DE3929452A1 - Strom-messeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strom-Meßeinrichtung und kann z.B. für Überwachungs- und Geräteschutz-Aufga­ ben in der Leistungselektronik, Antriebs- und Nieder­ spannungstechnik eingesetzt werden.

Aus Philips Technical publication 102 "The magnetoresi­ stive sensor, a sensitive device for detecting magne­ tic-field variation", sind Punktsensoren mit einem fer­ romagnetischen Metallfilm zur Messung von Magnetfeldern unter Ausnutzung des Magnetowiderstands-Effektes be­ kannt. Unter dem Magnetowiderstandseffekt wird die Ab­ hängigkeit des ohmschen Widerstandes eines Widerstands­ materials von der Stärke eines Magnetfeldes verstanden (magnetischer Widerstands-Effekt). Voraussetzung für die Widerstandsänderung ist, daß das Magnetfeld senkrecht zur Magnetisierung durch das Widerstandsmaterial wirksam ist. Weicht die magnetische Induktion aus dieser Rich­ tung ab, so ergibt sich ein flacherer Verlauf der Kenn­ linien "magnetische Induktion/Widerstand".

Aus der eingangs genannten Druckschrift ist ebenfalls die Methode zur Linearisierung der Kennlinie metalli­ scher Magnetowiderstands-Sensoren durch eine sogenannte "barber-pole-Kontaktstruktur" bekannt. Da solche Punkt­ sensoren jedoch nur das lokale magnetische Feld messen, sind sie für sich genommen nicht in der Lage, unbeein­ flußt von externen, z.B. durch benachbarte, stromführen­ de Leiter hervorgerufene, magnetischen Störfeldern ein nur dem zu messenden Strom proportionales Signal anzuge­ ben.

Zur Umgehung dieses Problems kann der stromführende Lei­ ter von einem geschlitzten, weichmagnetischen Magnet- Ringkern umgeben werden, der eine Konzentration des Ma­ gnetfeldes auf den in seinem Luftspalt befindlichen Punktsensor bewirkt. Dadurch, daß dessen Signal nun im wesentlichen proportional zu ∳H × ds (H = magnetische Feldstärke, s = Weg) ist, wird eine weitgehende Unabhän­ gigkeit von Störfeldern erreicht. Solche Anordnungen können auch im Kompensationsbetrieb (Punktsensor ist Nulldetektor) oder sättigungsgetaktet gefahren werden. Sie haben jedoch den Nachteil, daß der für die Aufnahme des Sensors erforderliche Kernquerschnitt einer Miniatu­ risierung sowie einer Reduktion von Gewicht und Kosten entgegensteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strom- Meßeinrichtung anzugeben, die für den Einsatz in magne­ tisch "rauher" Umgebung (störende magnetische Fremdfel­ der vorhanden) geeignet ist und eine Miniaturisierung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Strom-Meßeinrichtung mit einem ringförmig um einen Stromleiter angeordneten, auf dem Magnetowiderstands-Effekt beruhenden Magnetfeld- Ringsensor gelöst, der aus einer Vielzahl elektrisch in Reihe geschalteter, ferromagnetischer Elementar-Magnet­ feldsensoren besteht, deren Magnetisierung jeweils sen­ krecht zur Umfangsrichtung des Stromleiters eingestellt ist.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß bei der vorgeschlagenen Strom-Meß­ einrichtung auf dem Einsatz massiver Ferritkerne ver­ zichtet werden kann und deshalb eine Miniaturisierung ermöglicht wird. Es wird eine technisch einfache, preis­ werte, hinreichend genaue, sowohl für Gleichstrom als auch für Drehstrom geeignete, potentialfreie Strommes­ sung ermöglicht, wobei zusätzliche Störfeldeinflüsse in magnetisch "rauher" Umgebung wirkungsvoll unterdrückt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsformen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Magnetfeld-Ringsensor,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt eines Magnet­ feld-Ringsensors mit Anschlußkontakten,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Strom-Meßeinrichtung mit Magnetfeld-Ringsensor,

Fig. 4 eine Signalauswerteschaltung für den Magnet­ feld-Ringsensor,

Fig. 5, 6 interessierende stromportionale Signale der Signalauswerteschaltung.

In Fig. 1 ist eine Aufsicht auf einen Magnetfeld-Ring­ sensor dargestellt. Es ist ein beispielsweise kreisför­ miger oder rechteckförmiger, aus Al₂O₃, Glas oder einem organischen Material bestehendes Substrat 1 mit zentri­ scher Kreisöffnung 2 zu erkennen, auf dem der eigentli­ che Magnetfeld-Ringsensor in Dünnschichttechnik aufge­ bracht ist. Der Magnetfeld-Ringsensor 4 besteht aus ei­ ner Vielzahl elektrisch in Reihe geschalteter Elemen­ tar-Magnetfeldsensoren 5 aus ferromagnetischem Material (Magnetowiderstandsmaterial), deren Funktion auf dem anisotropen Magnetowiderstandseffekt basiert. Die Ele­ mentar-Magnetfeldsensoren 5 sind längs eines die zentri­ sche Kreisöffnung 2 und damit den Stromleiter N-fach um­ schlingenden, ungefähr konzentrischen, geschlossenen Kreispfades in der Weise angeordnet, daß bei Abwesenheit äußerer Magnetfelder die Einstellung ihrer Magnetisie­ rung jeweils senkrecht zur Umfangsrichtung erfolgt, d.h. z.B. radial oder axial.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind insgesamt 144 Elementar-Magnetfeldsensoren 5 vorgesehen, die N = 2fach die zentrische Kreisöffnung 2 umschlingen, wobei je Umschlingung n = 72 Elementar-Magnetfeldsenso­ ren 5 in Reihe liegen. Die elektrische Verbindung zwi­ schen den einzelnen Elementar-Magnetfeldsensoren 5 je Umschlingung erfolgt jeweils durch Verbindungsstege 6.

Als Material für die Verbindungsstege 6 kann vorzugswei­ se Al herangezogen werden. Alternativ hierzu können die Verbindungsstege 6 auch aus einem anderem Material, wie z.B. Kupfer oder Gold, erzeugt werden.

Zur äußeren elektrischen Verbindung des Magnetfeld-Ring­ sensors 4 mit einer Signalsauswerteschaltung sind ein positiver Anschlußkontakt A, ein negativer Anschlußkon­ takt B und ein gemeinsamer Anschlußkontakt C am Rand des Substrats 1 aufgebracht. Um Lötbarkeit der Anschlußkon­ takte A, B, C zu gewährleisten, bestehen diese vorzugs­ weise aus Kupfer oder Gold. Die elektrische Verbindung der Elementar-Magnetfeldsensoren 5 untereinander ist derart, daß zwischen den Anschlußkontakten A und C sowie zwischen den Anschlußkontakten B und C jeweils n = 72 Elementar-Magnetfeldsensoren 5 in Reihe liegen.

In Fig. 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt eines Magnet­ feld-Ringsensors 4 mit Anschlußkontakten A, B, C darge­ stellt. Es ist eine Vielzahl von radial angeordneten Elementar-Magnetfeldsensoren 5 sowie deren Verbindungs­ stege 6 zu erkennen. Zu ihrer Linearisierung sind die jeweils ungefähr 320 µm breiten, aus Permalloy (Ni_81.4Fe_18.6) bestehenden Elementar-Magnetfeldsensoren 5 mit einer "barber-pole-Kontaktstruktur" versehen, die aus ungefähr 50 µm breiten, um 45° gegen die Wider­ standsbahnen geneigten Aluminiumstreifen bestehen. Über die gewählte Dicke der Widerstandsschicht kann die Sen­ sorempfindlichkeit voreingestellt werden. Als Magnetowi­ derstandsmaterial können z.B. auch andere NiFe- oder Co- Fe-Legierungen Verwendung finden.

Der Magnetfeld-Ringsensor 4 wird vorzugsweise in "addi­ tiver Dünnschichttechnik" hergestellt. Bei diesem Ver­ fahren werden die benötigten Schichtmaterialien nachein­ ander, jedoch in einem Vakuumprozeß, durch Metallmasken hindurch aufgedampft und strukturiert. Als Substrat 1 können 2"x2" große, glasierte Al₂O₃-Keramikplatten ver­ wendet werden, die bereits eine laser-geschnittene zen­ trische Kreisöffnung 2 von ungefähr 20 mm Durchmesser für die Aufnahme des Stromleiters und des Eisenkerns der Vormagnetisierungs-Spule aufweisen. Um eine ausreichende Temperaturstabilität zu gewährleisten, wird der Magnet­ feld-Ringsensor als Halbbrücke aus zwei gleich großen Widerständen realisiert, die einen konzentrischen Dop­ pelring (N=2) um die zentrische Kreisöffnung 2 bilden (siehe auch Fig. 4).

Zur Passivierung gegen Umgebungseinflüsse wird im ersten Aufdampfschritt (vor dem Aufdampfen des ferromagneti­ schen Widerstandsmaterials) und letzten Aufdampfschritt (nach dem Aufdampfen des ferromagnetischen Magnetowider­ standsmaterials, der Verbindungsstege 6 und der An­ schlußkontakte A, B, C aus Kupfer oder Gold) jeweils eine ungefähr 0,15 µm dicke Oxidschicht aus Al₂O₃ aufge­ bracht.

Der passivierte Magnetfeld-Ringsensor 4 wird nun in ei­ nem starken, radialen Magnetfeld für ca. 1 Stunde auf 400° aufgeheizt und wieder abgekühlt, um eine Ausrich­ tung der magnetischen leichten Achse in die Radialrich­ tung zu bewirken. Danach werden die mit Oxid (Al₂O₃) abgedeckten Anschlußkontakte A, B, C fotolithografisch freigelegt.

Alternativ hierzu kann auch eine andere Anordnung der magnetisch leichten Achse, z.B. in axialer Richtung, gewählt werden.

Alternativ hierzu kann der Magnetfeld-Ringsensor 4 auch in "subtraktiver Dünnschichttechnik" hergestellt werden, bei der die entsprechendem Schichten, wie Magnetowider­ standsmaterial und Kontaktmaterial für Anschlußkontakte, zunächst ganzflächig aufgebracht und anschließend foto­ lithografisch strukturiert werden.

In Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine Strom-Meßeinrich­ tung mit Magnetfeld-Ringsensor dargestellt. Es ist das Substrat 1 mit aufgebrachtem Magnetfeld-Ringsensor 4 zu erkennen. Durch die zentrische Kreisöffnung 2 des Sub­ strats 1 ist ein Eisemkern 7 mit Vormagnetisierungsspule 8 gesteckt, und zwar derart, daß (die Vormagnetisie­ rungspule 8 auf der dem Magnetfeld-Ringsensor 4 abge­ wandten Seite des Substrats 1 angeordnet ist und) der Eisenkern 7 direkt in die zentrische Kreisöffnung 2 eingreift.

Die Vormagnetisierungsspule 8 erzeugt das für die Vorma­ gnetisierung erforderliche radiale Magnetfeld. Über sei­ ne Größe kann darüberhinaus die Sensorempfindlichkeit nachträglich eingestellt werden.

Durch die Mittelbohrung des Eisenkerns 7 ist ein Strom­ leiter 9 (Durchmesser ungefähr 10 mm) geführt. Der durch den Stromleiter 9 fließende, zu messende Strom ist mit I und das vom Strom I erzeugte Nutzfeld ist mit 10 be­ zeichnet.

Das von der Vormagnetisierungsspule 8 zu erzeugende ma­ gnetische Hilfsfeld ist so anzuordnen, daß es eine ein­ deutige Orientierung in einer Richtung der festgelegten Vorzugsachse bewirkt (z.B. nach außen oder axial in po­ sitiver X-Richtung). Die Kennlinie der Elementar-Magnet­ feldsensoren 5 wird durch die beschriebenen geeigneten Maßnahmen (barber-pole-Kontaktstruktur und Hilfsfeld) innerhalb des Arbeitsbereiches linearisiert:

r_i = r₀ + α × H_i,s.

Dabei ist r_i der ohmsche Widerstand eines Elementar-Ma­ gnetfeldsenors 5, r_o der ohmsche Grundwiderstand eines Elementar-Magnetfeldsensors 5 ohne Einwirkung eines äu­ ßerem magnetischen Feldes, α die Sensorempfindlichkeit und H_i,s die Feldkomponente der magnetischen Feldstärke in Umfangsrichtung am Ort des Sensors i (i = 1, 2, 3...n).

Für den gesamten ohmschen Widerstand R des Magnetfeld- Ringsensors 4 gilt dann:

Die Sensorempfindlichkeit α ist im allgemeinen abhängig von der Größe der Feldkomponenten H_i,s der magnetischen Feldstärke senkrecht zur Umfangsrichtung. Ist diese Ab­ hängigkeit schwach, und können die auftretenden magneti­ schen Fremdfelder im Vergleich zum magnetischen Hilfs­ feld der Vormagnetisierungsspule 8 klein gehalten wer­ den, so gilt mit näherungsweise konstanter Sensoremp­ findlichkeit α und für genügend großes n:

R ≈ R₀ + α/Δ s · N · ∳ H · ds
=R₀ + α/Δ s · N · I,

da I = ∳ H · ds.

Dabei ist R₀ der gesamte ohmsche Grundwiderstand des Magnetfeld-Ringsensors 4 ohne Einwirkung eines äußeren magnetischen Feldes und H die magnetische Feldstärke längs des die Mittelpunkte der Elementarsensoren (mit den Abständen Δ S) verbindenden, geschlossenen Weges s.

Der Magnetfeld-Ringsensor 4 liefert daher ein Ausgangs­ signal, welches linear vom zu messenden Strom I abhängt und durch magnetische Fremdfelder nur schwach gestört wird.

Alternativ hierzu kann auch eine andere Art der Vorma­ gnetisierung Einsatz finden. Insbesondere kann die Vor­ magnetisierungsspule 8 auch durch einen geeigneten Per­ manentmagneten ersetzt werden. Desweiteren ist es zweck­ mäßig, die Strom-Meßeinrichtung durch eine äußere magne­ tische Abschirmung zu ergänzen, insbesondere, wenn star­ ke magnetische Fremdfelder auftreten.

In Fig. 4 ist eine Signalauswerteschaltung für den Ma­ gnetfeld-Ringsensor 4 dargestellt. Dabei ist der gesamte ohmsche Widerstand zwischen den Anschlußkontakten A und C des Magnetfeld-Ringsensors 4 mit R_S ¹ und der gesamte ohmsche Widerstand zwischen den Anschlußkontakten B und C mit R_S ² bezeichnet. Die Anschlußkontakte A, B, C sind jeweils im Schaltbild eingezeichnet. Zwischen dem mit positiver Versorgungsspannung U beaufschlagten positiven Anschlußkontakt A und dem auf Massepotential gelegten negativen Anschlußkontakt B ist ein Spannungsteiler, bestehend aus einem Widerstand R1, einem Potentiometer P1 und einem Widerstand R2, angeordnet.

Der Abgriff des Potentiometers P1 führt über einen Wi­ derstand R3 zum negativen Eingang eines Verstärkers V1. Der positive Eingang des Verstärkers V1 liegt über einen Widerstand R4 am Anschlußkontakt C und über einen Wider­ stand R6 am Massepotential. Der Ausgang des Verstärkers V1, der über den Abgriff eines Potentiometers P2 und einen seriengeschalteten Widerstand R5 mit dem negativen Eingang des Verstärkers V1 verbunden ist, und an dem das nicht gleichgerichtete Signal UN ansteht, führt über drei seriengeschaltete Widerstände R7, R8, R10 zum nega­ tiven Eingang eines Verstärkers V3. Parallel zur Serien­ schaltung aus R7, R8, R10 ist ein Widerstand R9 angeord­ net.

Der gemeinsame Verbindungspunkt der Widerstände R7 und R8 ist an den negativen Eingang eines Verstärkers V2 und an die Kathode einer Diode D2 angeschlossen. Der positi­ ve Eingang des Verstärkers V2 liegt am Massepotential. Der Ausgang des Verstärkers V2 ist an die Anode der Di­ ode D2 sowie über die Kathoden-Anoden-Strecke einer Di­ ode D1 an den Verbindungspunkt der Widerstände R8 und R10 angeschlossen. Der positive Eingang des Verstärkers V3 liegt auf Massepotential. Der Ausgang des Verstärkers V3 ist über ein Potentiomter P3 mit Massepotential sowie über eine Parallelschaltung eines Kondensators C1 und eines Widerstandes R11 mit dem negativen Eingang des Verstärkers V3 verbunden. Zwischen dem Abgriff des Po­ tentiometers P3 und Massepotential steht das strompro­ portionale Ausgangssignal UA an.

Die auf einer kleinen Platine aufgebaute Signalauswerte­ schaltung wird über kurze Verbindungskabel direkt an die Anschlußkontakte A, B, C des Magnetfeld-Ringsensors an­ geschlossen. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Signalauswerteschaltung auf dem Substrat 1 selbst durch Hybridisierung und SMD-Technik zu integrieren.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich, ent­ hält die Signalauswerteschaltung die ohmschen Widerstän­ de R1, R2 sowie das Potentiometer P1 zur Ergänzung der Sensorwiderstände R_S ¹ und R_S ² zur Vollbrücke. Über den Abgriff des Potentiometers P1 kann die Referenzspannung eingestellt werden (Brückenabgleich). Durch den Verstär­ ker V1 erfolgt die Verstärkung und durch die Diode D1, D2 die Gleichrichtung des Brückenmeßsignals (Betragsbil­ dung, Nachbildung einer idealen Diode). Die Serienschal­ tung aus Widerstand R5 und Potentiometer P2 dient zum Abgleich des Differenzverstärkers. Über den Abgriff des Potentiometers P3 kann die Ausgangsspannung UA korri­ giert werden.

Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Sensorwider­ stände R_S ¹, R_S ² durch Hinzunahme zweier weiterer Sensor­ widerstände zu einer Vollbrücke zu ergänzen. Gleichfalls kann eine Ergänzung der Vollbrücke durch eine Verstär­ kerschaltung mit unsymmetrischem, analogem Ausgang er­ folgen.

In den Fig. 5 und 6 sind interessierende, strompropor­ tionale Signale der Signalauswerteschaltung dargestellt, und zwar in Fig. 5 das nichtgleichgerichtete Signal UN am Ausgang des Verstärkers V1 in Abhängigkeit vom zu messenden, mit 50Hz veränderlichen, momentanen Strom I im umfaßten Stromleiter 9, sowie in Fig. 6 das Ausgangs­ signal UA am Abgriff des Potentiometers P3 in Abhängig­ keit des Effektivwertes Ieff des Stromes.

Das in Fig. 6 über dem Effektivwert des Stroms aufgetra­ gene, gleichgerichtete Ausgangssignal UA der Signalaus­ werteschaltung enthält keine magnetisch Hysterese mehr. Es kann zur Effektivwertmessung dienen und z.B. als Ein­ gangssignal für ein Überstromrelais verwendet werden. Die Abbildungen lassen jeweils den Linearitätsbereich des Sensors erkennen, der jedoch über die Vormagnetisie­ rung beeinflußt werden kann.

Claims (16)

1. Strom-Meßeinrichtung mit einem ringförmig um einen Stromleiter (9) angeordneten, auf dem Magnetowi­ derstands-Effekt beruhenden Magnetfeld-Ringsensor (4), der aus einer Vielzahl (n) elektrisch in Reihe geschal­ teter, ferromagnetischer Elementar-Magnetfeldsensoren (5) besteht, deren Magnetisierung jeweils senkrecht zur Umfangsrichtung des Stromleiters (9) eingestellt ist.

2. Strom-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch eine radiale Einstellung der magnetisch leichten Achse der Elementar-Magnetfeldsensoren (5).

3. Strom-Meßeinrichtung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch eine axiale Einstellung der magnetisch leichten Achse der Elementar-Magnetfeldsensoren (5).

4. Strom-Meßeinrichtung mach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Magnetisie­ rung der Elementar-Magnetfeldsensoren (5) in Richtung der magnetisch leichten Achse durch das Hilfsfeld eines Permanentmagneten.

5. Strom-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Magnetisie­ rung der Elementar-Magnetfeldsensorem (5) in Richtung der magnetisch leichten Achse durch das Hilfsfeld einer ringförmig um den Stromleiter (9) angeordneten Vormagne­ tisierungsspule (8) mit Eisenkern (7).

6. Strom-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine barber-pole-Kontakt­ struktur der Elementar-Magnetfeldsensoren (5).

7. Strom-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementar-Magnet­ feldsensoren (5) den Stromleiter (9) mehrfach (N) um­ schlingen.

8. Strom-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementar-Magnet­ feldsensoren (5) aus einer NiFe-Legierung bestehen.

9. Strom-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementar-Magnet­ feldsensoren (5) aus einer CoFe-Legierung bestehen.

10. Strom-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementar-Magnet­ feldsensoren (5) auf einem Substrat (1) aus Al₂O₃ mit zentrischer Kreisöffnung (2) aufgebracht sind.

11. Strom-Meßeinrichtung mach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementar-Magnet­ feldsensoren (5) auf einem Substrat (1) aus Glas aufge­ bracht sind.

12. Strom-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementar-Magnet­ feldsensoren (5) auf einem Substrat (1) aus organischem Material aufgebracht sind.

13. Strom-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) mit lötfähigen Anschlußkontakten (A, B, C) für eine Si­ gnalauswerteschaltung versehen ist.

14. Strom-Meßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementar-Magnetfeldsensoren (5) den Stromleiter (9) in Form eines konzentrischen Doppel­ ringes (N=2) umschlingen und jeder Ring als Meßwider­ stand einer Halbbrücke Verwendung findet.

15. Strom-Meßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementar-Magnetfeldsensoren (5) den Stromleiter (9) in Form eines konzentrischen Vier­ fachringes (N=4) umschlingen und jeder Ring als Meßwi­ derstand einer Vollbrücke Verwendung findet.

16. Strom-Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch eine äußere magnetische Abschirmung.