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Verfahren zum rückwirkungsfreien Messen der Stromstärke und Schaltungsanordnung
zur Durchführung des Verfahrens In elektrischen Schaltungsanordnungen besteht häufig
die Aufgabe, die Stärke eines Stroms rückwirkungsfrei zu messen. Insbesondere darf
bei Schaltungsanordnungen mit supraleitenden Stromkreisen, welche - z. B. in der
Form des sogenannten Kryotrons -ihre Anwendung in elektronischen Rechenmaschinen
und anderen Geräten zur automatischen Datenverarbeitung als Speicher- und Steuerelemente
finden, in einen solchen supraleitenden Stromkreis kein ohmscher Widerstand eingefügt
werden, wenn diese Schaltungsanordnungen mit den üblichen widerstandsbehafteten
Anordnungen zum Zwecke der Weitergabe von Informationen zusammenarbeiten sollen.
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Ein hierfür geeignetes Meßverfahren ist bereits bekannt. Nach diesem
Verfahren wird durch den zu messenden Strom in einer von ihm durchflossenen Spule
ein Magnetfeld erzeugt und mit diesem Magnetfeld ein Wismutdraht beeinflußt, dessen
Leitfähigkeit durch die Feldstärkeänderung eines auf ihn einwirkenden Magnetfeldes
stetig veränderbar ist. Zum Einstellen eines geeigneten Arbeitspunktes wird nach
diesem Verfahren die Leitfähigkeit des Wismutdrahtes durch ein weiteres Magnetfeld
auf einen bestimmten Wert vorgespannt. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil,
daß eine nach ihm arbeitende Schaltungsanordnung für viele Fälle nicht empfindlich
genug ist, da die Änderung der Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Feldstärkeänderung
bei Wismut relativ genng ist.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum rückwirkungsfreien
Messen der Stärke eines elektrischen Stroms durch Einwirkenlassen seines Magnetfeldes
auf einen Leiter, dessen Leitfähigkeit durch die Feldstärkeänderung eines auf ihn
einwirkenden Magnetfeldes stetig veränderbar ist und durch ein weiteres Magnetfeld
auf einen mittleren Wert vorgespannt wird, welches diesen Nachteil nicht aufweist.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Leiter veränderbarer Leitfähigkeit
ein Supraleiter ist, dessen Leitfähigkeitszustand bei tiefer Temperatur durch die
Feldstärkeänderung des auf ihn einwirkenden Magnetfeldes stetig zwischen dem supraleitenden
und dem normalleitenden Zustand umsteuerbar ist.
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Zur vollen Ausnutzung des Aussteuerbereiches des Leiters veränderbarer
Leitfähigkeit sollten die beiden auf ihn einwirkenden Magnetfelder im wesentlichen
gleiche Richtung besitzen.
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Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Beispielen für Schaltungsanordnungen
zur Durchführung des Verfahrens näher beschrieben. In den Zeichnungen ist Fig. la
eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung,
Fig. 1 b die Darstellung der Abhängigkeit
des Widerstands des Leiters veränderbarer Leitfähigkeit von seinem Steuerstrom,
Fig. 2 eine zweite Schaltungsanordnung nach der Erfindung, Fig. 3 eine Erweiterung
der Schaltungsanordnung nach Fig. la, Fig. 4 eine weitere Schaltungsanordnung nach
der Erfindung und Fig. 5 ein Umschalter zur Verwendung mit einer der Schaltungsanordnungen
nach der Erfindung.
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In Fig. 1 a ist ein supraleitfähiges Torelement oder Kryotron G mit
einer veränderbaren Spannungsquelle V und einem Meßgerät »I« in Reihe geschaltet.
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Außerdem ist mit dem Kryotron G seine Wicklung C2 in Reihe geschaltet,
so daß der durch das Tor fließende Strom ein magnetisches Feld aufbaut, das den
Widerstand des Tors beeinflußt. Der zu messende Strom iz(t) ist mit dem Kryotron
G durch eine Wicklung C1 gekoppelt. Bei dieser Anordnung beeinflußt das durch den
zu messenden Strom aufgebaute magnetische Feld den Stromfluß in dem das Kryotron
G umfassenden getrennten Stromkreis.
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Die Spulen C1 und C2 haben einen bestimmten magnetischen Effekt auf
das Kryotron G, der z. B. durch die Windungszahl jeder Wicklung und den Abstand
zwischen den einzelnen Windungen beeinflußt werden kann. Auf diese Weise wird der
von jeder Spule
beigesteuerte Teil des gesamten magnetischen Effekts
vorherbestimmt. Für die nachstehende Beschreibung der Wirkungsweise der in Fig.
1 a gezeigten Schaltung sei angenommen, daß die Spule C1 dieselbe magnetische Wirkung
auf das Kryotron G hat wie die Spule C2.
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Zunächst wird mit der Spannungsquelle V der Arbeitspunkt des Kryotrons
G auf seiner Übergangskurve zwischen Widerstandslosigkeit und seinem Normalwiderstand
eingestellt (s. Fig. lb). Dann wird durch einen Eingangsstrom ix(t) der Widerstand
des Kryotrons G je nach dem Wickelsinn der Wicklung C1 entweder erhöht oder vermindert.
Wenn der Widerstand des Kryotrons G vermindert wird, zieht das Tor G mehr Strom
aus der Spannungsquelle, bis die Wirkung von i(t) aufgehoben wird, so daß die Änderung
des auf dem Meßgerät »I<( abgelesenen Stroms eine Funktion des Stroms i(t) ist.
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Wenn durch den Strom i(t) der Widerstand des Tors G erhöht wird,
zieht dagegen das Tor G weniger Strom aus der Spannungsquelle, und die Änderung
des das Tor durchfließenden Stroms wird in ähnlicher Weise wie oben durch das Meßgerät
»I« als Funktion von i(t) angezeigt. Da diese Schaltung den Zweck hat, den Wert
des Stroms i(t) zu messen, ohne in der Spule C1 einen Widerstand zu erzeugen, ist
die Spule C1 wie die Schaltung, in der der Strom iz(i) fließt, supraleitend. Jedoch
braucht die Spule C2 nicht supraleitend zu sein, da ihr Widerstand nicht in den
Stromkreis der Spule C1 übertragen wird.
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Durch eine leichte Abwandlung der vorgenannten Anordnung wird die
in Fig. 2 gezeigte Schaltung gebildet, die nach denselben Prinzipien arbeitet. In
Fig. 2 enthält ein Stromzweig eine Spannungsquelle V2, einen Widerstand R2 und ein
Tor G. Ein Strom I aus einer Quelle V1 mit einem WiderstandRl teilt sich zwischen
den Wicklungen L1 und L2 (die gleich sein mögen) auf. Der in der Wicklung L2 fließende
Strom I2 spannt das Tor G auf einen Punkt seiner Übergangskurve zwischen Widerstandslosigkeit
und Normalwiderstand vor. Der Widerstand des Tors G, der durch den Strom I2 und
den infolge der Spannung V2 fließenden Strom bewirkt wird, bestimmt den Wert der
Ausgangsspannung e.
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Ein Transformator T koppelt den Strom iz(t) in die durch die Spulen
L1 und L2 gebildete Stromkreisschleife ein. Die Punkte in Fig. 2 neben der Primärwicklung
C1, des Transformators T und der Sekundärwicklung L1 zeigen an, daß diese Enden
der Transformatorwicklungen gleichzeitig positiv und negativ sind. Ein in das mit
einem Punkt bezeichnete Ende der Primärwicklung C1, fließender Strom it) verursacht
also das Herausfließen eines Stroms aus dem mit Punkt bezeichneten Ende der Sekundärwicklung
L1. Dieser Sekundärstrom ist dem Strom I1 entgegengerichtet und erhöht seinerseits
den Strom 12.
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Beim Wachsen des Stroms I2 erhöht die magnetische Wirkung der Wicklung
L2 den Torwiderstand und damit die Spannung e. Umgekehrt wird durch eine Abnahme
des zu messenden Stroms i(t) der Strom I2 und damit die Spannung e verringert. Um
zu verhindern, daß ein Widerstand in den Stromkreis des Stroms iz(t) eingeführt
wird, sind wieder alle Wicklungen supraleitend.
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Diese in Fig. 2 gezeigte Schaltung ergibt einen größeren Meßbereich
für die Spannung e, als er mit den Strommessungen in der in Fig. 1 a gezeigten Schaltung
erreichbar ist. Das beruht darauf, daß der Strom, der dem Tor G in Fig. 2 durch
die Quelle V2 über den
Widerstand R2 zugeführt wird, keine Spannung e erzeugt, wenn
das Tor G supraleitend ist, und die maximale ablesbare Spannung e erzeugt, wenn
das Tor infolge des vollen Einflusses der Spulen, auf seinen Normalwiderstand gelangt.
Bei dieser Anordnung muß die Spule C1, wie in den oben beschriebenen Schaltanordnungen
supraleitend sein.
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Obwohl der Strom i(t) über einen Transformator mit dem Meßkreis (Fig.
2) gekoppelt ist, wird eine ständige Anzeige des Wertes von iz(t) selbst dann erlangt,
wenn dieser Strom sich nicht verändert. Die Schaltung hat also die Wirkung eines
Gleichstromtransformators und zeigt jede Schwankung im Strom iz(t) von der Frequenz
Null bis zur oberen Grenzfrequenz des Transformators T an. Dies beruht darauf, daß
die Sekundärspule L1 des Transformators T mit der Spule L2 in einer geschlossenen,
vollständig supraleitenden Schleife liegt. Der Fluß durch diese Schleife kann nicht
verändert werden, solange sie vollständig supraleitend bleibt. Daher werden Ströme
in der Schleife erzeugt, die nicht von der Änderung des Stroms is(t) in der Primärspule,
sondern von dem Wert dieses Stroms abhängen. Außerdem fließt dieser Strom in der
Schleife weiter, wenn der Strom jx(t) einmal in der Spule C1, errichtet worden ist.
Er verändert seine Stärke im selben Maße wie der Strom iX(t), so daß stets ein Schleifenstrom
vorhanden ist, dessen Wert ein Maß für den Wert des Stroms ist ist.
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Fig. 3 zeigt, wie das Prinzip der in Verbindung mit Fig. la beschriebenen
Erfindung bei einer Anzeigeschaltung ähnlich einer herkömmlichen Wheatstoneschen
Brücke verwendet werden kann. In dieser Anzeigeschaltung ist die Spannung e gleich
I2R2-11)?4.
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Wenn der Widerstand R2 so gewählt wird, daß sein Wert gleich dem des
Widerstands R4 ist, und wenn der Strom In gleich dem Strom 12 ist, ist die Spannung
e gleich Null.
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Es sei angenommen, daß die Spannung V in Fig. 3 einen Strom erzeugt,
der in die Ströme Ii und I2 aufgeteilt wird. Der Strom I1 wird durch den veränderbaren
Widerstand R2 so eingestellt, daß die magnetische Wirkung der Wicklung C2 auf dem
Tor G den Widerstand des Tors auf einen Wert zwischen Null und dem Normalwiderstand
hält. Wenn nun ein zu messender Strom Iz(t) an die Spule C1 angelegt wird und angenommen
wird, daß die Spulen C1 und C2 gleiche magnetische Wirkung besitzen, wird der Widerstand
des Tors G erhöht und der Strom I1 verringert.
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Beim Sinken des Stroms I1 erhöht sich der Strom 12, und die Ausgangsspannunge
steigt. Die Größe des Anstiegs von e ist dabei abhängig von der Stärke des zu messenden
Stroms is(t).
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Obwohl die Spannung e nichtlinear mit dem Strom k(t) in Beziehung
steht, können mit Hilfe einer Ziehkurve die Veränderungen der Spannung e leicht
in solche des Stroms i(t) umgewandelt werden.
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Wenn der veränderbare Widerstand R3 in Stromwerten geeicht wird,
kann der zu messende Strom is(t) nach dem Abgleich von e auf Null direkt vom Widerstand
R3 abgelesen werden. Dieses Verfahren ähnelt dem oben beschriebenen Verfahren insofern,
als der Stromkreis anfangs mit dem Strom II und dem magnetischen Effekt der Spule
C auf dem Tor G abgeglichen ist, so daß die Spannung e gleich Null ist. Durch Anlegen
des zu messenden Stroms is(t) an die Spule C1 wie zuvor wird dann der Strom, gesenkt
und der Strom 12 erhöht. Wenn nun der Wert des Widerstands R2 gesenkt wird, um den
Ausgleich zwischen
den Strömen in und I2 wiederherzustellen, wird
die Spannung e wieder gleich Null, und den Wert des zu messenden Stroms ix(t) erlangt
man direkt aus dem geeichten Widerstand R2.
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Wenn der zu messende Strom iz(t) negativ ist, wird wie zuvor der
Widerstand des Tors G kleiner, und der Strom I1 wird größer als der Strom I2, wodurch
eine negative Spannung e entsteht, die mit dem Strom ix(t) durch die Eichkurve in
Beziehung gesetzt ist. Mit dieser Schaltanordnung können also auch negative Ströme
gemessen werden. Die Spule C2 und das Tor G brauchen nicht unbedingt aus supraleitfähigen
Stoffen zu bestehen, die Spule C1 muß jedoch supraleitend sein.
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Die in Fig. 4 gezeigte Schaltungsanordnung zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit
der Erfindung.
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Die Spannungsänderung, die bei der Herstellung des Gleichgewichts
an einem Punkt zwischen Null und dem Normalwiderstand am Tor G entsteht, zeigt die
Stärke des zu messenden Stroms an. Wie in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben, teilt
sich der durch die Spannungsquelle V1 und den Widerstand R1 gelieferte Strom zwischen
den Strömen 1g und 1b auf, so daß der Strom 1g durch das Tor G fließt.
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Der magnetische Effekt der Wicklung C2 auf dem Tor G wird durch die
Stärke des Stroms 1o bestimmt der seinerseits durch einen NPN-Transistor gesteuert
wird. Wenn z. B. der NPN-Transistor stärker leitend ist, fließt mehr Strom IT von
der Spannungsquelle V2 über den Widerstand R2 durch den Transistor.
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Dadurch wird der Strom 1o verringert und der magnetische Effekt der
Spule C2, der das Tor G stärker leitend macht, vermindert.
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Zur Steuerung der Leitfähigkeit des NPN-Transistors wird eine Spannung
V3 mit einem Widerstand R2 an die Klemme P des Transistors angeschlossen. Die Wirkung
des durch die Spannung V3 an der Klemme P gelieferten konstanten Stroms wird durch
die Stärke des Stroms, beeinflußt, der wiederum durch die Stärke des Stroms 1g beeinflußt
wird.
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Den Wert des Stroms 1o, den die Spule C2 benötigt, um das Tor G am
Gleichgewichtspunkt zu halten, zeigt ein Meßgerät M an. Der Widerstand des Tors
G möge sich geringfügig erhöhen. Dadurch wird der Strom Ig vermindert und dementsprechend
der Strom h erhöht und der NPN-Transistor in den Stand gesetzt, einen erhöhten Wert
des Stroms IT ZU leiten. Bei der Erhöhung des Stroms 1 sinkt jedoch der Strom0,
und es wird der Erhöhung des Widerstands des Tors G teilweise entgegengewirkt.
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Wenn andererseits eine geringe Senkung des Widerstands des Tors G
erfolgt, steigt der Strom 1g, und der Stromab nimmt ab. Der NPN-Transistor leitet
nun weniger Strom IT. Daher fließt mehr Strom, durch die Spule C2. Die Erhöhung
des magnetischen Effekts der Spule C2 erhöht zur Wiederherstellung des Gleichgewichts
den Widerstand des Tors G.
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Der zu messende Strom ix(t) wird jetzt an die Spule C1 angelegt (von
der angenommen wird, daß ihre magnetische Wirkung derjenigen der Spule C2 gleich
ist). Durch Zusammenwirken der Felder der Spulen C1 und C2 wird durch den Strom
iz(t) Widerstand in das Tor G eingeführt oder daraus entfernt.
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Die resultierende Änderung im Strom 10, die nötig ist, um eine neues
Gleichgewicht zu erreichen, ist abhängig von der Änderung in dem zu messenden Strom
iz(t).
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Daher kann man sagen, daß das Meßgerät M direkt den Wert des Stroms
ix(t) anzeigt.
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Die Abhängigkeit des Widerstands eines Kryotrons von dem durch das
Kryotron fließenden Strom ist nichtlinear, sie läßt sich jedoch durch entsprechende
Berechnung leicht bestimmen.
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Fig. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Auswählen des Stroms ix(t)
aus einer oder mehreren Stromquellen 11', 12'... 1n' Da es wichtig ist, keinen Widerstand
in diese Stromquellen einzuführen, steht für jede Stromquelle I1', I2' . 1fl' In
stets ein widerstandsloser Strompfad zur Erde zur Verfügung, und zwar entweder durch
das supraleitende Tor Y zur Erde oder durch das supraleitende Tor X und einen supraleitenden
Meßkreis zur Erde.
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Zur näheren Erklärung der Anordnung nach Fig. 5 sei angenommen, daß
die Stärke des Stroms der Stromquelle I1' gemessen werden soll. Ein an die Wicklungen
..... . Xn' angelegter elektrischer Stromimpuls erzeugt ein magnetisches Feld, welches
die zugeordneten supraleitenden Tore .... . Xn in den mit Widerstand behafteten
Zustand treibt. Die Stromquellen 12' . In' sind über die entsprechenden supraleitenden
Tore .... . Yn zur Erde nebengeschlossen. Die Wicklung X1, ist nicht erregt. Statt
dessen empfängt die Wicklung Y1, den Stromimpuls, so daß das supraleitende Tor Y1
in den mit Widerstand behafteten Zustand getrieben wird und dadurch einen widerstandslosen
Pfad zur Erde für die Stromquelle I1' durch das supraleitende Tor X1 und den supraleitenden
Meßkreis erzeugt. In gleicher Weise kann jede der Stromquellen 12'...1n' ohne gegenseitige
Beeinflussung und ohne Übersprechen zwischen zwei Stromkreisen mit dem Meßkreis
verbunden werden.