DE3933707A1

DE3933707A1 - Schaltung zum kompensieren zeitlicher unstabilitaeten der multiplikationsschaltung mit hall-sensoren in einem wattmeter oder elektrizitaetszaehler

Info

Publication number: DE3933707A1
Application number: DE19893933707
Authority: DE
Inventors: Miro Rozman
Original assignee: ISKRA SOZD ELEKTRO INDUS
Current assignee: ISKRA STEVCI INDUSTRIJA MERILNE IN UPRAVLJALNE TEH
Priority date: 1988-10-10
Filing date: 1989-10-09
Publication date: 1990-04-12
Anticipated expiration: 2009-10-10
Also published as: YU188588A; DE3933707B4

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Kompensieren zeitlicher Unstabilitäten der Multiplikationsschaltung mit Hall-Sensoren in einem Wattmeter oder Elektrizitäts zähler, der mit einem Spannungs-Frequenz-Wandler ausgestattet ist.

In einer aus der EP 01 72 402 A1 bekannten Schaltung zum Kompensieren der Alte rungseinflüsse und der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit magnetischer Sen soren wird die Empfindlichkeit dieser Sensoren mittels eines Referenzmagnetfeldes ermittelt. Die magnetischen Sensoren sind jedoch in der beschriebenen Multipli kationsschaltung nicht anwendbar, falls diese Schaltung auf einem gemeinsamen Sub strat zusammen mit der Meßgerätschaltung ausgeführt ist, da die Speiseklemme des Sensors zum Korrigieren seiner Empfindlichkeit verwendet wird. Die Empfindlichkeit eines magnetischen Sensors, z. B. des Hall-Sensors, der mit dem CMOS Verfahren an einem gemeinsamen Substrat zusammen mit dem Digital-Analog-Wandler hergestellt ist, ändert sich allmählich mit der Breite des Hall-Elementes, die sich mit der Zeit wegen der zeitlich unstabilen Breite der Sperrschicht zwischen der aktiven Schicht und dem Substrat ändert. Außerdem ist die Ausgangsspannung des Sensors nicht linear von der Magnetfelddichte an der Stelle des Sensors abhängig, dazu ist sie jedoch auch von der Temperatur des Sensors abhängig. Bei einer solchen Ausführung der Multipli kationsschaltung kann die Empfindlichkeit des magnetischen Sensors nicht korrigiert werden, da das Substrat an ein festes Potential angeschlossen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zum selbsttätigen Kompen sieren zeitlich abhängiger Störeinflüsse auf die Empfindlichkeit eines als Multiplikator wirkenden magnetischen Sensors zu schaffen, wobei diese Schaltung zugleich ein lineares Ansprechen der Multiplikationsschaltung ermöglichen soll.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs festgelegten Merkmalen gelöst.

In der erfindungsgemäßen Schaltung wird die Übertragungsfunktion des Spannungs- Frequenz-Wandlers mittels zwei getrennter magnetischer Sensoren, deren jeder wechselweise das gesuchte Produkt bzw. das Produkt zwei Referenzgrößen bildet, gere gelt, womit das Altern des magnetischen Sensors, seine Nichtlinearität und der Einfluß der Änderung seiner Temperatur kompensiert werden.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schaltung zum Kompensieren zeitlicher Unstabilitäten der Multiplikationsschaltung mit Hall-Sensoren in einem Wattmeter oder einem Elektrizitätszähler und

Fig. 2 ein Magnetkreis der erfindungsgemäßen Schaltung.

An die erste Eingangsklemme i 1 einer gesteuerten Umschaltschaltung 3 in der erfindungsgemäßen Schaltung zum Kompensieren zeitlicher Unstabilitäten der Multi plikationsschaltung mit Hall-Sensoren in einem Wattmeter oder einem Elektrizitäts zähler (Fig. 1) ist ein elektrischer Strom I _UL, der einen der beiden Multiplikanden im Produkt der Multiplikationsschaltung darstellt und der elektrischen Spannung auf dem Verbraucher, dessen Leistungs- oder Energieverbrauch gemessen werden, proportional ist. Diese Stromrichtung des Stromes I _UL ändert sich mit einer Frequenz f _{c 1}. Dieses wie auch andere gebrauchten Steuersignale werden in einem nicht dargestellten Quarz generator generiert. Ein Referenzstrom I _r wird jedoch an die zweite Eingangsklemme i 2 der Umschaltschaltung 3 zugeführt.

Die Ausgangsklemmen o 1, o 2 der Umschaltschaltung 3 sind an die Stromklemme 4′ bzw. 5′ eines Hall-Sensors 4 bzw. 5 angeschlossen. Die Spannungsklemmen 4′′ bzw. 5′′ des Hall-Sensors 4 bzw. 5 sind jedoch durch einen Verstärker 6 bzw. 7 an eine Eingangsklemme i 1′ bzw. i 2′ einer gesteuerten Umschaltschaltung 8 angeschlossen. Die beiden Umschaltschaltungen 3, 8 werden gegenphasig mit derselben Multiplexerfre quenz f _M umgeschaltet. Die Empfindlichkeiten S 1, S 2 der Hall-Sensoren 4 bzw. 5 sind annähernd gleich und die Verstärkungsfaktoren G 1, G 2 der Verstärker 6 bzw. 7 sind annähernd entgegengesetzt gleich (G 1 ≅ -G 2).

Die Ausgangsklemmen o 1′, o 2′ der Umschaltschaltung 8 sind an den Signaleingang s bzw. s′ eines Spannungs-Frequenz-Wandlers 9 bzw. 10 angeschlossen, an dessen Steuereingang c bzw. c′ ein Signal der Frequenz f _c ₁ bzw. f _c ₂ zum Steuern der Chopper schaltung innerhalb des Spannungs-Frequenz-Wandlers 9 bzw. 10 zugeführt wird. Der Spannungs-Frequenz-Wandler 9, 10 ist in der jugoslawischen Patentanmeldung P 209/87 beschrieben. Der Digitalausgang d des Spannungs-Frequenz-Wandlers 9 ist an die Ausgangsklemme O der erfindungsgemäßen Schaltung angeschlossen. Der Digital ausgang d′ des Spannungs-Frequenz-Wandlers 10 ist jedoch an den ersten Eingang i eines Frequenzvergleichers 11 angeschlossen, an dessen zweiten Eingang i′ ein Signal mit einer Referenzfrequenz f _r zugeführt wird. Die Ausgänge o, o′ des Frequenz vergleichers 11 sind an die Signaleingänge D, U eines Zweirichtungszählers 12 an geschlossen, an dessen Steuereingang ein Taktgebersignal CL zugeführt wird. Der Aus gang des Zweirichtungszählers 12 ist durch einen A/D-Wandler 13 an den Referenz eingang r, r′ des Spannungs-Frequenz-Wandlers 9 bzw. 10 angeschlossen.

Die an einem gemeinsamen Halbleiterplättchen ch gefertigten Hall-Sensoren 4, 5 sind in dem Luftspalt g ₁ bzw. g ₂ zwischen Magnetkernen 14, 15 angeordnet. Der Magnetkern 14 ist mit einer Wicklung 18 versehen, die von einem den zweiten Multiplikand im Produkt der Multiplikationsschaltung darstellenden elektrischen Strom I _IL durchflossen wird; der Magnetkern 15 ist jedoch mit einer Wicklung 19 versehen, die an einen Stromgenerator 17 einer sich mit der Frequenz f _c ₂ ändernden Polarität angeschlossen ist.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist in einem CMOS Verfahren gefertigt. Die Fre quenz des Taktgebersignals ist gleich der Frequenz des Quarzgenerators, z. B. 32 kHz. Die Frequenz f _c ₂ ist um eine Größenordnung höher als die Frequenz f _c ₁, ihre typischen Werte sind 320 kHz bzw. 32 kHz. Die Referenzfrequenz f _r liegt zwischen 0,1 Hz und 1 Hz.

Die erfindungsgemäße Schaltung funktioniert folgendermaßen. Das an der Stelle der Hall-Sensoren 4, 5 vorhandene Magnetfeld resultiert aus einem vom Strom I _IL erzeug ten Magnetfeld B _L, einem vom Referenzstrom I _r erzeugten Magnetfeld B _r veränderlicher Richtung und aus einem Störmagnetfeld B _I. Die Umschaltschaltungen 3, 8 ermöglichen es, daß an den Spannungs-Frequenz-Umwandler 9, 10 immer nur ein den Strömen I _UL und I _IL bzw. dem Referenzstrom I _r entstammendes Signal zugeführt wird. Die Halbperioden des Umschaltsignals mit der Frequenz f _M sind gleich lang. Die Signale mit den Frequenzen f _c ₁, f _c ₂ steuern die Integrationsrichtung in den Spannungs- Frequenz-Umwandlern 9 bzw. 10.

In der ersten Halbperiode sind die Ausgangsfrequenzen der Spannungs-Frequenz- Umwandler 9, 10 bestimmt durch

f _o ₁ = I _UL · (B _L + B _I) · S 1 · G 1/U _r bzw. f _k ₁ = I _r · B _r · S 2 · G 2/U _r,

und in der zweiten Halbperiode durch

f _o ₂ = I _UL · (-B _L + B _I) · S 2 · G 2/U _r bzw. f _k ₂ = I _r · B _r · S 1 · G 1/U _r.

Weil die Umschaltfrequenz f _M der Umschaltschaltungen im Vergleich zur Änderungs geschwindigkeit der Störparameter hoch ist, sind die Ausgangsfrequenzen f _o und f _k dem Mittelwert dieser Frequenzen in den beiden Halbperioden gleich. Wenn nun z. B. die Frequenz f _k niedriger als die Frequenz f _o ist, wird die Referenzspannung U _r kleiner, wodurch sich die Übertragungsfunktion des Spannungs-Frequenz-Wandlers 10 ändert und die Frequenz f _k steigt, bis sie der Referenzfrequenz f _r gleicht. Nun ist

f _o = (I _UK · B _L/I _r · B _r) · f _r = K _r · P _L,

wobei P _L die elektrische Leistung des Verbrauchers und K _r eine nur von Referenzgrößen abhängige Konstante darstellen.

Claims

Schaltung zum Kompensieren zeitlicher Unstabilitäten der Multiplikationsschaltung mit Hall-Sensoren in einem Wattmeter oder einem Elektrizitätszähler, dadurch gekennzeichnet,
daß an die Eingangsklemmen (i 1, i 2) einer gesteuerten Umschaltschaltung (3) ein seine Stromrichtung mit einer Frequenz (f _c ₁) ändernder elektrischer Strom (I _UL), der einen der beiden Multiplikanden im Produkt der Multiplikationsschaltung darstellt, bzw. ein Referenzstrom (I _r) zugeführt werden,
daß die Ausgangsklemmen (o 1, o 2) der Umschaltschaltung (3) an die Stromklemme (4′ bzw. 5′) eines Hall-Sensors (4 bzw. 5) angeschlossen sind und seine Spannungsklemme (4′′ bzw. 5′′) durch einen Verstärker (6 bzw. 7) an eine Eingangsklemme (i 1′ bzw. i 2′) einer mit derselben Frequenz (f _M) wie die Umschaltschaltung (3) umgeschalteten Umschaltschaltung (8) angeschlossen sind, wobei die Empfindlichkeiten der Hall- Sensoren (4, 5) annähernd gleich und die Verstärkungsfaktoren der Verstärker (6, 7) annähernd entgegengesetzt gleich sind,
daß eine Ausgangsklemme (o 1′) der Umschaltschaltung (8) an den Signaleingang (s) eines Spannungs-Frequenz-Wandlers (9), dessen Digitalausgang (d) an die Ausgangs klemme (O) angeschlossen ist und an dessen Steuereingang (c) das Signal mit der Fre quenz (f _c ₁) zugeführt wird, angeschlossen ist,
daß eine Ausgangsklemme (o 2′) der Umschaltschaltung (8) an den Signaleingang (s′) eines Spannungs-Frequenz-Wandlers (10) angeschlossen ist, an dessen Steuereingang (c′) das Signal einer Frequenz (f _c ₂) zugeführt wird und dessen Digitalausgang (d′) an den ersten Eingang (i) eines Frequenzvergleichers (11) angeschlossen ist, an dessen zweiten Eingang (i′) ein Signal mit einer Referenzfrequenz (f _r) zugeführt wird und des sen Ausgängen (o, o′) an Signaleingänge (D, U) eines Zweirichtungszählers (12) ange schlossen sind, an dessen Steuereingang ein Taktgebersignal (CL) zugeführt wird und dessen Ausgang an den Eingang eines A/D Wandlers (13) angeschlossen ist, dessen Ausgang an den Referenzeingang (r, r′) des Spannungs-Frequenz-Wandlers (9 bzw. 10) angeschlossen ist,
daß ein Magnetkern (14) mit einer Wicklung (18) versehen ist, die von einem den zweiten Multiplikand im Produkt der Multiplikationsschaltung darstellenden elektri schen Strom (I _IL) durchflossen wird, und ein Magnetkern (15) mit einer Wicklung (19) versehen ist, die an einen Stromgenerator (17) einer sich mit der Frequenz (f _c ₂) ändernden Polarität angeschlossen ist, wobei die an einem gemeinsamen Halbleiter plättchen (ch) gefertigten Hall-Sensoren (4, 5) in dem Luftspalt (g ₁ bzw. g ₂) zwischen den Magnetkernen (14, 15) angeordnet sind.