Цифровой измеритель тока Российский патент 2018 года по МПК G01R19/00 G01R33/09 

Описание патента на изобретение RU2666582C2

Техническое решение относится к устройствам измерения электрического тока, в частности к цифровым измерителям тока, и может быть использовано для бесконтактного преобразования измеряемого тока в цифровой код с помощью магниторезистивных сенсоров с компенсацией ассоциативной и мультипликативной температурных погрешностей, а также погрешности от воздействия внешнего магнитного поля, что может найти применение в системах автоматического управления, в устройствах заряда аккумуляторов автомобилей и мобильной техники, а так же в счетчиках электрической энергии.

Известны рекомендации по применению магниторезистивных сенсоров Philips Semiconductor для измерения тока [1]. В рекомендациях указаны основные факторы погрешности магниторезистивных сенсоров при измерении электрического тока - это воздействие внешнего магнитного поля, а также зависимость аддитивной и мультипликативной погрешностей сенсоров от температуры. Для компенсации погрешности воздействия внешнего магнитного поля предложена схема с параллельным включением двух противоположно расположенных сенсоров. Для компенсации температурной погрешности предлагается использовать терморезистор, с помощью которого компенсируется температурный дрейф нуля (аддитивная погрешность) и коэффициента чувствительности (мультипликативная погрешность). Недостатком предлагаемых схем является использование отдельного терморезистора и подстроечных резисторов, что усложняет схему и затрудняет температурную калибровку датчика, которая выполняется в условиях воздействия крайних рабочих температур.

Известен магниторезистивный датчик тока [2]. Датчик содержит магниторезистивный мост, проводники перемагничивания и управления. Проводники расположены над парами магниторезисторов плеч моста так, что векторы магнитной индукции в проводниках прохождения тока перемагничивания и управления направлены в противоположные стороны. Это позволяет компенсировать влияние внешнего магнитного поля. Данное техническое решение нельзя использовать для серийных магниторезистивных датчиков.

Известен магниторезистивный сенсор с температурной компенсацией [3]. Сенсор содержит магниторезистивный мост, магниторезисторы которого имеют положительный ТКС. Плечи моста дополнены терморезисторами, имеющими отрицательный ТКС. В результате общий ТКС сенсора компенсируется. Недостатком технического решения являются сложная техническая реализация, которая требует изготовления специализированного сенсора, а также отсутствие компенсации влияния внешнего магнитного поля и температурной погрешности чувствительности сенсора к магнитному полю токопроводника.

Известно устройство и способ на основе магнитерезистивного сенсора [4], позволяющий использовать его, как для измерения напряженности магнитного поля, так и температуры. В техническом решении предложено две схемы питания сенсора - от источника постоянного тока и источника постоянного напряжения через резистор. Напряжение с диагонали питания сенсора характеризует температуру, напряжение с измерительной диагонали - напряженность магнитного поля. Недостатком решения является температурная погрешность выходного сигнала сенсора.

Известен датчик тока [5], выбранный в качестве прототипа. Датчик тока содержит два магниточувствительных моста, выполненных на элементах Холла, и два токопровода, которые создают магнитные поля для магниточувствительных мостов в противоположных направлениях. Выходы мостов соединены соответственно с первым и вторым инструментальными усилителями, выходы которых соединены с соответствующими входами третьего усилителя. В выходном разностном напряжении третьего усилителя компенсируется аддитивная погрешность датчика и воздействие внешнего магнитного поля, а также вдвое увеличивается выходной сигнал. Недостатком датчика является отсутствие цифрового интерфейса, низкая чувствительность датчиков Холла, которая недостаточна для измерения малых токов, а также нелинейность выходного сигнала от измеряемого тока и его зависимость от температуры и колебаний питающего напряжения.

Предлагаемое техническое решение устраняет недостатки прототипа. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности датчика и обеспечение линейности его выходного сигнала от измеряемого тока, не зависящего от температуры и колебаний питающего напряжения.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в цифровом датчике тока, содержащем два магниточувствительных моста, установленных равнонаправленно, и два токопровода, соединенные так, что измеряемый ток течет в них от входа к выходу для установленных над ними мостами в противоположных направлениях, выходы мостов соединены соответственно с первым и вторым инструментальными усилителями, выходы усилителей соединены с соответствующими входами третьего усилителя, предусмотрены следующие отличия, в качестве магниточувствительных мостов использованы магниторезистивные мосты, в цепь питания мостов дополнительно включен резистор, четвертый инструментальный усилитель с заданным напряжением смещения и усилением, а также АЦП, мосты питаются от источника напряжения и по цепи питания соединены параллельно, резистор соединен с входом четвертого инструментального усилителя, выход которого соединен с входом опорного напряжения АЦП, выход третьего усилителя соединен с измерительным входом АЦП.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого цифрового датчика тока и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно, использование магниторезистивных мостов обеспечивает повышение чувствительности датчика тока почти на два порядка по сравнению с датчиками Холла и линейность его характеристики от измеряемого тока, напряжение на резисторе в цепи питания мостов, подаваемое на вход инструментального усилителя с заданным напряжением смещения и усиления, соединенного с входом опорного напряжения АЦП, позволяет компенсировать температурную погрешность чувствительности датчика тока.

Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, на котором показана схема цифрового измерителя тока, где

1 - вход измеряемого тока;

2 - выход измеряемого тока;

3 - токопровод первого моста;

4 - токопровод второго моста;

5 - первый магниторезистивный мост;

6 - второй магниторезистивный мост;

7 - первый инструментальный усилитель;

8 - второй инструментальный усилитель;

9 - третий усилитель-вычитатель;

10 - резистор;

11 - четвертый инструментальный усилитель;

12 – АЦП.

Измеряемый ток через входы 1, 2 подается на токопроводы 3, 4 таким образом, что ток в токопроводах протекает в противоположных направлениях относительно магниторезистивных мостов 5, 6. Выходное напряжение с мостов 5, 6 подается на усилители 8 и 9. Напряжение с усилителей 8 и 9 подается на соответствующие входы усилителя-вычитателя 9. В цепь питания мостов 5, 6 включен резистор 10. Напряжение с резистора 10 подается на инструментальный усилитель 11 с заданным смещением и усилением. Выход усилителя 11 соединен со входом опорного напряжения АЦП 12. Разностное напряжение с усилителя-вычитателя 9 подается на измерительный вход АЦП 12.

Выходное напряжение U с измерительных диагоналей мостов 5, 6 содержит три составляющие - мультипликативную, зависящую от измеряемого тока и температуры, ассоциативную, зависящую от температуры, и составляющую, зависящую от внешнего магнитного поля

где

U - напряжение измерительной диагонали моста,

I - измеряемый ток,

А0, А1 - коэффициенты чувствительности моста к магнитному полю измеряемого тока в токопроводнике,

Usm - смещение нуля моста,

Up - напряжение от внешнего магнитного поля.

Тогда разностное напряжение мостов ΔU зависит только от измеряемого тока и температуры, а ассоциативная составляющая смещения нуля и составляющая воздействия внешнего магнитного поля компенсируются

Сопротивление мостов по диагонали питания зависит только от температуры. Соответственно напряжение на резисторе 10 также имеет зависимость от температуры

Код АЦП равен отношению разностного напряжения и напряжения на резисторе

Для того чтобы код АЦП не зависел от температуры, необходимо соблюсти равенство

где

Uсм - смещение инструментального усилителя 10,

Ку - коэффициент усиления инструментального усилителя 10, откуда получаем

Настройка инструментального усилителя 10 для температурной компенсации чувствительности измерителя тока осуществляется при калибровке измерителя.

Калибровка выполнятся в два этапа.

На первом этапе при максимальном измеряемом токе для минимальной и максимальной рабочей температуре и нулевом смещении усилителя 10 фиксируются коды АЦП 12 N- и N+ и напряжение на резисторе 10 UR- и UR+.

Код АЦП определяется формулой

При минимальной и максимальной температурах коды АЦП д.б. равны

N-=N+

Таким образом Usm определяется формулой

где

N+, N- - коды АЦП 12,

UR-, UR+ - напряжения на резисторе 10.

Второй этап калибровки выполняется в НУ. При максимальном токе устанавливаются смещение и коэффициент усиления инструментального усилителя 10.

Для этого в НУ, нулевом смещении усилителя 10 и максимальном токе фиксируются код АЦП 12 NНУ и напряжение на резисторе 10 URНУ.

В соответствии с формулой 8 после установки смещения по формуле 9 код АЦП должен иметь значение

После установки смещения для получения требуемого кода АЦП, вычисленного по формуле 10, устанавливается необходимое усиление инструментального усилителя 10.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение чувствительности измерителя тока, компенсирует влияние внешнего магнитного поля и температуры на результаты измерения тока.

Источники информации

1. Data Sheet.

2. Патент РФ 2533747.

3. Патент США 9140766.

4. Патент США 6667682.

5. Патент РФ 2445638 – прототип.

Похожие патенты RU2666582C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ КАЛИБРОВКИ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НА ОСНОВЕ МОСТОВОГО МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ДАТЧИКА 2015
  • Моршнев Виктор Владимирович
  • Прокофьев Георгий Всеволодович
RU2589755C1
Цифровой преобразователь тока компенсационного типа 2017
  • Моршнев Виктор Владимирович
  • Прокофьев Георгий Всеволодович
RU2650844C1
Абсолютный датчик угла поворота 2023
  • Трушин Сергей Александрович
  • Федоров Сергей Евгеньевич
RU2820033C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА АЗИМУТА ГРУЗОПОДЪЕМНОГО КРАНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2007
  • Буланов Виктор Владимирович
  • Лунев Михаил Витальевич
RU2344370C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА 1998
  • Чигвинцев С.В.
  • Остапчук В.Г.
  • Латыпов А.Ф.
RU2147131C1
Тензопреобразователь давления мостового типа 2019
  • Куролес Владимир Кириллович
RU2731033C1
УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА 2016
  • Коваленко Валерий Владимирович
  • Зевакин Евгений Александрович
  • Солдатова Юлия Александровна
RU2665753C2
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СКЕЛЕТНЫХ МЫШЦ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ МЫШЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ 2016
  • Большаков Денис Иванович
  • Мищенко Михаил Андреевич
RU2646747C2
Устройство измерения электрического тока в токопроводе 1977
  • Иванов Александр Борисович
  • Палагашвили Яков Шалвович
  • Лабадзе Отар Семенович
SU911344A1
СПОСОБ НЕКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КРОВОТОКА, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ И МИКРОЭЛЕКТРОННЫЙ МАГНИТНЫЙ ДАТЧИК 2008
  • Розенбаум Анатолий Наумович
  • Коваль Василий Трофимович
  • Никитин Александр Иванович
RU2378985C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 666 582 C2

Реферат патента 2018 года Цифровой измеритель тока

Цифровой измеритель тока относится к устройствам измерения электрического тока. Измеритель содержит два магниторезистивных моста (5, 6), установленных равнонаправленно, и два токопровода (3, 4), соединенные так, что измеряемый ток течет в них от входа к выходу для установленных над ними мостами в противоположных направлениях. Выходы мостов соединены со входами инструментальных усилителей (7, 8). Выходы усилителей соединены с усилителем-вычитателем (9). Мосты запитаны от источника постоянного напряжения. В цепь питания мостов дополнительно введен резистор (10). Напряжение на резисторе подается на инструментальный усилитель (11) с заданным смещением и коэффициентом усиления. Выход инструментального усилителя (11) соединен с входом опорного напряжения АЦП (12). На измерительный вход АЦП подается разностное напряжение усилителя-вычитателя (9). Заявленное техническое решение обеспечивает повышение чувствительности измерителя тока, компенсирует влияние внешнего магнитного поля и температуры на результаты измерения тока. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 666 582 C2

Цифровой датчик тока, содержащий два магниточувствительных моста, установленных равно направленно, и два токопровода, соединенные так, что измеряемый ток течет в них от входа к выходу для установленных над ними мостами в противоположных направлениях, выходы мостов соединены соответственно с первым и вторым усилителями, выходы усилителей соединены с соответствующими входами третьего усилителя, отличающийся тем, что в качестве магниточувствительных мостов использованы магниторезистивные мосты, в цепь питания мостов дополнительно включен резистор, инструментальный усилитель с заданным напряжением смещения и усилением и АЦП, мосты питаются от источника напряжения и по цепи питания соединены параллельно, резистор соединен с инструментальным усилителем, выход которого соединен с входом опорного напряжения АЦП, выход третьего усилителя соединен с измерительным входом АЦП.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2666582C2

ДАТЧИК ТОКА 2010
  • Волобуев Николай Александрович
  • Макаров Дмитрий Владимирович
  • Шур Михаил Яковлевич
RU2445638C1
ДАТЧИК ТОКА 2006
  • Мурадов Эльхан Шахбаба Оглы
  • Середко Роман Евгеньевич
  • Мурадов Роман Эльхан Оглы
RU2321002C1
US 6667682 B2 23.12.2003
WO 2002097464 A2 05.12.2002
DE 19810369 C1 12.08.1999
US 9140766 B2 22.09.2015.

RU 2 666 582 C2

Авторы

Моршнев Виктор Владимирович

Решетников Иван Александрович

Стахин Вениамин Георгиевич

Флегонтов Вадим Евгеньевич

Даты

2018-09-11Публикация

2016-11-29Подача