CN101410717A - 用于测量电功率的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量在导体(3)中传播的电功率的方法和设备。在所述设备中存在用于同时测量电压(U)和电流(I)的装置。依照本发明的设备包括在机械元件(1、21)中用于将所述电压(U)转换为电流量的装置(2、22、27)，其相对于所述导体(3)符合力－效果的关系，以及用于确定所述机械元件(1、21)和所述导体(3、23)之间力－效果关系的装置，从而所述力效果正比例于所述电压(U)和所述电流(I)的乘积。

Description

用于测量电功率的装置和方法

本发明涉及一种依照权利要求1的前序部分用于测量电功率的装置。

本发明还涉及一种用于测量电功率的方法。

本发明的应用还可以是一种用于电能的测量装置和方法。

每年制造1亿个千瓦时电度表。近年来看到，重点转移到所谓的感应式电子千瓦时电度表。此外，远程读取的重要性提高。除了实际的千瓦时电度表，功率测量还发生在多种机器和设备中。虽然存在将功率测量引入几乎所有装置的压力，由于功率计的价格以及缺乏经济的接口而仍然无法实现。如果对于工厂中和住宅中的机器和装置都可获得通用的并且经济的接口和功率测量构件，这种构件的潜在市场将是每年数十亿项等级的。现有的千瓦时电度表仍然没有集成为构件等级。这是由于高电压和大电流的限制，以及对于精确性和宽动态范围的需求。

当前，生产能量计的公司会将其产品销售给电力公司，后者将其安装在企业和家庭住宅中。如果生意发生变化，从而构件制造商将功率测量单元销售给例如家庭应用制造商，功率测量将非常迅速地集成在单个电路中。

当前，如果远程读取例如与其不连接，在家庭住宅中使用的新千瓦时电度表花费电力公司大约30欧元。最普遍的技术是使用电流变换器。这个方案是昂贵的，因为电流变换器随着其关于直流饱和而不能如此使用(当前的规则需要电度表经得住直流)。一种所用的方案是将两个电流变换器串联，但这提高了电度表的价格。另一个方案是将抵抗式分流器安装在电流变换器中，在这种情况下交流电和直流电都减弱了并且直流电不会使变换器饱和。在本申请的申请人先前开发的一种方法中，以感应方式执行电流测量。这个方法是经济的并且有效的，但需要昂贵的IC电路用于乘法。此外，感应线圈必须足够大以保证由磁场引起的电压是充分强大的。电阻分路器也已经用于千瓦时电度表中，但问题存在于使用大电流在电阻上产生充分电压而不使电阻过热。这已经成为普通的方案，尤其在单相千瓦时电度表中。在所有前述方案中，将IC电路用于乘法。

霍尔传感器已经用于千瓦时电度表中很长时间，但其巨大的热相关性和差劣的敏感性使得这个方法困难。在霍尔传感器中，乘法直接发生在构件中，因为霍尔电压使磁场和传播通过霍尔构件的电流的乘积。

在1978-1980期间，本申请的申请人开发了一种称为瓦特卫士(watt guard)的电子千瓦时电度表。这个产品意图为家庭住宅提供用于监测各种装置中功率消耗的经济电度表。电流测量基于电阻分路器，而使用脉冲宽-高变换器进行乘法。在1984-1987期间，本申请的申请人开发了一种基于微处理器技术的千瓦时电度表。这是世界上第一个基于微处理器的电度表，现在用在电量计中。在1996-1998期间，本申请的申请人开发了一种基于梯度测量感应线圈的千瓦时电度表。与其相连接，还开发了一种集成电路，其中使用西格马-德耳塔变换器和数字式乘法器进行电流和电压的乘法。

本发明意图消除上面公开的现有技术的缺点，并且为此目的创造一种全新类型的用于测量电功率的设备和方法。

本发明基于将传感器构件实现为硅微机械结构，通过这种方式直接在测量构件中进行电流和电压相互的乘法。

在本发明的一个优选实施例中，产生功率的时间积分，以便确定能量消耗。

更特别的，依照本发明的设备由权利要求1的特征部分中的陈述来表征。

依照本发明的方法反过来由权利要求12的特征部分中的陈述来表征。

通过本发明的帮助取得了相当可观的优点。

通过依照本发明的方法的帮助，使用弹性系数并且通过在线圈中传播的电流的帮助可以改变敏感性。电流的测量没有电流接触。使用单个构件，构件直接测量有功功率。当前的方法不需要昂贵的IC电路，相反廉价的CMOS电路是足够的。电度表的动态范围是宽的。根据构件可以开发出用于不同精确度等级的电度表。传感器对于直流电不敏感，如果使用梯度测量数取则对于外部交流场也是不敏感的。本发明不仅允许测量有功功率，而且可以测量无功功率。如果在MEMS构件中传播的电流产生来自直流，构件将称为磁强计，并且可以用于测量电流。此外，依照本发明的装置是方便于大量生产的。

在下面，通过例子的帮助并且参考附图来审视本发明。

图1a显示了依照本发明的一个功率计的示意性顶视图。

图1b显示了依照图1a的功率计的侧视横截面图。

图2显示了依照本发明的第二能量计的示意图。

图3显示了依照本发明的第三测量装置的示意图。

图4a显示了依照本发明的测量装置的示意性顶视图。

图4b显示了图4a方案的A-A平面的横截面图。

本发明公开了一种制造千瓦时电度表的新方式，其对直流不敏感并且其中电流和电压直接在测量构件中相乘。

图1a和1b显示了微机械功率计的示意图。依照图1a的方案意图测量在相导体3中传播的功率。所测量的电压、即相导体3和中性导体7之间的电势取自线圈的接线端8和9之间的电压分配器50，进而转换为线圈2中的电流。开关51和反相器52可以用于机械地稳定传感器构件，允许周期性地改变电流在线圈2中的传播方向。在图中，画出了摇杆式移动板1，在其两侧集成有产生磁场所需的线圈2。因而摇杆在其底部支撑在横梁5上。作为测量目标的电流导体3延伸靠近所述线圈，在传感器构件4处产生磁场梯度。通过图1b中所示电极6的帮助，电容性地测量所述板1相对于导体3和7的位置，并且一旦摇杆1、5的弹性系数已知，正比例于在电流导体3中传播的功率的力作用可以根据改变的位置直接确定。从下文中将描述的意义来讲，电极6可以选择性用于力反馈，在这种情况下所述力作用通过反馈幅度(电流或电压)获得。

依照图2，第二选择是使用金属层27覆盖所述板21，并且利用构件中的固定线圈22在内部产生涡流，其位于离开所述板21一定距离的基板26上。所述线圈22以相同于图1中线圈2的方式连接。所用构件类型的选择基于精确性需求、动态范围、以及构件的制造方式。如果放置电流导体23靠近所述构件，电流将在所述板21中感应产生磁场。在所述板21中传播的电流在被测电流中感应产生磁偶极子。作用在所述板上的力为矢量积 $\stackrel{\→}{F}={\stackrel{\→}{i}}_u\×{\stackrel{\→}{B}}_i,$ 其中

为穿过所述线圈22传播的电流而

为磁场。如果把最终结果看作标量，注意到在正弦信号情况下，力其中

为电流和电压之间的相差而α为常数。换句话说，通过及时测量所述力的积分，可以测量电能。本发明的实质特征是，功率测量所需的两个量的积分操作直接发生在测量构件内。另一方面，高灵敏度消除了以化学方法将大电流引入测量构件的需要，因为对于电流导体来说延伸靠近所述构件已经是足够的。关于这个发明还存在其他有吸引力的性质，在下文中描述所述电度表的电子装置时将可以看出。

后面描述了一种可能的传感器实现。例如通过将结构构成为摇杆来测量力，在所述摇杆的两侧存在产生磁偶极子的线圈2，例如依照图1。在两个都存在若干电极6，通过所述电极的帮助电容性地测量所述摇杆4的位置，同时另一方面所述摇杆的位置通过电反馈保持恒定。被测功率在所述摇杆中感应产生力，但反馈电压调整使得所述摇杆4平均起来保持在平衡点处。当所述摇杆处于平衡时，补偿电压的平均有效值将与被测的有功功率相同。电容性地测量所述摇杆的位置。如果在反馈中存在不同尺寸的电极，可以衡量反馈电压。这意味着，如果被测功率为低，所述反馈通过具有低电容量的电极发送到所述摇杆。小的电极意味着需要高电压以达到平衡。在高功率情况下，所述反馈发送到大的电极。不同尺寸的反馈电极以附参考标记25显示在例如图2中，而测量电极以参考标记24显示。这允许动态范围的扩展。换句话说，通过使用例如具有恒定电压的脉冲以及用于补偿的恒定持续时间，根据脉冲队列的频率直接获得所述功率。此外，无功功率迫使将脉冲运行到所述摇杆的相对侧。相对所述接地平面28进行所述测量和反馈。最终结果的差别描述了有功功率，而‘负’脉冲的数量描述了无功功率的份额。这意味着相同的构件既可以用于测量有功功率也可以用于测量无功功率。此外，通过使用不同持续时间或者不同电极的脉冲，可以扩展电度表的动态范围。

在微机械构件中，由于漂移经常出现表面充电和机械不稳定性。如果反转电压的方向，磁偶极子的方向也将反转，并且力通过它作用于所述摇杆上。如果以例如20个周期的间隔反转电压方向，将能够基本上完全消除漂移。使用例如微机械或半导体开关来改变电压的方向。在图1a中同样显示用于改变电压方向的电路。

如果允许用于漂移和力反馈两者的消除，所获得功率计的精确性仅取决于参考基准的稳定性。此外，由于直接以数字方式进行所述力反馈，将不存在由于信号数字化带来的电度表不精确性的上升。如果电流导体和构件的相互位置不改变，可以容易地构造具有甚至0.1规格的经济型电度表。

图3显示了一种装置，其中电流导体构成为这样的方式，在传感器处磁场的梯度是微小的。由于电流导体的对称性，第二磁强计的场是相同的但具有相反的符号。这个装置意味着，这两个功率计的和是独立于外部均匀的50Hz磁场的。电流导体的成形也意味着，在第一阶功率读数将不会变化，即使在所述构件例如由于热膨胀相对于所述电流导体移动的情况下。

千瓦时电度表应当经得起非常强大的50Hz(或60Hz)外部磁场而电度表不显示错误读数。消除外部磁场的一种方式是使用依照图1的摇杆式MEMS构件4，但将电流线圈2放置在摇杆的两侧(如图所示)，通过这种方式仅电流导体3感应产生场的梯度导致产生使摇杆转动的力，而消除外部均匀场。为了使敏感性充分并且构件对电流导体与构件的相互位置不敏感，所述构件应当相当大。

也可以依照图3进行布置。其中，两个同样的MEMS千瓦时电度表31以及与其连接的IC电路34放置在位于电流导体33附近的壳体30中。尽管MEMS构件31的尺寸小于1mm×1mm，将获得充分的敏感性。因为梯度测量的元件处于不同的构件中，我们可以将遮盖物延伸至少5mm-8mm，而构件成本没有实质增加。还应当注意，MEMS构件31不需要包装在真空中，因为在这个应用中可以接受空气散布。

图4a和4b显示了依照本发明的第四方案，其中微机械构件41位于电流导体43内部。电流导体优选为细的，邻近A-A线，以便增加磁场的强度。线圈45尽可能精确地处于电流导体43的中心，此时延伸穿过线圈45的磁场的总通量将为零，并且线圈45可以用作参考线圈以消除外部干扰。线圈46由于其角色，意图位于磁场的最大点。元件41通常类似于图1a和1b中显示的摇杆构件4，并且也可以使用相同的方式电连接。测量和控制IC电路44优选制造在与微机械电路41相同的基片上，例如使用SOI(绝缘体上硅结构)工艺。在图4b中更加详细地显示了制造在导体43中的封闭式元件40的位置。

如果该构件用于单相千瓦时电度表中，优选地将整个功率测量放置在构件内部的IC电路中，但在三相电度表中优选地仅将对于功率测量重要的电子器件放置在单个IC电路中，并且将处理器与千瓦时电度表连接，该处理器收集来自三个构件的数据并且控制所述构件的操作。单个梯度测量功率计的生产成本可能为0.3-0.5欧元，相应的售价为1.5-2欧元的等级。单相千瓦时电度表的成本是合理的，因为功率的测量不要求大量的外部元件，但三相电度表的总成本已经是相当大的。然而如果制造可远程读取的千瓦时电度表，其包含处理和存储，则从整体来看情况仍然是经济的。

本发明公开了一种在功率计和千瓦时电度表中使用微机械构件的方法。在该方法中，电流和电压输入转换为可以通过电容性方式测量的力。所述力优选地有脉冲队列补偿，使用不同尺寸的反馈电极。该方法补偿可能的非线性，同时使得动态范围非常宽。通过改变与摇杆中传播的电压成比例的交流的相位，补偿MEMS构件可能相关的漂移。可以消除外部磁场对于电度表操作的影响，例如通过将两个构件放置在相同的壳体里，通过这种方式均匀场将在两个传感器中都有效地感应产生单一的巨大力。

Claims (22)

1.一种用于测量在导体(3)中传播的电功率的设备，在设备中存在用于同时测量电压(U)和电流(I)的装置，其特征在于：它包括：

在机械元件(1、21)中用于将所述电压(U)转换为电流量的装置(2、22、27)，其相对于所述导体(3)符合力-效果(force-effect)的关系，以及

用于确定所述机械元件(1、21)和所述导体(3、23)之间力-效果关系的装置，从而所述力效果正比例于所述电压(U)和所述电流(I)的乘积。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：它包括用于根据所述电压和所述电流的乘积形成时间积分的装置。

3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于：根据所述机械元件(1、21)的偏差测量所述力效果。

4.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于：它包括通过反馈力的帮助保持所述机械元件(1、21)就位的装置以及用于根据所述反馈力的控制量确定所述力效果的装置。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于：它包括用于使用脉冲队列补偿力的装置。

6.如权利要求4或5所述的设备，其特征在于：其中存在具有不同尺寸的反馈电极(25)，用于不同的功率等级。

7.如上述权利要求任一项所述的设备，其特征在于：它包括用于反转所述电压(U)的极性进而改变所述电流的方向的装置(50、51、52)，以便消除机械元件(1、21)中的不稳定性。

8.如上述权利要求任一项所述的设备，其特征在于：所述用于将所述电压(U)转换为电流量的装置(2、22、27)是线圈(1)。

9.如上述权利要求任一项所述的设备，其特征在于：所述用于将所述电压(U)转换为电流量的装置(2、22、27)是导电平面(27)。

10.如上述权利要求任一项所述的设备，其特征在于：它包括用于将所述导体(3)的磁场梯度转换为力大小的装置(4、2)，其继而成比例于在所述导体(3)中传播的电功率。

11.如上述权利要求任一项所述的设备，其特征在于：所述在机械元件(1、21)中用于将所述电压(U)转换为电流量的装置(2、22、27)位于所述导体(3、43)的内部。

12.一种用于测量在导体(3)中传播的电功率的方法，该方法中同时测量电压(U)和电流(I)，其特征在于：

在机械元件(1、21)中将电压(U)转换为电流量，其相对于所述导体(3)符合力-效果的关系，以及

通过所述力效果正比例于所述电压(U)和所述电流(I)的乘积的方式，确定所述机械元件(1、21)和所述导体(3、23)之间的力-效果关系。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：根据所述电压和所述电流的乘积形成时间积分。

14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于：根据所述机械元件(1、21)的偏差测量所述力效果。

15.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于：通过反馈力的帮助保持所述机械元件(1、21)就位并且根据所述反馈力的控制量确定所述力效果。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于：使用脉冲队列补偿力。

17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于：具有不同尺寸的反馈电极(25)用于不同功率等级。

18.如上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于：反向所述电压(U)的极性进而改变所述电流的方向，以便消除所述机械元件(1、21)中的不稳定性。

19.如上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于：将线圈(1)用作所述用于将所述电压(U)转换为电流量的装置(2、22、27)。

20.如上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于：将导电平面(27)用作所述用于将所述电压(U)转换为电流量的装置(2、22、27)。

21.如上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于：将所述导体(3)的磁场梯度转换为力大小，其继而成比例于在所述导体(3)中传播的电功率。

22.如上述权利要求任一项所述的方法，其特征在于：所述在所述机械元件(1、21)中用于将所述电压(U)转换为电流量的装置(2、22、27)位于所述导体(3、43)的内部。

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