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Montevideo, 27-29 de setiembre de 2006
IBERSENSOR 2006
Análisis, Diseño y Verificación Experimental de un Sensor Inteligente
para la Medida del Consumo Energético en una Línea de AC
Monofásica
D. Moro Pérez1, D. Ramírez Muñoz1, J. Sánchez Moreno1, S. Casans Berga1, E. Castro Montero2,
1
Dpto. Ingeniería Electrónica, Escuela Técnica Superior de Ingeniería,
Universidad de Valencia, C/ Doctor Moliner, 50, 46100-Burjassot, Valencia, Spain. ([email protected])
2
Dpto. Control Automático, Facultad de Ingeniería Eléctrica,
Universidad de Oriente, Avda. Las Américas, s/n, 90900-Santiago de Cuba, Cuba.
Abstract
Se ha diseñado un sistema de instrumentación para la medida de la potencia y de la energía activa, aparente y
reactiva que consume una carga a la que se aplica tensión de línea de AC monofásica. Para ello se ha utilizado
el sensor inteligente ADE7753 de Analog Devices. Se ha implementado un sensor de corriente de diseño propio
basado en una magnetorresistencia alimentada a corriente constante por un convertidor generalizado de
impedancias, con el fin de tener una tensión proporcional a la corriente que circula por la carga para la entrada
del canal de corriente del ADE7753. Todas las medidas que proporciona el ADE7753 son leídas a través del
puerto paralelo por el computador utilizando una rutina de LabVIEW, que procesará y presentará las lecturas al
usuario.
Keywords: Sensor inteligente, medida de potencia y energía, convertidor generalizado de impedancias,
convertidor frecuencia a digital.
I.
Fundamentos
I.B Sensores magnetorresistivos.
I.A Relaciones energéticas.
Cabe entender la potencia eléctrica como la energía
proporcionada por una fuente a una carga por
unidad de tiempo. Considerando una tensión
alterna v(t) de amplitud V0 aplicada a una carga
circulará por ella una corriente i(t) de amplitud I0
con un desfase respecto de la tensión φ. La
potencia instantánea en cada punto viene dada por
la ecuación:
p (t ) = v(t ) ⋅ i (t ) = Vo ⋅ I o ⋅ sin(ω ⋅ t ) ⋅ sin(ω ⋅ t + ϕ ) =
(1)
= Vo ⋅ I o ⋅ cos(ϕ ) + Vo ⋅ I o ⋅ cos( 2 ⋅ ω ⋅ t + ϕ )
La potencia activa es la energía que se aprovecha
para realizar un trabajo por la carga por unidad de
tiempo. Esta potencia es la que realmente es
consumida por los circuitos y cargas y es el
promedio temporal de la potencia instantánea.
P=
1
T
T
∫ p(t ) ⋅ dt = V ⋅ I
0
o
o
⋅ cos(ϕ ) .
(2)
La potencia reactiva es la empleada en la creación
de los campos eléctrico y magnético. Su expresión
es:
S = Vo ⋅ I o ⋅ sin(ϕ ) .
(3)
La potencia aparente es la suma de la energía que
se disipa en la carga en forma de calor o trabajo
(energía activa) por unidad de tiempo más la que se
emplea en formar los campos eléctrico y magnético
de la carga y viene dada por:
Q = Vo ⋅ I o .
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(4)
Si se aplica un campo magnético a un conductor
por el que circula una corriente eléctrica,
dependiendo de la dirección del campo, además de
la tensión, hay una reducción de corriente al ser
desviados algunos electrones de su trayectoria
produciéndose un aumento de la resistencia
eléctrica del conductor. Este efecto fue descubierto
por Kelvin en 1856 en hierro y níquel, pero sólo ha
tenido aplicación práctica en los últimos años. Este
efecto es debido al cambio del estado de
magnetización del conductor y depende de la
estructura de orbitales electrónicos sobre la
superficie de Fermi [1]. En la mayoría de
conductores el efecto magnetorresistivo es de
segundo orden comparado con el efecto Hall, pero
en los materiales anisótropos, como los
ferromagnéticos, al depender su resistencia del
estado de magnetización, el efecto de un campo
magnético es más acusado. La relación entre el
cambio de resistencia y el campo magnético es
cuadrática, pero es posible linealizarla mediante
distintas técnicas de polarización.
Hay varios tipos de fenómenos magnetorresistivos
que se deben a distintos mecanismos. La
designación de magnetorresistencia (MR) se aplica
a los efectos isótropos, mientras que en los
materiales
anisótropos
se
habla
de
magnetorresistencia de anisotropía (AMR).
Posteriormente nuevos efectos fueron descubiertos:
la magnetorresistencia gigante (GMR) y la
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magnetorresistencia colosal (CMR). En la Tabla 1
puede verse una comparativa del orden de
magnitud de los cambios en magnetorresistencia
que se producen en los distintos fenómenos
magnetorresistivos de uso tecnológico:
Tabla.1 Comparativa de los distintos efectos
magnetorresistivos
.
I.C Sensores inteligentes. Concepto y topologías.
Un sensor inteligente es un subsistema electrónico
que además de la función de sensado puede realizar
funciones de calibración (corrección de errores de
cero, de ganancia, de linealidad y de derivas),
autodiagnóstico (autotest), toma de decisiones
(procesamiento digital), comunicación (presencia
de interfaces digitales para configuración interna,
transmisión de información, calibración, control,
etc.) o alguna combinación de ellas [2-3]. El
concepto de sensor inteligente se extiende a un
nivel más amplio cuando se tiene en cuenta además
la presencia de microcontroladores o procesadores
digitales de la señal como subsistema procesador.
Desde un punto de vista práctico, es posible
disponer en un mismo encapsulado de varios de
estos bloques y así pueden considerarse varios tipos
o niveles de sensores inteligentes [4-5].
• Tipo I: El nivel más sencillo de sensor
inteligente es el que incluye el propio sensor y
el bloque de acondicionamiento de la señal.
Con esta disposición el sensor inteligente es
capaz de realizar funciones de procesamiento
analógico
(amplificación,
selección
de
ganancia, filtrado analógico, multiplexado,
etc.).
• Tipo II: En este caso, el sensor inteligente está
formado por el bloque de acondicionamiento y
la etapa de conversión A/D. No se dispone de
gran complejidad en este nivel pero es una
configuración más flexible al permitir conectar
el sensor que más interese. Por otro lado, al
disponer la información a la salida en formato
digital la interfaz con procesadores posteriores
(microcontroladores o procesadores digitales)
es inmediata [6].
• Tipo III: En este caso bajo un mismo
encapsulado se engloban los bloques de
conversión A/D y la unidad de procesamiento
(microcontrolador o procesador digital de la
señal). Esta última etapa permite que el sensor
realice las funciones de calibración,
autodiagnóstico y de toma de decisiones pues
ahora es posible mediante programación
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implementar rutinas software para estos fines.
La función de comunicación digital está
garantizada por cuanto el microcontrolador o el
procesador digital de la señal llevan
incorporados algún tipo de interfaz digital para
comunicaciones (salida de bits en serie o
paralelo, interfaces RS 232, SPI, I2C, etc.).
También disponen por lo menos de una interfaz
de comunicaciones analógica (salida 4-20 mA,
convertidor D/A o salida de pulsos modulados
en amplitud, entre otros casos).
• Tipo IV: En este nivel el sensor inteligente es
capaz de realizar las funciones de
acondicionamiento,
autodiagnóstico,
calibración y toma de decisiones. Es el nivel
más completo que puede tenerse pues salvo el
sensor se incorporan bajo un mismo
encapsulado todos los subsistemas hardware
necesarios. Además de los subsistemas de
acondicionamiento de la señal, conversión A/D
y procesamiento, se han incorporado a nivel
hardware
memorias,
registros
de
almacenamiento y lógica de control. Ello
permite que el procesador gane en sencillez y
se simplifiquen las rutinas de autodiagnóstico y
calibración. También en el mismo encapsulado
se disponen los bloques de interfaz para la
autocalibración, para comunicación digital y en
muchos casos se incorpora asimismo una
interfaz de comunicaciones analógica, [7]. El
sensor inteligente usado en este trabajo
pertenece al tipo IV como se verá a
continuación.
La familia ADE77xx: La firma Analog Devices
recientemente ha diseñado una serie de circuitos
integrados de complejidad creciente y por tanto de
capacidades mejoradas, dedicada a la medida de
energía/potencia entregada a una carga a través de
las líneas de distribución AC de 50 Hz. En sus
diferentes versiones, estos circuitos integrados
(monitores de energía) son en sí verdaderos
procesadores mixtos (analógicos/digitales) que
suministran información de la energía consumida,
potencia activa, reactiva y aparente y la transmiten
mediante interfaces de actuación (salida de pulsos
de frecuencia variable o en algún tipo de formato
de tipo serie). Todos los circuitos de la familia
tienen dos entradas una es proporcional a la tensión
en la carga y la otra de tensión proporcional a la
corriente que pasa por ella. El funcionamiento
básico consiste en digitalizar las señales
proporcionales a la tensión y corriente en la carga y
multiplicarlas, de tal manera que el resultado sea
proporcional a la potencia en la carga. En el
presente trabajo se ha utilizado el modelo
ADE7753 [8,9], ya que es el único que muestra
información sobre la energía aparente y la reactiva.
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El circuito ADE7753 es un procesador mixto capaz
de medir energía activa, aparente y reactiva y
transmitir la información mediante interfaz serie
[9]. La Figura 1 muestra el diagrama de bloques de
este procesador.
Figura 2. Diagrama de bloques del circuito UFDC-1.
II.
Figura 1. Diagrama de bloques del ADE7753.
Se puede apreciar que tiene dos entradas, V1 y V2,
correspondientes al canal de corriente y al de
tensión respectivamente. Luego vienen los
convertidores A/D que digitalizan las señales. A
continuación se realizan las diferentes operaciones
matemáticas para calcular las distintas medidas que
puede realizar y, finalmente, hay un bloque de
registros donde se guardan las medidas. A estos
registros se puede acceder vía serie. También
dispone de la salida pulsada CF de frecuencia
proporcional a la potencia activa. Incorpora
adicionalmente un sensor de temperatura que da
una medida de la temperatura del integrado.
I.D Conversión frecuencia-digital.
Aprovechando que el circuito ADE7753 tiene una
salida pulsada (CF) de frecuencia proporcional a la
potencia activa, se pretende medir esa frecuencia y
leer su valor mediante una rutina de LabVIEW.
Para ello, es de gran utilidad el integrado UFDC-1
(Universal frequency to digital converter) [10]. El
UFDC-1 es un sensor inteligente del tipo III
(Figura 2). Se trata de un convertidor
multifuncional de dos canales basado en un
algoritmo de conversión frecuencia-tiempo. Es
capaz de medir frecuencia, periodo, desfase entre
los dos canales, ciclo de trabajo, diferencia de
frecuencias, relación de frecuencias, anchura de un
pulso, entre otras magnitudes. Se puede variar la
precisión de la medida entre el 1% y el 0.001% de
error relativo. Puede usar comunicación serie
usando RS232, SPI ó I2C.
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Descripción del sistema
La Figura 4 muestra el diagrama de bloques general
del sistema de medida del consumo energético.
II.A Medida de la corriente.
Para diseñar el bloque de medida de corriente, hay
que tener en cuenta las especificaciones de la
entrada del canal de corriente del ADE7753 [9].
Según las especificaciones del ADE7753, la
entrada del canal de corriente debe ser una señal de
tensión proporcional a la corriente y de valor
máximo ±500 mV respecto del terminal AGND
(referencia analógica del ADE7753) para ganancia
1 del ADE7753, que es la ganancia que se ha
utilizado en este trabajo. La resistencia de entrada
mínima es de 390 kΩ.
Figura 3. Sensor magnetorresistivo ZMC10. [11]
Para la medida de la corriente se ha utilizado un
sensor magnetorresistivo formado por cuatro
magnetorresistencias configuradas en puente de
Wheatstone. En particular, el sensor utilizado es el
modelo ZMC10 de la firma Zetex (Figura 3) [11],
que se encuentra en esta aplicación alimentado a
corriente constante.
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Figura 4. Visión general del sistema.
La alimentación del sensor a corriente constante da
lugar a coeficientes de deriva térmica inferiores que
con la alimentación a tensión constante. El sensor
suministra una tensión proporcional a la corriente
que circula por la carga, la cual, debidamente
acondicionada, será la entrada de corriente del
circuito ADE7753. La Figura 5 muestra la
respuesta del sensor magnetorresistivo cuando es
alimentado a una corriente constante de 6 mA.
Figura 6. Configuración electrónica del circuito GIC. [12]
Figura 5. Respuesta del sensor ZMC10 a corriente alterna
cuendo es alimentado a corriente constante de 6 mA.
Para alimentar el sensor magnetorresistivo a
corriente constante se ha utilizado una fuente de
corriente (Figura 6) basada en un circuito
convertidor generalizado de impedancias (GIC)
[12]. Esta topología fue derivada a partir de un
girador. El circuito GIC está alimentado a una
tensión de 2,5 V que proporciona el amplificador
de instrumentación INA125 que se utilizará en el
acondicionamiento de la señal de corriente. Debido
a la estructura del circuito, la tensión de 2,5 V se
traslada hasta el potenciómetro R5. La corriente
que circule por este potenciómetro será la misma
que la que circule por el sensor magnetorresistivo.
El sensor se ha polarizado a una corriente constante
de 6 mA, para ello, basta con que la resistencia R5
tenga un valor de unos 417 Ω. En este caso se
colocará un potenciómetro de 1 kΩ para poder
ajustar este valor.
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II.B Acondicionamiento de la señal.
Antes de que la señal llegue al ADE7753 hay que
acondicionar la que llega del sensor ZMCD10. A
fondo de escala cuando circulan 5Arms por la carga,
el sensor ZMC10 proporciona 25 mVrms. Se
necesita
amplificar
esta
señal
hasta
aproximadamente 350 mVrms, para ello se ha
utilizado el amplificador de instrumentación
modelo INA125 de la firma Texas Instruments.
Además de ser un amplificador de instrumentación
proporciona una referencia de tensión de 2,5 V que
se utiliza para alimentar el circuito GIC.
II.C Medida de la tensión.
Para acondicionar el canal de tensión, no hay más
que atenuar la tensión en la carga para que esté
dentro del nivel tolerado por el ADE7753. Hay que
tener en cuenta las especificaciones del ADE7753,
es decir, el máximo de tensión es de ±500 mVrms. El
diseño ha consistido simplemente en un divisor de
tensión resistivo.
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II.D Procesamiento realizado por el circuito ADE7753.
Además de la salida para la comunicación serie, el
circuito ADE7753 también dispone de una salida
pulsada (CF) cuya frecuencia es proporcional a la
potencia activa que se consume en la carga. Esta
salida tiene como utilidad la calibración del
ADE7753, pero se utilizará, en una aplicación
original, para alimentar un contador con una
pantalla de cristal líquido. En ella se contarán los
pulsos de CF, lo que dará una medida de la energía
activa consumida en Joules. La frecuencia del pulso
CF se digitalizará con el circuito UFDC-1 y, una
vez adaptados los niveles de tensión TTL a RS232,
se leerá su valor por el puerto serie del computador.
El valor de la frecuencia de CF se utilizará para
calcular la potencia activa disipada en la carga.
El ADE7753 digitaliza las señales de tensión y
corriente y opera con ellas guardando los resultados
en distintos registros internos. Usando una
comunicación serie con el ADE7753 se puede
acceder a la lectura de estos registros donde se
guardan los valores de energía activa, energía
aparente, tensión efectiva, corriente efectiva, pico
de tensión, etc. También se puede escribir en los
registros de configuración del ADE7753 para
configurar ganancias o compensar offsets entre
otras operaciones. Esta comunicación serie se ha
efectuado a través del puerto paralelo del
computador.
Para la interacción del sistema con el usuario, se ha
creado un programa en LabVIEW, que se encarga
de las lecturas y escrituras de los registros del
ADE7753, de la lectura de la frecuencia de CF para
el cálculo de la potencia activa, de la presentación
de los resultados y de la programación de medidas.
El panel principal del programa de LabVIEW está
dividido en cinco paneles dos de los cuales se
muestran en las Figuras 7 y 8: ‘Tensión y
corriente’, ‘Potencia y energía’, ‘Configuración’,
‘Estadísticas’ y ‘Gráficas’.
•
Tensión y corriente: En este panel se
muestran las medidas de tensión y corriente en la
carga, tanto efectiva como de pico, pudiéndose
seleccionar unos umbrales para la activación de los
leds de alarma. También se muestra el periodo, la
frecuencia y el desfase entre la tensión y la
corriente, así como la temperatura del ADE7753.
•
Potencia y energía: En este panel (Figura
7), se muestran las potencias activa, aparente y
reactiva que se están disipando en la carga; la
lectura de los registros de energía activa y energía
activa consumida por la carga, dando la opción de
resetearlos, y el factor de potencia y la frecuencia
del pulso CF.
•
Configuración: En este panel se pueden
configurar distintos registros del ADE7753.
Además se puede ajustar el fondo de escala del
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canal de tensión para escalar las medidas,
proporcionando el valor de la resistencia que se
debe poner en el divisor resistivo del canal de
tensión para atenuar adecuadamente la tensión de
entrada en el ADE7753.
•
Estadísticas: En este panel se puede
configurar el modo programado de la toma de
medidas y el guardado de las medidas.
•
Gráficas: En este panel (Figura 8), se
muestran las gráficas de corriente efectiva, tensión
efectiva, potencia activa, potencia aparente, energía
activa y energía aparente en la carga frente al
tiempo que se van actualizando continuamente.
Figura 7 Panel de ‘Potencia y energía’.
Figura 8. Panel de ‘Gráficas’.
III.
Resultados
Se calibró el sistema con una carga resistiva a un
fondo de escala de tensión de 20 Vrms. Para
comprobar el buen funcionamiento del sistema se
han evaluado sus resultados con una tensión
máxima de 220 Vrms y una corriente máxima de 5
Arms con carga puramente resistiva (46 Ω) y con
carga capacitiva (2 mF) en paralelo con la anterior
resistiva. Se compararon entre otras magnitudes las
potencias activas con carga resistiva y activa y
aparente con carga capacitiva con las lecturas
obtenidas mediante un watímetro patrón.
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Tabla 3. Potencia activa con carga resistiva.
Carga resistiva (46 Ω)
Pac,teo(W)
Pac,exp(W)
εr(%)
19,4
19,3
0,515
77,3
77,2
0,129
173,6
175
0,806
308,3
308
0,097
548,4
547
0,255
773,9
774
0,012
1039
1040
0,096
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de control, configuración y adquisición de la
información procedente del sistema en LabVIEW
con una estructura jerarquizada de subrutinas.
Tabla 4. Potencias activas y aparentes con carga RC paralelo.
Carga RC (46 Ω//2 mF)
Pac,teo(W)
Pac,exp(W)
εr(%)
8,6
8,54
0,6976
54
53,7
0,5555
106
105
0,9433
174,9
174
0,5145
364,6
364
0,1645
485,5
486
0,1029
778
777
0,1285
Pap,teo(W)
Pap,exp(W)
εr(%)
9,8
9,75
0,5102
60,9
60,7
0,3284
119,3
119
0,2514
References
196,8
196
0,4065
410,3
410
0,0731
546,1
545
0,2014
875,7
876
0,0342
[1] Nickel, J.: “Magnetoresistive overview” HPL-95-60,
Hewlett Packard Co., Junio 1995.
[2] Travis, B.: “Smart Sensors”, EDN, 1996.
[3] Pallás, R, Webster, J. G.: “Sensors & Signal
Conditioning”, John Wiley, NY.
[4] Ramírez, D., Casans, S., Navarro, A. E., Salazar, A.:
“Sistemas de instrumentación y medida distribuidos (y
II)”, Mundo Electrónico, Junio 2003,nº 343.
[5] Ramírez, D., Casans, S., Navarro, A. E., Salazar, A.,
Castro, E.: “La función de transmisión en los sistemas de
instrumentación y medida distribuidos”, Eurofach
Electrónica, Marzo 2003, nº 318.
[6] Frank, R.: “Understanding smart-sensors”, Artech House
Pub., Boston, 1996.
[7] Makdessian, A., Parsons, M.: “DSSP-Based Pressure
Sensors”, Sensors, January 2001.
[1] Analog Devices: “ADE7753”. http://www.analog.com.
[9] Analog
Devices:
“EVALADE7753EB”.http://www.analog.com.
[2] Yurish, Sergei: “Universal Frequency-to-Code Converter
(UFDC-1). Specification and Application Notes” .Octubre
2004. http://www.sensorsportal.com.
[11] Zetex
Semiconductors:
“ZMC10D”.
http://www.zetex.com.
[3] Ramírez,D., Casans, S., Reig, C.: “Current loop
generated from a generalized impedance converter: a new
sensor signal conditioning circuit”. Review of Scientific
Instruments, 76, 1 (2005)
En las Tablas 2 y 3 se pueden apreciar los
resultados obtenidos. Se observa que el error
relativo de las medidas es menor al 1%. En la
Figura 9 se puede ver la comparación entre las
medidas teóricas y experimentales de las diferentes
energías de la experiencia con carga capacitiva.
IV.
Conclusiones
Se ha conseguido diseñar e implementar un sistema
de instrumentación para la medida de energía,
potencia, tensión y corriente que circulan por una
carga usando el sensor inteligente ADE7753 de
Analog Devices. Por otra parte, se ha
experimentado satisfactoriamente con el circuito
acondicionador de sensores GIC utilizando
asímismo el circuito integrado UFDC-1 para la
medida de frecuencia, creando el software
necesario en LabVIEW para la comunicación con
el PC. Se ha desarrollando finalmente un software
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Figura 9. Comparación de las energías activas teórica y
experimental consumidas en la carga capacitiva.
Agradecimientos
Los conocimientos expuestos han sido posibles
gracias al soporte financiero de los proyectos
ENE2005-08721-C04-03/ALT del Ministerio de
Educación y Ciencia y GR001/2005/0002441 de la
Consellería de Empresa, Universidad y Ciencia
(Generalitat Valenciana).
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