利用差分电压计来测量第一电压和第二电压的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于利用差分电压计来测量第一电压和第二电压的设备和方法，该差分电压计包括第一输入和第二输入，而已知电压电势存在于第二输入处，电压测量包括以下步骤：将第一电压施加到差分电压计的第一输入；测量第一差分电压；根据测量的第一差分电压和已知电压电势来确定第一电压；将第二电压施加到差分电压计的第二输入；测量第二差分电压；以及根据测量的第二差分电压和先前确定的第一电压来确定第二电压。

背景技术

在许多设备中有必要测量两个或者更多电压。例如，通过包括用于测量各个电压的电压计的微控制器，可以实现对两个或者更多电压的测量。

因此，例如当为三相电机提供电机保护开关时，必须检测电机的三相电流，为此必须在一个微控制器中使用三个独立电压计。为了检测每个另外的电压，在微控制器中将需要另外的电压计。然而，具有多于三个电压计的微控制器比具有仅三个电压计的微控制器成本更高并且结构更大。

发明内容

因而，本发明的目的在于提供一种用于电压测量的方法和设备，以实现可以利用仅一个电压计来执行对第一电压的测量和对第二电压的测量。

这一目的是利用一种上述类型的用于利用差分电压计来测量第一电压和第二电压的方法来实现的，该差分电压计包括第一输入和第二输入，已知电压电势存在于第二输入处，该方法包括以下步骤：将第一电压施加到差分电压计的第一输入；测量第一差分电压；根据测量的第一差分电压和已知阈值电压电势来确定第一电压；将第二电压施加到差分电压计的第二输入；测量第二差分电压；以及根据测量的第二差分电压和先前确定的第一电压来确定第二电压。

差分电压计可以被设计为使得它测量第二输入处的电压与第一输入处的电压之差，或者反过来测量第一输入处的电压与第二输入处的电压之差。下文假设了但不限于：差分电压计测量第二输入处的电压与第一输入处的电压之差，即第一输入是差分电压计的负输入，而第二输入是差分电压计的正输入。

如果第一测量差分电压是U_D，1而已知电压电势是U_B，则可以根据第一测量差分电压U_D，1和已知电压电势U_B来确定第一电压如下：

U₁＝U_B-U_D，1

基于第一确定电压U₁和第二测量差分电压U_D，2，就可以利用U₂＝U_D，2-U₁来确定第二电压U₂。

该测量方法具有可以利用仅一个差分电压计来测量两个电压即第一电压和第二电压的优点。

已知电压电势U_B可以例如是接地电势，即U_B＝0，以使得测量的第一差分电压的量对应于待测量的第一电压的量，因而不再需要执行或者极大地简化根据测量的第一差分电压和已知电压电势来确定第一电压的步骤，这是因为无需减法或者加法。这在第一电压为负时特别有利，因为第一测量差分电压然后包括正号并且对应于第一电压的量。

因此使用根据本发明的测量方法，可以以简易方式来测量负的第一电压，而当将无差分输入的A-D转换器用于电压测量时，将必需要使用复杂的运算放大器电路在测量之前将待测量的负电压转换成正电压。

此外，根据本发明的电压测量方法中步骤的顺序也可互换。因此，例如，第二电压可以先施加到差分电压计的第二输入，然后可以测量第二差分电压，然后仅将已知电压电势施加到差分电压计的第二输入并且测量第一差分电势。

另外，也可以例如首先测量第一差分电压和第二差分电压，然后仅确定待测量的第一和第二电压。

可以例如在微控制器上、或者实际上例如在数字信号处理器上、或者实际上以软件形式上在计算机上执行根据本发明用于测量第一电压和第二电压的方法。

差分电压计可以是模拟式或者数字式的。例如，差分电压计可以采用西格玛-德尔塔A-D转换器形式。

根据本发明的测量方法的又一优点在于，可以很广泛地利用差分电压计的测量范围。

在本发明的一个发展中，在测量第二差分电压之后，执行关于第二差分电压是否超过预定限制值的检查，如果超过预定限制值则测量方法再次从头开始，重复该测量方法直至第二测量差分电压不超过预定限制值，然后根据测量的第二差分电压和先前确定的第一电压仅确定第二电压。

借助关于测量的第二差分电压是否超过预定限制值的该检查，就可以例如识别第二测量差分电压是否位于差分电压计的允许测量范围内，其中接下来必须根据差分电压计所要检测的最大测量范围来选择限制值。如果超过限制值，即如果测量的第二差分电压位于允许测量范围之外，则重复整个电压测量，即首先将已知电压施加到差分电压计的第二输入并且测量第一差分电压，然后第二电压施加到差分电压计的第二输入并且测量第二差分电压。重复测量过程直至第二测量差分电压不再超过预定限制值为止。仅在那时，根据测量的第二差分电压和先前确定的第一电压来执行对第二电压的确定。

另外，除了关于第二测量差分电压是否超过预定限制值的该检查之外，也可以在测量第一差分电压之后尽早执行关于第一测量差分电压是否超过预定限制值的检查，如果超过则再次开始测量过程。因此，即使第一测量差分电压位于差分电压计的允许测量范围之外，也可以直接地重复测量过程。

在本发明的一个发展中，开关单元以如下方式连接到差分电压计的第二输入：该方式使得在第一状态下该开关单元将已知电压电势切换到差分电压计的第二输入，而在第二状态下该开关单元将第二电压切换到差分电压计的第二输入；将开关单元激活到第一状态以便测量第一差分电压，然后将开关单元激活到第二状态以便测量第二差分电压。

该开关单元可以例如采用至少一个继电器和/或至少一个晶体管的形式。

在本发明的一个发展中，差分电压计布置于微控制器中，测量方法由微控制器执行，具体而言，开关单元由微控制器控制。

微控制器因此可以从差分电压计直接地读出测量的第一差分电压和测量的第二差分电压并且执行根据本发明的测量方法的处理步骤。在该方面中，微控制器首先将开关单元控制到第一状态，从差分电压计读出所测量的第一差分电压，并根据测量的第一差分电压和已知电压电势来计算第一电压。然后，微控制器将开关单元切换到第二状态，并且从差分电压计读出所测量的第二差分电压、然后根据测量的第二差分电压和已经确定的第一电压来计算第二电压。微控制器可以将以该方式确定的第一电压和第二电压，以用于内部进一步处理和/或在输出处输出它们。

此外，微控制器也可以执行上述关于第二测量电压是否超过限制值的检查，如果超过预定限制值，则它可以重新开始测量过程直至第二测量电压不超过限制值。另外，微控制器也可以用于上述关于第一测量电压是否超过限制值的检查以及用于作为可能结果而重新开始测量过程。

在本发明的一个发展中，差分电压计是西格玛-德尔塔A-D转换器。

在本发明的一个发展中，开关单元包括晶体管。

晶体管可以例如采用场效应晶体管的形式，其中可以使用结栅FET、耗尽型MOSFET或者增强型MOSFET。场效应晶体管可以采用N沟道或者P沟道类型的形式。此外，双极晶体管也可以用于开关单元，该双极晶体管可以是NPN型或者PNP型。另外，开关单元也可以包括多于一个晶体管。

本发明的上述目的是通过一种用于测量第一电压和第二电压的设备来实现的，该设备包括开关单元和包括差分电压计的微控制器；第一电压存在于差分电压计的第一输入处；开关单元以如下方式连接到差分电压计的第二输入，该方式使得在第一状态下开关单元将已知电压电势切换到差分电压计的第二输入，而在第二状态下开关单元将第二电压切换到差分电压计的第二输入；微控制器执行以下步骤：将开关单元激活到第一状态；输入差分电压计所测量的第一差分电压；根据测量的第一差分电压和已知电压电势来确定第一电压；将开关单元激活到第二状态；输入差分电压计所测量的第二差分电压；以及根据测量的第二差分电压和先前确定的第一电压来确定第二电压。

对测量第一电压和第二电压的方法的以上说明同样适用于根据本发明用于测量第一电压和第二电压的该设备。微控制器这里承担对测量的控制并且确定第一电压和第二电压。

在本发明的一个发展中，在测量第二差分电压之后，微控制器检查第二差分电压是否超过预定限制值，如果超过预定限制值则微控制器再次从头开始测量，微控制器重复测量直至第二差分电压不超过预定限制值，微控制器根据测量的第二差分电压和先前确定的第一电压仅确定第二电压。

对于该实施例，关于检查测量的差分电压是否超过限制值，上文关于执行方法而描述的对该实施例的修改同样地适用。

在本发明的一个发展中，差分电压计的第一输入是差分电压计的负输入，而差分电压计的第二输入是差分电压计的正输入。

因此，差分电压计测量第二电压与第一电压之差。

本发明的该发展在待测量的第一电压为负而已知电压电势是地电势时特别有利，因为第一测量差分电压于是直接地对应于该负的第一电压的量。因此，对于负的第一电压的测量而言，可以省略原本必须采用例如运算放大器形式的复杂转换器电路。

在本发明的一个发展中，去耦合单元设置于开关单元与差分电压计的第二输入之间。

该去耦合单元用以将差分电压计的第二输入从开关单元去耦合。该去耦合单元可以采用例如电阻器的形式。

在本发明的一个发展中，微控制器包括至少一个另外的电压计。

因此，除了第一电压和第二电压之外，可以测量至少一个另外的电压，而微控制器可以将该另外的电压例如用于进一步处理。该至少一个另外的电压计可以采用例如仅有一个输入的A-D转换器或者可以例如构成西格玛-德尔塔A-D转换器的差分电压计的形式。包括一个输入的A-D转换器也可以与西格玛-德尔塔A-D转换器组合。

在本发明的一个发展中，第一电压存在于第一检测单元的输出处，而该检测单元用以检测向电机供应的第一电流，以使得存在于第一检测单元的输出处的电压依赖于检测的第一电流；该输出此外还连接到差分电压计的第一输入。

电机可以是直流电机或者交流电机，其中交流电机可以是单相交流电机或者多相交流电机。

如果电机采用例如直流电机的形式，并且如果供应的第一电流因此也是直流，则第一检测单元可以例如是设置于通向电机的电流供给线路中的电阻器，以使得第一电流流过电阻器，且在电阻器处的电压降存在于第一检测单元的输出处；此外，第一检测单元可以例如采用磁场换能器的形式，使得与测量的磁场并且因此与第一电流成比例的电压存在于第一检测单元的输出处，其中该磁场换能器可以采用例如霍耳效应换能器的形式。

如果电机采用例如交流电机的形式，则第一检测单元可以例如是感应电流换能器，如互感器，待检测的第一电流在初级侧流经该换能器，在其次级侧，经过变换的第一电流被转换成第一检测单元处存在的电压。

该转换可以例如借助旁路电阻器来进行。

在本发明的一个发展中，第二电压存在于电容器处，而该电容器连接到开关单元，该电容器构成用于电机的先前热断开的热存储器。

用作热存储器的电容器可以例如借助存在于电容器处的电压来模拟电机在正常操作过程中和在过载阶段过程中的发热。以该方式，可以持久地存储电机的热平衡，使得能够在电机的热断开之后知道电机的热状态。在热断开之后，与电机的热状态关联的电压因此存在于电容器处，然后根据预定特性对电容器放电，使得电容器处的电压减少。放电可以例如借助电阻器来进行，电容器和电阻器限定了预定放电特性。微控制器可以借助根据本发明的测量设备来检测第二电压，例如仅当第二电压降低到预定电平以下时才允许重新启动断开的电机，因而例如防止了电机在先前的热断开之后过快地再次接通并因此防止其受损。以该方式，充当热存储器的电容器可以例如取代在用来在热断开之后保护电机的电机保护开关中所使用的双金属元件。

在本发明的一个发展中，运算放大器设置于电容器与开关单元之间。

运算放大器可以用以保证电容器不经由开关单元放电。

在本发明的一个发展中，滤波器单元设置于第一检测单元的输出与差分电压计的第一输入之间。

该滤波器单元可以例如具有低通特性，以抑制在检测单元的输出处电压的高频部分并且因此增加测量精确度。例如，该滤波器单元可以采用例如四门(quad gate)的形式，其中，电容器在输入处和输出处分别接地，在该四门的输入和输出之间连接了电阻器。

在本发明的一个发展中，电机是交流电机而第一电流代表第一相电流。

电机可以是单相交流电机，于是正好一相电流供应到该单相交流电机，或者它可以是多相交流电机，诸如像三相交流电机。

在本发明的一个发展中，第一检测单元包括以下装置：电流互感器，待检测的相电流流过该电流互感器的初级侧；以及整流器，连接到电流互感器的次级侧输出，用于整流经过变换的相电流；以及电阻器，以如下方式连接在整流器与接地点之间，使得经过变换和整流的相电流流过电阻器，且电压在电阻器上下降，并且该电压存在于检测单元的输出处。

电流互感器可以例如可调节到不同的标称电流范围，使得无论特定电机的绝对标称电流范围如何，都在次级侧上出现恒定的经过变换的电流范围。可以例如按照在初级侧与次级侧之间的绕组比来实现根据电机将电流互感器调整到特定的标称电流范围。

整流器可以采用例如一路整流器的形式或者实际上多路整流器的形式。

电阻器还可以用以下方式连接到整流器，以使得负电压通过第一电阻器朝着地电势下降。

在本发明的一个发展中，整流器是桥式整流器，而桥式整流器的第二输出生成电源电压。

在本发明的一个发展中，至少一个另外的相电流供应到电机，而另外的检测单元和布置于微控制器中的电压计分别与至少一个另外的相电流中的各个相电流关联，这些至少一个另外的检测单元中的各个检测单元对应于第一检测单元，使得电压分别存在于所述至少一个另外的检测单元依赖于分别关联的和检测的相电流的输出处；所述至少一个另外的检测单元的各个输出此外还连接到关联电压计的第一输入。

根据本发明的该发展，电机是多相交流电机，诸如像三相交流电机。向电机供应的相电流中的各单独相电流由在结构上与前述第一检测单元对应的分离检测单元检测。因此，第一检测单元的任何前述发展也适用于该至少一个另外的检测单元中的各检测单元。因此，向电机供应的各相电流可以由分别关联的检测单元检测，这些检测单元的每个将与检测的相电流对应的输出电压供应到微控制器用于电压测量。为此，微控制器除了差分电压计之外还具有至少一个另外的电压计。这至少一个另外的电压计可以采用具有一个输入的A-D转换器的形式；然而这至少一个另外的电压计也可以采用差分电压计的形式，诸如像西格玛-德尔塔A-D转换器。如果这样的差分电压计用于至少一个另外的电压计，则关联检测单元的输出电压所在的差分电压计第一输入可以是差分电压计的负输入，而差分电压计的正输入连接至地，其中电阻器可以连接于该正输入与地之间。

在本发明的一个发展中，滤波器单元设置于至少一个另外的检测单元的至少一个输出与分别关联的电压计的第一输入之间。

在第一检测单元与关联差分电压计之间的滤波器单元的上述发展适用于该滤波器单元。

在本发明的一个发展中，至少一个另外的电压计中的至少一个电压计是西格玛-德尔塔A-D转换器，该至少一个西格玛-德尔塔A-D转换器的第二输入接地，该至少一个西格玛-德尔塔A-D转换器的第一输入是负输入，该至少一个西格玛-德尔塔A-D转换器的第二输入是正输入。电阻器可以连接于该至少一个西格玛-德尔塔A-D转换器的正输入与地之间。

在本发明的一个发展中，微控制器和至少一个检测单元布置于电机保护开关中。

电机保护开关用以保护电机例如免于过载，微控制器用来监视向电机供应的至少一个电流，向电机供应的该至少一个电流由至少一个检测单元检测。该至少一个检测单元中的各个检测单元输出与分别检测的电流成比例的电压，该电压分别由微控制器内的一个电压计检测。基于至少一个检测电压，微控制器可以检查向电机供应的至少一个电流是否超过预定限制值，然后实现电机的过载断开。

因此，根据本发明用于测量第一电压和第二电压的方法和设备可以用来提供电机保护开关。在三相交流电机中，例如利用具有三个差分电压计的微控制器，就可以分别利用一个差分电压计来检测向电机供应的三相电流中的各相电流，除此之外还可以借助本发明利用并联的三个差分电压计其中之一来检测例如存在于充当热存储器的电容器处的第二电压。因此，微控制器可以利用仅三个差分电压计来检测四个电压，由此可以实现低成本的电机保护开关实施例。

在本发明的一个发展中，已知电压电势是接地电势。

附图说明

下文参照示出了两个示例实施例的附图具体说明本发明。

在附图中：

图1示出了根据本发明用于测量第一电压和第二电压的设备的实施例。

图2示出了根据本发明用于测量第一电压和第二电压的方法的流程图。

图3示出了根据本发明用于测量第一电压和第二电压的设备的又一实施例。

图4示出了用于说明根据本发明又一实施例中重复电压测量的电压图的例子。