ES2527565A1

ES2527565A1 - Dispositivo y sistema de medida analógica de potencia eléctrica por magnetorresistencia

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Publication number: ES2527565A1
Application number: ES201331141A
Authority: ES
Inventors: Diego Ramírez Muñoz; Jaime SÁNCHEZ MORENO; Paulo Jorge PEIXEIRO DE FREITAS; Susana Isabel PINHEIRO CARDOSO DE FREITAS
Original assignee: INSTITUTO DE ENGENHARIA DE SISTEMAS E COMPUTADORES PARA OS MICROSISTEMAS E AS NANOTECNOLOGIAS (INESC-MN); Universitat de Valencia; Inst De Engenharia De Sist S E Computadores Para Os Microsist S E As Nanotecnologias Inesc Mn; Instituto Superior Tecnico
Current assignee: Instituto Superior Tecnico
Priority date: 2013-07-25
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2015-01-26
Anticipated expiration: 2033-07-25
Also published as: ES2527565B1

Abstract

Dispositivo y sistema de medida analógica de potencia eléctrica por magnetorresistencia.#El dispositivo (D) está previsto para la medida de la potencia eléctrica suministrada por una fuente de tensión analógica (v{sub,ac}(t)) a una carga (Z{sub,C}) y comprende:#- un acondicionador de tensión configurado para conectarse a la fuente de tensión analógica (v{sub,ac}(t)), y que incluye un divisor de tensión que proporciona una tensión de salida que es una fracción de la tensión suministrada por la fuente (v{sub,ac}(t)); y#- un sensor magnetorresistivo (Mr) que constituye como mínimo parte de una de las impedancias del divisor de tensión y que está configurado y dispuesto para someterse al campo magnético generado por la componente de corriente de dicha potencia eléctrica.#El sistema comprende una pluralidad de dispositivos de medida interconectados inalámbricamente entre sí formando una red, como mínimo uno de los cuales actúa como maestro y el resto como esclavos.

Description

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DESCRIPCIÓN

Dispositivo y sistema de medida analógica de potencia eléctrica por magnetorresistencia

5 Sector de la técnica La presente invención concierne, en general y en un primer aspecto, a un dispositivo de medida analógica de potencia eléctrica por magnetorresistencia, que incluye un acondicionador de tensión y un sensor magnetorresistivo, y más particularmente a un

10 dispositivo de medida que integra al sensor magnetorresistivo en el acondicionador de tensión ofreciendo una alta sensibilidad.

Un segundo aspecto de la invención concierne a un sistema de medida analógica de potencia eléctrica por magnetorresistencia, que comprende una pluralidad de 15 dispositivos de medida, como mínimo uno de los cuales actúa como maestro y reúne las características del dispositivo del primer aspecto.

Estado de la técnica anterior En la actualidad el usuario doméstico y la pequeña y mediana empresa conocen su

20 consumo eléctrico mediante la factura proporcionada por su distribuidor, bien a través de correo ordinario o electrónico. En ella el consumo de energía eléctrica puede ser una lectura estimada del tarificador instalado en la acometida principal o una lectura real con una periodicidad aleatoria. La información proporcionada en la factura no permite discriminar el origen del consumo (ascensores, aire acondicionado, frigorífico, placas de

25 inducción, etc.), sin que por lo tanto el usuario tenga la posibilidad de gestionarlo u optimizarlo. Hoy en día no es común disponer de sistemas para monitorizar el consumo de máquinas industriales, ascensores o electrodomésticos.

Es bien conocido el uso de los sensores magnetorresistivos como componentes que

30 forman parte de diferentes sistemas electrónicos. Dichos sistemas han sido empleados con éxito en la fabricación de bienes de equipo en la industria del automóvil (sistemas de frenado ABS, tacómetros, etc.), en robótica (posicionamiento, auto-guiado, etc.) o en bioingeniería (detección de células cancerosas, análisis clínicos, etc.).

35 Existen diferentes clases de sensores magnetorresistivos, tales como los de efecto magnetorresistivo anisotrópico (AMR, de las siglas en inglés: “Anisotropic Magneto Resistance”), galvanomagnético, gigante (GMR, de las siglas en inglés: “Giant Magneto Resistance”) o con tecnología de válvula de espín), así como los de efecto túnel (TMR, de las siglas en inglés: “Tunnel Magneto Resistance”).

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5 En [1] se propuso un sensor magnetorresistivo con compensación de temperatura que mejoraba claramente los resultados en cuanto a sensibilidad de los sensores magnetorresistivos no compensados en temperatura, para un amplio rango de temperaturas de funcionamiento (entre 0 y 70 ºC) midiendo corrientes en un rango que iba desde -10 A hasta +10 A.

10 También son conocidos dispositivos de medida analógica de potencia eléctrica por magnetorresistencia, que incluyen un acondicionador de tensión y un sensor magnetorresistivo dispuesto para medir potencia activa, tales como los descritos en [2], [3], [4] y [5], teniendo en común todas esas propuestas que el acondicionador de

15 tensión incluye un divisor de tensión formado por dos resistencias o impedancias y que el sensor magnetorresistivo mide la caída de tensión en una de dichas dos resistencias

o impedancias, disponiéndose directamente en paralelo con la misma ([3], [4] y [5]) o en una rama paralela a la misma que incluye un amplificador operacional que aísla la resistencia de salida que ofrece el divisor de tensión de la resistencia de entrada del

20 sensor.

Como se demostrará en un apartado posterior, esta topología ofrece una baja sensibilidad, por lo que requiere de una alta tensión de alimentación y por lo tanto una baja atenuación para producir una respuesta aceptable que luego sea medida. Además

25 de necesitar un componente pasivo (R2) y otro activo (el amplificador operacional) adicionales. La alta tensión de alimentación necesaria en esta topología implica un autocalentamiento elevado del sensor.

Referencias: 30 [1]: “A Non-Invasive Thermal Drift Compensation Technique Applied to A Spin-Valve Magnetoresistive Current Sensor”, J. Sánchez, D. Ramírez, S. Cardoso,

S. Casans, A. E. Navarro, P. J. Peixeiro de Freitas, Sensors 2011, 11, 2447

2458; doi:10.3390/s110302447. 35

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[2]: "Active power analog front-end based on a Wheatstone-type magnetoresistive sensor", D. Ramírez Muñoz, J. Sánchez Moreno, S. Casans Berga, A. E. Navarro Antón, Sensors & Actuators: A 169 (2011) 83-88.

5 [3]: "Magnetoresistive watt-converter for measurement active power in the frequency range of 20 Hz-20 kHz", V. Vountesmeri, Conf. Precision Electromagn. Meas. Dig., Sidney, Australia, May 2000, 28-29.

[4]: "Error source determination of a magnetoresistive active power sensor at 10 industrial frequencies", V. Vountesmeri, J. Rodríguez, R. Carranza, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol 51, n 5, October 2002, 1035-1038.

[5]: “System for measuring electrical output of energy”, US4525668.

15 Explicación de la invención Aparece necesario ofrecer una alternativa al estado de la técnica que cubra las lagunas halladas en el mismo, proporcionando un dispositivo de medida por magnetorresistencia de configuración más simple, que prescinda de parte de los elementos de los dispositivos de medida conocidos, que ofrezca unos resultados

20 claramente superiores a los de los dispositivos conocidos, en términos de sensibilidad, sin sufrir de los inconvenientes de los que adolecen tales dispositivos, en particular del autocalentamiento al que se ven sometidos los sensores magnetorresistivos.

Con tal fin, la presente invención concierne, en un primer aspecto, a un dispositivo de

25 medida analógica de potencia eléctrica por magnetorresistencia, que está previsto para la medida de la potencia eléctrica suministrada por una fuente de tensión analógica a una carga, y que comprende:

- un acondicionador de tensión configurado para conectarse a dicha fuente de

30 tensión analógica, y que incluye un divisor de tensión, formado por al menos dos impedancias conectadas en serie, que proporciona una tensión de salida que es una fracción de la tensión suministrada por dicha fuente de tensión analógica; y

- un sensor magnetorresistivo conectado a dicha tensión de salida y configurado

35 y dispuesto para someterse al campo magnético generado por la componente de corriente de dicha potencia eléctrica, para medir simultáneamente ambas componentes de la potencia eléctrica: la de tensión, directamente, y la de corriente, indirectamente a través de la variación del valor de al menos una magnetorresistencia del sensor magnetorresistivo.

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5 A diferencia de los dispositivos conocidos, en el propuesto por el primer aspecto de la invención, de manera característica, el sensor magnetorresistivo constituye como mínimo parte de una de las impedancias del divisor de tensión del acondicionador de tensión.

10 Según un ejemplo de realización, el sensor magnetorresistivo constituye por completo la impedancia del divisor de tensión por la que se proporciona la mencionada tensión de salida.

Para un ejemplo de realización preferido las impedancias del divisor de tensión son 15 sendas resistencias, aunque para otros ejemplos de realización las impedancias incluyen también componentes inductivos y/o capacitivos.

Según un ejemplo de realización, el divisor de tensión comprende únicamente una resistencia conectada en serie con el sensor magnetorresistivo.

20 Una configuración preferida para el sensor magnetorresistivo es aquella para la que el sensor incluye cuatro resistencias conectadas en puente de Wheatstone, proporcionando una resistencia equivalente de entre 850 y 1300 Ω, preferentemente de aproximadamente 1062 Ω.

25 Otras configuraciones alternativas para el sensor magnetorresistivo, menos preferidas que la de puente de Wheatstone, también son posibles.

Según un ejemplo de realización, como mínimo dos de las resistencias del sensor 30 magnetorresistivo son magnetorresistencias.

Si bien el dispositivo propuesto por el primer aspecto de la invención no está limitado a un tipo de sensor magnetorresistivo concreto, pudiéndose utilizar cualquiera de los tipos conocidos (AMR, galvanomagnético, GMR o con tecnología de válvula de espín), para

35 un ejemplo de realización preferido el sensor magnetorresistivo es de efecto túnel, es decir un sensor TMR.

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Según un ejemplo de realización, el dispositivo de medida propuesto por el primer aspecto de la invención comprende un filtro conectado a la salida del sensor magnetorresistivo que filtra las componentes de la señal de salida del mismo que no

5 están relacionadas con la potencia activa.

Para un ejemplo de realización preferido, el dispositivo de medida de la presente invención está diseñado para conectarse directamente a una toma de tensión de red por unos bornes extremos del divisor de tensión, constituyendo así un acondicionador

10 frontal para la tensión de línea CA con vatímetro incorporado.

El sensor magnetorresistivo debe estar próximo a un conductor por el que circule la corriente que circula por la carga, para verse influido por el campo magnético generado por la misma con el fin de sensar dicha corriente. Con tal fin, el dispositivito propuesto 15 por el primer aspecto de la presente invención comprende, según un ejemplo de realización, un conductor por el que circula la corriente de carga que se encuentra dispuesto a una pequeña distancia (del orden de uno o pocos milímetros) del sensor magnetorresistivo, y constituido por ejemplo por una pista conductora de electricidad (por ejemplo de cobre) definida en la misma placa de circuito impreso que soporte al

20 sensor magnetorresistivo o en otra placa de circuito impreso próxima a ésta.

De acuerdo a un ejemplo de realización, el dispositivo comprende un sistema electrónico con unos medios de procesamiento de señal que procesan la señal eléctrica de salida suministrada por el sensor magnetorresistivo, directamente y/o tras su filtrado,

25 para proporcionar información de monitorización de potencia eléctrica.

Según una variante de dicho ejemplo de realización, dicho sistema electrónico comprende o está conectado con unos medios de visualización en conexión con dichos medios de procesamiento para mostrar gráficamente dicha información de

30 monitorización de potencia eléctrica proporcionada por los medios de procesamiento.

En general, el dispositivo incluye una carcasa que aloja al sistema electrónico, al acondicionador de tensión con el sensor magnetorresistivo y a la circuitería eléctrica/electrónica asociada (etapas de alimentación, acondicionamiento, adquisición

35 de señal, etc.), implementándose dichos medios de visualización, por ejemplo, por medio de una pantalla dispuesta en una cara externa de la carcasa.

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Según una variante, alternativa o complementaria a la descrita anteriormente, el sistema electrónico comprende, en conexión con los medios de procesamiento, unos medios de comunicación inalámbrica configurados para establecer comunicación con

5 unos medios de comunicación inalámbrica de un dispositivo externo (unidireccional o, preferentemente, bidireccional), tal como un teléfono inteligente (“smartphone”), para como mínimo enviarle la información de monitorización de potencia eléctrica suministrada por los medios de procesamiento.

10 De acuerdo con un ejemplo de realización, el dispositivo propuesto por el primer aspecto de la invención es un dispositivo maestro y el sistema electrónico comprende unos medios de control conectados a los citados medios de comunicación inalámbrica para controlar, mediante el envío de respectivas señales de control a través de los mismos, a como mínimo otro dispositivo de medida analógica de potencia eléctrica por

15 magnetorresistencia actuando como esclavo.

El dispositivo de medida propuesto por el primer aspecto de la invención ofrece las siguientes ventajas, en comparación con los dispositivos del estado de la técnica:

- mejora de la sensibilidad.

20 - disminución del consumo de energía, debido a que existen un menor número de componentes y a que se utiliza una tensión de alimentación inferior.

La presente invención también concierne, en un segundo aspecto, a un sistema de medida analógica de potencia eléctrica por magnetorresistencia, que comprende como 25 mínimo un dispositivo maestro como el descrito en el párrafo anterior y una pluralidad de dispositivos de medida analógica de potencia eléctrica por magnetorresistencia actuando como esclavos (iguales o diferentes al propuesto por el primer aspecto de la invención), interconectados inalámbricamente entre sí formando una red, en general local, controlando el dispositivo maestro a los esclavos, por ejemplo mediante un

30 software de gestión residente en su sistema electrónico.

Según un ejemplo de realización, el dispositivo maestro actúa como servidor web, incorporando en su sistema electrónico una página web a través de la cual mostrar información de monitorización de potencia eléctrica medida por él mismo y, 35 ventajosamente, también por los dispositivos esclavos, pudiéndose acceder a dicha página web desde cualquier dispositivo de computación adaptado para tal fin (teléfono

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inteligente (“smartphone”), tableta digital (“tablet”), etc.), sin necesidad de conectarse a Internet sino simplemente accediendo a la citada red local, con preferencia de manera inalámbrica, incluyendo el sistema propuesto por el segundo aspecto de la presente invención también a uno o más de dichos dispositivos de computación con acceso a

5 dicha página web.

Una posible disposición de la red de dispositivos de medida del sistema del segundo aspecto de la invención, denominados en adelante también como “vatímetros inteligentes”, es la que incluye a cada dispositivo conectado a una respectiva carga para

10 la monitorización de su consumo eléctrico, posibilitando, por ejemplo, la monitorización del consumo de los electrodomésticos de una vivienda, de manera individualizada.

Mediante la presente invención se ofrece un sistema de acceso al consumo eléctrico que es sencillo, inmediato e integrado en los hábitos de la población, posibilitando la

15 interacción con el usuario final preferentemente mediante los teléfonos inteligentes, facilitando así la consulta del consumo o generación eléctrica.

La solución propuesta está en línea con las directrices para reducir las emisiones de CO2 asociadas al consumo de energía. Tan solo se necesita buscar en internet el 20 término "Red Eléctrica Inteligente" (Smart Grid) para darse cuenta de las oportunidades de negocio existentes. Hasta ahora la red de energía eléctrica está basada en grandes sistemas centralizados de generación y control de la distribución, sin embargo, se tiende cada vez más a instalaciones generadoras de menor tamaño que pueden ir desde un parque eólico a una pequeña instalación doméstica. El Plan Europeo 2020 25 tiene como objetivo que el 35% de la energía eléctrica consumida por los europeos en el año 2020 sea de origen renovable. Esta propuesta conlleva retos tecnológicos en productos e infraestructura. No debe olvidarse también, la tendencia del sector de la automoción hacia el vehículo eléctrico. Su implantación requerirá de sistemas de monitorización de potencia en diversos subsistemas del vehículo y en los surtidores de

30 recarga (“electrolineras”). La presente invención va encaminada a cubrir las necesidades de monitorización energética que están surgiendo a partir de la demanda de la potencia eléctrica, tanto consumida como generada.

La presente invención es un ejemplo claro de aplicabilidad del sensado

35 magnetorresistivo y de la emergente tecnología espintrónica en nuestro entorno más cercano, tanto industrial como doméstico. La invención permitirá disponer a los

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consumidores de energía eléctrica de una herramienta para conocer el coste del consumo de una máquina industrial o electrodoméstico derivado de su uso cotidiano. La información proporcionada por el dispositivo de medida puede ser determinante para decidir invertir en su renovación sustituyéndolo por un equipamiento de igual 5 prestaciones pero de mayor eficiencia energética (clase A). Generalmente las maquinarias o electrodomésticos se emplean hasta que dejan de funcionar sin considerar su consumo energético y por lo tanto su impacto económico y medioambiental. En este sentido es interesante conocer la correspondencia entre energía consumida (kWh) y contaminación medioambiental (kg de CO2 y mg de

10 residuos radiactivos). Datos referentes al año 2010 proporcionados por una distribuidora indican un valor medio de 0,39 kg de CO2 y 0,42 mg de residuos radiactivos por kWh de energía consumida.

Áreas de aplicación de la invención: El dispositivo de medida y el sistema propuestos

15 por la presente invención vatímetro puede emplearse en la monitorización del consumo de potencia en diferentes entornos, tales como:

-: industrial, a través, por ejemplo, de motores, luminarias, calderas, etc.,

-: doméstico, mediante el sensado del consumo en electrodomésticos, calderas,

pequeños motores, 20 - en oficinas, equipos informáticos, de iluminación y climatización.

El dispositivo de medida y el sistema de la invención también pueden emplearse, ya sea únicamente con fines de monitorización o asociados a sistemas de control con el fin de que estos últimos actúen en función de los valores de potencia medidos, en campos

25 como el de la automoción (coche eléctrico), robótica, teledetección, hardware multimedia o bioingeniería.

En el referido campo de la automoción mediante vehículos eléctricos, se considera muy prometedora la implementación del dispositivo de medida y el sistema propuestos para

30 monitorizar tanto el proceso de carga de las baterías (“electrolineras”) como el estado de descarga de las baterías, consecuencia de su uso. En este sentido, también podrían implementarse tarificadores inteligentes de energía eléctrica utilizables tanto en “electrolineras” como en la futura Red Eléctrica Inteligente (“Smart Grid”).

35 Otro posible producto derivado de la presente invención sería la implementación de protecciones/limitaciones en los cuadros eléctricos de las acometidas, asociadas o que incluyan al dispositivo de medida propuesto por la invención. Se trataría del diseño y construcción de diferenciales, magnetotérmicos y limitadores de consumo energético que actuarían en función de las medidas realizadas por el dispositivo.

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Breve descripción de los dibujos Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título ilustrativo y no limitativo, en los que:

la Fig. 1 ilustra, de manera esquemática, al dispositivo de medida propuesto por el primer aspecto de la presente invención, para un ejemplo de realización preferido para el que el sensor magnetorresistivo es de tipo TMR, denominado en el siguiente apartado como “Desarrollo preferido”;

la Fig. 2 muestra la disposición circuital básica de la referencia [2] del estado de la técnica, con el fin de sustentar, en el siguiente apartado, el denominado como “Desarrollo A”, donde el sensor magnetorresistivo es el sensor ZMC10 de “Zetex Semiconductors”;

la Fig. 3 ilustra, de manera esquemática, al dispositivo de medida propuesto por el primer aspecto de la presente invención, para un ejemplo de realización para el que el sensor magnetorresistivo es el sensor ZMC10 de “Zetex Semiconductors” utilizado en el “Desarrollo B” en el siguiente apartado;

la Fig. 4 ilustra, de manera esquemática, al dispositivo de medida propuesto por el primer aspecto de la presente invención, para un ejemplo de realización relativo al “Desarrollo C” indicado en el siguiente apartado, para el cual el sensor magnetorresistivo es el sensor propuesto en [1];

la Fig. 5 muestra la solución propuesta en las referencias [3] y [4] del estado de la técnica, con el fin de sustentar, en el siguiente apartado, el denominado como “Desarrollo D”;

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la Fig. 6 muestra una modificación de la topología ilustrada en la Fig. 2 consistente en la sustitución del sensor ZMC10 por un sensor TMR con el fin de sustentar, en el siguiente apartado, el denominado como “Desarrollo E”;

5 la Fig. 7 muestra de manera esquemática al dispositivo de medida propuesto por el primer aspecto de la invención interpuesto entre la tensión de red y una carga a alimentar;

la Fig. 8 ilustra una posible implementación física de parte de los elementos incluidos en 10 el dispositivo propuesto por el primer aspecto de la invención mediante una vista explotada y esquemática;

la Fig. 9 muestra una etapa acondicionadora de la señal de salida del sensor magnetorresistivo del dispositivo propuesto por el primer aspecto de la invención, para 15 un ejemplo de realización;

la Fig. 10 muestra un circuito que incluye al dispositivo de medida propuesto por el primer aspecto de la invención conectado a la tensión de red que alimenta una carga, así como una serie de etapas de alimentación previstas para alimentar diferentes

20 etapas electrónicas del dispositivo, de acuerdo con un ejemplo de realización; y

la Fig. 11 muestra, de manera esquemática, al sistema propuesto por el segundo aspecto de la invención, para un ejemplo de realización para el que éste comprende un dispositivo de medida maestro y varios esclavos formando una red, y a un dispositivo

25 de computación conectado mediante una red local al dispositivo de medida maestro.

Descripción detallada de unos ejemplos de realización En la Fig. 1 se ilustra un ejemplo de realización preferido, o desarrollo preferido, del dispositivo de medida propuesto por el primer aspecto de la invención, para el que el

30 sensor magnetorresistivo, indicado como Mr, es un sensor TMR, el cual debido a su elevada sensibilidad no requiere de altos niveles de tensión para ser alimentado. Esta elevada sensibilidad procede del efecto físico denominado magnetorresistencia de efecto túnel (TMR).

35 En el caso del sensor que se ha empleado experimentalmente según la Fig. 1, éste ha producido un efecto magnetorresistivo del orden del 113 %, mucho mayor que en tecnologías previas (AMR con 1,53% y [1] con 8%). Se ha utilizado una configuración en puente de Wheatstone que ofrece una resistencia equivalente RB de 1062 Ω.

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Los resultados obtenidos para el circuito ilustrado en la Fig. 1, con los valores indicados 5 en la misma, son de:

Caída de tensión v en el sensor Mr, de resistencia equivalente RB:

R 1062 Ω

B

v  vac·  220 Veff ·  1,54 Veff

R  R 1062 Ω150 kΩ

B

10 Donde Veff se refiere a voltios eficaces y R, como se aprecia en la Fig. 1 es la resistencia del divisor de tensión conectada en serie con el sensor Mr.

Atenuación At:

15 At  RB  7·103

R  R

B

La sensibilidad STMR y sensibilidad normalizada S TMR del sensor TMR fabricado

después de una caracterización CC fue de:

mV9,8

mV AmV

STMR  9,8 y STMR  6,36A 1,54 Veff Veff ·A

20 Y con una potencia disipada Pd estimada en el sensor Mr de:

v2B (1,54 Veff )2 Pd   2,23 mW

R 1062 Ω

B

Donde vB es la tensión soportada por RB, es decir la caída de tensión en el sensor Mr.

25 A continuación se presentan, con fines comparativos con el desarrollo preferido descrito arriba, otros desarrollos circuitales, algunos de los cuales pertenecen al estado de la técnica (Desarrollos A y D), otro a modificaciones de uno de tales desarrollos

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5 Desarrollo A:

En la Fig. 2 se ilustra la disposición circuital básica de la referencia [2], indicándose en bornes del sensor magnetorresistivo Mr (el cual es el sensor ZMC10 de “Zetex Semiconductors”) la caída de tensión en el mismo que, para una tensión de entrada

10 alterna vac y los valores de resistencia indicados, es de:

R2 39 kΩ

v  vac·  150 Veff ·  5,76 Veff  1,54Veff

R2  R1 39 kΩ 976 kΩ

Teniendo el divisor de tensión una atenuación de:



At  R2  3,84·10 2

R2  R1

15 Y una sensibilidad S y sensibilidad normalizada S de, respectivamente: mV mV

S  0,5 ·150 Veff ·3,84·102  2,87

V·A A

y

mV2,87 mVA

20 S  0,5

5,76 Veff Veff ·A

Debido a esta baja sensibilidad, ésta topología requiere de una alta tensión de alimentación y por lo tanto una baja atenuación para producir una respuesta aceptable que luego sea medida. Además de necesitar un componente pasivo (R2) y otro activo

25 (el amplificador operacional) adicionales.

Por otra parte, la potencia disipada Pd en el sensor es muy elevada, en concreto de:

2B (5,76 Veff )2 v

Pd  19,5 mW

R 1,7 kΩ

B

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Una topología divisora tal como la descrita en la Fig. 2 se utilizó en la Patente US4525668 (Referencia [5]) empleando un sensor AMR.

Desarrollo B:

5 En la Fig. 3 se ilustra un ejemplo de realización menos preferido del dispositivo de medida propuesto por el primer aspecto de la presente invención para el que el sensor magnetorresistivo Mr es el sensor ZMC10, en el cual se produce la siguiente caída de tensión que es medida por el mismo:

RB 1,7 kΩ

10 v  vac·  220 Veff ·  2,46 Veff  1,54 Veff con TMR

RB  R 1,7 kΩ150 kΩ

Una atenuación de:

B

At  R  1,12·102

R  R

B

15 Y una sensibilidad normalizada S de:

mV2,87 mVA

S  1,16

2,46 V V

eff eff ·A

v2B (2,46 Veff )2 Pd   3,54 mW

R 1,71 kΩ

B

20 Los resultados son peores que los conseguidos para el ejemplo de realización preferido arriba descrito, pero mejores que los del desarrollo A del dispositivo del estado de la técnica.

Desarrollo C:

25 En la Fig. 4 se ilustra otro ejemplo de realización del dispositivo de medida propuesto por el primer aspecto de la invención, para un ejemplo de realización para el que el sensor magnetorresistivo Mr es el propuesto en [1], denominado aquí como sensor SV, el cual ofrece las siguientes prestaciones según la topología ilustrada:

30

imagen14

R B 800 Ω

v  vac·  220 Veff ·  1,17 Veff

RB  R 800 Ω150 kΩ

RB

 5,3·103

At RB  R

mV0,29

mV AmV

SSV 0,29 y SSV  0,25

A 1,17 Veff

Veff ·A

5

v2B (1,17 Veff )2 Pd   1,71 mW

R 800 Ω

B

Para este ejemplo de realización, en comparación con el Desarrollo preferido, el sensor soporta una tensión, potencia disipada y atenuación menores, pero la sensibilidad es 10 muy inferior a la ofrecida por el dispositivo para dicho ejemplo de realización preferido en el que el sensor Mr es de tipo TMR.

Desarrollo D:

15 En la Fig. 5 se ilustra otro de los dispositivos propuestos en el estado de la técnica, particularmente en las referencias [3] y [4], el cual ofrece las siguientes prestaciones para los valores indicados:

v  vac· Z 120 Veff ·1  60 Veff 1,54 Veff con TMR

Z  Z2

20

At  Z  0,5

Z  Z

mV0,66

mV mV

A

S 0,66 y S  0,011

A 60 Veff

Veff ·A

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v2B (60 Veff )2 Pd   16 mW

R 225 Ω

B

Obsérvese que el divisor de tensión ilustrado en la Fig. 5 está formado por dos impedancias que tienen un mismo valor, por ello se han indicado ambas con la 5 referencia Z.

La atenuación proporcionada por esta topología tiene un valor de 0,5, alrededor de 70 veces mayor (es decir que atenúa unas 70 veces menos) que en la conseguida mediante el dispositivo propuesto por el primer aspecto de la invención para el ejemplo 10 de realización preferido arriba descrito todo ello con una tensión de alimentación del

sensor de 60 Veff (para línea de 150 Veff) que supondrían 110 Veff para línea de 220

Veff.

Hay un inconveniente añadido en este caso al de la poca atenuación y es el de la

15 disipación de potencia en el sensor. Cuanto mayor sea la tensión que soporte el sensor (consecuencia de la baja atenuación) mayor será el sobrecalentamiento que tenga éste.

Desarrollo E:

20 En la Fig. 6 se muestra una modificación de la topología ilustrada en la Fig. 2 asociada al Desarrollo A, consistente en la sustitución del sensor ZMC10 por un sensor TMR. Debido al aislamiento de impedancias que efectúa el amplificador seguidor, la tensión de alimentación que soporta el sensor TMR no cambia respecto a la configuración del Desarrollo A ya que viene establecida mediante los valores de las resistencias R1 y R2

25 y toma el valor de:

R2 39 kΩ

v  vac·  150 Veff ·  5,76 Veff

R2  R1 39 kΩ  976 kΩ

Ofreciendo una atenuación de:



At  R2  3,84·10 2

R2  R

30 Y una potencia disipada en el sensor de:

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(5,76 Veff )2

v2B

Pd   31,2 mW

R 1062 Ω

B

Esta configuración es claramente peor que la propuesta según el dispositivo del primer aspecto de la presente invención, pues además de necesitar un mayor número de

5 componentes electrónicos (dos resistencias y un amplificador operacional), lo cual aumenta el consumo energético total del sistema, produce mayor disipación de potencia (y por tanto mayor calentamiento) en el sensor TMR.

En la siguiente tabla se recogen a modo de resumen las diferentes magnitudes

10 calculadas para los distintos desarrollos arriba descritos e ilustrados con referencia a las Figuras 1 a 6.

Sensor Mr: Sensibilidad normalizada Tensión soportada por el sensor Atenuación Autocalentamiento

)Veff ·A mVS (: vB (Veff) At Pd (mW)

Invención, Desarrollo preferido: TMR (con R1) 6,36 1,54 7·10-3 2,23

Desarrollo A: ZMC10 (con R1-R2) 0,5 5,76 38,4·10-3 19,5

Invención, Desarrollo B: ZMC10 (con R1) 1,16 2,46 11,2·10-3 3,54

Invención, Desarrollo C: SV (con R1) 0,25 1,17 5,3·10-3 1,17

Desarrollo D: [3],[4] 0,011 60 0,5 16

Desarrollo E: TMR (con R1-R2) 1,7 5,76 38,4·10-3 31,2

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10

15

20

25

30

Se observa que la opción de incorporar el sensor TMR en el mismo divisor de tensión ofrece, a la vez que alta sensibilidad y mucha atenuación, baja disipación de potencia y por consiguiente esta configuración proporciona bajo autocalentamiento en el sensor. Esto proporcionará una baja deriva térmica de éste. Por todo ello, este desarrollo es el que aquí se ha dado en denominar como el referente a un ejemplo de realización preferido del dispositivo de medida propuesto por el primer aspecto de la presente invención, que reúne las siguientes ventajas y características:

- Utilización del sensor magnetorresistivo como parte del divisor sin necesidad de aislar resistencias. En consecuencia, se elimina la necesidad de emplear una resistencia adicional para configurar el divisor.

mV

- Conseguir altos niveles de sensibilidad en el sensor ( 6,36 ),

STMR 

Veff ·A

gracias al efecto TMR.

- Obtener máxima atenuación en el divisor (At=7·10-3) y por lo tanto reducida

tensión en el sensor (vB=1,54 Veff).

-La baja tensión vB que se consigue en el sensor redunda, a su vez, en un mínimo autocalentamiento (Pd = 2,23 mW).

- Por otra parte, una consecuencia derivada de tener alta sensibilidad es el uso de poca ganancia en la etapa de acondicionamiento electrónico posterior, en el caso de la configuración preferida propuesta (TMR incorporado al divisor), la ganancia del amplificador de instrumentación posterior necesaria es de solo 23,7, valor muy por debajo del de la ganancia utilizada en los desarrollos previos (1000 o altas resoluciones, 7 1/2 dígitos, en el caso del desarrollo D).

En la Fig. 7 se muestra al dispositivo de medida D interpuesto entre la tensión de red vac(t) y una carga ZC a alimentar. La representación del dispositivo D hecha en esta Figura es meramente esquemática, pretendiendo ilustrar que para una realización el dispositivo D está formado por una carcasa que aloja en su interior a toda la circuitería y componentes que lo conforman, y que dispone, accesibles desde el exterior, de al menos los cuatro terminales ilustrados T1-T4 que posibilitan un uso muy sencillo del mismo, simplemente conectándolo a, por ejemplo, una toma de enchufe de tensión de red mediante los terminales T1 y T2, para aplicar la tensión de entrada al divisor de tensión del que forma parte el sensor Mr, y conectando la carga Zc a dos terminales

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magnético generado por tal conductor intermedio al circular la corriente de carga i(t) por 5 el mismo.

Tal conductor intermedio es, para el ejemplo de realización ilustrado en la Fig. 8, un conductor MiZC en forma de U (constituido, por ejemplo, por una pista conductora de electricidad, tal como de cobre) a conectar entre, por ejemplo, T1 y T3, y que, para el

10 ejemplo de la Fig. 8 se encuentra dispuesto a una distancia d1 (en la Fig.8 esta distancia se ha exagerado con el fin de que se aprecien mejor los distintos elementos ilustrados) que en un prototipo realizado por los presentes inventores ha sido de 1,1 mm.

15 Los elementos ilustrados en la Fig. 8 incluyen, además de al mencionado conductor MiZC, a una placa de circuito impreso PCB-Mr que incluye al sensor Mr (no ilustrado), una placa de circuito impreso intermedia PCB que incluye al resto o parte del resto de la circuitería del dispositivo y que define una abertura pasante A, por encima de la cual se encuentra dispuesta la placa PCB-Mr y por debajo de la cual se encuentra dispuesto el

20 conductor MiZC, estando diseñada dicha abertura A y posicionados ambos, la placa que incluye al sensor PCB-Mr y el conductor MiZC, para optimizar la influencia del campo magnético generado en el conductor MiZC sobre las magnetorresistencias del sensor Mr.

25 Los presentes inventores han diseñado un prototipo del dispositivo de medida propuesto por el primer aspecto de la invención, cuya estructura circuital se ilustra en la Fig. 10, e incluye, previamente al divisor de tensión que integra al sensor Mr, unos elementos de protección formados por una resistencia PTC y una resistencia VDR. El circuito incluye también otros componentes secundarios utilizados de manera

30 convencional, tales como inductancias L, condensadores C y diodos Zener Zn, dispuestos entre los diferentes bloques ilustrados.

Asimismo, se ha representado en dicha Fig. 10 mediante una línea discontinua que pasa bajo el sensor magnetorresistivo y que conecta los terminales T1 y T3, con la 35 referencia MiZC, para indicar que ésta es una representación esquemática del conductor intermedio anteriormente descrito, que se dispone cerca del sensor Mr para someterlo a

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la influencia del campo magnético generado por tal conductor intermedio al circular la corriente de carga i(t) por el mismo.

El circuito de la Fig. 10 incluye al dispositivo de medida propuesto por el primer aspecto 5 de la invención conectado a la tensión de red vac(t) que alimenta una carga ZC, y con su salida conectada a una etapa acondicionadora (ACOND), con salida Vo, así como una serie de etapas de alimentación previstas para alimentar diferentes etapas electrónicas del dispositivo.

10 Se han implementado tres alimentaciones en CC de +5 V (Vcc0), - 5 V (Vcc2) y +3 V (Vcc1). Estos valores son los requeridos para las etapas electrónicas de acondicionamiento, adquisición y transmisión de la información procedente del sensor Mr. En particular se ha dispuesto de un convertidor CA/CC que suministra +5 V los cuales a su vez son convertidos posteriormente mediante un módulo 7803 (REG1) a +3

15 V, valor de la alimentación que utiliza la etapa de adquisición. Mediante un módulo REG2 “charge-pump” (max660) se obtienen los -5 V, valor negativo necesario para polarizar en simétrico al circuito acondicionador (ACOND).

En la Fig. 9 se muestra el esquema eléctrico correspondiente a la etapa

20 acondicionadora (ACOND) de la señal de salida del sensor magnetorresistivo Mr del dispositivo propuesto por el primer aspecto de la invención, para un ejemplo de realización. En primer lugar se tiene un filtro diferencial pasa baja cuya misión es la de suministrar a su salida solo la componente de CC de la señal ofrecida por el sensor. Esta componente es la que posee la información de la potencia consumida por la carga.

25 La señal de salida del filtro diferencial es procesada por un amplificador de instrumentación A.I. dotado de ganancia para que sea procesada posteriormente por una correspondiente etapa de adquisición. Los elementos R2a, R2b, C2a, C2b, Rg, R y C constituyen, junto con el amplificador de instrumentación, la referida etapa acondicionadora, con salida de tensión Vo.

30 Finalmente, la Fig. 11 muestra, de manera esquemática, al sistema propuesto por el segundo aspecto de la invención, para un ejemplo de realización para el que éste comprende un dispositivo de medida maestro Dm y varios esclavos De1-De4 formando una red Ns, y a un dispositivo de computación Cd (tal como un “smartphone”)

35 conectado mediante una red local NL al dispositivo de medida maestro Dm.

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El bloque indicado, tanto en el dispositivo de medida maestro Dm como en el esclavo De1, como “Mr + Acn” incluye también, preferentemente, como mínimo a la resistencia R del divisor de tensión así como, opcionalmente, al resto de elementos ilustrados en la Fig. 10.

5 A la salida del acondicionador Acn se encuentran dispuestos unos medios de procesamiento/control Uc que se encargan de realizar la adquisición y el procesamiento de la señal procedente del amplificador de instrumentación A.I., así como de controlar, por parte del dispositivo maestro Dm, el envío de la información de monitorización a la

10 pantalla P conectada al dispositivo maestro Dm y/o al dispositivo de computación Cd mediante el control de los medios de comunicación inalámbrica RL (por ejemplo mediante WiFi).

Otra parte de los medios de control, indicada como Up, de cada dispositivo controlan

15 también a los medios de comunicación inalámbrica Rs que interconectan a todos los dispositivos de medida (por ejemplo mediante Zigbee), de manera que el dispositivo maestro Dm envíe unas respectivas señales de control a través de los mismos a los dispositivos esclavos De1, De2, De3, De4 y reciba de éstos la información medida por los mismos, así como para otras tareas de gestión de nodos llevadas a cabo por parte

20 del dispositivo maestro Dm en relación a los dispositivos esclavos De1-De4.

El dispositivo maestro Dm muestra la información de potencia medida por cada dispositivo de medida en la pantalla P y/o se la envía o hace accesible al dispositivo de computación Cd, por ejemplo mediante el acceso de este último a una página web

25 residente en un servidor web implementado de manera local en el dispositivo maestro Dm.

Obviamente la disposición en bloques ilustrada por la Fig. 11 es solamente esquemática, pudiendo incluir cada dispositivo un mayor número de unidades que

30 implementen cada bloque, así como un mayor número de bloques que el ilustrado, o la implementación de los medios de control indicados como Uc/Up por parte de una única unidad de control (con los sub-sistemas necesarios para su correcto funcionamiento) sin la división artificial en Uc y Up hecha aquí con fines descriptivos de las distintas funciones realizadas por los mismos.

35 Un experto en la materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de la invención según está definido en las reivindicaciones adjuntas.

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Claims

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REIVINDICACIONES

1.-Dispositivo de medida analógica de potencia eléctrica por magnetorresistencia, del tipo que está previsto para la medida de la potencia eléctrica suministrada por una fuente de tensión analógica (vac(t)) a una carga (ZC), y que comprende:

-

un acondicionador de tensión configurado para conectarse a dicha fuente de tensión analógica (vac(t)), y que incluye un divisor de tensión, formado por al menos dos impedancias conectadas en serie, que proporciona una tensión de salida que es una fracción de la tensión suministrada por dicha fuente de tensión analógica (vac(t)); y

-

un sensor magnetorresistivo (Mr) conectado a dicha tensión de salida y configurado y dispuesto para someterse al campo magnético generado por la componente de corriente de dicha potencia eléctrica, para medir simultáneamente ambas componentes de la potencia eléctrica: la de tensión, directamente, y la de corriente, indirectamente a través de la variación del valor de al menos una magnetorresistencia del sensor magnetorresistivo (Mr);

estando el dispositivo de medida (D) caracterizado porque dicho sensor magnetorresistivo (Mr) constituye al menos parte de una de dichas impedancias, que son al menos dos, de dicho divisor de tensión.
2.-Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el sensor magnetorresistivo (Mr) constituye por completo la impedancia del divisor de tensión por la que se proporciona dicha tensión de salida.
3.- Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque dichas impedancias del divisor de tensión son sendas resistencias (R, RB).
4.- Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado porque el divisor de tensión comprende únicamente una resistencia (R) conectada en serie con el sensor magnetorresistivo (Mr).

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5.- Dispositivo de medida según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho sensor magnetorresistivo (Mr) incluye cuatro resistencias conectadas en puente de Wheatstone.

5 6.- Dispositivo de medida según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos dos de las resistencias de dicho sensor magnetorresistivo (Mr) son magnetorresistencias.
7.- Dispositivo de medida según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, 10 caracterizado porque dicho sensor magnetorresistivo (Mr) es de efecto túnel.
8.-Dispositivo según la reivindicación 7, caracterizado porque el sensor magnetorresistivo (Mr) tienen una sensibilidad normalizada superior a 6 mV/Veff·A y una atenuación igual o inferior a 7·10-3.

15 9.- Dispositivo de medida según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende una etapa de acondicionamiento (Acn) conectada a la salida del sensor magnetorresistivo (Mr) que incluye al menos un filtro que filtra las componentes de la señal de salida del mismo que no están relacionadas con la

20 potencia activa.
10.- Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está diseñado para conectarse directamente a una toma de tensión de red por unos bornes extremos (T1, T2) del divisor de tensión.

25 11.- Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un sistema electrónico con unos medios de procesamiento de señal (Uc) que procesan la señal eléctrica de salida suministrada por el sensor magnetorresistivo (Mr), directamente y/o tras su filtrado, para proporcionar información

30 de monitorización de potencia eléctrica.
12.- Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado porque dicho sistema electrónico comprende o está conectado con unos medios de visualización (P) en conexión con dichos medios de procesamiento (Uc) para mostrar gráficamente dicha

35 información de monitorización de potencia eléctrica proporcionada por los medios de procesamiento Uc).

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imagen3
13.- Dispositivo según la reivindicación 11 ó 12, caracterizado porque dicho sistema electrónico comprende, en conexión con dichos medios de procesamiento (Uc), unos medios de comunicación inalámbrica (Rs/RL) configurados para establecer

5 comunicación con unos medios de comunicación inalámbrica de un dispositivo externo (Cd), para al menos enviarle la información de monitorización de potencia eléctrica suministrada por los medios de procesamiento (Uc).
14.- Dispositivo según la reivindicación 13, caracterizado porque es un dispositivo

10 maestro (Dm) y porque el sistema electrónico comprende unos medios de control (Up) conectados a dichos medios de comunicación inalámbrica (Rs/RL) para controlar, mediante el envío de respectivas señales de control a través de los mismos, a al menos otro dispositivo de medida analógica de potencia eléctrica por magnetorresistencia actuando como esclavo (De1, De2, De3, De4).

15 15.- Sistema de medida analógica de potencia eléctrica por magnetorresistencia, caracterizado porque comprende al menos un dispositivo maestro (Dem) como el de la reivindicación 14 y una pluralidad de dispositivos de medida analógica de potencia eléctrica por magnetorresistencia actuando como esclavos (De1, De2, De3, De4),

20 interconectados inalámbricamente entre sí formando una red.

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