Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Messung eines durch einen Stromleiter fließenden elektrischen Stromes mit Hilfe einer elektrischen Steuerschaltung mit einem Meßglied in Form einer als heatstone-Brücke ausgebildeten Meßbrücke aus magnetoresistiven Meßwiderständen, an die eine elektri¬ sche Brückenspannung angelegt ist, und von der zur Messung einer von dem Strom in der unmittelbaren Umgebung des Stromleiters erzeugten magnetischen Feldstärke eine Meßspannung abgegriffen wird, wobei die Meßspannung der Meßbrücke einen Kompensationsεtrom im Kompensationsleiter beeinflußt, der so wählbar ist, daß die von dem Meßglied gemessene magnetische Feldstärke kompensiert wird, so daß der Kompensationsstrom proportional dem Strom ist.

Meßanordnungen zur Bestimmung von Magnetfeldern dienen ins¬ besondere zur potentialfreien Messung der Stromstärke eines elektrischen Stromes, der ein derartiges Magnetfeld hervor- ruft. Da die gesamte Umgebung eines auf diese Weise zu be¬ stimmenden Magnetfeldes stets schon mit großräumigen Stör¬ magnetfeldern behaftet ist, liegt es nahe, mit Hilfe von Magnetfeldgradienten zwischen dem auszumessenden und einem Störmagnetfeld zu unterscheiden.

ORIGINALUNTERLAGEN

Eine solche Meßanordnung ist aus der Offenlegungsschrift DE 43 00 605 bereits bekannt, bei der ein mit einer Meßbrücke aus magnetoresistiven Schichtstreifen und einem Dünn¬ schicht-Streifenleiter für einen kompensierenden Steuer- ström ausgestatteter Sensor, mit dem Stromleiter baulich vereint, vorgesehen ist, wobei das Ausgangssignal störfeid¬ unabhängig, dem auszumessenden Strom proportional und weder temperatur- noch hilfsmagnetfeld-abhängig ist, wie das von anderen Meßanordnungen her bekannt ist. Es ist aber nun er- forderlich, daß die Meßanordnung in einem Zwischenstück des Stromleiters vorgesehen ist, die zu diesem Zweck unterbro¬ chen und zu beiden Seiten des Zwischenstückes angeschlossen werden muß, wenn man vermeiden will, an dem Stromleiter einen Meßbereich abzuisolieren, um dort die Meßanordnung anbringen zu können. Insbesondere bei der Messung größerer Stromstärken ist allein eine Stromschiene als Zwischenstück praktikabel, auf der die Meßanordnung bereits angebracht und kalibriert ist, um den Einfluß der geometrischen Abmes¬ sungen auf das Übersetzungsverhältnis beherrschen zu kön- nen.

Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, diese Nachteile zu beseitigen und eine Meßanordnung der eingangs näher bezeichneten Art so auszubilden, daß sie mit dem un¬ verändert bleibenden Stromleiter zum Messen jederzeit ver- bunden und bei Bedarf auch ohne weiteres wieder entfernt werden kann, ohne daß die bei derartigen Meßanordnungen be¬ reits realisierbaren Vorteile - potentialfreie, störfeld-, temperatur- und hilfsmagnetfeld-unabhängige Messung - auf¬ gegeben werden müßten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß als Meßglied zwei der elektrischen Brückenspannung ausgesetzte, parallel geschaltete Meßbrücken vorgesehen sind, die aus

jeweils vier in der zugehörigen Meßbrücke angeordneten magnetoresistiven Meßwiderständen bestehen, daß die Meßwi¬ derstände in den Meßbrücken in einer gemeinsamen Brückene¬ bene angeordnet und daß die Meßbrücken mit zueinander im wesentlichen flächenparallelen Brückenebenen beiderseits des Stromleiters vorgesehen sind, und daß jede Meßbrücke eine Kompensationsleitung aufweist, und daß die Summe der Kompensationsströme der Meßbrücken gebildet wird, die pro¬ portional dem fließenden Strom ist.

Die Erfindung macht sich zunutze, daß beiderseits eines Stromleiters das von diesem erzeugte Magnetfeld entge¬ gengerichtet wirkt und in einem (homogenen) Störfeld entwe¬ der verstärkt oder geschwächt wird, so daß sich nach wie vor diese störfeidabhängigen Komponenten in der Meßanord- nung durch Addition eliminieren. Dabei ist es nun aber auch möglich, daß jeweils eine Meßbrücke zusammen mit der zugehörigen Kompensationsleitung in einem Sensor vereint untergebracht werden kann und daß die beiden Sensoren in einer gemeinsamen Klemmvorrichtung vorgesehen sein können, die als Meßglied über den Stromleiter legbar ist. Eine sol¬ che von dem Stromleiter getrennte Ausführung konnte bei der eingangs benannten Meßanordnung mit den Mitteln des Standes bisher nicht angegeben werden.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Kompensationsleiter an der jeweils zugehörigen Meßbrücke über einen Differenz¬ verstärker angeschlossen sind, an dem andererseits die Me߬ spannung dieser Meßbrücke anliegt, so daß aus der Summe der Ko pensationsströme ein Meßsignal gebildet werden kann, das in geeigneter Weise so verarbeitet wird, daß es der Strom- stärke in der Stromleitung proportional ist.

In einer besonders zweckmäßigen Ausführung sind die Me߬ brücken über und unter dem Stromleiter vorgesehen, wobei es

aus baulichen Gesichtspunkten am besten ist, wenn die Me߬ brücken und der Stromleiter waagerecht und jeweils be¬ züglich einer gemeinsamen senkrechten Symmetrieachse mittig angeordnet sind; dabei kann der Stromleiter waagerecht und parallel zu seiner Längsachse verschoben werden, ohne daß ein nennenswerter Meßfehler auftritt, so lange der Quer¬ schnitt des Stromleiters eher breit als hoch ist. Es ist aber auch möglich, daß die Meßbrücken und der Stromleiter nach wie vor waagerecht und die Meßbrücken nun aber rechts und links von der Längsachse des Stromleiters entfernt an¬ geordnet sind, zweckmäßig gleichweit von dem Stromleiter beabstandet; in diesem Fall kann der Stromleiter ebenfalls waagerecht und parallel zu seiner Längsachse, nun aber in großem Umfang verschoben werden, ohne daß ein unzumutbarer Meßfehler aufträte, weil die Meßsignale der Meßbrücken sich zwar wechselweise vermindern und erhöhen, ihre Summe aber (nahezu) unverändert bleibt.

Die erfindungsgemäße Meßanordnung ist gleichermaßen ohne nennenswerte Meßfehler einsetzbar, wenn die Abstände der Längsachse des Stromleiters von den Brückenebenen der Me߬ brücken ungleich ist. Die Abweichung kann bis zu 15% diffe¬ rieren, wobei der Meßfehler 5% nicht übersteigt. Vorteil¬ haft werden die beiden Meßbrücken in einem definierten Ab¬ stand angeordnet. Der zwischen diesen befindliche elektri- sehe Leiter kann dann in einem weiten Bereich verschoben werden, ohne daß sich die Summe der beiden Kompensations¬ ströme wesentlich ändert. Hierdurch wird die erforderliche Genauigkeit bei der Montage des Leiters reduziert, d. h. auch Abweichungen von der Soll-Lage beeinflussen das Meßer- gebnis kaum.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung an ei¬ nem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der erfin¬ dungsgemäßen Meßanordnung, teilweise in räumli¬ cher Darstellung,

Fig. 2 ein Schaltbild gemäß Fig. 1, jedoch mit Anordnung der Meßbrücken in einer gemeinsamen Ebene, die parallel und oberhalb zu der von der Strom¬ schleife aufgespannten Fläche liegt.

Fig. 3 eine Ausführungsform mit nur einer Meßbrücke.

Eine von einem auszumessenden Strom I ₀ durchflossene, als Stromleiter L _j^ dienende Stromschiene ist Bestandteil eines elektrischen Leistungs-Stromkreises; in der Figur ist ein kurzes, waagerechtes Teilstück einer solchen Stromschiene dargestellt. Die Richtung des Stromes I _Q ist durch Rich¬ tungspfeile P angedeutet.

In der unmittelbaren Umgebung Z über und unter dem Strom¬ leiter L _j _ und in einer gemeinsamen Symmetrieachse A _s sind, zu diesem ortsfest, je eine Meßbrücke B ₀ ,B _U in geeigneter Weise angebracht, die aus je vier in der Art einer Wheat- stone-Brücke geschalteten magnetoresistiven Meßwiderständen M bestehen und an die eine Brückenspannung U _b angelegt ist; dieser Teil der Meßanordnung bildet zusammen mit je einer Kompensationsleitung L _j ein Meßglied A.

Die an jeder Meßbrücke B ₀ ,B _U abgegriffene Meßspannung U _m wird je einem Differnzverstärker V _d zugeführt, der den Ko - pensationsstrom I _j . in jedem Kompensationsleiter L _k derart regelt, daß die Meßspannung O _m Null wird.

In jedem Kompensationsleiter L _k ist ein Meßwiderstand R _m eingeschaltet über den der Spannungsabfall gemessen wird.

Diese Spannungen werden einem Operationsverstärker V _Q zuge- führt, der diese addiert. Die Ausgangsspannung U _s des Ope-

rationsverstärkers V ₀ ist proportional dem zu messenden Strom I ₀ .

Bei der Ausführung nach Fig. 2 besteht der wesentliche Un¬ terschied zum Aufbau nach Fig. 1 darin, daß die beiden Meß- brücken in einer gemeinsamen Ebene, die parallel und ober¬ halb zu der von der Stromschleife aufgespannten Fläche liegt, angeordnet sind. Auch diese Schaltung ist unempfind¬ lich gegenüber homogenen Störfeldern. Die Unempfindlichkeit gegenüber Verschiebung der Meßbrücken bezüglich der Achsen des Stromleiters sind hier nicht mehr gegeben. Der Vorteil dieser Schaltung liegt darin, daß die Sensoren nur auf ei¬ ner Seite des Stromleiters angeordnet werden müssen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 besteht der wesentliche Unterschied zu der Anordnung nach Fig. 1 oder 2 darin, daß nur eine Meßbrücke B anstatt der bisher zwei verwendet wird. Die Brücke ist hier so angeordnet, daß jeweils eine Brückenhälfte auf der Ober- und Unterseite angeordnet wird. Da nur eine Meßbrücke verwendet wird, wird auch nur ein Verstärker V _Q benötigt; weiterhin entfällt die Addition der beiden Kompensationsströme I _κ . Die Meßwiderstände in einer Brückenhälfte sind in einer Ebene angeordnet. Die Brücken¬ hälften sind beiderseits des Leiters im wesentlichen flä¬ chenparallel angeordnet. Bei dieser Anordnung ist es auch gegeben, daß homogene Störfelder unterdrückt werden und die Anordnung unempfindlich gegenüber ungleichen Abständen der Brückenhälften von dem Stromleiter ist. Der Vorteil dieser Anordnung besteht auch in dem Wegfall eines Differenzver¬ stärkers und der Summationsschaltung. Weiterhin kann der

Sensorchip in seiner Baugröße kleiner ausfallen.

Aufstellung der Bezu szeichen