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Einrichtung zur Strommessung Zur Messung der Stromstärke werden vielfach stromdurchflossene, magnetfeldabhängige Halbleiterele- mente verwendet, welche dem durch den zu messenden Strom erzeugten Magnetfeld ausgesetzt werden, wobei dann die an ihnen auftretende Spannung mit einem Messinstrument bestimmt wird - sei es nun bei Verwendung
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Bei einer bekannten Strommesseinrichtung dieser Art mit batteriegespeister Messbrücke wird der Strom in der Diagonale mit einem als Abgleich-und Anzeigeinstrument dienenden Galvanometer gemessen, das die Stärke des zu messenden magnetischen Feldes angibt. Wenn hiebei nun die Anzeige des Galvanometers der Feldstärke tatsächlich proportional sein soll, ist jedoch eine verhältnismässig grosse magnetische Vorerregung erforderlich, da nämlich diese Proportionalität nur dann gegeben ist, wem der Arbeitsbereich im linearen Teil der Widerstands-Induktions-Kennlinie der magnetfeldabhängigen Widerstände liegt. Die dadurch bedingte verhältnismässig hohe Induktion erfordert aber Erregerspulen mit hoher Amperewindungszahl und dadurch eben einen relativ grossen Aufwand.
Nach der Erfindung werden nun bei Messeinrichtungen der eingangs beschriebenen Art, insbesondere zur Messung von Gleichströmen grosser Intensität, diese Nachteile dadurch vermieden, u. zw. unter Ausnutzung der Magnetfeldabhängigkeit von Halbleiterelementen grosser Trägerbeweglichkeit, dass von den beide magnetfeldabhängigen Widerstandskörper beeinflussenden Magnetfeldern die beiden gleich grossen durch je einen Dauermagneten und die beiden andern Magnetfelder durch den zu messenden Gleichstrom erzeugt werden, wobei beide Magnetfelder bei einem Widerstandskörper gleichsinnig und beim andern entgegengesetzt gerichtet sind und die Brückenschaltung zwischen den beiden magnetfeldabhängigen Widerstandskörpern und den beiden ohmschen Widerständen gespeist wird und parallel zu den in Reihe liegenden Widerstandskörpern ein Anzeige-und Abgleichinstrument angeschlossen ist.
Bei einer weiteren Ausgestaltung dieser Messeinrichtung werden die beiden gleich grossen Magnetfelder durch je einen einen Teil eines Magnetkernes bildenden Dauermagneten erzeugt und beide Magnetkerne, in deren Luftspalt die magnetfeldabhängigen Widerstandskörper untergebracht sind, umgeben einen vom zu messenden Gleichstrom durchflossenen Leiter.
Bei einer andern vorteilhaften Ausführungsform werden die gleich grossen Magnetfelder durch je einen mit einem magnetfeldabhängigen Widerstandskörper zusammengebauten Dauermagneten erzeugt, welche im durch den zu messenden Gleichstrom erzeugten Feld liegen.
In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Einrichtung zur Messung starker Gleichströme in Fig. 1 schematisch dargestellt ; weiters zeigen Fig. 2 ein Diagramm hiezu und'Fig. 3 einen Erregerstromkreis.
In Fig. 1 ist eine Messeinrichtung für die Stromstärke des in einem Gleichstromnetz 1 - 2 fliessenden, verhältnismässig grossen Gleichstromes dargestellt. Der Stromleiter 2 ist durch zwei Magnetkerne 3 und 4 hindurchgesteckt, von denen je ein Schenkel von einem Dauermagneten 5 bzw. 6 gleicher Stärke und entgegengesetzter Polarität gebildet wird. In den Luftspalten dieser Magnetkerne 3 und 4 ist je ein
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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. Die Speisung der Brückenschaltung erfolgt an den Diagonalpunkten 11,12 über einen Vorwiderstand 13 durch das Gleichstromnetz 1, 2. Die beiden andern Diagonalpunkte 14, 15, welche den Ausgang der Messeinrichtung bilden, sind an eine Spule 16 eines Quotientenmessinstrumentes 17 angeschlossen. Die zweite Spule 18 desselben ist über einen Vorschaltwiderstand 19 ebenfalls mit dem Gleichstromnetz 1, 2 verbunden. Der im Stromleiter 2 fliessende Strom erregt die Magnetkerne 3, 4, so dass auf die magnetfeldabhängigen Widerstände 7,8 je zwei magnetische Felder einwirken, nämlich ein konstantes Feld Bo von den Dauermagneten 5,6 herrührend und ein dem zu messenden Strom proportionales Feld Bl.
Die Felder Bo und Bi 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 K1im Diagramm der Fig. 2 dargestellt. Für die Induktion Bo des konstanten Magnetfeldes ergibt sich der Arbeitspunkt Ai.
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 der Fig. 2 die Kennlinie Ka für den Widerstandskörper 8 gleich der Kennlinie K1 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 Ka die einen linearen Verlauf aufweist.
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l Iststandskörper 8 eine Induktion B-B. i wirksam ist.
Für die Kennlinie K, die im betrachteten Bereich einen quadratischen Verlauf aufweist, gilt R7 : = Ro + m (Bo + B J) und für die Kennlinie K2 entsprechend Ra + m (Bo-BB) ) 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 Kennlinie K, indem man die beiden angeführten Gleichungen voneinander subtrahiert.
R7-R8=4mB0B1 d. h. die Kennlinie K 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 B eine grössere Widerstandsderung hervorruft als diejenige, welche an den Widerstandskörpern 7,8 einzeln auftritt.
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 (R-Rjj) = 4mBoBlI ergibt.
Hieraus ist ersichtlich, dass die Ausgangsspannung dem magnetischen Feld Bl, 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
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oder eine Batterie verwendet werden. Als Messinstrument ist in diesen-Fällen ein entsprechendes Anzeigeinstrument vorzusehen.
Falls das vom zu messenden Strom erzeugte Feld B genügend stark ist, erübrigen sich die Magnetkerne 3,4. Die Widerstandskörper 7,8 werden dann je zwischen zwei Dauermagneten angeordnet.
Um etwaige Ungleichheiten zwischen den Widerstandskörpern 7,8 ausgleichen zu können, ist die Brückenschaltung gemäss der 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. Der Brückenstrom bleibt in diesem Fall unbeeinflusst von Änderungen der Leitwerte der Widerstandskörper 7,8. Beide Potentiometer 20,21 sind aus temperaturunempfindlichem Widerstandsdraht gewickelt. Sie sind derart einzustellen, dass bei Einwirkung von gleich starken magnetischen Feldern, die Spannung am Messbrückenausgang 14, 15 über den ganzen Arbeitsbereich Null ist.
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 hiefür optimal bemessen werden. Gegenüber den bekannten Messeinrichtungen ergibt sich der Vorteil, dass mit kleinen Induktionen gearbeitet wird. Die Magnetkerne fallen demzufolge viel kleiner aus.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Strommessung, insbesondere von Gleichströmen grosser Intensität, mit einer Brükkenschaltung, die zwei magnetfeldabhängige Widerstandskörper sowie zwei hohe ohmsche Widerstände enthält, wobei jeder der beiden magnetfeldabhängigen Widerstandskörper je zwei Magnetfeldern ausgesetzt ist, deren eines bei beiden Widerstandskörpern gleich gross ist, dadurch gekennzeichnet, dass die
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Magnetfelder (Bl)'durch den zu messenden Gleichstrom erzeugt werden, wobei beide Magnetfelder (Ba und Bi) bei einem Widerstandskörper gleichsinnig und beim andern entgegengesetzt gerichtet sind, und dass die Brückenschaltung (7 - 10) zwischen den beiden magnetfeldabhängigen Widerstandskörpern (7,8)
und den beiden ohm'schen Widerständen (9,10) gespeist wird und parallel zu den in Reihe liegenden Widerstandskörpern ein Anzeige-und Abgleichinstrument (17) angeschlossen ist.