Dispositivo y sistema de medida analógica de potencia eléctrica por magnetorresistencia.

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 (vac(t)) a una carga (ZC) y comprende:

- un acondicionador de tensión configurado para conectarse a la fuente de tensión analógica (vac(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 (vac(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.

Dispositivo v sistema de medida analógica de potencia eléctrica por

maqnetorresistencia

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 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 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 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 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 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.).

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").

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 °C) midiendo corrientes en un rango que iba desde -10 A hasta +10 A.

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 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 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 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:

[1]: "A Non-lnvasive Thermal Drift Compensation Technique Applied to A Spin- Valve Magnetoresistive Current Sensor", J. Sánchez, D. Ramírez, S. Cardoso,

S. Casans, A. E. Navarro, R J. Peixeiro de Freitas, Sensors 2011, 11, 2447- 2458; doi:10.3390/s110302447.

[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.

[3] : "Magnetoresistive watt-converter for measurement active power in the

frequency range of 20 Hz-20 kHz", V. Vountesmeri, Conf. Precisión

Electromagn. Meas. Dig., Sidney, Australia, May 2000, 28-29.

[4] : "Error source determinaron of a magnetoresistive active power sensor at

industrial frequencies", V. Vountesmeri, J. Rodríguez, R. Carranza, IEEE

Trans. Instrum. Meas., vol 51, n 5, October2002, 1035-1038.

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

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 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 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 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 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.

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.

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 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.

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 Q, preferentemente de aproximadamente 1062 Q.

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

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 están relacionadas con la potencia...

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).

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.

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, 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/VerA y una atenuación igual o inferior a 7-10"3

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 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.

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

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 (Del, De2, De3, De4).

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 (Del, De2, De3, De4),

20 interconectados inalámbricamente entre sí formando una red.