luftspalten eines Eisenkernes untergebracht. Zwei Strom /0 gespeist, der zur Meßspannung Um proportio-Dauermagnete erzeugen in den beiden Luftspalten die 60 nal ist Ein in einem Meßleiter 10 fließender Meßstrom
erforderliche Induktion B des Arbeitspunktes so, daß In, erzeugt ein magnetisches Außenfeld H,, mit welchem
die resultierende Gesamtinduktion des einen Luftspal- die Dünnfilme 1 bis 4 magnetkernlos gekoppelt sind. Die
tes gleich der Summe von Gleich- und Steuerinduktion an den Ausgangsklemmen 6, 7 entstehende Brücken-B + ΔΒ und des anderen Luftspaltes gleich der Diffe- spannung Ub ist auf den Eingang eines Differenzverstärrenz B — ΔΒ ist Zur Temperaturkompensation sind be- 65 kers 11 geschaltet, der die Brückenspannung Ub mit eisondere Kompensationsmaßnahmen, wie die Anord- nem konstanten Faktor verstärkt und dessen Ausgangsnung von NTC-Widerständen, erforderlich. spannung U, zu einem Spannungs/Frequenzwandler 12
Außerdem ist eine Anordnung zur Messung elektri- "gelangt. Ein Zählwerk 13 zählt die Ausgangsimpulse des
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