IT201600096419A1

IT201600096419A1 - Sistema elettronico per misurare un carico incognito.

Info

Publication number: IT201600096419A1
Application number: IT102016000096419A
Authority: IT
Inventors: Marco Borgiani
Original assignee: Ers Soc A Responsabilita Limitata
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2018-03-26

Description

“SISTEMA ELETTRONICO PER MISURARE UN CARICO INCOGNITO”.

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente domanda di brevetto per invenzione industriale ha per oggetto un sistema elettronico per misurare il valore di un carico incognito, quale ad esempio un dispositivo elettronico di misura provvisto di sensore per rilevare una grandezza fisica.

Sono noti dispositivi elettronici di misura per misurare grandezze fisiche, come ad esempio la temperatura. Tali dispositivi elettronici di misura sono generalmente utilizzati in elettrodomestici, quali ad esempio frigoriferi, forni o altre applicazioni.

Tali dispositivi elettronici di misura, essendo alimentati elettricamente, devono soddisfare determinati requisiti di sicurezza. Pertanto un tale dispositivo elettronico di misura comprende:

- un sensore di temperatura, quale ad esempio un termistore di tipo NTC, PT100, PT1000 o simili;

- un circuito elettronico di controllo; e

- un sistema di isolamento del circuito elettronico di controllo.

Il sistema di isolamento generalmente è costituito da un trasformatore o dispositivi magnetici simili atti a fornire isolamento elettrico.

Tuttavia tali tipi di dispositivi elettronici di misura noti presentano degli inconvenienti dal punto di vista della sicurezza dell’utente. Infatti se il sensore di temperatura o il cavo di collegamento al circuito elettronico di controllo sono accessibili all’utente, tali dispositivi di misura necessitano di un isolamento galvanico rinforzato che rende il dispositivo di misura complesso ed ingombrante.

Gli apparecchi elettronici di classe II, detti anche a doppio isolamento, sono progettati in modo da non richiedere la connessione delle masse a terra. Tali apparecchi elettronici di classe II sono costruiti in modo che un singolo guasto non possa causare il contatto con tensioni pericolose da parte dell'utilizzatore. Ciò è ottenuto facendo in modo che le parti in tensione siano circondate da un doppio strato di materiale isolante (isolamento principale e isolamento supplementare) o usando isolamenti rinforzati in modo che siano garantite:

• una resistenza di isolamento maggiore di 2 megaohm, con una tensione continua applicata di 500V; e

• una rigidità dielettrica tale da permettere una corrente di fuga massima di pochi microampere con tensione alternata applicata di 1500V.

Attualmente il trasferimento di energia e di dati dal circuito elettronico di controllo al sensore si ottiene utilizzando trasformatori di isolamento o accoppiamenti magnetici.

Tale tipo di sistema di isolamento del circuito elettronico di controllo risulta essere complesso, costoso e ingombrante.

Scopo della presente invenzione è di eliminare gli inconvenienti della tecnica nota fornendo un sistema elettronico per misurare un carico incognito che non richieda di dover isolare l'intero circuito elettronico di controllo.

Altro scopo è quello di fornire un tale sistema elettronico per misurare un carico incognito che sia affidabile, sicuro e senza pericolo per l’utente.

Altro scopo è quello di fornire un tale sistema elettronico per misurare un carico incognito che sia versatile, economico e di semplice realizzazione.

Questi scopi sono raggiunti in accordo all’invenzione con le caratteristiche della rivendicazione indipendente 1.

Realizzazioni vantaggiose dell’invenzione appaiono dalle rivendicazioni dipendenti.

Il sistema elettronico per misurare un carico incognito, secondo l’invenzione, comprende un sistema di isolamento galvanico che isola il carico incognito da un circuito elettronico di controllo. Tale sistema di isolamento galvanico prevede due condensatori di disaccoppiamento di classe Y1 o Y2, in base al tipo di isolamento che si vuole ottenere. I condensatori di disaccoppiamento sono disposti tra il circuito elettronico di controllo e il carico incognito.

Questi condensarti possono essere direttamente assemblati su una scheda di circuito stampo sulla quale è montata l’unità di controllo del circuito di controllo. A valle dei condensatori di disaccoppiamento sono garantiti i requisiti di sicurezza elettrica e il sensore o carico incognito può essere accessibile dall'utilizzatore senza generare pericolo.

La misura del carico incognito a valle dei condensatori di isolamanto può essere determinata con opportuni algoritmi istallati nell’unità di controllo del circuito di controllo.

La misurazione del carico ignoto avviene tramite generazione di impulsi elettrici, di ampiezza e frequenza controllate da parte dell’unità di controllo e misurando la variazione del segnale emesso sul carico in dipendenza dell'impedenza del sensore di misura costituito dal carico incognito.

Il sistema elettronico secondo l’invenzione ha il vantaggio di permettere la misura dell'impedenza di un sensore costituito da un carico incognito, senza dover isolare galvanicamente tutto il sistema di controllo, ma isolando galvanicamente solo il sensore, tramite due condensatori di isolamento disposti ai capi del sensore.

Ovviamente il sistema elettronico secondo l’invenzione, avendo un tale tipo di sistema di isolamento galvanico capacitivo, ha costi ed ingombri ridotti rispetto ai sistemi elettronici tradizionali che prevedono isolamenti galvanici di tipo magnetico o mediante trasformatori.

Ulteriori caratteristiche dell’invenzione appariranno più chiare dalla descrizione dettagliata che segue, riferita a sue forme di realizzazione puramente esemplificative e quindi non limitative, illustrate nei disegni annessi, in cui:

la Fig. 1 è uno schema elettrico ed a blocchi illustrante schematicamente il sistema elettronico per misurare il valore di un carico incognito secondo l’invenzione; e

la Fig. 2 è uno schema elettrico ed a blocchi, illustrante in maggiore dettaglio lo schema di Fig. 1.

Con l’ausilio delle figure, viene descritto il sistema elettronico secondo l’invenzione, indicato complessivamente con il numero di riferimento 1.

Con riferimento alla Fig. 1, il sistema elettronico (1) comprende un carico (2) di valore incognito e un circuito di controllo (3) collegato al carico (2) per misurare il valore del carico (2). Il circuito di controllo (3) è destinato ad essere collegato ad un alimentatore elettrico o alla rete elettrica (5). Un sistema di isolamento galvanico (4) è disposto tra il circuito di controllo (3) e il carico (2).

Il carico (2) vantaggiosamente è un carico resistivo, ma può essere anche un carico capacitivo o induttivo. Preferibilmente il carico (2) è un sensore di temperatura, quale ad esempio un termistore di tipo NTC (Negative Temperature Coefficient) oppure PTC (Positive Temperature Coefficient).

In ogni caso, il carico (2) è un componente comprendete due terminali (21, 22).

Il sistema di isolamento galvanico (4) comprende un primo condensatore di disaccoppiamento (C1) e un secondo condensatore di disaccoppiamento (C2) collegati rispettivamente ai terminali (21, 22) del carico e a terminali di uscita (31, 32) del circuito di controllo (3). Pertanto i terminali d’ingresso del sistema di disaccoppiamento (4) corrispondono ai terminali di uscita (31, 32) del circuito di controllo e i terminali d’uscita del sistema di disaccoppiamento (4) corrispondono ai terminali (21, 22) del carico.

I condensatori di disaccoppiamento (C1, C2) possono essere ad esempio condensatori con classe di sicurezza Y1 o Y2 omologati per essere connessi tra la rete elettrica e massa, senza generare pericolo.

Con riferimento a Fig. 2 il circuito di controllo sotto tensione di rete (3) comprende un generatore di impulsi (33) ed una resistenza (R1) di valore noto. La resistenza (R1) è disposta tra il generatore di impulsi (33) e il primo condensatore di isolamento (C1). Il generatore di impulsi (33) è atto a generare un impulso (I) o treno di impulsi elettrici con tensione (Vmax) controllata da un’unità di controllo (35).

L’impulso (I) viene inviato verso un circuito composto dalla serie della resistenza nota (R1), il primo condensatore di isolamento (C1), il carico ignoto (2) ed il secondo condensatore di isolamento (C2).

I condensatori (C1, C2) risultano dei corto-circuiti per segnali analogici ad alta frequenza e di conseguenza l’impulso (I) genera una caduta di tensione (Vx) sul carico ignoto (2) che è calcolabile tramite la legge di Ohm:

Vx = Rx * i ;dove ;Rx = resistenza del carico incognito ;i = corrente che scorre nel carico ignoto ;La corrente (i) che scorre nel carico incognito è determinabile tramite la formula: ;i = Vmax / (R1 Rx) ;;Pertanto il valore del carico incognito è dato dalla formula di ripartizione: ;Rx = R1 * Vx / (Vmax – Vx)

Il valore di tensione (Vx) sul carico (2) viene rilevato mediante un rilevatore di tensione (34) che rileva la tensione sul terminale di uscita (31) del circuito di controllo (3), tra la resistenza (R1) e il primo condensatore (C1). Infatti, dato che il primo condensatore (C1) si comporta come un cortocircuito per frequenze elevate, la tensione sul terminale di uscita (31) del circuito di controllo è uguale alla tensione (Vx) sul carico incognito.

Il rilevatore di tensione (34) è collegato all’unità di controllo (35), non accessibile dall'utilizzatore e quindi non isolata, che prevede un microprocessore e un convertitore analogico-digitale per convertire in digitale il segnale analogico rilevato dal rilevatore di tensione (34).

Il generatore di impulsi (33), l’unità di controllo (35), il rilevatore di tensione (34), la resistenza nota (R1) e i due condensatori di disaccoppiamento (C1, C2) possono essere montati su una scheda di circuito stampato. Il generatore di impulsi (33) e il rilevatore di tensione (34) possono essere integrati nell’unità di controllo (35). L’unità di controllo (35) può essere un circuito integrato provvisto di microprocessore e convertitore A/D.

Vantaggiosamente i condensatori (C1, C2) sono selezionati in modo da ottenere, ai terminali di uscita (21, 22) del sistema di isolamento (4) un valore di capacità inferiore o uguale a 10nF.

Se il sistema elettronico (1) è collegato alla rete elettrica (5), il valore totale equivalente di capacità inferiore o uguale a 10nF del sistema di isolamento (4) limita il passaggio della corrente di rete (Vac = 220-230V in corrente alternata di frequenza 50 o 60 Hz) a valori compatibili con le normative in vigore.

Poiché l’impedenza di uscita ai terminali del sistema di isolamento galvanico (2) è, come noto, Z=1/jwC, per ottenere un trasferimento di corrente con valore efficace maggiore a quello previsto dalle normative, è necessario generare una frequenza maggiore della frequenza di rete, vale a dire una frequenza maggiore di 50 o 60 Hz.

Il sistema elettronico (1) è in grado di trasferire, a bassa tensione, una corrente a frequenza elevata, generando un’energia direttamente proporzionale al valore di frequenza e mantenendo il valore equivalente della capacità in uscita dal sistema di isolamento (4) minore o uguale 10nF per soddisfare i requisiti normativi di sicurezza.

La corrente generata può essere utilizzata per alimentare circuiti elettronici a basso consumo e/o per effettuare misure di impedenza di bipoli collegati ai terminali di uscita (21, 22) del sistema di isolamento.

A titolo di esempio, il sistema elettronico (1) può essere utilizzato per la misura del valore resistivo di un carico (2) comprendente un sensore di temperatura, quale un termistore NTC, quando è necessario un isolamento da rete e non si dispone di un alimentatore con bassa tensione isolata. In questo caso, la corrente alternata ad alta frequenza del generatore di impulsi (33) può essere utilizzata per generare una caduta di tensione nel termistore NTC proporzionale al valore resistivo del termistore e quindi alla temperatura. Nella circuito di controllo (3) non isolato il rilevatore di tensione (34) e l’unità di controllo (35) rilevano del valore resistivo del termistore NTC isolato dalle capacità (C1, C2). A tale scopo il rilevatore di tensione (34) può essere un raddrizzatore di tensione, quale ad esempio un raddrizzatore a ponte di d diodi e l’unità di controllo deve comprendere un convertitore analogico–digitale, per convertire in digitale il valore analogico di tensione rilevato dal rilevatore di tensione (34).

Nell’unità di controllo possono essere implementati algoritmi di compensazione della deriva termica dei condensatori di disaccoppiamento (C1, C2) e algoritmi di misura che misurando i valori di tensione sul carico (2) a frequenze diverse, eliminano l’influenza delle tolleranze nei valori delle capacità dei condensatori di disaccoppiamento (C1, C2).

Alle presenti forme di realizzazione dell'invenzione, possono essere apportate variazioni e modifiche equivalenti, soprattutto riguardo la componentistica elettronica, che rientrano comunque entro l'ambito dell'invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sistema elettronico (1) per misurare un carico incognito comprendente: - un carico incognito (2) da misurare avente due terminali (21, 22), - un circuito di controllo (3) atto a misurare un valore del carico incognito (2), detto circuito di controllo (3) essendo destinato ad essere collegato ad un alimentatore elettrico o alla rete elettrica (5), e - un sistema di isolamento galvanico (4) disposto tra detto circuito di controllo (3) e detto carico incognito (2) per isolare galvanicamente detto carico incognito (2) dal circuito di controllo, in cui detto sistema di isolamento galvanico (4) comprende un primo condensatore di disaccoppiamento e un secondo condensatore di disaccoppiamento (C1, C2) collegati rispettivamente ai terminali (21, 22) del carico e a terminali di uscita (31, 32) del circuito di controllo (3).
2. Sistema elettronico (1) secondo la rivendicazione 1, in cui il carico ignoto (2) comprende un sensore di temperatura.
3. Sistema elettronico (1) secondo la rivendicazione 2, in cui il carico ignoto (2) comprende un termistore di tipo NTC (Negative Temperature Coefficient) oppure PTC (Positive Temperature Coefficient).
4. Sistema elettronico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i condensatori di disaccoppiamento (C1, C2) sono di classe Y1 o Y2.
5. Sistema elettronico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto sistema di isolamento galvanico (4) ha una capacità equivalente minore o uguale 10nF.
6. Sistema elettronico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto circuito di controllo (3) comprende: - un’unità di controllo (35), - un generatore di impulsi (33) comandato da detta unità di controllo (35), - una resistenza (R1) di valore noto disposta tra il generatore di impulsi (33) e detto primo condensatore di disaccoppiamento (C1) del sistema di isolamento galvanico, - un rilevatore di tensione (34) collegato a detta unità di controllo (35) e configurato in modo da rilevare una tensione (Vx) corrispondente alla tensione su detto carico incognito (2).
7. Sistema elettronico (1) secondo la rivendicazione 6, in detto rilevatore di tensione (34) è collegato ad un terminale di uscita (31) di detto circuito di controllo, tra detta resistenza (R1) di valore noto e detto primo condensatore di disaccoppiamento (C1) di disaccoppiamento del sistema di isolamento galvanico.
8. Sistema elettronico (1) secondo la rivendicazione 6 o 7, in detto rilevatore di tensione (34) è un raddrizzatore di tensione.
9. Sistema elettronico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 8, in cui detta unità di controllo (35) comprende: - un convertitore analogico digitale configurato in modo da convertire in digitale il segnale analogico di tensione rilevato da detto rilevatore di tensione (34) e - un micro processore configurato in modo da calcolare il valore incognito del carico (2) in conformità a un valore di tensione (Vmax) dell’impulso generato da detto generatore di impulsi (33), al valore di resistenza noto di detta resistenza (R1) e al valore di tensione (Vx) rilevato da detto rilevatore di tensione (34).
10. Sistema elettronico (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 9, comprendente una scheda di circuito stampato, sulla quale sono montati detta unità di controllo (35), detto generatore di impulsi (33), detta resistenza (R1) di valore noto, detto rilevatore di tensione (34) e detti condensatori di disaccoppiamento (C1, C2) del sistema di isolamento galvanico (4).