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Anordnung zur Messung von Leitungsstroemen in Form eines
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lliatetoresistiven Wandlers Die Erfindung betrifft eine neuartige,
vielseitig einsetzbare Anordnung zur messung von Gleich- und Wechselstroemen in
elektrischen Leiteranordnungen. Sie liefert ein Ergebnissignal, welches proportional
zu elektrischen Durchfluchtung einer beliebigen, von magnetfeldempfindlichen Elementen
berandeten wlaeche und so der Summe der von der Umschliszungskurve erfaszten Stroeme
ist. Auf Grund ihrer einfachen Wirkungsweise und groszen Anpassungsfac-higkeit kann
die Anordnung z. B. als Zusazuteil kommerzieller Universalmeszgeraete fuer elektrische
Groeszen benutzt und in der P.ruef- und Mesztechnik vielseitige Anwendungen finden.
Der Einsatz sollte vorrangig dort erfolgen, wo eine Unterbrechung des Stromflusses
bzw. des stromfuehrenden Leiters zum Zwecke der Strommessung nicht moeglich oder
nicht vorteilhaft ist bzw. eine Beeinflussung des stromfuehrenden Systems unerwuenscht
ist Die Anordnung soll im folgenden mit naheliegenden technischen Loesungen zur
Messung eines Stromflusses durch Messung der vom Strom erzeugten magnetischen Randspannung
verglichen werden.
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Bekannt sind Anordnungen, die einen magnetischen Kreis aus ferromagnetischen
Material mit einem Spalt besitzen, in dem sich ein Hall-Detektor als magnetfeldempfindliches
Element befindet und zur Messung von Gleich-- und Wechselstroemen, die den Kreis
durchfluten, genutzt werden koennen (DE-OS 1 774 634).
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Diese Anordnungen besitzen folgende Nachteile: Da ein massiver ferromagnetischer
Kreis zur Konzentration des magnetischen Feldes auf das magnetfeld.empfindliche
Element benoetigt wird, ergeben sich infolge der hohen Eigeninduktivitaet der Anordnung
und der Eigenschaften des ferromagnetischen Materials des Kreises begrenzende Effekte
bei hoeheren Meszfrequenzen und Rueckwirkungen auf den Stromflusz.
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Die Anwendbarkeit der Anordnung ist durch die vorgegebene Geometrie
des massiven Magnetkreises beschraenkt, die Anordnung beansprucht ein groszes Volumen
und besitzt keine Flexibilitaet.
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Die Stromempfidlichkeit ist auf Grund der Wirkungsweise des magnetfeldempfindlichen
Elementes und der Anzahl der verwende ten Elemen-te gering.
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Da die Anordnung nicht in Duennschichttechnik gefertigt i.st, ist
der Herstellungsaufwand hoch.
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Bekannt sind ferner Anordnungen, die die magnetische Umlaufspannung
entlang des Randes einer beliebigen, vom Strom durchfluteten Flaeche mittels Induktionsachleifen
messen (L. Bergmann und Cl. Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd.II, S.
246, Walter de Gruyter Co. Verlag, Berlin 1966).
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Diese Anordnungen besitzen folgende Nachteile: Die entlang des Randes
do stromdurchfluteten Fiseche befindlichen Induktionsschleifen sind im engeren Sinne
keine magnetfeldempfindlichen Elemente, da sie die zeitliche Aenderung der vom Stromflusz
erzeugten magnetischen Induktion und somit dB/dt messen. Sie koennen daher nur zur
Messung von Wechselstroemen bzw. zur Messung von Gleichstromaenderungen mit genuegend
hoher Aenderungsgeschwindigkeit eingesetzt werden. Die Stromempfindlichkeit der
Anordnungen ist bei niedrigen Frequenzen gering.
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Die Anordnungen sind nur mit hohem Aufwand in Duennschichttechnik
fertigbar.
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Mit der Erfindung wird das Ziel verfolgt, eine Anordnung zur Messung
eines Stromflusses durch Messung der vom Strom erzeugten magnetischen Uinlaufspannung
entlang des Randes einer beliebigen, vom Strom durohfluteten Flaeche mittels magnetfeldempfindlicher,
den Stromflusz entlang des Randes dieser Flaeche umgebender Elemente zu schaffen,
die feuer Gleich- und Wechaelstroeme gleichermaszen geeignet ist, keinerlei Beeinflussung
des stromfuehrenden Leitersystems bewirkt, unabhaengig von dessen Geometrie verwendet
werden kann und eine hohe Stromempfindlichkeit besitzt. Auszerdem sollen die magnetfeldempfindlichen
Elemente aus duennen Schichten bestehen, so dasz die Anordnung rationell gefertigt
werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine zur Messung von Gleich- und Wechselstroemen
gleichermaszen verwendbare Anordnung zu schaffein, die keinen Eingriff in das stromfuehrende
Leitersystem erfordert, den Stromflusz nicht beeinfluszt, eine beliebig berandete
Flaeche umschlieszen kann und eine hohe Stromempfindlichkeit besitzt.
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Erfindungsgemaesz wird diese Aufgabe dadurch geloest, dasz eine endliche
Anzahl schmaler, streifenfoermiger ferromagnetischer magnetoresistiver Duennschichtelement
e gleicher Abmessung und parallel gerichteten Laengsachsen sich in gleichem, moeglichst
geringen Abstand entlang der bandfoermigen, parallel zu den Schicht ebenen der Elemente
verlaufenden und den Stromflusz vollstaendig umschlieseenden Berandung eines Raumes
in Form einer beliebig begrenzten planparallelen Scheibe befinden, sowie Mittel
zur Linearisierung des magnetoresistiven Effektes, zur Verringerung der Temperaturempfindlichkeit
und zur Summierung der Ergebnissignale der magnetoresistiven Elemente vorgesehen
sind. Eine solche Anordnung weist, bedingt durch die hohe Magnetfeldempfindlichkeit
eine hohe Stromempfindlichkeit auf. Hinzu kommt, dasz die Herstellung in Duennschichttechnik
mit
relativ geringen Aufwand zu bewerkstelligen ist und keine Probleme hinsichtlich
der Linearisierung auftreten. Der geringe Abstand der einzelnen Elemente voneinander
gewaehrleistet eine vollstaendige Erfassung des den Stromflusz umgebenden Magnetfeldes,
wobei die Randkurve beliebige Form haben kann. Die Summierung fuehrt zu einer nahe
exakten Erfassung des Randintegrais. Die Qaterbringung der Elemente auf einem bandfoermigen
Trager, die die vollstaendige Umschlingung des Stromflusses in Form einer planparallelen
Scheibe erlaubt, schafft eine Schar planparalleler Plaechen, die von der gleichen
Durchflutung beaufschlagt sind. Das Signal ist also pro; portional der Breite des
bandfoermigen Traegers.
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Die Zusammenfassung von Elementen zu Brueckenschaltungen bzw.
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der Aufbau eines Jeden Elementes als aus Streifenleitern bestehenden
Brueckenschaltungen gewaehrle ist et die Temperaturkompensation. Vorteilhaft wirkt
sich die Verwendung eines flexiblen Traegers aus, weil damit Jede beliebige Leiterform
umschlossen werden kann. Es kann aber auch fuer viele Anwendungen ein massiver Traeger,
eine sogenannte #Stromzange guenstig sein.
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Die Erfindung soll nachstehend an Hand von Ausfuehrungsbeispielen
naeher erlaeutert werden. In den zugehoerigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine Anordnung.
zur Messung des Stromflusses eines elektrischen Leiters mit auf ein flexibles Substrat
a.ufgebrachten ferromagnetischen Duennschicht elementen, Fig. 2 eines der magnetoresistiven
Elemente mit aufgebrachten Aequipotentialflaechen, einer antiferromagnetischen Unterschicht
und einer Schicht zur Verringerung der Temperaturempfindlichkeit,
Fig.
3 die in vier Gruppen auf ein bandfoermiges flaches bstrat aufgebrachten magnetoresistiven
Elemente in Form einer \heatstone-Brueckenschaltung, Fig. 4 ein magnetoresistives
Element, das aus vier zu einer WEeatstone-Bruecke verbundenen magnetoresistiven
Streifenleiters besteht und sich auf einem ebenen, elektrisch isolierenden, gut
waermeleitfaehigen Substrat befindet, sowie elektrische Schaltungsmoeglichkeiten
zur Summierung der Differenzsignale mehrer Bruecken und Fig. 5 eine Anordnung mit
magnetoresistiven Elementen auf einem zerlegbaren, den elektrischen Leiter einschlieszenden
Ringkoerper.
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In Fig. 1 ist eine gemaesz der Erfindung gestaltete Anordnung zur
Messung eines Stromflusses durch Messung der vom Strom erzeugten magnetischen Uinlaufspannung
entlang des Randes einer beliebigen, vom Strom durchfluteten Flaeche mittels magnetfeldempfindlicher,
den Stromflusz entlang des Randes dieser Flaeche umgebender Elemente dargestellt.
Eine endliche Anzahl schmaler, streifenfoermiger ferromagnetischer magnetoresistiver
Duennschichtelemente 1 gleicher Abmessung und parallel gerichteten Laengsachsen
sind in gleichen, moeglichst geringem Abstand entlang der bandfoermigen, parallel
zu der Schichtebene der Elemente verlaufenden Berandung eines Raumes in Form einer
planparallelen Scheibe angeordnet und umschlieszen den Strom flusz I, der z. B.
von einem elektrischen Leiter 2 gefuehrt wird, vollstaendig. Die magnetoresistiven
Elemente befinden sich dabei auf einem flexiblen, bandfoermigen Traeger 3, der den
elektrischen Leiter umschlieszt. Die magnetoresistiven Elemente werden mit einem
Betriebsstrom 13 gespeist und zur Summierung der Ergebnissignale in Reihe geschaltet.
Die an den Enden der Serienschaltung der magnetoresistiven Elemente verfuegbaren
Signalspannung der linearisierten magnetoresistiven Elemente ist proportional zum
Stromflusz I und stellt das Ergebnissignal
der Anordnung dar.
Eine n-fache vollstaendige/Um so schlieszung des Leiters mit dem die magnetoresistiven
Elemente tragenden flexiblen Bandes erhoeht das zur Verfuegung stehende Ergebnis
signal auf das n-fache. Es koennen mehrere stromfuehrende Leiter umschlossen werden,
wobei das Ergebnissignal U proportional zur Summe der in diesen flieszenden Stroeme
ist.
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Auch koennen Stroeme beliebiger Dichteverteilung innerhalb der durch
das Traegerband definierten durchfluteten Flache gemessen werden.
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In Fig. 2 ist eines der streifenfoermigen, ferromagnetischen magnetoresistiven
Elemente dargestellt Auf ein ebenes, elektrisch isolierendes Substrat 5 oder den
flexiblen Traeger 5 direkt aufgebracht, befinden sich eine uniaxiale, etwa 20 nm
bis 50 nm dicke NiFeo-Fermalloschicht 1 a mit Vorzugsachse V. A. parallel zur Laengsrichtung
des Streifenleitere. Elektrisch gut leitende schmale Metallstreifen 1 b z. B. aus
Gold, die in Verbindung mit der magnetoresistiven Permalloyschicht stehen, bewirken
eine Schraegstellung der Stromrichtung des Streifenleiters gegen dessen Laengsachse
bzw. der Vorzugsachse der Magnetisierung. Dies bewirkt eine Linearisierung der magnetoresistiven
Charakteristik des Meszstreifens. Der durch di.e Metallstreifen 1 b flieszende Strom
13 hat darueberhinaus eine stabilisierende Funktion. Die parallel zur Vorzugsachse
der Magnetisierung gerichtete Komponente des Eigenmagnetfeldes H der Metallstreifen
in der Schichtebene beguenstigt die Richtung der Magnetisierung parallel zu dieser
Feldkomponente.
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Dies fuehrt oberhalb eines gewissen Pegels von 13 automatisch zu einer
einheitlichen Orientierung der Magnetisierung des Meszstreifens entlang der Vorzugsachse
im Sinne einer ausgezeichneten Vorzugsrichtung. V. R. Bei Aussteuerung durch das
magnetische Feld H, welches entsprechend der Anordnung der magnetoresistiven Elemente
senkrecht zu der Laengsachse des Meszstreifens anliegt, wird somit eine moegliche
Hysterese in der magnetoresistiven Chara.kteristik weitgehend unterdrueckt.
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Der erforderliche Winkel zwischen Stromfluszrichtung 13 und Vorzugsachse
der Magnetisierung der magnetoresistiven Elemente
kann auch durch
Einsatz anderer, die magnetoresistive charakteristik linearisierender Mittel realisiert
werden.Moeglich sind z. B. das Kippen der Vorzugsachse gegen die Laengsrichtung
der Elemente unter einen definierten Winkel infolge der Wirkung einer induzierten
einachsigen Anisotropie oder mit Hilfe magnetisch gekoppelter Doppelschichten. Eine
wesentliche Stabilisierung' des Unmagnetisierungsprozesses kann ebenso erzielt werden,
wenn die uniaxialen ferromagnetischen Schichten mit einem Antiferromagnetikum gekoppelt
sind. Dieses besteht z. B. aus einer FeMri-Legierung und ist als Schicht 1 c unterhalb
der magnetoresistiven Schicht aufgebracht. Die infolge des Wechse lwirkungsprozesses
resultierende unidirektionale Anisotropie des Mesæetreifens mit Vorzugsrichtung
V. R. parallel zur Laengsachse fuehrt somit zu einer weiteren Verbesserung der magnetoresistiven
Charakteristik. Wird zusaetzlich eine elektrische Nebenschluszschicht 1 d mit hohem
negativen Temperaturkoeffizient en aufgebracht, kann der Temperaturkoeffizient des
Meezstreifens wesentlich verringert werden.
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In Fig. 3 sind die auf ein bandfoermiges, flexibles Substrat aufgebrachten
magnetoresistiven Streifenleiter, die in Serie verbunden sind, dargestellt. Es sind
zusaetzliche elektrische Ansehlueæse angebracht, so dasz sich vier Gruppen magnetoresistiver
Elemente ergeben, die eine VJheatntono-Brueckenschaltung bilden. Die Linearisierung
des magnetoresistiven Effektes erfolgt dabei durch die aufgebrachten Aequipotentialstreifen
1 c derart, dasz die Polaritaet der Widerstandsaenderung jeweils benachbarter Brueckenelemente
im gleichen Erregerfold H entgegengesetzt ist. Vorzuege einer solchen Schaltung
sind durch ein Ergebnissignal ohne stoerenden Gleichspannungsanteil sowie einer
verringerten Temperaturempfindlichkeit gegeben.
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In Fig. 4 a ist ein magnetoresistives Element 1 der 1Fmrschliessungskurve
dargestellt, dasz selbst aus vier zu einer Wheatstone-Bruecke verbundenen magnetoresistiven
Streifenleitern R1 - R4 besteht. Diese magnetoresistiven Streifenleiter gleicher
Abmessung und parallel gerichteten Laengsachsen befinden sich irmerhalb
der
Brueckenzweige in gleichen, moeglichst geringen Abstand auf einem ebenen, elektrisch
isolierenden, gut wa.ermeleitfaehigen Substrat 4 und sind symmetrisch verschaltet.
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Zur Linearisierung des magnetoresistiven Effektes mit entgegengesetzter
Polaritaet jeweils benachbarter Brueckenwiderstaende diesen entsprechend orientierte
Aequipotentialstreifen. Die Substratchips mit den Brueckenelementen sind auf einem
massiven oder flexiblen Traeger aufgebracht, der die Umschlieszungskurve des Stromflusses
fe festlegt. Die Summierung der Differenz-Ergebnissignale der Bruecke entlang der
Umschlieszungskurve kann z. B. nach einer der in Fig. 4 b bzw.
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4 c dargestellten Prinzipschaltungen erfolgen.
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In Fig. 5 ist eine Anordnung dargestellt, bei der die magnetoresistiven
Elemente 1 an der inneren Oberflaeche eines in zwei Sektoren zerlegbaren starren
Ringkoerper angeordnet sind. Die beiden Ringhaelften werden zur Messung des Stromflusses
konzentrisch um die elektrische Beiteranordnung geschlossen.
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Eine erfindungsgemaesze Anordnung entsprechend diesem Ausfuehrungsbeispiel
kann daher als #Stromzange bezeichnet werden.