ES2256019T3 - Procedimiento y dispositivo para detectar pequeñas variaciones lentas de señales electricas, incluyendo el signo de las señales. - Google Patents

Abstract

Dispositivo para detectar cambios lentos y pequeños de señales eléctricas, incluyendo el signo de los cambios, que comprende: - un conmutador controlado (2) conectado en el camino de la señal a detectar; - un condensador (3) conectado con un primer terminal al conmutador y cargado con el voltaje de dicha señal; - un amplificador (5) con una entrada conectada con un segundo terminal del condensador (3) y que genera una señal de pulsos correspondiente a la corriente de carga o descarga del condensador, que tiene el signo adecuado correspondiente; - un comparador (7) de ventana con voltajes de referencia primero y segundo (+UK, -UK) que determinan una ventana, y una entrada de señal conectada con la salida del amplificador (5) para indicar si la señal de salida del amplificador se encuentra dentro de la gama definida por la ventana o bien ha sido cruzada en direcciones negativas o positivas; - unidades de almacenamiento y de lógica, teniendo cada una de ellas medios de almacenamiento primero ysegundo (8, 11); y - un generador (9) de pulsos conectado con la entrada de control del conmutador (2) controlado para dejarla cerrada durante periodos de muestreo repetidos periódicamente, y también conectado con las unidades de almacenamiento y de lógica, en el cual dicho primer medio de almacenamiento almacena el estado lógico del comparador (7) de ventana tomado durante dicha señal de pulso con el signo adecuado, y una sección predeterminada de dicho pulso de dicho generador de pulsos lee tales valores almacenados de dicho primer medio de almacenamiento en dicho segundo medio de almacenamiento

Description

Procedimiento y dispositivo para detectar pequeñas variaciones lentas de señales eléctricas, incluyendo el signo de las señales.

La invención se refiere a un procedimiento y dispositivo para detectar cambios lentos y pequeños de las señales eléctricas, incluyendo el signo de los cambios. Por el término "señales eléctricas" se entiende un voltaje de corriente continua, o cantidades que puedan representarse por la medición de voltajes de corriente continua; tales cantidades son, por ejemplo, señales de salida de sondas de corriente o temperatura.

Los voltajes de corriente continua, generalmente, pueden medirse con una precisión requerida. Hay, sin embargo, tareas especiales de mediciones, en las cuales deberían detectarse con exactitud cambios que son muy pequeños con respecto al nivel del voltaje de corriente continua, p. ej., 10^{-3} o 10^{-4} veces el nivel de la corriente continua, y tales cambios tienen lugar lentamente, p. ej., durante un par de horas. La dificultad de la tarea aumenta si debiera detectarse muy rápidamente la ocurrencia de tales cambios lentos, esto es, en menos de un par de minutos, y el tiempo de detección pudiera estar en un orden de magnitud de 10 segundos. En caso de tales tareas de detección, no pueden utilizarse los procedimientos convencionales de medición de voltajes, ya que la señal útil no es mayor que la precisión de las mediciones.

Típicamente, una tal tarea es la determinación del momento final de la carga en el caso de la carga de baterías. Especialmente, cuando la batería se carga intensivamente con una alta corriente de carga, el proceso de carga debería acabarse tan pronto como se haya alcanzado el estado de carga total, pues en caso contrario, la batería podría sufrir un daño irreversible. El estado final de carga se indica a menudo con un cambio muy pequeño del voltaje de la batería, que puede estar por debajo de 1 mV, o bien tal indicación puede ser el final de una disminución, análogamente pequeña, del voltaje de la batería.

En el folleto SG 73/D Rev. 17, 1998, de Motorola Inc., de la serie Guía Maestra de Selección, se describe un circuito integrado cargador de baterías de tipo MC 33340P, que puede detectar la disminución del voltaje de la batería con una sensibilidad de 4 mV. La precisión requerida es mucho mayor que este valor, y no es suficiente detectar sólo la disminución del voltaje, hay que determinar también la tendencia del cambio. Por tendencia se entiende la determinación de si la señal ha disminuido en una magnitud predeterminada, si ha aumentado al menos en esa magnitud o si ha permanecido sin cambios, es decir, las fluctuaciones no han excedido el nivel predeterminado.

La Patente estadounidense 4.137.493 describe un circuito detector para detectar cambios en el nivel de un voltaje de corriente continua, empleado para controlar el momento final de carga de un cargador de baterías. En este detector, se carga un condensador en periodos de muestreo con el voltaje de corriente continua, y en cada periodo de muestreo, si el nivel del voltaje de corriente continua ha cambiado desde el periodo anterior, fluirá una corriente de carga o de descarga a través del alambre de salida del condensador, hasta que adopte el nuevo valor de corriente continua. Esta corriente transitoria se monitoriza y se compara con un voltaje de referencia. La precisión de este detector está limitada por el desplazamiento no compensado de corriente continua de los circuitos aplicados.

En caso de cambios muy pequeños de señales de voltaje, no se dispone de ningún tipo de medios, fiables y precisos, que pudiesen detectar lo empinado de los cambios o la persistencia de un estado invariable de la señal. El conocimiento de tales parámetros, sin embargo, sería deseable en varios campos de la técnica.

En caso de que la señal a monitorizar no esté constituida por un voltaje de corriente continua, sino por una cantidad que se repite periódicamente como pulsos, entonces el problema de detección será más difícil, ya que no se conoce ningún detector de picos que pudiese generar un nivel de corriente continua a partir de la señal eléctrica pulsante con la precisión requerida. Los componentes no lineales utilizados para la detección tienen propiedades dependientes de la temperatura, que fluctúan a menudo, y el procesamiento de señales de corriente continua tiene errores tanto de desplazamiento como de deriva. Estos efectos colaterales ya no serán despreciables si han de determinarse tales cambios de señal, que están en varios órdenes de magnitud por debajo del nivel de la señal.

Un detector de picos se describe en la patente DD 101 988, y en el cual el voltaje de corriente alterna de entrada se rectifica y se filtra. Este voltaje de corriente continua se muestrea luego y se carga un condensador. Los pulsos de muestreo se generan formando la primera y segunda señal cociente diferencial del voltaje rectificado, y el circuito es capaz de detectar un único máximo por vez. La precisión decrece por la breve naturaleza de los pulsos de muestreo y por el hecho de que el voltaje rectificado tiene un significativo componente de corriente continua que hace difícil el procesamiento.

El objetivo de la invención es proporcionar un procedimiento y un dispositivo que hace posible tanto la detección segura de los cambios lentos y pequeños de un voltaje de corriente continua como la determinación de la tendencia de los cambios, en donde los cambios son tres órdenes decimales de magnitud más pequeños que el nivel de corriente continua, y que tiene un diseño de circuito que facilita la producción masiva.

Este objetivo ha sido alcanzado por la solución según se define en las reivindicaciones adjuntas.

La invención se describirá ahora con relación a las realizaciones preferibles de la misma, en las cuales se hará referencia a los dibujos adjuntos. En el dibujo:

La Fig. 1 es un diagrama de circuitos simplificado de un ejemplo de realización del circuito de detección según la invención;

La Fig. 2 muestra las formas de los pulsos del generador 9 de pulsos;

Las Figs. 3 a 3k muestran los diagramas de tiempo de las señales que pueden medirse en un pequeño número de lugares característicos del circuito de detección; y

En el circuito mostrado en la Fig. 1, la señal a monitorizar es un voltaje de corriente continua, y su línea está acoplada con el terminal 1 de entrada. Un conmutador controlado 2, realizado por un contacto o relé 10, o por un conmutador electrónico de alta calidad, está conectado en serie con el terminal 1 de entrada. El otro alambre del conmutador 2 está conectado con un brazo de un condensador 3 de diseño de precisión, y el otro brazo está conectado con el resistor 4 y con la entrada positiva de un amplificador controlado 5 que comprende un bucle de retroalimentación. La salida del amplificador controlado 5 se acopla a través de un brazo con su propia entrada negativa, mientras que el brazo comprende un potenciómetro 6 y un miembro RC, también conectado con la entrada negativa. El potenciómetro 6 está adaptado para ajustar la amplificación. Cuando se acopla un pulso de voltaje unipolar corto con la entrada positiva del amplificador controlado 5 y decrece, bajo el efecto de la retroalimentación aparecerá un pulso de semionda en la salida, que tiene una fase inversa con respecto al pulso en la entrada.

La salida del amplificador controlado 5 está conectada con la entrada de señal de un comparador 7 de ventana. El ancho de la ventana para la comparación puede ajustarse; dos voltajes estabilizados, +U_{R} y -U_{R}, se emplean para este fin, y su nivel puede ser cambiado por circuitos no mostrados en la Fig. 1. Un potenciómetro 12 se utiliza para ajustar la ventana de corriente continua, a fin de que sea simétrica con respecto al nivel de corriente continua en la entrada de señal. El comparador 7 de ventana tiene dos salidas, y la señal aparecerá en aquella de ellas que está en la dirección donde el voltaje de la señal ha cruzado el límite ajustado de voltaje. Las salidas del comparador 7 de ventana están acopladas, a través de las respectivas compuertas AND 13 y 14, con las entradas de grabación de los respectivos biestables 8a y 8b. Las segundas entradas de las compuertas AND 13, 14 están acopladas con la salida invertida del otro miembro de los biestables 8b y 8a, y el empleo de estas compuertas tiene un efecto estabilizador sobre la operación.

La entrada de habilitación común de los biestables 8a y 8b está acoplada con la salida de un generador 9 de pulsos, y esta salida controla adicionalmente tanto el relé 10 que tiene el conmutador 2 como, a través de un invertidor 16, la entrada dinámica de dos biestables 11a y 11b adicionales. Las entradas de grabación de los biestables 11a y 11b están conectadas con las salidas Q de los dos primeros biestables 8a y 8b. Las salidas Q de los dos segundos biestables 11a y 11b constituyen las salidas a y b del dispositivo. Una tercera salida c está conectada con la salida de una compuerta AND 15 que tiene entradas acopladas con salidas invertidas de los segundos biestables 11a y 11b.

La operación del dispositivo de detección de voltaje, según la invención, es la siguiente:

El dispositivo monitorizado, p. ej., una batería, está acoplado directamente con el terminal 1 de entrada. El generador 9 de pulsos genera pulsos con una frecuencia de repetición predeterminada y con una duración dada. En el ejemplo de realización la duración de los pulsos está entre unos 100 y unos 500 mseg, y la duración del periodo de los pulsos puede ajustarse entre alrededor de 1 segundo y 3 minutos. La Fig. 2 muestra la forma de los pulsos del generador 9 de pulsos. Los mismos pulsos pueden verse en la Fig. 3a, con una escala de tiempo distinta, sin embargo.

Durante la duración de los pulsos el conmutador 2 se cierra y conecta el terminal 1 de entrada con el condensador 3. Antes de que el conmutador 2 se cerrase, el voltaje en el condensador 3 era igual al voltaje que prevalecía en el terminal de entrada durante el final del pulso anterior. Esto se debe al hecho de que, cerca del final del estado cerrado del conmutador 2, el condensador 3 está cargado con el voltaje presente en el terminal 1 de entrada. En caso de que este voltaje haya cambiado con respecto al valor tomado durante el último pulso, el condensador 3 se cargará o descargará con este nuevo valor del voltaje, y su corriente de carga o de descarga generará en el resistor 4 un pulso de voltaje decreciente, positivo o negativo.

Si el voltaje ha aumentado desde el último pulso de reloj, entonces la corriente transitoria de carga creará una señal de salida que crece en dirección positiva y luego decrece hasta cero. Esta señal de salida se muestra en la Fig. 3b. El proceso de carga del condensador del miembro RC en el brazo de retroalimentación genera un pulso transitorio con un signo opuesto, y el voltaje de la señal de salida será como se muestra en la Fig. 3c. El promedio de la corriente continua de esta señal de salida será cero. Es preferible que las constantes de tiempo de las dos corrientes transitorias que ocurren sucesivamente se escojan para que sean casi la misma, ya que eso hace que la señal que comprende las dos semiondas sea casi simétrica. El empleo de la segunda semionda es significativo desde el punto de vista de la estabilidad a largo plazo del componente de corriente continua de la señal de salida. El amplificador controlado 5 tiene una impedancia de salida especialmente alta; por lo tanto, la carga representada por el mismo es despreciablemente pequeña y no puede cambiar el voltaje del condensador 3 dentro de un periodo de muestreo.

En caso de que tenga lugar en el terminal de entrada una disminución del voltaje con respecto al estado previo, entonces el condensador 3 se descargará hasta el nuevo nivel disminuido. Ahora la corriente de descarga tiene un signo opuesto con respecto al signo de la corriente de carga en el caso anterior, por lo que aparece un pulso negativo en la resistencia 4 con respecto a tierra. En la salida del amplificador controlado 5 aparece un pulso de voltaje de onda completa que comienza con una semionda negativa.

La duración del pulso de muestreo mostrado en la Fig. 2a es mayor que la constante de tiempo del miembro RC que consiste en el condensador 3 y la resistencia 4; por lo tanto, al final del pulso, la corriente transitoria de carga o de descarga habrá acabado. Cuando se abre el conmutador 2, el condensador 3 retendrá su voltaje y, debido a su diseño de precisión, este voltaje se mantendrá con exactitud hasta el próximo pulso. La razón entre la duración del periodo y el tiempo de muestreo es significativamente mayor que la deducible de la Fig. 2, que tiene una escala distorsionada.

Según lo descrito, el cambio del voltaje de la señal de entrada en un periodo de muestreo causa una onda de voltaje en la salida del amplificador controlado 5. Dependiendo del hecho de que el voltaje de entrada haya aumentado o disminuido, esta onda de voltaje comienza con una semionda positiva o negativa. El ancho de la ventana de voltaje del comparador 7 de ventana es ajustado por los voltajes del umbral de comparación, +U_{K} y -U_{K}, para que sea significativamente más pequeño que la amplitud de esta onda. La ventana de comparación debería ser simétrica con respecto al nivel de corriente continua de salida del amplificador controlado 5, y la simetría puede ser ajustada por el potenciómetro 12. La Fig. 3c indica que el umbral positivo de comparación +U_{K} es cruzado dos veces por el conductor de voltaje hacia la entrada de señal del comparador 7 en el primer semiperiodo de la onda completa. De acuerdo al hecho de que la salida superior del comparador 7 sea asociado con el cruce (positivo) superior del umbral, aparecerá un pulso mostrado en la Fig. 3d. En el segundo semiperiodo la señal de voltaje cruzará dos veces el umbral (negativo) inferior de comparación -U_{K}, y en este momento aparecerá un pulso, mostrado en la Fig. 3e, en la salida inferior del comparador, asociado con los cruces del umbral inferior.

Los biestables 8a y 8b son reiniciados por el salto inicial 0-1 del pulso del reloj, por lo que ambos tendrán un valor de 1 lógico en sus salidas invertidas y valor de cero en las salidas no invertidas. Las compuertas AND 13 y 14 son combinadas por la salida invertida del otro miembro del par de biestables. Al comienzo del pulso de reloj la salida invertida de ambos biestables 8a y 8b estará en el estado 1; es posible la grabación en ambos biestables. En el caso del ejemplo, la señal en el terminal de entrada ha cambiado (aumentado, de hecho), lo que tiene como consecuencia que la onda comience con un semiperiodo positivo. Como resultado de esto, primero aparecerá un pulso en la salida superior del comparador 7 (Fig. 3d), y el valor 1 se grabará en el biestable 8a. La Fig. 3f muestra el estado de la compuerta AND 13 y la Fig. 3g muestra el estado de la compuerta AND 14. La Fig. 3h muestra el valor lógico del biestable 8a, y la Fig. 3i muestra el del biestable 8b. Cuando, en la salida del amplificador controlado 5, el voltaje entra al segundo semiperiodo de la señal de onda, y un pulso aparece en la salida inferior del comparador 7 (Fig. 3e), no se permitirá ninguna grabación en el biestable 8b. Esto es así porque la salida invertida del otro biestable 8a está en el estado cero, lo que prohíbe el pasaje a través de la compuerta AND 14.

Al final del pulso de reloj de muestreo los biestables 11a y 11b reaccionan ante el borde posterior del pulso y almacenan los estados momentáneos de los otros biestables 8a y 8b, y esto se retendrá hasta el final del siguiente periodo. El biestable 11a almacenará el estado "uno" (Fig. 3j) y el biestable 11b almacenará el estado "cero" (Fig. 3k). A partir de este principio se deduce que aparecerá una señal en la salida a si en el terminal de entrada el voltaje ha aumentado con respecto al valor tomado durante el pulso anterior de muestreo. La salida b tendrá una señal si el voltaje de entrada ha disminuido; finalmente, la salida c tendrá una señal si el voltaje de entrada no ha cambiado, es decir, ha permanecido dentro del umbral de sensibilidad del dispositivo.

La velocidad de cambio del voltaje en el terminal 1 de entrada tiene significativa utilidad en una amplia gama de aplicaciones. La sensibilidad de la medición de la velocidad de cambio puede ajustarse dentro de una amplia gama, por medio del cambio de la duración del periodo de los pulsos de muestreo. En una configuración dada el circuito tiene un umbral de sensibilidad predeterminado. Éste puede ser, p. ej., de 1 mV. Si la duración del periodo del muestreo se escoge con valor de 1 minuto, entonces la sensibilidad de la velocidad de cambio será de 1 mV/min, pero en ese caso los datos que representan los nuevos estados llegarán con una periodicidad de 1 minuto. Si la tarea está constituida por la determinación del momento final de carga de una batería, y esta condición está vinculada con el momento en que el voltaje modificado anteriormente de la batería se estabiliza o se hace constante, entonces la sensibilidad de 1 mV/min es muy alta. Tal condición puede aplicarse a tareas de carga normales. En el caso de los cargadores rápidos, la corriente de carga puede ser tan alta que el intervalo de 1 minuto resulte ser demasiado largo entre dos sondeos sucesivos, ya que una sobrecarga que puede durar hasta 1 minuto podría disminuir el tiempo de vida de la batería. En ese caso el periodo de muestreo debería acortarse, por lo cual la sensibilidad para el fin de la carga será inferior, pero a la vez el peligro de sobrecargar la batería será prácticamente eliminado. El hecho de que el proceso de carga acabe en un nivel levemente por debajo del estado de carga completa no tiene relevancia en los cargadores rápidos.

La solución según la invención puede, de esta manera, decidir con alta sensibilidad y precisión que el voltaje en el terminal de entrada ha aumentado, disminuido o permanecido invariable con respecto a un valor anterior. Esta información tiene una relevancia particular al suministrar una señal de fin de carga en el caso de carga de baterías.

El circuito mostrado en la Fig. 1 puede determinar sólo el cambio de señales de voltaje. En varios campos de la técnica hay numerosas tareas, en las cuales ha de detectarse el cambio de otras características, como la temperatura o la corriente. En caso de que el parámetro examinado sea un voltaje, o pueda convertirse fácilmente en una señal de voltaje, como es el caso al sondear valores de temperatura, el circuito mostrado en la Fig. 1 puede emplearse sin ningún cambio. Sin embargo, en caso de que las características examinadas estén representadas por el valor pico de una secuencia de señales pulsantes, la situación ya no será sencilla, porque las maneras convencionales de detectar picos están asociadas con errores de desplazamiento mayores que la sensibilidad requerida. Una tal tarea de detección de picos puede hallarse en aquellos procesos de carga de baterías en los cuales debería detectarse el cambio de la corriente de carga, o bien debería conocerse el momento en que los valores pico se han estabilizado.

La corriente de carga está constituida por una corriente directa pulsante, en la cual la pulsación puede convertirse en una secuencia de pulsos de voltaje por medio de un convertidor convencional de corriente a voltaje.

Claims (9)

1. Dispositivo para detectar cambios lentos y pequeños de señales eléctricas, incluyendo el signo de los cambios, que comprende:

-

un conmutador controlado (2) conectado en el camino de la señal a detectar;

-

un condensador (3) conectado con un primer terminal al conmutador y cargado con el voltaje de dicha señal;

-

un amplificador (5) con una entrada conectada con un segundo terminal del condensador (3) y que genera una señal de pulsos correspondiente a la corriente de carga o descarga del condensador, que tiene el signo adecuado correspondiente;

-

un comparador (7) de ventana con voltajes de referencia primero y segundo (+U_{K}, -U_{K}) que determinan una ventana, y una entrada de señal conectada con la salida del amplificador (5) para indicar si la señal de salida del amplificador se encuentra dentro de la gama definida por la ventana o bien ha sido cruzada en direcciones negativas o positivas;

-

unidades de almacenamiento y de lógica, teniendo cada una de ellas medios de almacenamiento primero y segundo (8, 11); y

-

un generador (9) de pulsos conectado con la entrada de control del conmutador (2) controlado para dejarla cerrada durante periodos de muestreo repetidos periódicamente, y también conectado con las unidades de almacenamiento y de lógica,

en el cual dicho primer medio de almacenamiento almacena el estado lógico del comparador (7) de ventana tomado durante dicha señal de pulso con el signo adecuado, y una sección predeterminada de dicho pulso de dicho generador de pulsos lee tales valores almacenados de dicho primer medio de almacenamiento en dicho segundo medio de almacenamiento.

2. El dispositivo según lo reivindicado en la reivindicación 1, en el cual dicho generador (9) de pulsos tiene pulsos con duración de periodo variable.

3. El dispositivo según lo reivindicado en la reivindicación 1, en el cual el amplificador (5) comprende elementos de retroalimentación RC que complementan a cada uno de dichos pulsos de carga o de descarga con un pulso respectivo de signo opuesto, estando la duración de dichos pulsos en el mismo orden de magnitud.

4. El dispositivo según lo reivindicado en la reivindicación 1, en el cual la ventana de voltaje de dicho comparador (7) de ventana es ajustable para que sea simétrica con respecto al nivel de base de la señal de salida del amplificador (5).

5. El dispositivo según lo reivindicado en la reivindicación 1, en el cual dicho primer medio de almacenamiento es un par de biestables (8a, 8b), que tienen sus entradas combinadas por la salida invertida del otro miembro en el par, siendo reiniciados además dichos biestables por los bordes anteriores de los pulsos de muestreo del generador (9) de pulsos.

6. El dispositivo según lo reivindicado en la reivindicación 1, en el cual dicho segundo medio de almacenamiento es un par de biestables (11a, 11b), y el almacenamiento en los mismos tiene lugar bajo el efecto de los bordes posteriores de dichos pulsos de muestreo del generador (9) de pulsos.

7. Un procedimiento para detectar cambios lentos y pequeños de señales eléctricas, incluyendo el signo de los cambios, que comprende las etapas de conmutar periódicamente la señal a detectar a un condensador (3) y de cambiar por ello su estado de carga tomado en el periodo anterior, de examinar la magnitud y el signo del pulso de corriente decreciente producido cuando dicho condensador (3) ha sido forzado a tomar el nuevo estado de carga, si la magnitud de este pulso de corriente decreciente es mayor que un límite umbral predeterminado, y de almacenar este hecho y el signo del cambio hasta el siguiente periodo, caracterizado por las etapas de generar una única señal de onda transitoria en respuesta a cada pulso de corriente decreciente, en donde dicha señal de onda transitoria comprende dos pulsos transitorios consecutivos con signos opuestos y el promedio de corriente continua de esta señal de onda transitoria es cero, siendo proporcional la amplitud del primer pulso transitorio a dicho pulso de corriente decreciente y estando determinada la polaridad del primer pulso transitorio por el signo del pulso de corriente decreciente, examinando directamente en dicha etapa de examen dicho primer pulso transitorio como una señal que representa a dicho pulso de corriente decreciente, y en donde la duración de dicha etapa de conmutación es mayor que la duración de dicha señal única de onda transitoria, la cual es más larga que dicho pulso de corriente decreciente.

8. El procedimiento según lo reivindicado en la reivindicación 7, en el cual, según la precisión con que se determine lo empinado de los cambios de la señal eléctrica, se ajusta el tiempo transcurrido entre los periodos consecutivos de muestreo, en donde dicho ajuste no guarda relación con los procesos transitorios que tienen lugar durante dicha etapa de conmutación.

9. El procedimiento según lo reivindicado en la reivindicación 7, en el cual la señal a examinar es el voltaje de una batería mientras se está cargando.