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Strommeßgerät unter Ausnutzung des Halleffekts Zusatz zum Patent:
1 148 325 Das Hauptpatent bezieht sich auf Anordnungen zur Messung von Strömen,
insbesondere Gleichströmen, wobei die Änderungen der elektrischen Eigenschaften
von Halbleitern unter dem Einfluß eines Magnetfeldes zur Messung nutzbar gemacht
sind. In der Figur des Hauptpatentes ist bereits eine Schaltung dargestellt, bei
der ein Hallgenerator, d. h. ein magnetfeld abhängiger Halbleiter mit einer Trägerbeweglichkeit
von 6000 cm2,Volt sec .oder mehr, insbesondere vom Typ A111 Bv, im Magnetfeld eines
Stromes angeordnet ist und seine der Stromstärke proportionale Hallspannung zur
Messung herangezogen wird. Die vorliegende Erfindung betrifft eine besonders vorteilhafte
Einrichtung zur Messung hoher Gleichströme, einen sogenannten Gleichstromwandler,
der ebenfalls auf der Ausnutzung des Halleffektes beruht.
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Zur Absolutmessung sehr hoher Gleichströme werden heute allgemein
Gleichstromwandler verwendet. Die bisher üblichen Wandler arbeiten nach dem Prinzip
der Kompensation der primären Gleichstromamperewindungszahl durch eine aus dem Wechselstromnetz
gelieferte sekundäre Amperewindungszahl. Dieser Meßwandlertyp weist jedoch einen
schwerwiegenden Nachteil auf, der seine Ursache in dem Grundprinzip der Meßweise
hat und durch Korrekturmaßnahmen nicht völlig beseitigt werden kann. Da es ja darauf
ankommt, die Gesamtinduktion im Eisenkern zu kompensieren, ist die ganze Anordnung
im höchsten Maße gegen in der Nähe befindliches Eisen sowie gegen Streufelder empfindlich.
Es wirken sich daher die Art der Rückführungsverlegung der Stromschienen, ferner
die Magnetfelder anderer, unabhängiger Stromkreise sowie in der Umgebung befindliche
Eisenmassen, ja sogar die Moniereinlagen in Eisenbetonbauten im Sinne einer starken
Verfälschung des Meßergebnisses aus.
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Wird ein derartiger Meßwandler nach der Fertigung im Prüffeld abgeglichen
und dann an den Einbauort gebracht, so sind in den meisten Fällen Maßnahmen zum
Nachabgleich je nach den örtlichen Verhältnissen notwendig. Hierbei muß unter Umständen
sogar eine Veränderung der Rückführungsverlegung vorgenommen werden. Die Einflüsse
anderer, unabhängiger Stromkreise sind überhaupt nicht kompensierbar, da sich die
Stromstärken in ihnen jederzeit ändern können. Es besteht daher ein dringendes Bedürfnis
nach einem Gleichstrommeßwandler, bei dem diese Fehler schon vom Meßprinzip her
ausgeschaltet sind. Ein solcher Meßwandler bildet den Gegenstand der Erfindung.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Strommeßgerät, dessen Wirkungsweise
auf der Erfassung der Hallspannung beruht, die an einem stromdurchflossenen Halbleiterkörper
unter der Wirkung eines von einem strom-, vorzugsweise gleichstromdurchfiossenen
Leiters erzeugten Magnetfeldes auftritt und zur Messung dieses Stromes nutzbar gemacht
ist, nach Patent 1 148325. Erfindungsgemäß ist um die Stromschiene ein Kern aus
einem Material mit weitgehend linearen Magnetisierungskenninlen mit zwei oder mehreren
Luftspalten gelegt, in welchen je ein von einem konstanten Hilfsgleichstrom durchflossener
Hallspannungserzeuger, vorzugsweise ein Hallgenerator vom Typ A111 Bv so angeordnet
ist, daß die Hallspannungserzeuger von dem Magnetfeld des zu messenden Stromes durchsetzt
werden, während an eine Reihenschaltung aller Hallelektroden ein Meßgerät angeschlossen
ist, dessen Ausschlag ein Maß für das Linienintegral der Luftspaltfeldstärken und
damit für den Meßgleichstrom ist.
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Es sei darauf hingewiesen, daß grundsätzlich auch eine Anordnung
möglich ist, bei der die Stromschiene von einem Kern mit nur einem Luftspalt umgeben
ist. Es ist dann auch nur ein Hallgenerator erforderlich. Diese an sich bereits
bekannte Ausführungsform ist jedoch für den vorliegenden Zweck unvorteilhaft, und
zwar aus mehreren Gründen. Zunächst würde in dem luftspaltlosen Schenkel schon bei
verhältnismäßig kleinen Strömen infolge der Feldverdrängung Sättigung auftreten,
während die Luftspaltfeldstärke erst einen geringen Wert besitzt.
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Man müßte den luftspaltlosen Schenkel dann mit größerem Querschnitt
ausführen und erhielte eine unsymmetrische Anordnung. Da ferner zur Vermeidung der
Sättigung der Luftspalt bei hohen Strömen sehr groß gemacht werden muß, kommt man
zu
Luftspaltbreiten, die bereits eine erhebliche Streuung der Feldlinien
zulassen. Schließlich macht ein Kern mit nur einem Luftspalt, genau wie die Ringkerne
der bisher üblichen Wandler, die Schaffung eines Umgehungsstromweges und die Auftrennung
der Stromschiene für die Dauer der Montage erforderlich.
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Alle diese Nachteile werden in Weiterbildung der Erfindung dadurch
vermieden, daß der Eisenkern in an sich bekannter Weise aus zwei U-förmigen Teilen
besteht, die an jeder beliebigen Stelle der Stromschienen auch nachträglich angebracht
werden können. Die Luftspaltbreite wird auf zwei Luftspalte verteilt und damit die
Homogenität des Feldes weitgehend erhalten. Die beiden Teile können gleiche Querschnittsfläche
haben und ergeben eine völlig symmetrische Anordnung. Um eine Absolutmessung zu
ermöglichen, muß allerdings in beiden Luftspalten ein Hallgenerator vorgesehen werden.
In Sonderfällen, z. B. bei extrem hohen Gleichströmen, kann man auch mehrere Luftspalte
verwenden. Es sind dann entsprechend viele Hallgeneratoren erforderlich.
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In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt. Es zeigen F i g. 1 a und 1 b die Schaltungsanordnung, Fig.2 in vereinfachter
Darstellung die elektrischen und magnetischen Verhältnisse.
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Nach F i g. 1 a ist in den beiden Luftspalten eines zweiteiligen
Kerns 3, 4 je ein Hallgenerator 1, 2 angeordnet. Wie Fig. lb zeigt, wird jeder der
beiden Hallgeneratoren von einem konstanten HilfsgleichstromiSl bzw. 1s2 durchflossen
und von den Feldlinien des Magnetfeldes des zu messenden Gleichstromes durchsetzt,
der z. B. mittels einer Stromschiene 5 durch den Kern geführt wird. Infolge der
Einwirkung des Magnetfeldes und der Steuerströme wird in den beiden Hallgeneratoren
je eine Hallspannung erzeugt, die in der dargestellten Reihenschaltung der Hallelektroden
summiert und einem Gleichstrommeßinstrument zugeführt wird, das beispielsweise an
die Klemmen7, 8 angeschlossen ist.
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Die beiden Widerstände 9 und 10 stellen die Grundlast für die Hallgeneratoren
dar. Die Anzeige des Instrumentes ist genau proportional der Stärke des zu messenden
Gleichstromes, wenn die Hilfsgleichströme konstant gehalten werden und die Linearität
der Magnetisierungskennlinie des Kemmaterials und der Funktion »Hallspannung/magnetische
Induktiona des Hallgenerators eingehalten wird.
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Hinsichtlich der letzteren Bedingung bestehen keine Schwierigkeiten,
da der Halleffekt an sich eine lineare Beziehung darstellt. Für das Kernmaterial
wird man vorzugsweise siliziertes Eisenblech verwenden, welches bei der Herstellung
eine magnetische Vorzugsrichtung erhalten hat, wie z. B. die unter der Handelsbezeichnung
Trancor XXX bzw.
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Oriented M7X bekannte Eisensorte, welche bis zu sehr hohen Induktionen
(etwa 17000 Gauß) vernachlässigbare Abweichungen von der Linearität der Magnetisierungskennlinie
aufweist. Es empfiehlt sich auch, den Kern in an sich bekannter Weise geschichtet
auszuführen.
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In Fig.2 ist die Ausbildung der magnetischen Feldstärke H1, H2 in
den beiden Luftspalten dargestellt. Unter Vernachlässigung des Eisenweges ist
das
Linienintegral q> Hds H1 1 £ H2 <2 ein genaues Maß für die Stromstärke in
der Schiene 5, unabhängig von den Luftspaltbreiten b du. Streufelder beliebiger
Art gehen nicht in die Messung ein. Die Rückführungsschiene 6 kann beliebig verlegt
werden.
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Die Gleichstrommeßeinrichtung gemäß der Erfindung eignet sich insbesondere
für Messungen in Elektrolyseanlagen auf Grund ihrer hohen Meßgenauigkeit. Es wurden
Fehlergrenzen von weniger als tor 0,1 O/o erreicht, wobei die Genauigkeit praktisch
nur davon abhängt, wie genau die beiden Hilfsgleichströme s 1 und i, o konstant
gehalten werden können.
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Hierzu wird vorzugsweise eine Regeleinrichtung verwendet. die die
Hilfsstromstärke dauernd mit einem Normal vergleicht. Je nach der Wirkungsweise
dieser an sich bekannten Regelung kann als Normal eine Stabilisierungsröhre, ein
Permanentmagnet, ein Normalelement od. ä. dienen. Bei Anwendung einer solchen Regelung
ist der Meßwandler mit besonderem Vorteil auch für die Amperestundenzählung von
hohen Gleichströmen anwendbar. Die Meßleistung ist in allen Fällen in erster Linie
von der Stärke der Hilfsgleichströme abhängig.