SE524561C2 - Strömmätningskrets med två mätområden - Google Patents

Description

20 25 30 cm w _12- 01 C331 -à 2 av ingångsanslutningarna och den tredje omkopplaren är ansluten att fungera som inverterare för att åstadkomma, att den första omkopplaren är på, när den andra omkopplaren är av och omvänt.

Varje steg kan innefatta en differentiell förstärkare, vilkens positiva och negativa ingångar är tör- spända till en spänning med ett värde, som är hälften av en matningsspärming. Detta möjliggör, att negativa potentialer eller ingångssignaler kan representeras av positiva utgångssignaler, som är lägre än ett mittvärde, och att positiva ingångssignaler kan representeras av positiva utgångssigna- ler, som är större än mittvärdet.

KORT FIGURBESKRIVNING Uppfinningen skall nu beskrivas i form av ej begränsande utföringsfonner i samband med de bifogade ritningarna, i vilka: - Fig. 1 är ett blockschema över en mätningsanläggning, - Fig. 2 är ett kopplingsschema för en mätkrets, och - Fig. 3a, 3b och 3c är vågformsdiagram, som visar ingångs- och utgångssignaler.

DETALJERAD BESKRIVNING I Fig. 1 visas ett blockschema över en mätkrets 1, som är anordnad för att mäta den elektris- ka strömmen från ett startbatteri för ett motorfordon. Kretsen 1 är uppbyggd av relativt billiga komponenter och tillför endast en liten ökning av serieresistansen hos den elektriska ledare, i vil- ken strömmen går. Mätkretsen 1 är en analog krets och är i exemplet enligt Fig. 1 anordnad att mäta startbatteriströmmen inom två mätområden av 1100 A och _-t1 A. Mätkretsens drift styrs av en mikrocontroller 3 med A/D-omvandlande ingångar. Mätkretsen l utför samplingen av ett ana- logt värde och förstärkningen av detta för att tillhandahålla ingångssignaler, som har lärnpligt va- riationsområde och som mottas av mikrocontrollem 3 och omvandlas till digitala signaler. Mät- kretsen 1 har två utgångsanslutningar eller utgångsledningar 5, 7, en för att avge ett analogt värde, som representerar den storhet, vilken mäts inom ett första mätområde, och en arman för att avge ett analog värde, som representerar samma storhet, som mäts, men inom ett andra, annorlunda mätområde.

Mätkretsen 1 har två ingångsanslutningar eller ingångsledningar 9, 11, vilka i det visade ex- emplet är kopplade till motsatta sidor eller motsatta ändar av ett shuntmotstånd 13, som har myc- ket liten elektrisk resistans och är anslutet mellan den negativa anslutningen 15 hos startbatteriet, ej visat, och den negativa anslutningen 17 hos anordningar, ej visade, som strömförsörjs av batte- riet. När i det normala fallet inte någon mätning utförs, är de två ingångama båda kopplade till den negativa anslutningen 15 hos batteriet, vilken på vanligt sätt är förbunden med eller utgör den gemensamma jorden i motorfordon. Den första utgången 5 för mätområdet 1100 A ligger då på en potential av ungefär 2,5 V. När en mätning av den elektriska strömmen i ledningen mellan den 10 15 20 25 30 524 561 3 negativa anslutningen 17 hos de strömförsörj da anordningarna och den negativa anslutningspolen 15 hos batteriet skall utföras, digitaliseras först utgångsspäriningen på ledningen 5 för det önskade strömmätornrådet och med båda ingångsledningarna 9, 11 förbundna med jord av mikrocontrol- lem 3 för att erhålla ett referensvärde Vmf och sedan växlas den andra ingångsledningen 11 till mätkretsen, av ett växlingskontaktblock 19 i mätkretsen styrt av en styrledning 21 från mikrocon- trollem, för att motta mV-signalen från shuntmotståndet 13. Efter en kort fördröjning, som möj- liggör att utgångsspänningen på utgångsledningen 5 kan stabiliseras, utförs en andra A/D-om- vandling i mikrocontrollern för att alstra ett uppmätt värde Vmea, och det önskade, resulterande värde, som representerar strömmen genom shuntmotståndet beräknas som Vmcas - Vfef och korri- geras sedan med en skalfaktor och för temperaturen hos shuntmotståndet för att alstra ett värde, som noggrant representerar strömmen genom shuntmotståndet 13.

Växlingskontaktblocket 19 utför samplingen styrt av mikrocontrollem 3. Det har en enda utgångsledning, som är förbunden med ingångsanslutningen till komponentema i det första bloc- ket 23 för stort mätområde. Detta block innefattar ett högpassfilter 25, som avger en filtrerad ut- gångssignal, vilken förstärks av ett första förstärkarsteg 27. Utgången från detta förstärkarsteg är utgångssignalen från blocket för stort mätområde och är sålunda ansluten till mätkretsens ut- gångsanslutning 5. Utgången från det första förstärkarsteget 27 är förbunden med ingången till det andra blocket 29 för litet mätområde. Detta block innefattar ett högpassfilter 31, som mottar in- gångssignalen till blocket, varvid den avgivna filtrerade signalen från filtret avges till ett andra förstärkarsteg 33. Den förstärkta signal, som avges från det andra förstärkarsteget, utgör utgångs- signalen från blocket för litet mätområde och avges sålunda från mätkretsen på utgångsanslut- ningen 7.

Ett kopplingsschema för mätkretsen l visas i Fig. 2. Kretsen erhåller den elektriska energin för sin drift från en yttre strömförsörjning, ej visad, som avger en försörjningsspänning Vcc = 5 V.

Denna spänning avges i en spänningsdelarkrets 35 till en ände av ett första motstånd R9, varvid den andra änden av detta motstånd är ansluten till en ände av ett andra motstånd Rl0, som har sin andra ände ansluten till jord. Resistansema hos de första och andra motstånden är lika, varvid för- sörjningsspänningen sålunda delas upp, så att halva försörjningsspänningen avges vid förbind- ningsnoden mellan de två motstånden. Denna spänning avges till den positiva ingången hos en operationsförstärkare X3, vilkens negativa ingång och utgång är förbundna med varandra, för att på förstärkarens utgång avge en spänning Vccuaif = Ver/Z = 2,5 V, varvid utgången har god drivka- pacitet.

Utgångsledningen 21 från mikrocontrollem 3 är normalt hög, dvs vid omkring 5 V, men ger för mätningen av strömmen i shuntmotståndet negativa pulser med t ex en längd 5 ms, varvid pul- 10 15 20 25 30 524 561 4 serna uppträder t ex var 250:e ms. Dessa pulser avges till växlingskontaktblocket 19, som innefat- tar tre elektroniska omkopplare X1_1, X1_2, X1_3, varvid dessa omkopplare exempelvis är ana- loga omkopplare och var och en har en ingångsanslutning, en utgångsanslutning och en styrin- gångsanslutning. Ingången till den första elektroniska omkopplaren X1_l är förbunden med in- gångsledningen ll till mätkretsen 1 och visas sålunda i det visade exemplet vara ansluten till den positiva änden av shuntmotståndet 13. Ingången till den andra elektroniska omkopplaren X1_2 är på samma sätt förbunden med ingångsledningen 9 till mätkretsen 1 och sålunda till den jordade, negativa änden av shuntmotståndet 13. Utgångsanslutningarna från de första och andra omkopp- lama X1_1, X1_2 är förbundna med varandra och med ingången till det första mätområdesbloc- ket 23, dvs till ingången till högpassfiltret 25.

Ingångsanslutningen till den tredje omkopplaren X1_3 och styranslutningen hos den första omkopplaren X1_l är båda förbundna med försörjningsspärmingen VCC via ett motstånd R7 med relativt stor resistans. Utgångsanslutningen från den tredje omkopplaren X1_3 är förbunden med jord. Styranslutningama för de andra och tredje omkopplarna X1_2, X1_3 är båda förbundna med styrledningen 21, som mottar klockpulser från mikrocontrollem. När den inkommande styr- eller klocksignalen på ledningen 21 är hög, sätts den tredje omkopplaren X1_3 till att vara sluten eller i ett ledande tillstånd. Detta ger en låg potential på dess ingångsanslutning och därigenom blir ock- så potentialen på styranslutningen för den första omkopplaren X1_l låg, så att denna omkopplare då sätts att vara i öppet eller ej ledande tillstånd. För hög nivå hos klocksignalen är sålunda den första omkopplaren X1_l öppen och den andra omkopplaren X1_2 sluten. För låg nivå hos in- gångssignalen på styrledningen 21 är den tredje omkopplaren X1_3 i öppet tillstånd och styrin- gången till den första omkopplaren X1_l får hög nivå, vilket medför, att den första omkopplaren intar ett slutet tillstånd. Den inbördes förbindningen av de tredje och första omkopplarna X1_3, X1_l på detta sätt åstadkommer en invertering av ingångsstyrsignalen från klockledningen 19, när denna når fram till den första omkopplaren X1_l.

När nivån hos styrsignalen på ledningen 21 är hög, avges potentialen på den negativa sidan av shuntmotståndet 13, jordpotentialen, till ingången hos det första blocket 23 för stort mätområ- de. När nivån hos styrsignalen på ledningen 21 blir låg, avges potentialen på den positiva sidan av shuntmotståndet 13 till ingången till blocket 23 för stort mätområde. Den signal, som inkommer till detta block mottas av högpassfiltret 25 innefattande en seriekondensator Cl. Ingången till filt- ret är också förbunden med jord via en kondensator C7. Den filtrerade signalen inmatas till det första förstärkarsteget 27 och mottas av den positiva anslutningen hos en operationsförstärkare el- ler differentiell förstärkare X2_l, varvid denna positiva anslutning också är förbunden med Vccflaif, dvs halva försörjningsspärmingen, via ett motstånd R6 med relativt stor resistans. Den ne- 10 15 20 25 30 gativa ingången till förstärkaren X2_1 är också förbunden med jord men via ett motstånd R2 med mindre resistans. Den negativa ingången och utgången hos förstärkaren X2_1 är förbundna med varandra via en parallell kombination av ett motstånd R3 och en kondensator C4. Utgångsanslut- ningen från förstärkaren X2_1 i det första steget är också förbunden med utgångsanslutningen el- ler utgångsledningen 5 för stort mätområde från mätkretsen 1 och till ingången hos högpassfiltret 31 hos blocket 29 för litet mätområde.

Blocket 29 för litet mätområde är i huvudsak uppbyggt liksom blocket 23 för stort mätom- råde. Dess högpassfilter 31 innefattar sålunda en kondensator C2. Det andra förstärkarsteget 33 innefattar en operationsförstärkare eller differentiell förstärkare X2_2, som har sin positiva ingång förbunden med kopplings- och filtreringskondensatom C2 och till halva försörjningsspänningen Vccflalf via ett motstånd RS med relativt stor resistans. Den negativa ingången till förstärkaren X2_2 är förbunden med samma halva försörjningsspänning via ett motstånd R4 och är förbunden med förstärkarens utgångsanslutning via ett motstånd R5 och en kondensator CS, som är pa- rallellkopplade. Utgångsanslutningen från den andra förstärkaren X2_2 är också förbunden med utgångsanslutningen eller utgångsledningen 7 från mätkretsen.

När det blir en ändring av potentialen på ingångselektroden hos en av kopplings- eller filtre- ringskondensatorema Cl, C2, ändrar respektive kondensator sin laddning genom att laddas eller urladdas genom det stora motståndet R6 eller R8. Den resulterande ändringen av spänningen mel- lan ingångarna till respektive förstärkare förstärks av förstärkaren, varvid förstärkningen definie- ras av de relativa storlekarna hos motståndet i den återkopplingsslinga, som är förbunden med den negativa ingången, och det motstånd, som förbinder samma anslutning med jord, varvid förstärk- ningen i det första steget är lika med (1 + R3/R2), som med data enligt Fig. 2 ger en förstärkning av 21, och förstärkningen i det andra steget är lika med (1 + R5/R4), t ex lika med 101.

Vågforrnerna hos den inkommande styrsignalen på ledningen 21 och utgångssignalema på utgångsledningama 5 och 7 visas i diagrammen i Fig. 3a, 3b och 3c. Genom förfarandet med att förspärma förstärkarna X2_1, X2_2 med halva försörjningsspänningen, anger de från mätkretsen avgivna signalerna, huruvida de respektive ingångssignalerna har positivt eller negativt tecken.

Sålunda ger en ingångssignal, som nominellt är lika med noll, utgångssignaler av 2,5 V och en nominellt negativ ingångssignal ger utgångssignaler mindre än 2,5 V, etc. De värden, som faktiskt representerar strömmen genom shuntmotståndet, erhålls genom subtraktion, efter digitalisering, i mikrocontrollern 3, såsom ovan beskrivits.

Vid startsteget för kretsen enligt Fig. 2 kan en avsevärd tidsperiod föreligga, som måste för- flyta, tills de relativt stora filtrerings- och kopplingskondensatorerna Cl, C2 vid ingångama till förstärkarna X2_1, X2_2 har uppladdats från spänningsförsörjningen med Vccflaif. Dessa konden- 10 15 524 5151 6 satorer kan då laddas snabbare via små motstånd Rl l, Rl2, som är kopplade parallellt med de re- spektive stora motstånden R6, RS, varvid omkopplare X4ßl, X4_2 är anslutna i serie med de små motstånden och styrs att vara slutna endast i startsteget med hjälp av lärnplig signal på om- kopplamas styranslutningar och att för övrigt vara öppna.

Shuntmotståndet 13 kan till exempel framställas av en Cu-lindning och har då en tempera- turkoefficient av ungefär 0,393 %/°C. Om mätning skall göras för ett batteri i ett fordon och om mätningen måste vara mycket noggrann, såsom den vilken erfordras när den används som in- gångsdata i en algoritm för att skatta den återstående laddningen i batteriet, kan shuntmotståndet ha mycket varierande temperatur, om det exempelvis används i de nordliga ländema. Om sålunda shuntmotståndet exempelvis har ett resistansvärde av 1 milliohm vid 20°C blir resistansvärdet vid -40 °C 0.764 milliohm och vid 70° 1.196 milliohm. För att sålunda erhålla ett korrekt värde måste en korrektion av det uppmätta strömmen göras, t ex i mikrocontrollerenheten 3. Då måste en tem- peraturgivare, ej visad, placeras vid shuntmotståndet 13 och anslutas för att avge en signal, som representerar den avkända temperaturen till en A/D-ingång hos mikrocontrollem.

Claims (7)

10 15 20 25 30 PATENTKRAV

1. Mätkrets för att alstra signaler, som representerar potentialen vid en första ingångsanslut- ning, kännetecknad av minst två steg med olika mätområden, ett första steg med ett första mät- område och ett andra steg med ett andra mätorrlråde, varvid den första ingångsanslutningen är för- bunden med en ingång till det första steget och en utgång från det första steget är förbunden med en ingång till det andra steget, varvid utgångsanslutningama från stegen är kopplade som utgångs- ledningar från kretsen, varvid det första steget och det andra steget innefattar förstärkare för att förstärka signaler, vilka mottas på den respektive ingången för att alstra förstärkta signaler på den respektive utgången.

2. Mätkrets enligt krav 1, kännetecknad av att det första steget är ett steg med stort mät- ornråde och det andra steget är ett steg med litet mätområde.

3. Mätkrets enligt något av krav l - 2, kännetecknad av att stegen vart och ett innefattar ett högpassfilter anslutet i ingångsledningen till respektive förstärkare.

4. Mätkrets enligt något av krav 1 - 3, kännetecknad av en andra ingångsanslutning och en omkopplande krets förbunden med de första och andra ingångsanslutningarna för att periodiskt eller altemerande mata potentialen på den första ingångsanslutningen och den andra ingångsan- slutningen till ingången till det första steget.

5. Mätkrets enligt krav 4, kännetecknar! av en styringångsledning anordnad att motta klockpulser, varvid styringångsledningen är förbunden med den omkopplande kretsen, varvid den omkopplande kretsen innefattar elektroniska på-av-omkopplare, av vilka en första omkopplare är förbunden med den första ingångsanslutningen, en andra omkopplare är förbunden med den andra ingångsanslutningen och en tredje omkopplare är kopplad att fungerar som inverterare för att åstadkomma att den första omkopplaren är på, när den andra omkopplaren är av, och omvänt.

6. Mätkrets enligt krav 4, kännetecknad av en styringångsledning anordnad att motta klockpulser, varvid styringångsledningen är förbunden med den omkopplande kretsen, varvid den omkopplande kretsen innefattar två styrda elektroniska på-av-omkopplare.

7. Mätkrets enligt något av krav l - 6, kännetecknad av att varje steg innefattar en diffe- rentiell förstärkare, vilkens två ingångar är förspända till en spänning med ett värde lika med hal- va värdet av en försörjningsspärming, vilket möjliggör, att negativa ingångssignaler kan represen- teras med positiva utgångssignaler mindre än förspänningsvärdet och positiva ingångssignaler kan representeras med positiva utgångssignaler större än förspärmingsvärdet.