DE3933707B4

DE3933707B4 - Schaltung zum Kompensieren zeitlicher Instabilitäten der Multiplikationsschaltung mit Hall-Sensoren in einem Wattmeter oder Elektrizitätszähler

Info

Publication number: DE3933707B4
Application number: DE19893933707
Authority: DE
Inventors: Miro Rozman
Original assignee: ISKRA STEVCI IND MERILNE IN UP; Iskra Stevci Industrija Merilne In Upravljalne Tehnike Kranj d o o
Current assignee: ISKRA STEVCI INDUSTRIJA MERILNE IN UPRAVLJALNE TEH
Priority date: 1988-10-10
Filing date: 1989-10-09
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2009-10-10
Also published as: DE3933707A1; YU188588A

Abstract

Schaltung zum Kompensieren zeitlicher Instabilitäten einer Multiplikationsschaltung mit Hall-Sensoren in einem Wattmeter oder einem Elektrizitätszähler, dadurch gekennzeichnet, dass an eine erste Eingangsklemme (i1) einer ersten gesteuerten Vierpol-Umschaltschaltung (3) ein elektrischer Strom (I-), dessen Stromrichtung sich mit einer ersten Frequenz (f_c1) ändert, zugeführt wird, der einen ersten der beiden Multiplikanden im Produkt am Ausgang der Multiplikationsschaltung darstellt, und eine erste Ausgangsklemme (o1) der ersten Vierpol-Umschaltschaltung (3) an die Stromklemme (4') eines ersten Hall-Sensors (4) angeschlossen ist und dessen Spannungsklemme (4'') durch einen ersten Verstärker (6) an eine erste Eingangsklemme (i1') einer zweiten Vierpol-Umschaltschaltung (8) an den Signaleingang (s) eines ersten Spannungs-Frequenz-Wandlers (9) angeschlossen ist, dessen Digitalausgang (d) an die Ausgangsklemme (o) der Schaltung angeschlossen ist, dass an eine zweite Eingangsklemme (i2) der ersten Vierpol-Umschaltschaltung (3) ein Referenzstrom (I_r) einer zweiten Frequenz (f_c2) zugeführt wird und eine zweite Ausgangsklemme (o2) der ersten Vierpol-Umschaltschaltung (3) an die Stromklemme (5') eines zweiten Hall-Sensors (5) angeschlossen ist und seine Spannungsklemme (5'') durch einen zweiten Verstärker (7) an eine zweite Eingangsklemme (i2') der zweiten Vierpol-Umschaltschaltung (8) angeschlossen ist, dass die erste Vierpol-Umschaltschaltung (3) und die zweite Vierpol-Umschaltschaltung (8) mit demselben Signal einer Frequenz (f_M) in einer Halbperiode zugleich verbindend . . .

Description

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

In einer aus der EP 0 172 402 A1 bekannten Schaltung zum Kompensieren der Alterungseinflüsse und der Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit magnetischer Sensoren wird die Empfindlichkeit dieser Sensoren mittels eines Referenzmagnetfeldes ermittelt. Die magnetischen Sensoren sind jedoch in der beschriebenen Multiplikationsschaltung nicht anwendbar, falls diese Schaltung auf einem gemeinsamen Substrat 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 instabilen 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, und zudem ist sie von der Temperatur des Sensors abhängig. Bei einer solchen Ausführung der Multiplikationsschaltung kann die Empfindlichkeit des magnetischen Sensors nicht korrigiert werden, da das Substrat an ein festes Potential angeschlossen ist.

Aus der Schrift YU P-209/87 und den daraus hervorgehenden Schriften US 4 808 918 und DE 37 11 978 A1 ist eine Schaltung zum Kompensieren zeitlicher Instabilitäten einer Multiplikationsschaltung mit einem Hall-Sensor in einem Wattmeter oder einem Elektrizitätszähler bekannt. Einer gesteuerten Umschaltschaltung wird ein elektrischer Strom zugeführt, der einen der beiden Multiplikanden im Produkt am Ausgang der Multiplikationsschaltung darstellt An den Ausgang der ersten Umschaltschaltung wird die Stromklemme eines Hall-Sensors angeschlossen. Dessen Spannungsklemme ist durch einen Verstärker an einen ersten Eingang einer Vierpol-Umschaltschaltung angeschlossen, an deren zweiten Eingang eine Referenzspannung angelegt ist. Der Ausgang der Vierpol-Umschaltschaltung wird an den Signaleingang eines Spannungs-Frequenz-Wandlers angeschlossen.

Die DE 27 49 784 A1 zeigt eine Multiplizierschaltung, insbesondere für Wattstundenzähler, wobei ein aus einer Lastspannung umgewandelter Steuerstrom konstant gehalten wird. Ein Magnetsystem enthält einen Spannungs- und einen Strom-Messtransformator zur Erregung eines Hall-Sensors in Abhängigkeit von der gemessenen Leistung.

Die DE 37 23 268 A1 zeigt ein Wattmeter mit einem Hall-Sensor und einem A/D-Wandler, wobei eine Rückkopplung zum Kompensieren von Störspannungen und eine Schaltung zur präzisen Krümmungskompensation vorgesehen sind Die DE 36 42 478 A1 zeigt eine Vorrichtung und eine Schaltungsanordnung zum Messen elektrischer Leistung und deren Zeitintegral. Die Offsetspannung des Hallspannungs-Verstärkers wird durch periodische Umschaltung kompensiert und der Messbereich wird schwellenabhängig umgeschaltet.

Die DE 37 02 344 A1 zeigt eine Anordnung zum Messen elektrischer Leistung, wobei, darauf geachtet ist, dass in der Anordnung intern erzeugte Nullspannungen kompensiert werden.

Die DE 29 51 627 C2 zeigt eine Korrekturschaltung für Elektrizitäts- und Wärmemengenzähler mit elektronischem Messwerk.

Die GB 2 202 337 A zeigt ein Messgerät auf der Grundlage des Hall-Effekts zum Messen von Energie, die entlang einem Leiter geführt wird.

Die EP 0 267 693 A1 zeigt ein Leistungsmessgerät, über dem analoge Eingangssignale Momentanwerte für Strom und Spannung darstellen, und diese an einem Multiplizierer anliegen. Das Produkt liegt an einem Umsetzer an zum Bilden eines Pulsausgangssignals mit einer Frequenz zum Darstellen des Produkts und somit des Leistungsverbrauchs.

Die JP 57093263 A , Patent Abstract of Japan, 1982, beschreibt ein Wattstunden-Messgerät unter Verwendung eines Hall-Elements, bei dem sich der Einfluss einer Versatzspannung eines Operationsverstärkers und einer Spannung in Phase zu einem Hall-Element entfernen lässt. Es kommt ein Verfahren zum Einsatz, bei dem eine Polarität eines Steuerstroms, der einem Hall-Element zugeführt wird, und eine Eingangsgröße eines Hall-Elements zwei Filtern zugeführt werden und synchron zueinander geschaltet sind.

Die US-A-4,742,296 beschreibt eine Anordnung zum Messen elektrischer Energie mit einem Hall-Element, das in einem Luftspalt eines ferromagnetischen Kerns angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zum selbsttätigen Kompensieren 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 Merkmalen des Patentanspruchs 1 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, geregelt, 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
1 eine erfindungsgemäße Schaltung zum Kompensieren zeitlicher Instabilitäten der Multiplikationsschaltung mit Hall-Sensoren in einem Wattmeter oder einem Elektrizitätszähler; und
2 einen Magnetkreis der erfindungsgemäßen Schaltung.
Wie in 1 gezeigt, fließen in die erste Eingangsklemme i1 einer gesteuerten Umschaltschaltung 3 in der erfindungsgemäßen Schaltung zum Kompensieren zeitlicher Instabilitäten der Multiplikationsschaltung mit Hall-Sensoren in einem Wattmeter oder einem Elektrizitätszähler (1) 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. Die Stromrichtung des Stromes I_UL ändert sich mit einer Frequenz f_c1. Dieses wie auch andere gebrauchte Steuersignale werden in einem nicht dargestellten Quarzgenerator generiert. Ein Referenzstrom I_r wird an die zweite Eingangsklemme i2 der Umschaltschaltung 3 zugeführt.
Ausgangsklemmen 01, 02 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 i1' bzw. i2' einer gesteuerten Umschaltschaltung 8 angeschlossen. Die beiden Umschaltschaltungen 3, 8 werden gegenphasig mit derselben Multiplexerfrequenz f_M umgeschaltet. Die Empfindlichkeit S1, S2 der Hall-Sensoren 4 bzw. 5 annähernd gleich und die Verstärkungsfaktoren G1, G2 der Verstärker 6 bzw. 7 sind annähernd entgegengesetzt gleich (G1 = –G2).
Ausgangsklemmen o1', o2' 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_c1 bzw. f_c2 zum Steuern der Chopper-Schaltung innerhalb des Spannungs-Frequenz-Wandlers 9 bzw. 10 zugeführt ist. Der Spannungs-Frequenz-Wandler 9, 10 ist z.B. in der jugoslawischen Patentanmeldung P 209/87 (daraus DE 37 11 978 und US 4,808,918 ) beschrieben. Der Digitalausgang d des Spannungs-Frequenz-Wandlers 9 ist an die Ausgangsklemme o der erfindungsgemäßen Schaltung angeschlossen. Der Digitalausgang d' des Spannungs-Frequenz-Wandlers 10 ist jedoch an den ersten Eingang i eines Frequenzvergleichers 11 angeschlossen, an dessen zweitem Eingang i' ein Signal mit einer Referenzfrequenz f_r zugeführt wird. Die Ausgänge o, o' des Frequenzvergleichers 11 sind an die Signaleingänge D, U eines Zweirichtungszählers 12 angeschlossen, an dessen Steuereingang ein Taktgebersignal CL zugeführt wird. Der Ausgang des Zweirichtungszählers 12 ist durch einen A/D- Wandler 13 an den Referenzeingang r, r' des Spannungs-Frequenz-Wandlers 9 bzw. 10 angeschlossen.
Wie in 2 gezeigt, sind die an einem gemeinsamen Halbleiterplättchen ch gefertigten Hall-Sensoren 4, 5 in dem Luftspalt g₁ bzw. g₂ 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_c2 ändernden Polarität angeschlossen ist.
Die erfindungsgemäße Schaltung wird mit einem CMOS-Verfahren gefertigt. Die Frequenz des Taktgebersignals ist gleich der Frequenz des Quarzgenerators, z.B. 32 kHz. Die Frequenz f_c2 ist um eine Größenordnung höher als die Frequenz f_c1, ihre typischen werte sind 320 kHz bzw. 32 kHz. Die Referenzfrequenz f_r liegt zwischen 0,1 Hz und 1Hz.
Die erfindungsgemäße Schaltung funktioniert folgendermaßen. Das an der Stelle der Hall-Sensoren 4, 5 vorhandene Magnetfeld resultiert aus einem vom Strom I_IL erzeugten 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_c1, f_c2 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_o1 = I_UL⋅(B_L + B_I)⋅S1⋅G1/U_r bzw. f_k1 = I_r⋅B_r⋅S2⋅G2/U_r,
und in der zweiten Halbperiode durch
f_o2 = I_UL⋅(–B_L + B_I)⋅S2⋅G2/U_r bzw. f_k2= I_r⋅B_r⋅Sl⋅Gl/U_r.
Weil die Umschaltfrequenz f_M der Umschaltschaltungen im Vergleich zur Änderungsgeschwindigkeit der Störparameter hoch ist, sind die Ausgangsfrequenzen f₀ und f_k dem Mittelwert dieser Frequenzen in den beiden Halbperioden gleich. Wenn nun z.B. die Frequenz f_k niedriger als die Frequenz f₀ ist, wird die Referenzspannung U_r kleiner, wodurch sich die Übertragungsfunktion des Spannungs-Frequenz-Wandlers 10 ändert und die Frequenz fk steigt, bis sie der Referenzfrequenz fr gleicht. Nun ist
f_o = (I_UK⋅B_L/I_r⋅B_r)⋅f- = 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 Instabilitäten einer Multiplikationsschaltung mit Hall-Sensoren in einem Wattmeter oder einem Elektrizitätszähler, dadurch gekennzeichnet, dass an eine erste Eingangsklemme (i1) einer ersten gesteuerten Vierpol-Umschaltschaltung (3) ein elektrischer Strom (I-), dessen Stromrichtung sich mit einer ersten Frequenz (f_c1) ändert, zugeführt wird, der einen ersten der beiden Multiplikanden im Produkt am Ausgang der Multiplikationsschaltung darstellt, und eine erste Ausgangsklemme (o1) der ersten Vierpol-Umschaltschaltung (3) an die Stromklemme (4') eines ersten Hall-Sensors (4) angeschlossen ist und dessen Spannungsklemme (4') durch einen ersten Verstärker (6) an eine erste Eingangsklemme (i1') einer zweiten Vierpol-Umschaltschaltung (8) an den Signaleingang (s) eines ersten Spannungs-Frequenz-Wandlers (9) angeschlossen ist, dessen Digitalausgang (d) an die Ausgangsklemme (o) der Schaltung angeschlossen ist, dass an eine zweite Eingangsklemme (i2) der ersten Vierpol-Umschaltschaltung (3) ein Referenzstrom (I_r) einer zweiten Frequenz (f_c2) zugeführt wird und eine zweite Ausgangsklemme (o2) der ersten Vierpol-Umschaltschaltung (3) an die Stromklemme (5') eines zweiten Hall-Sensors (5) angeschlossen ist und seine Spannungsklemme (5'') durch einen zweiten Verstärker (7) an eine zweite Eingangsklemme (i2') der zweiten Vierpol-Umschaltschaltung (8) angeschlossen ist, dass die erste Vierpol-Umschaltschaltung (3) und die zweite Vierpol-Umschaltschaltung (8) mit demselben Signal einer Frequenz (f_M) in einer Halbperiode zugleich verbindend die ersten Eingänge (i1, i1') mit den ersten Ausgängen (o1, o1') und die zweiten Eingänge (i2, i2') mit den zweiten Ausgängen (o2, o2') und danach umschaltend umgeschaltet werden, dass an einen ersten Steuereingang (c) des ersten Spannungs-Frequenz-Wandlers (9) ein Signal der ersten Frequenz (fc1) zugeführt wird und an einen ersten Steuereingang (c') eines zweiten Spannungs-Frequenz-Wandlers (10) ein Signal der zweiten Frequenz (f_c2) zugeführt wird, dass eine zweite Ausgangsklemme (o2') der zweiten Vierpol-Umschaltschaltung (8) an den Signaleingang (s') des zweiten Spannungs-Frequenz-Wandlers (10) angeschlossen ist, dessen Digitalausgang (d') an einen ersten Eingang (i) eines Frequenzvergleichers (11) angeschlossen ist, an dessen zweiten Eingang (i') ein Signal mit einer Referenzfrequenz (f_r) zugeführt wird und dessen Ausgänge (o, o') an Signaleingänge (D, U) eines Zweirichtungszählers (12) angeschlossen sind, an dessen Steuereingang ein Taktgebersignal (CL) zugeführt wird und dessen Ausgang an den Eingang eines D/A-Wandlers (13) angeschlossen ist, dessen Ausgang an einen Referenzeingang (r, r') des ersten und des zweiten Spannungs-Frequenz-Wandlers (9, 10) angeschlossen ist, dass ein erster Magnetkern (14) mit einer Wicklung (18) versehen ist, die von einem den zweiten Multiplikand im Produkt der Multiplikationsschaltung darstellenden elektrischen Strom (I_IL) durchflossen wird, und ein zweiter Magnetkern (15) mit einer Wicklung (19) versehen ist, die an einen Stromgenerator (17) einer sich mit der zweiten Frequenz (f_c2) ändernden Polarität angeschlossen ist, wobei die an einem gemeinsamen Halbleiterplättchen (ch) gefertigten ersten und zweiten Hall-Sensoren (4, 5) jeweils in einem Luftspalt (g1, g2) zwischen dem ersten und zweiten Magnetkern (14, 15) angeordnet sind. Schaltung zum Kompensieren zeitlicher Instabilitäten der Multiplikationsschaltung mit Hall-Sensoren in einem Wattmeter oder einem Elektrizitätszähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfindlichkeit des ersten und zweiten Hall-Sensors (4, 5) annähernd gleich ist und die Verstärkungsfaktoren des ersten und zweiten Verstärkers (6, 7) annähernd entgegengesetzt gleich sind.