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Einrichtung zur Messung der Stromstärke Um die Stärke eines Stromes
zu messen, ist es bekannt, stromdurchflossene magnetfeldabhängige Halbleiterelemente
zu verwenden. Letztere werden dem durch den zu messenden Strom erzeugten magnetischen
Feld ausgesetzt, und die an ihnen auftretende Spannung, sei es die Hallspannung
bei Verwendung von Hallgeneratoren oder der Spannungsabfall bei Verwendung magnetfeldabhängiger
Widerstände, wird mit einem Meßinstrument bestimmt.
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Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art sind zwei magnetfeldabhängige
Widerstände in einer Meßbrücke mit Nullabgleich angeordnet, welche von einer Batterie
gespeist ist. Den magnerfeldabhängigen Widerständen ist je eine Erregerspule zugeordnet,
welche die Widerstände mit einem konstanten magnetischen Feld gleicher Stärke, jedoch
entgegengesetzter Richtung, vorerregen. Der Strom in der Brückendiagonale wird mit
einem als Ab gleich und Anzeige instrument dienenden Galvanometer gemessen, das
die Stärke des zu messenden magnetischen Feldes angibt. Nachteilig ist bei dieser
bekannten Einrichtung, daß sie eine verhältnismäßig große magnetische Vorerregung
erfordert, wenn die Anzeige des Galvanometers der Feldstärke tatsächlich proportional
sein soll. Diese Proportionalität ist nämlich nur dann gegeben, wenn der Arbeitsbereich
im linearen Teil der Widerstands-Induktionskennlinie der magnetfeldabhängigenWiderstände
liegt. Die dadurch bedingte verhältnismäßig hohe Induktion erfordert aber eine beträchtliche
Anzahl Amperewindungen der Erregerspulen, und es ergibt sich daher ein relativ großer
Aufwand.
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Des weiteren ist eine Einrichtung bekannt, bei der den magnetfeldabhängigen
Widerständen, die ebenfalls in einer Brückenschaltung vorgesehen sind, je eine Erregerspule
zugeordnet ist, welche die Widerstände mit einem konstanten Magnetfeld gleicher
Stärke und gleicher Richtung vorerregen.Die magnetfeldabhängigen wie die übrigen
Widerstände haben bei Brückengleichgewicht alle den gleichen Wert, so daß kein Brückendiagonalstrom
fließt. Durch Anderung eines der magnetfeldabhängigen Widerstände wird dieses Gleichgewicht
gestört, und es beginnt Strom zu fließen, dessen Größe durch das Produkt des zu
messenden Stromwertes und des Brückenspeisestromes bestimmt wird. Auch bei dieser
Einrichtung gilt das gleiche, was bei der vorerwähnten schon ausgesagt wurde, und
zwar, daß Proportionalität zwischen Meßstrom und zu messendem Strom nur im linear
verlaufenden Widerstands-Induktionskennlinienteil gegeben ist, so daß auch hierbei
die schon obenerwähnten Nachteile auftreten.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung der Stromstärke,
insbesondnere derjenigen eines Gleichstromes großer Intensität, unter Verwendung
einer zwei magnetfeldabhängige Widerstandskörper und zwei Widerstände aufweisenden
Brückenschaltung, bei welcher je der Widerstandskörper zwei Feldern ausgesetzt ist,
von denen ein Feld des einen Widerstandskörpers gleich groß ist wie das eine Feld
des anderen Widerstandskörpers, wobei die gleich großen Felder durch einen Dauermagneten
oder einen von Gleichstrom durchflossenen Spulenmagneten erzeugt sind und die auf
je einen Widerstandskörper wirkenden Felder bei dem einen gleichsinnig und bei dem
anderen einander entgegengerichtet sind.
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Die oben geschilderten Nachteile sind gemäß der Erfindung dadurch
vermieden, daß der Widerstandswert der Widerstände gegenüber dem der magnetfeldabhängigen
Widerstandskörper sa groß ist, daß selbst bei Anderungen des Widerstandswertes der
Widerstandskörper um etwa das Zehnfache ihres eigentlichen Wertes, sich der Gesamtbrückenwiderstand
dabei nur um weniger als 1 °/o verändert.
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In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
dargestellt.
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Es zeigt Fig. 1 eine Einrichtung zur Messung starkerGleichströme,
Fig. 2 ein Diagramm zu Fig. 1 und Fig. 3 einen Erregerstromkreis.
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In Fig. 1 ist eine Einrichtung zur Messung der Stärke des in einem
Gleichstromnetz 1, 2 fließenden
Gleichstromes verhältnismäßig großer
Intensität dargestellt. Der Stromleiter 2 ist durch zwei Magnetkerne 3, 4 hindurchgesteckt,
die in je einem Schenkel einen Dauermagneten 5 bzw. 6 von gleicher Stärke und mit
der angegebenen Polarität aufweisen. In den Luftspalten der Magnetkerne 3, 4 ist
je ein magnetfeldabhängiger Widerstandskörper 7 bzw. 8 untergebracht, der aus einem
der bekannten Halbleiterwerkstoffe großer Trägerbeweglichkeit, wie z. B. Indiumantimonid,
hergestellt ist. Die Widerstandskörper 7, 8 befinden sich in einer Brückenschaltung,
die durch die Widerstände 9, 10 ergänzt ist. Der Ohmwert der letzteren ist sehr
hoch- gegenüber dem höchstauftretenden Widerstandswert der Widerstandskörper 7,
8.
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Die Speisung der Brückenschaltung erfolgt an den Diagonalpunkten 11,
12 über einen Vorwiderstand 13 durch das Gleichstromnetz 1, 2. Die beiden anderen
Diagonalpunkte 14, 15, welche den Ausgang der Meßeinrichtung bilden, sind an eine
Spule 16 eines Quotientenmeßinstrurnents 17 angeschlossen. Die zweite Spule 18 desselben
ist über einen Vorwiderstand 19 ebenfalls mit dem Gleichstromnetz 1, 2 verbunden.
Der im Stromleiter 2 fließende Strom erregt die Magnetkerne3, 4, so daß auf die
magnetfeldabhängigen Widerstände 7, 8 je zwei magnetische Felder einwirken, nämlich
ein konstantes Feld,, von den Dauermagneten 5, 6 herrührend, und ein dem zu messenden
Strom proportionales Feld Bs.
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Die Felder Bo und B3 sind im Widerstandskörper 7 gleich-, hingegen
im Widerstandskörper 8 entgegengesetzt gerichtet, wie in der Zeichnung durch die
Pfeile angedeutet worden ist. Die dargestellte Einrichtung nutzt den quadratischen
Zusammenhang aus, der bei relativ kleiner Induktion zwischen letzterer und dem Widerstandswert
eines magnetfeldabhängigen Widerstandskörpers besteht. Für den Widerstandskörper
7 ist die Kennlinie Kt im Diagramm der Fig. 2 dargestellt. Für die Induktion B0
des konstanten Magnetfeldes ergibt sich der Arbeitspunkt Al. Da voraussetzungsgemäß
die Kennlinien der beiden Widerstandskörper 7 und 8 einander möglichst gleich sein
sollen und letztere so geschaltet sind, daß sie einander entgegenwirken, ist in
Fig. 2 die Kennlinie K, für den Widerstandskörper 8 gleich der Kennlinie Kt, aber
mit negativen Ordinaten und um die Arbeitspunktordinate für die Induktion Bo umgeklappt
einzutragen. Wie aus dem Diagramm der Fig. 2 ersichtlich ist, erhält man als Kennlinie
des Meßbrückenkreises die durch Addition der Ordinaten der beiden Kennlinien Kl,
K2 sich ergebende Kennlinie K3, die einen linearen Verlauf aufweist.
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Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß auf den Widerstandskörper 7 eine
InduktionB0+Bl und auf den Widerstandskörper 8 eine Induktion B0 - B1 wirksam ist.
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Für die Kennlinie Kt, die im betrachteten Bereich einen quadratischen
Verlauf aufweist, gilt R7 = Ro + m (Bo + Bl)2 und für die Kennlinie K2 entsprechend
R8 = Ro + m(B0Bl)2 wobei Ro gleich dem Widerstandswert der Widerstandskörper 7 bzw.
8 bei der Induktion Null ist, welcher Wert für beide Widerstandskörper als gleich
groß angenommen wurde, und m eine ebenfalls für beide Widerstandskörper gleich groß
angenommene Konstante bedeutet. Man erhält nun, wie oben angedeutet, die Gleichung
für die KennlinieK,, indem
man die beiden angeführten Gleichungen voneinander subtrahiert.
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R7 - R8 4mBoBl d. h., die Kennlinie K3 weist tatsächlich einen geradlinigen
Verlauf auf: Wie aus dem Diagramm der Fig. 2 ersichtlich ist ergibt die beschriebene
Schaltungsanordnung eine Erhöhung der Empfindlichkeit dadurch, daß eine Änderung
der Induktion Bt eine größere Widerstandsänderung hervorruft als diejenige, welche
an den Widerstandskörpern 7, 8 einzeln auftritt.
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Da die Ohmwerte der Widerstände 9, 10 gegenüber denjenigen der Widerstandskörper
7, 8 sehr groß sind, haben Widerstandsänderungen der letzteren keinen Einfluß auf
die Stärke des sie durchfließenden Stromes. Dieser Strom kann daher als konstant
angenommen werden, so daß sich für die Ausgangsspannung I(R7 - R8) 4mBOBl I ergibt.
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Hieraus ist ersichtlich, daß die Ausgangsspannung dem magnetischen
Feld, und damit dem zu messenden Gleichstrom direkt proportional ist und mit dem
Instrument 17 gemessen werden kann. An Stelle des Gleichstromnetzes 1, 2 kann für
die Speisung der Meßbrücke auch eine Wechselstromquelle oder eine Batterie verwendet
werden. Als Meßinstrument ist in diesen Fällen eine entsprechendes Anzeigeinstrument
vorzusehen.
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Falls das vom zu messenden Strom erzeugte Feld Bt genügend stark
ist, erübrigen sich die Magnetkerne 3, 4. Die Widerstandskörper 7, 8 werden dann
je zwischen zwei Dauermagneten angeordnet.
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Um etwaige Ungleichheiten zwischen den Widerstandskörpern 7, 8 ausgleichen
zu können, ist die Brückenschaltung gemäß Fig. 3 mit zwei Potentiometern 20, 21
versehen. Das Potentiometer 20 ersetzt die Widerstände 9 und 10. Die Widerstandswerte
der Potentiometer sind in der Größenordnung derjenigen der Widerstände bzw. der
Widerstandskörper 7, 8.
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Der Brückenstrom bleibt in diesem Fall unbeeinflußt von Änderungen
der Leitwerte der Widerstandskörper 7, 8. Beide Potentiometer 20, 21 sind aus temperaturunempfindlichem
Widerstandsdraht gewickelt.
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Sie sind derart einzustellen, daß bei Einwirkung von gleich starken
magnetischen Feldern die Spannung am Meßbrückenausgang 14, 15 über den ganzen Arbeitsbereich
Null ist.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung hat den Vorteil, daß die bei bekannten
Einrichtungen mit magnetfeldabhängigen Widerständen auftretenden störenden Nebeneffekte
nicht in Erscheinung treten, so daß eine größere Meßgenauigkeit erreicht wird. Ferner
ist die Temperaturkompensation nur für die Kompensation der Temperaturabhängigkeit
des spezifischen Widerstandes der Widerstandskörper vorzusehen und kann somit hierfür
optimal bemessen werden. Gegenüber den bekannten Meßeinrichtungen ergibt sich der
Vorteil, daß mit kleinen Induktionen gearbeitet wird. Die Magnetkerne fallen demzufolge
viel kleiner aus.