Цифровой измеритель тока
DIGITAL CURRENT METER

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