ITMI20112226A1 - Apparato per la misura di corrente. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

dell'invenzione industriale avente per titolo:

“Apparato per la misura di corrente.”

La presente invenzione concerne un apparato per la misura di corrente.

Sono note nello stato dellarte diverse tecniche utilizzate per la misura di impedenza. Una delle tecniche sovente utilizzata è la spettrometria di impedenza; essa è una tecnica di misura elettrica volta a determinare la relazione tra tensione e corrente (impedenza o, al suo inverso conduttanza) ai capi di un bipolo in funzione del variare della frequenza applicata e/o della ampiezza del segnale di prova, ivi includendo anche la frequenza nulla o corrente continua. I campi di utilità pratica della spettrometria di impedenza comprendono la chimica, Γ elettrochimica, l’ingegneria elettrica ed elettronica, la sensoristica per grandezze fìsiche e fisico-chimiche, la biologia ed ogni campo nel quale una grandezza fisica, uno stato della materia o le sue caratteristiche chimiche siano riconducibili ad una variazione della sua impedenza.

Tuttavia, mentre in laboratorio è quasi sempre possibile misurare tale grandezza con valori di precisione adeguati, in applicazioni di misura su oggetti reali, ovvero durante il loro uso naturale, oppure in presenza di altri elementi collegati in modo tale alToggetto sotto analisi da disturbarne le sue caratteristiche dal punto di vista della sua impedenza, non sempre tale misura riconduce a dati utilizzabili o di sufficiente accuratezza

In alcuni casi inoltre la misura viene resa impossibile dalle caratteristiche stesse dell’ oggetto da misurare a causa di limitazioni, nello strumento di misura, relative a tensioni, correnti o potenze in gioco, limitando in tal modo il campo di applicabilità di tale misura che diversamente sarebbe di grande utilità.

Uno dei casi nei quali il costo eccessivo, le limitazioni e la scarsa o nulla misurabilità limita l’applicazione di tale tecnica è lo studio dell’impedenza di accumulatori o fornitori di energia elettrica primari o secondari. Tale campo riveste un particolare interesse tecnologico collegato all’uso in veicoli elettrici al fine di prevedere le anomalie dell’elemento fornitore di energia, indicarne lo stato di carica, indicarne la reale temperatura operativa ed in generale per una conoscenza più profonda dello stato d’uso e salute dell’elemento.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un apparato per la misura di corrente che superi i suddetti inconvenienti. In particolare detto apparato consente di effettuare la suddetta misura di corrente in presenza di elementi di disturbo (ad esempio lampade, motori, inverter elettronici) elettricamente collegati al fornitore di energia (ad esempio batterie, fuel cells) senza che la misura effettuata ne venga influenzata per una vasta gamma di carichi applicati in parallelo

In accordo alla presente invenzione, detto scopo viene raggiunto mediante un apparato per la misura di corrente di un bipolo in presenza di un ulteriore bipolo disposto in parallelo a detto bipolo, detto apparato comprendendo uno strumento per la misura di corrente, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi atti a fornire una corrente alternata modulante a detto bipolo e a detto ulteriore bipolo, primi mezzi configurati per distribuire detta corrente alternata modulante in una prima componente che attraversa detto bipolo ed una seconda componente che attraversa detto ulteriore bipolo e secondi mezzi accoppiati a detti primi mezzi e a detto strumento di misura della corrente e configurati in modo tale che la corrente misurata da detto strumento per la misura di corrente comprenda detta prima componente di detta corrente alternata modulante e non detta seconda componente.

Sempre in accordo alla presente invenzione è possibile fornire un apparato per la misura di impedenza come definito nella rivendicazione 10.

Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali:

la figura 1 è uno schema di un apparato per la misura di conente in accordo alla presente invenzione;

le figure 2 e 3 mostrano elementi circuitali equivalenti al trasformatore di figura 1 ed utilizzabili al posto dello stesso trasformatore;

le figure da 4 a 8 mostrano dispositivi utilizzabili nell’apparato di figura 1 per la generazione della conente alternata modulante.

Nella figura 1 è mostrato un apparato per la misura di conente in accordo alla presente invenzione al fine della misura di impedenza. La misura di impedenza ad una data frequenza ί=ω/2π (fissa o variabile in un intervallo a seconda della tecnica desiderata e delle applicazioni) avviene attraverso la valutazione contemporanea della tensione V(co) e della corrente alternata I(oo) imposta da un segnale modulante attraverso la relazione Ζ(ω) = ν(ω)/Ι(ω).

Nella figura 1 è mostrato un bipolo 100 (ad esempio una batteria, un insieme di batterie o di fuel cells) del quale si vuole rilevare l’impedenza ZI alla frequenza ί=ω/2π. Nella figura 1 il bipolo 100 ha un terminale connesso ad una tensione di riferimento, ad esempio a massa GND. Il bipolo 100 eroga una corrente II

Nella figura 1 sono visibili mezzi 10 atti a valutare la tensione VI alla frequenza ί=ω/2π del bipolo 100 fra il terminale A ed il terminale connesso a massa GND del bipolo 100; detti mezzi 10 sono noti e possono essere costituiti da un amplificatore differenziale, o un amplificatore, ovvero un amplificatore al seguito di un trasformatore di ingresso con condensatore di disaccoppiamento della corrente continua, ovvero un amplificatore sampler differenziale.

L’apparato in accordo all’invenzione comprende mezzi 20 atti a valutare la corrente circolante nel bipolo 100.

I mezzi 20 comprendono un elemento 22 atto ad erogare una corrente modulante alternata 13 alla frequenza ί=ω/2π, ad esempio un generatore di corrente 13: l’elemento 21 è un’unità di potenza atta ad applicare il segnale di analisi al carico senza assorbire una significativa quantità di energia dal circuito sotto misura ovvero con un segnale di analisi di picco molto superiore alla potenza media netta assorbita dal cedente energia.

L’elemento 22 è elettricamente connesso al primario 23 di un trasformatore 21; detto primario 23 comprende un primo avvolgimento 23’ connesso al terminale A del bipolo 100 ed al terminale C del generatore di corrente 22 ed un secondo avvolgimento 23” connesso fra il terminale A del bipolo 100 ed un terminale B di un bipolo 30 con impedenza Z2 incognita avente l’altro terminale connesso a massa GND; il bipolo 30 eroga una corrente 12. Il trasformatore 21 comprende un avvolgimento secondario 24 ai cui capi è connesso uno strumento 25 per la rilevazione della corrente Im che attraversa il secondario 24.

La corrente netta rilevata dallo strumento 25 è data dalla somma algebrica Itot delle correnti in esso transitanti al primario 23 e cioè Itot=I 1 -12-13 con il vincolo 11+12+13=0. La corrente 12 viene considerata continua o modulata ad una frequenza f2 diversa dalla frequenza f a cui vogliamo effettuare la misura dell’impedenza ZI, ovvero con componenti alla frequenza di analisi molto inferiori al segnale applicato dal generatore 13. La corrente 13 può essere suddivisa in due componenti, cioè 13 = I3a I3b cioè le due componenti che raggiungono rispettivamente i terminali A e B; considerando le direzioni di percorrenza delle corrente nel trasformatore avremo che le componenti di 13 che raggiungono lo strumento 25 sono I3a I3b - I3b = I3a. La corrente misurata dallo strumento 25 è la sola componente della corrente modulante alternata 13 che raggiunge il bipolo 100, cioè Im=I3a, quindi la misura Vl/Im relativamente alla frequenza generata dal generatore 22 risulta essere non disturbata dalla presenza del bipolo 30 pur essendo questo stabilmente connesso in parallelo al bipolo 100 (considerando l’impedenza tra i terminali A e B non significativa e comunque funzionale al collegamento tra i bipoli 100 e 30 e non alla misura stessa).

Pertanto l’impedenza ZI viene correttamente misurata come ZI = Vl/I3a = Vl/Im. L’apparato si misura di corrente precedentemente descritto con i mezzi 10 per la misura della tensione VI alla frequenza ΐ=ω/2π ai capi del bipolo 100 costituiscono un apparato per la misura di impedenza.

In alternativa al trasformatore 21 può essere disposto un equivalente elettronico. Ogni equivalente elettronico è connesso in modo che corrente misurata dallo strumento 25 comprenda solo la porzione I3a della corrente modulante 13 e mai la porzione I3b.

E’ per esempio possibile utilizzare un trasformatore a bilanciamento elettronico o sensore di corrente Hall compensato 42 come mostrato nella figura 2 dove, rispetto al circuito di figura 1, al posto del secondario viene inserito il sensore di Hall alimentato da una fonte di energia (batterie o alimentatore isolato) 41 atto a pilotare il misuratore di corrente 25 ai cui capi viene imposta dal sensore una corrente proporzionale alla somma delle correnti concatenate dal sensore stesso, cioè le correnti passanti negli avvolgimenti 23’ e 23”, rientrando nel caso descritto in figura 1 una volta che si collegano ai terminali A B e C gli stessi elementi connessi ai rispettivi terminali in figura 1 con il vantaggio che, data la natura del sensore, il campo di frequenze utilizzabili si estende fino alla frequenza zero. La corrente Im comprende la corrente I3a e non la corrente I3b.

E’ anche possibile ad esempio utilizzare in alternativa al trasformatore 21 un’ implementazione circuitale nella quale, al posto degli avvolgimenti 23’ e 23” sono disposte due resistenze RI, R2 (con R1=R2) di misura di corrente ed un amplificatore di misura differenziale 51 che amplifica la corrente data dalla somma delle correnti nei nodi C e B meno la corrente nel nodo A, come illustrato in figura 3. La corrente Im in tal caso comprende la corrente I3a e non comprende la corrente I3b ed è misurata dallo strumento 25. L’ implementazione circuitale di figura 3 rientra nel caso descritto in figura 1 una volta che si collegano ai terminali A B e C gli stessi elementi connessi ai rispettivi terminali in figura 1 con il vantaggio che, data la natura del sensore, il campo di frequenze utilizzabili si estende fino a zero.

Nell’apparato in figura 1 la corrente di eccitazione in alternata 13 può essere prodotta in diversi modi.

L’elemento 22 può comprendere un carico elettronico, nel caso in cui i bipoli 100 e 30 presentino una componente di tensione continua ai loro capi tale per cui sia possibile generare una corrente modulata 13 attraverso un dispositivo passivo modulato, come mostrato ad esempio nella figura 4 dove l’elemento 22 comprende un generatore di tensione alternata 61 alla frequenza ί=ω/2π disposto ai terminali di un dispositivo attivo Q e di una resistenza R; il dispositivo attivo Q può essere costituito da un transistor bipolare, un transistor MOS, un IGBT, un SCR o altro.

In alternativa l’elemento 22 può comprendere (figura 5) un circuito amplificatore attivo Al pilotato da un generatore di tensione in alternata 62 alla frequenza ΐ=ω/2π.

In alternativa l’elemento 22 può comprendere un circuito a commutazione 71, come visibile in figura 6, comprendente la serie di un primo TI ed un secondo T2 transistor MOS ed in cui il secondo transistor MOS T2 ha una serie di un’induttanza LI ed una capacità Cstor in parallelo e che è attraversata da una corrente Iind; ai terminali di gate dei transistor TI e T2 vengono applicati due treni di impulsi sostanzialmente complementari Impl e Imp2. Il segnale di modulazione 13 viene riprodotto dai treni di impulsi Impl e Imp2 modulati ad una frequenza più alta; l’energia E assorbita durante il primo semiciclo di un’onda a valore medio nullo o con componenti continue basse rispetto al valore massimo di picco positivo o negativo dell’onda, viene immagazzinata nel condensatore Cstor ovvero in una batteria con la stessa funzione di immagazzinamento e quindi restituita nella successiva semionda di polarità opposta, con la finalità di rendere nulla, o ridotta al minimo indispensabile la quantità netta di energia E richiesta al circuito sotto misura per l’effettuazione della misura stessa.

In alternativa l’elemento 22 può comprendere un circuito a commutazione 81, come visibile in figura 7, comprendente un transistor MOS T3 avente in parallelo una capacità Ctank ed in serie un’induttanza Ltank; ai terminali di gate del transistor T3 viene applicato un treno di impulsi Imp3. Nel circuito 81 circuito Ltank, Ctank, risonante alla frequenza di misura ί=ω/2π dove ω = (Ltank* Ctank) , viene eccitato attraverso il transistor T3 azionato dal segnale Imp3 ad impulsi sincroni con la frequenza di oscillazione o suoi sottomultipli, ottimizzati per ampiezza di impulso. In tal modo l’oscillazione nel circuito viene mantenuta all’ampiezza voluta e si ha una corrente alternata di valore medio nullo nel quale l’unica energia dissipata risulta essere quella del transistor T3.

La stessa funzione può essere raggiunta anche con il circuito di figura 8 dove, come unica differenza rispetto al circuito di figura 7, l’induttanza Ltankl è del tipo con presa intermedia e le frequenze di risonanza vengono variate in accordo con la posizione della presa intermedia, salvando il transistor T3 da correnti impulsive di salita troppo rapida

Le implementazioni delle figure 6-8 sono a bassa dissipazione di energia e quindi ingegnerizzabili in oggetti di compatti, adatte ad essere utilizzate a bordo di veicoli o dei pacchi di batterie in essi installati.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparato per la misura di corrente di un bipolo (100) in presenza di un ulteriore bipolo (30) disposto in parallelo a detto bipolo, detto apparato comprendendo uno strumento (25) per la misura di corrente, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi (22) atti a fornire una corrente alternata modulante (13) a detto bipolo e a detto ulteriore bipolo, primi mezzi (23’, 23”, RI, R2) configurati per distribuire detta conente alternata modulante (13) in una prima componente (I3a) che attraversa detto bipolo ed una seconda componente (I3b) che attraversa detto ulteriore bipolo e secondi mezzi (24, 42, RI, R2) accoppiati a detti primi mezzi (23’, 23”) e a detto strumento di misura della conente e configurati in modo tale che la conente (Im) misurata da detto strumento (25) per la misura di conente comprenda detta prima componente (13 a) di detta conente alternata modulante e non detta seconda componente (I3b).
2. 2. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un trasformatore (21), detti primi mezzi comprendendo due avvolgimenti (23’, 23”) del primario del trasformatore e detti secondi mezzi comprendendo il secondario (24) del trasformatore.
3. 3. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti primi mezzi comprendendo due induttori (23’, 23”) e detti secondi mezzi comprendendo un sensore di Hall (42).
4. 4. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti primi mezzi comprendendo due resistenze (RI , R2) e detti secondi mezzi comprendono mezzi circuitali connessi a dette due resistenze ed un amplificatore di misura differenziale (51) atto ad amplificare una corrente che comprenda detta prima componente (13 a) di detta corrente alternata modulante e non detta seconda componente (I3b).
5. 5. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto detti mezzi (22) atti a fornire una corrente alternata modulante (13) a detto bipolo e a detto ulteriore bipolo comprendono un circuito a commutazione (81) avente in parallelo una capacità (Ctank) ed in serie un’induttanza (Ltank) atti a formare un circuito risonante alla frequenza di misura (co), detto circuito a commutazione essendo pilotato da un segnale ad impulsi (Imp3) sincroni con la frequenza di oscillazione o suoi sottomultipli.
6. 6. Apparato secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta induttanza (Ltankl) è del tipo a presa intermedia ed è connessa con detta capacità (Ctank) in modo che le frequenze di risonanza vengano variate in accordo con la posizione della presa intermedia.
7. 7. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi (22) atti a fornire una corrente alternata modulante (13) a detto bipolo e a detto ulteriore bipolo comprendono un circuito a commutazione (71) comprendente la serie di un primo (Tl) ed un secondo (T2) transistor pilotati da due treni di impulsi sostanzialmente complementari (Impl, Imp2), una capacità (Cstor) ed un’induttanza (LI) disposti in parallelo ad uno dei transistor del circuito a commutazione.
8. 8. Apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto detti mezzi (22) atti a fornire una corrente alternata modulante (13) a detto bipolo e a detto ulteriore bipolo comprendono un generatore di tensione alternata (61) alla frequenza di misura (ω) atto a pilotare un dispositivo ativo (Q) che eroga deta corrente alternata modulante (13).
9. 9. Apparato secondo la rivendicazione 1, caraterizzato dal fatto deti mezzi (22) atti a fornire una corrente alternata modulante (13) a deto bipolo e a detto ulteriore bipolo comprendono un generatore di tensione alternata (62) alla frequenza di misura (ω) ato a pilotare un amplificatore (Al) che eroga deta corrente alternata modulante (13).
10. 10. Apparato per la misura di impedenza di un bipolo (100) in presenza di un ulteriore bipolo (30) disposto in parallelo a detto bipolo, deto apparato comprendendo imo strumento (10) per misurare la tensione (VI) ai capi di deto bipolo, caraterizzato dal fato di comprendere un apparato di misura della corrente come definito in una qualunque delle rivendicazioni precedenti.