УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ
DEVICE AND METHOD FOR MEASUREMENT OF ELECTRIC POWER

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству для измерения электрической мощности согласно преамбуле пункта 1 формулы изобретения. Изобретение относится также к способу для измерения электрической мощности.
Вариант изобретения также относится к устройству и способу измерения электрической энергии.
Уровень техники
Ежегодно выпускается 100 миллионов счетчиков электроэнергии. В последние годы наблюдалось смещение акцента на так называемые индуктивные электронные счетчики электроэнергии. Кроме того, повышается значение дистанционного считывания показаний. Помимо самих счетчиков электроэнергии измерение мощности осуществляется в различных машинах и установках. Хотя имеется потребность введения измерения мощности почти во все устройства, этого сделать пока нельзя из-за стоимости измерителя мощности и из-за отсутствия дешевого интерфейса. Если бы широко используемые и дешевые интерфейсные элементы, а также элементы для измерения мощности были доступны для машин и устройств как на предприятиях, так и в домах, то рыночный потенциал для таких элементов исчислялся бы миллиардами штук ежегодно. Существующие счетчики электроэнергии до сих пор не интегрированы на уровне элементов. Это обусловлено ограничениями, налагаемыми высокими напряжениями и большими токами, а также требованиями точности и широкого динамического диапазона.
В настоящее время компания, производящая счетчики электроэнергии, продает свою продукцию энергетической компании, которая устанавливает их на предприятиях и в домах. Если бы положение дел изменилось так, что производитель комплектующих продавал бы измеряющие мощность элементы, например, производителю бытовой техники, измерение мощности очень быстро было бы интегрировано в одну схему.
В настоящее время новые счетчики электроэнергии, используемые в бытовом секторе, обходятся энергетической компании примерно в 30 евро, если, например, к нему не подключены средства дистанционного считывания показаний. Наиболее распространенная технология состоит в использовании трансформатора тока. Это решение является дорогим, потому что трансформатор тока не может использоваться сам по себе, поскольку происходит его насыщение постоянным током (современные правила требуют, чтобы электрический счетчик выдерживал постоянный ток). Одно из используемых решений состоит в последовательном соединении двух трансформаторов тока, но это увеличивает стоимость счетчика. Другое решение состоит в том, чтобы установить в трансформатор тока резистивный делитель тока, при этом как переменный, так и постоянный ток ослабляются, и постоянный ток не насыщает трансформатор. В способе, ранее разработанном заявителем по настоящей заявке, измерение тока выполнялось индуктивно. Этот способ экономичен и функционален, но требует использования дорогой интегральной микросхемы для умножения. Кроме того, катушка индуктивности должна быть достаточно большой, чтобы гарантировать, что напряжение, создаваемое магнитным полем, будет достаточно большим. Резистивные шунты также использовались в счетчиках электроэнергии, но их проблемой является создание достаточного падения напряжения на сопротивлении без перегрева сопротивления сильными токами Это являлось общим решением, особенно в однофазных счетчиках электроэнергии. Во всех указанных выше случаях для умножения используется интегральная микросхема.
Датчики Холла использовались в счетчиках электроэнергии в течение долгого времени, но их сильная зависимость от температуры и малая чувствительность делают этот способ трудным. В датчике Холла умножение осуществляется непосредственно в элементе, поскольку напряжение Холла является произведением магнитного поля и тока, протекающего через датчик Холла.
В период 1978-1980 гг. заявитель по настоящей заявке разработал электронный счетчик электроэнергии, названный «ватт-гардом» («watt guard»). Изделие должно было снабдить бытовой сектор экономичным счетчиком для контроля потребления электроэнергии различными устройствами. Измерение тока основывалось на резистивном шунте, а умножение осуществлялось с использованием импульсного преобразователя ширина-высота В период 1984-1987 гг. заявитель по настоящей заявке разработал счетчик электроэнергии на основе микропроцессорной технологии. Это был первый в мире счетчик на основе микропроцессора, который сейчас используется в счетчиках для оценки качества электричества В период 1996-1998 гг. заявитель по настоящей заявке разработал счетчик электроэнергии на основе градиентометрических катушек индуктивности Для него также была разработана интегральная микросхема, в которой умножение тока на напряжение осуществлялось с использованием сигма-дельта конвертеров и цифровых умножителей.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на устранение недостатков перечисленных выше решений уровня техники и на создание для этой цели совершенно нового типа устройства и способа для измерения электрической мощности.
Изобретение основано на реализации элемента датчика в виде кремниевой микромеханической структуры таким образом, чтобы перемножение тока и напряжения происходило непосредственно в измерительном элементе.
В одном предпочтительном варианте изобретения для определения потребления энергии получают интеграл мощности по времени.
Более конкретно, устройство по настоящему изобретению характеризуется содержанием отличительной части пункта 1 формулы изобретения.
Способ по настоящему изобретению характеризуется содержанием отличительной части пункта 12 формулы изобретения.
Изобретение позволяет получить существенные преимущества.
С помощью способа, являющегося предметом изобретения, чувствительность можно изменять как с помощью упругой силы, так и с помощью тока, текущего через катушку. Ток измеряют без гальванического контакта. Элемент измеряет активную мощность непосредственно, используя единственный элемент. Способ не требует применения дорогой интегральной микросхемы, достаточным оказывается использование дешевой микросхемы КМОП (интегральной схемы на комплементарных МОП-транзисторах). Измеритель обладает широким динамическим диапазоном. На основе данного элемента могут быть разработаны измерители мощности различных порядков точности. Датчик не чувствителен к постоянному току и, если используется градиентометрическое считывание, то он не чувствителен также к внешнему переменному полю. Изобретение позволяет измерять не только активную мощность, но и реактивную мощность. Если ток, протекающий по микроэлектромеханическому (МЭМС) элементу, является постоянным током, то указанный элемент превратится в магнетометр и может использоваться для измерения тока. Кроме того, устройство, являющееся предметом изобретения, является выгодным для массового производства.
Далее изобретение рассматривается на примерах и с использованием сопровождающих чертежей.
Краткое описание чертежей
На фиг.1а схематически показан вид сверху измерителя мощности по настоящему изобретению.
На фиг.1b показано боковое сечение измерителя мощности по фиг.1а.
На фиг.2 схематически показан второй вариант измерителя энергии по настоящему изобретению.
На фиг.3 схематически показан третий вариант измерительного устройства по настоящему изобретению.
На фиг.4а схематически показан вид сверху измерительного устройства по настоящему изобретению.
На фиг.4b показано сечение плоскостью А-А устройства по фиг.4а.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение представляет новый способ изготовления счетчика электроэнергии, который не чувствителен к постоянному току и в котором ток и напряжение перемножаются непосредственно в измерительном элементе.
На фиг.1а и 1b представлен схематический вид микромеханического измерителя мощности. Решение по фиг.1а направлено на измерение мощности, проходящей по фазовому проводнику 3. Измеряемое напряжение, т.е. разность потенциалов между фазовым проводником 3 и нейтральным (нулевым) проводником 7, берется с делителя 50 напряжения между выводами 8 и 9 катушки и таким образом превращается в ток, текущий по катушке 2. Ключ 51 и фазоинвертор 52 могут использоваться для механической стабилизации элемента датчика, позволяя периодически изменять направление тока, текущего по катушке 2 На чертежах показана подвижная пластина 1 типа балансира, по обеим сторонам которой присоединены катушки 2, необходимые для создания магнитного поля. Балансир, таким образом, удерживается на основании на полосе 5. Токовый проводник 3, являющийся объектом измерения, проходит вблизи от катушек, создавая градиент магнитного поля на элементе 4 датчика. Положение пластины 1 относительно проводников 3 и 7 измеряется емкостным образом с помощью электродов 6, показанных на фиг.1b, и, если упругая сила на балансире 1, 5 известна, действующая сила, которая, в свою очередь, пропорциональна мощности, проходящей в токовом проводнике 3, может быть определена непосредственно по смещенному положению. В способе, который будет описан далее, электроды 6 могут в ином варианте использоваться для обратной связи по силе, при этом действующую силу получают через величину (тока или напряжения) обратной связи.
Согласно фиг.2 второй вариант состоит в том, чтобы покрыть пластину 21 металлическим слоем 27 и индуцировать в нем вихревой ток, используя неподвижную катушку 22 в элементе, который расположен на основании 26 на некотором расстоянии от пластины 21. Катушка 22 подключена так же, как катушка 2 на фиг.1. Выбор типа используемого элемента основывается на требуемой точности, динамическом диапазоне и способе изготовления элемента. Если поместить токовый проводник 23 близко к элементу, ток наведет магнитное поле в пластине 21. Ток, протекающий в платине 21, создает магнитный диполь в измеряемом токе. Сила, действующая на пластину, равна векторному произведению  тока , текущего по катушке 22, и магнитного поля . Если конечный результат рассматривается как скалярная величина, можно отметить, что в случае синусоидальных сигналов сила выражается как F=αUIcosφ, где φ есть разность фаз между током и напряжением, а α является константой. Другими словами, измеряя интеграл от силы по времени, можно измерить электрическую энергию. Отличительным признаком данного изобретения является то, что операция умножения двух величин, требуемая для измерения мощности, осуществляется непосредственно в измерительном элементе. С другой стороны, высокая чувствительность исключает необходимость гальванически подводить большой ток к измерительному элементу, вместо этого достаточно, чтобы токовый проводник просто проходил вблизи измерительного элемента. У этого способа есть и другие привлекательные характеристики, но они будут указаны после описания электроники измерительного прибора.
Далее описывается один возможный вариант реализации датчика. Сила измеряется, например, выполнением структуры в виде балансира, в котором по обеим сторонам балансира имеется катушка 2, создающая магнитный диполь, например, как показано на фиг.1. По обеим сторонам имеется несколько электродов 6, с помощью которых емкостным образом измеряется положение балансира 4, при этом, с другой стороны, положение балансира поддерживается постоянным с помощью электрической обратной связи. Измеряемая мощность приводит к приложению силы к балансиру, но напряжение обратной связи регулируется таким образом, чтобы балансир 4 оставался, в среднем, в положении равновесия. Когда балансир находится в равновесном состоянии, среднее эффективное значение компенсирующего напряжения будет равно измеряемой активной мощности. Положение балансира измеряется емкостным образом. Если в обратной связи имеются электроды различного размера, напряжение обратной связи может масштабироваться. Это значит, что если измеряемая мощность мала, то обратная связь направляется к балансиру через электрод с малой емкостью. Малость электрода означает, что для достижения равновесия потребуется высокое напряжение. В случае большой мощности обратная связь направляется на большой электрод. Электроды обратной связи разных размеров показаны, например, на фиг.2 под номером 25, а измерительные электроды обозначены при этом номером 24. Это позволяет расширить динамический диапазон. Другими словами, используя, например, импульсы с постоянным напряжением и постоянной длительностью, подобранной для компенсации, можно получить мощность непосредственно из частоты импульсной последовательности. Кроме того, реактивная мощность вынуждает прикладывать импульсы к противоположной стороне балансира. Измерения и обратная связь осуществляются относительно заземленной плоскости 28. Разность в конечном результате дает активную мощность, в то время как число «отрицательных» импульсов показывает долю реактивной мощности. Это значит, что один и тот же элемент может использоваться для измерения как активной, так и реактивной мощности. Кроме того, используя импульсы различной длительности или различные электроды, можно расширить динамический диапазон измерителя.
В микромеханических элементах часто происходит заряд поверхностей и появляются механические нестабильности, обусловленные дрейфом зарядов. Если инвертировать напряжение, направление магнитного диполя также инвертируется, а вследствие этого инвертируется и сила, действующая на балансир. Если инвертировать напряжение с интервалом, например, в 20 периодов, можно почти полностью исключить дрейф. Направление напряжения изменяется с помощью, например, микромеханического или полупроводникового ключа. Цепь для изменения направления напряжения также показана на фиг.1а.
Если обеспечить как устранение дрейфа, так и обратную связь по силе, то получается измеритель мощности, точность которого зависит только от стабильности опорного напряжения. Кроме того, поскольку обратная связь по силе выполняется непосредственно цифровым образом, не произойдет какого-либо увеличения погрешности измерителя вследствие оцифровки сигнала. Если взаимные расположения токового проводника и элемента не меняются, можно легко построить экономичный измеритель даже порядка 0,1.
На фиг.3 показано устройство, в котором токовый проводник сформирован таким образом, что на датчике градиент магнитного поля мал. Благодаря симметрии токового проводника поле второго магнитометра является тем же с противоположным знаком. Такое выполнение подразумевает, что сумма этих двух измерителей мощности не зависит от внешнего однородного магнитного поля с частотой 50 Гц. Придание токовому проводнику специальной формы означает также, что отсчет мощности в первом порядке не изменится, даже если элемент передвигается относительно токового проводника, например, из-за теплового расширения.
Счетчики электроэнергии должны выдерживать очень сильное внешнее магнитное поле с частотой 50 Гц (или 60 Гц), не выдавая ложных показаний. Один способ исключения внешнего поля состоит в том, чтобы использовать микроэлектромеханический элемент 4 типа балансира, как показано на фиг.1, но поместить токовые катушки 2 (как на чертеже) по обеим сторонам балансира таким образом, чтобы только градиент поля, создаваемого токовым проводником 3, вызывал бы силу, поворачивающую балансир, а внешнее однородное поле обнулялось. Чтобы чувствительность была достаточной, а элемент не был чувствителен к взаимному положению токового проводника и элемента, элемент должен быть достаточно большим.
Можно также выполнить устройство по фиг.3. В нем два идентичных микроэлектромеханических датчика 31 электроэнергии и подключенная к ним интегральная схема 34 помещены в корпус 30, расположенный вблизи токового проводника 33. Достаточная чувствительность будет получена даже несмотря на то, что микроэлектромеханический элемент 31 должен иметь размеры менее 1×1 мм. Поскольку элементы градиентометрического измерения находятся в разных элементах, можно расширить область измерения по меньшей мере на 5-8 мм без существенного увеличения стоимости элементов. Следует заметить также, что микроэлектромеханический элемент 31 не нужно помещать в вакуум, потому что в данном случае можно допустить ослабление из-за газа.
На фиг.4а и 4b показано четвертое решение согласно изобретению, в котором микромеханический элемент 41 располагается внутри токового проводника 43. Проводник с током предпочтительно делается тоньше вблизи линии А-А, чтобы увеличить напряженность магнитного поля. Катушка 45 размещается как можно точнее в центре токового проводника 43 с тем, чтобы суммарный поток магнитного поля, проходящий через катушку 45, был равен нулю, и катушку 45 можно было использовать как эталонную катушку для устранения внешнего воздействия. Катушка 46, в свою очередь, предназначена для установки в точке максимального магнитного поля. Элемент 41 полностью аналогичен элементу 4 балансира на фиг.1а и 1b и, возможно, электрически подключен таким же образом. Измерительная и управляющая интегральная схема 44 предпочтительно выполняется на одной подложке с микромеханическим элементом 41 с использованием, например, технологии «кремний на диэлектрике» (КНД). Размещение установленного в корпус 40 элемента в щелевом отверстии, выполненном в проводнике 43, показано более подробно на фиг.4b.
Если элемент используется в однофазном счетчике электроэнергии, желательно размещать все, что связано с измерением энергии в интегральной схеме внутри элемента, но в трехфазном счетчике желательно размещать в одной интегральной схеме только электронику, отвечающую за измерение мощности, и подключать к счетчику электроэнергии процессор, который собирает данные с трех элементов и управляет функционированием элементов. Себестоимость одного градиентометрического измерителя мощности могла бы составить 0,3-0,5 евро, а продажная цена, соответственно, порядка 1,5-2 евро. Стоимость в составе однофазного счетчика электроэнергии является разумной, поскольку измерение мощности не требует много внешних элементов, но полная стоимость в трехфазном счетчике уже оказывается значительной. Однако если взять счетчик электроэнергии с дистанционным считыванием, который содержит процессор и память, ситуация снова оказывается экономически выгодной в отношении всей совокупности элементов.
В настоящем изобретении раскрывается способ использования микромеханических элементов в счетчиках электроэнергии и измерителях мощности. В этом способе входной ток и входное напряжение преобразуются в силу, которая измеряется емкостным образом. Сила компенсируется предпочтительно импульсной последовательностью с использованием электродов обратной связи различных размеров. Способ компенсирует возможную нелинейность и в то же время обеспечивает очень широкий динамический диапазон. Дрейф, который может присутствовать в микроэлектромеханическом элементе, компенсируется изменением фазы переменного тока, пропорционального напряжению, приложенному к балансиру. Влияние внешнего магнитного поля на работу измерителя может быть исключено, например, путем размещения двух элементов в одном корпусе таким образом, чтобы однородное поле фактически создавало одну большую силу в обоих датчиках.