Меню

Компенсационные датчики тока тип it

Датчик тока

Содержание

Датчик тока предназначен для того, чтобы передать в систему автоматического управления сигнал, пропорциональный току, протекающему в силовой цепи или для преобразования тока до значения, удобного для измерения.

В настоящее время примерно 15 % всех электроприводов имеют инверторное управление, и это управление позволяет сэкономить до 50 % всей расходуемой электроэнергии. Однако векторное управление невозможно без контроля тока, напряжения и магнитного поля.

Наиболее распространенными сегодня способами измерения тока являются три метода:

  • метод прямого измерения с помощью токоизмерительного шунта;
  • косвенный метод с помощью трансформатора тока;
  • метод, основанный на основе эффекта Холла.

Метод прямого измерения – это наиболее часто применяемый метод, что объясняется простотой его использования и дешевизной. Прямое измерение тока обеспечивается включением в схему токочувствительного резистора (шунта), который имеет стабильный температурный коэффициент (ТКС менее 0,01 %).

Графическое изображение шунта представлено на рисунке 2.89 а , схема подключения – на рисунке 2.89 б.

Токовый шунт

Шунты изготовляют из манганина. Если шунт рассчитан на небольшой ток (до 30 А), то его обычно встраивают в корпус прибора (внутренние шунты). Для измерения больших токов используют приборы с наружными шунтами. В этом случае мощность, рассеиваемая в шунте, не нагревает прибор.

Шунт, представленные на рисунке, имеет наконечники из меди, которые служат для отвода тепла от манганиновых пластин, впаянных между ними. Шунт подключается последовательно в цепь через токовые зажимы. Измерительный механизм присоединяют к потенциальным зажимам, между которыми и заключено сопротивление шунта. При таком включении измерительного механизма устраняются погрешности от контактных сопротивлений.

Наружные шунты обычно выполняются калиброванными, т е. рассчитываются на определенные токи и падения напряжения. Калиброванные шунты должны иметь номинальное падение напряжения 10, 15, 30, 50, 60, 75, 100, 150 и 300 мВ. Для переносных магнитоэлектрических приборов на токи до 30 А внутренние шунты изготовляют на несколько пределов измерения. Большинство измерительных головок для шунтов откалибровано на напряжение в 75мВ.

Шунты разделяются на классы точности 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5. Число, определяющее класс точности, обозначает допустимое отклонение сопротивления шунта в процентах его номинального значения.

  • простота контракции;
  • хорошая линейность;
  • способность измерять постоянный и переменные токи;
  • отсутствие необходимости внешнего источника питания.
  • отсутствие гальванической развязки;
  • вносимые в цепь измерений потери;
  • при низких токах шунт должен иметь высокое сопротивление, чтобы падение напряжения на нем имело достаточную величину, что приводит к необходимости применения усилителя;
  • наличие паразитной индуктивности у большинства мощных резисторов приводит к ограничению полосы пропускания данного метода.

В конструктивном отношении трансформаторы тока выполнены в виде сердечника, шихтованного из холоднокатанной кремнистой трансформаторной стали, на которую наматываются одна или несколько вторичных изолированных обмоток. Первичная обмотка также может быть выполнена в виде катушки, намотанной на сердечник, либо в виде шины. В некоторых конструкциях вообще не предусмотрена встроенная первичная обмотка; первичная обмотка выполняется потребителем путём пропускания провода через специальное окно. Обмотки и сердечник заключаются в корпус для изоляции и предохранения обмоток. В некоторых современных конструкциях трансформаторов тока сердечник выполняется из нанокристаллических (аморфных) сплавов, для расширения диапазона, в котором трансформатор работает в классе точности.

Вторичные обмотки трансформатора тока обязательно нагружаются. Сопротивление нагрузки строго регламентировано требованиями к точности коэффициента трансформации. Незначительное отклонение сопротивления вторичной цепи от номинала приводит к изменению погрешности преобразования и возможно ухудшению измерительных качеств трансформатора. Значительное увеличение сопротивления нагрузки создает высокое напряжение во вторичной обмотке, достаточное для пробоя изоляции трансформатора, что приводит к выходу трансформатора из строя, а также создаёт угрозу жизни обслуживающего персонала. Кроме того, из-за возрастающих потерь в сердечнике магнитопровода, трансформатор начинает перегреваться, что также может привести к повреждению (или, как минимум, к износу) изоляции и дальнейшему её пробою. Полностью разомкнутая вторичная обмотка ТТ не создаёт компенсирующего магнитного потока в сердечнике, что приводит к перегреву магнитопровода и его выгоранию. При этом магнитный поток, созданный первичной обмоткой, имеет очень высокое значение и потери в магнитопроводе сильно нагревают его.

Коэффициент трансформации измерительных трансформаторов тока является их основной характеристикой. Номинальный (идеальный) коэффициент указывается на шильдике трансформатора в виде отношения номинального тока первичной (первичных) обмоток к номинальному току вторичной (вторичных) обмоток, например, 100/5 А или 10–15–50–100/5 А (для первичных обмоток с несколькими секциями витков). При этом реальный коэффициент трансформации несколько отличается от номинального. Это отличие характеризуется величиной погрешности преобразования, состоящей из двух составляющих – синфазной и квадратурной. Первая характеризует отклонение по величине, вторая отклонение по фазе вторичного тока реального от номинального. Эти величины регламентированы ГОСТами и служат основой для присвоения трансформаторам тока классов точности при проектировании и изготовлении. Поскольку в магнитных системах имеют место потери, связанные с намагничиванием и нагревом магнитопровода, вторичный ток оказывается меньше номинального у всех трансформаторов тока. В связи с этим для улучшения характеристик и внесения положительного смещения в погрешность преобразования применяют витковую коррекцию. А это означает, что коэффициент трансформации у таких откорректированных трансформаторов не соответствует привычной формуле, соотношений витков первичной и вторичной обмоток.

Графическое изображение трансформаторов тока представлено на рисунке 2.90 а , на рисунке 2.90 б – схема включения.

Трансформатор тока

Аналогичный метод измерений используется в датчиках, получивших название «пояс Роговского». Различие только в том, что «пояс Роговского» не имеет сердечника и поэтому его индуктивность меньше, чем у трансформаторов тока.

  • наличие гальваническая развязка с высоким пробивным напряжением;
  • может измерять токи в несколько кА;
  • высокая точность измерений.
  • работают на сетевой частоте и не могут использоваться в цепях постоянного тока;
  • изменяет фазу сигнала и требует компенсации.

Датчики на основе эффекта Холла

Датчики компенсационного типа и датчики прямого усиления основаны на использовании эффекта Холла, Генераторы Холла обладают определенной зависимостью чувствительности и начального выходного напряжения от температуры, тем не менее, эта зависимость может быть значительно компенсирована электронной схемой датчика тока.

Датчики прямого усиления используют эффект Холла. Магнитная индукция В и напряжение Холла, создаются измеряемым первичным током IP, который необходимо преобразовать в выходной ток датчика. Ток управления подается с помощью стабилизированного источника тока.

При создании датчика тока открытого типа берется магнитопровод, пропускается через него провод измеряемой цепи и в разрез магнитопровода помещается датчик Холла (рисунок 2.91).

Датчик тока на эффекте Холла открытого типа

Достоинством такого датчика является относительная простота. Недостатком – наличие подмагничивания сердечника, следовательно, повышение нелинейности показаний.

Датчики прямого усиления позволяют измерять номинальные токи от нескольких ампер до нескольких сотен килоампер с общей точностью в несколько процентов от номинального значения.

Датчики прямого усиления способны измерять постоянный, переменный ток и токи других форм с гальванической изоляцией. Они отличаются низкой потребляемой мощностью и уменьшенными геометрическими размерами, а также относительно небольшим весом, в особенности для диапазона больших токов. Они обеспечивают отсутствие внутренних потерь в измеряемой цепи и особенно устойчивы к перегрузкам. Эти датчики сравнительно недороги и в основном применяются в промышленности.

Датчики компенсационного типа , (также называемые датчиками с нулевым потоком) имеют встроенную компенсационную цепь, с помощью которой характеристики датчиков тока, использующих эффект Холла, могут быть существенно улучшены.

В то время как датчики прямого усиления дают выход напряжения, пропорциональный увеличенному напряжению Холла, компенсационные датчики обеспечивают выходной ток, пропорциональный напряжению Холла, который действует как сигнал обратной связи, чтобы компенсировать магнитное поле, создаваемое первичным током, магнитным полем, создаваемым полем выходного тока (рисунок 2.92).

Датчик тока на эффекте Холла компенсационного типа

Диапазон компенсационных датчиков позволяет измерять номинальные токи от нескольких ампер до нескольких сотен килоампер с точностью около 1 %.

Компенсационные датчики способны измерять постоянный ток, переменный ток и токи иной формы с гальванической развязкой.

Читайте также:  Электрический ток физика короткое замыкание

Они выделяются следующим:

  • отличная точность;
  • очень хорошая линейность;
  • малый температурный дрейф;
  • очень быстрое время отклика и широкий частотный диапазон;
  • не приводят к дополнительным потерям в измерительной цепи.

Токовый выход этих датчиков особенно приспособлен к применению при наличии помех окружающей среды. При необходимости очень легко преобразовать сигнал датчика в напряжение. Датчики выдерживают перегрузки тока без повреждений. Эти датчики особенно хорошо подходят к промышленному применению, когда требуется высокая точность и широкий частотный диапазон. Основным недостатком этой технологии является потребление мощности на компенсацию тока. Кроме того, для диапазона высоких токов эти датчики более дорогие и имеют большие габариты по сравнению с аналогичными датчиками прямого усиления. Несмотря на это, датчики компенсационного типа являются относительно дешевыми, особенно для диапазона малых токов.

  • широкий диапазон измеряемых токов с частотой до 50–100кГц и выше;
  • измеряет постоянный и переменный ток;
  • гальваническая развязка;
  • высокая точность;
  • низкий температурный дрейф;
  • линейность;
  • небольшие масса-габаритные показатели;
  • низкое энергопотребление.
  • высокая стоимость.

Литература

Элементы и функциональные устройства судовой автоматики — Авдеев Б.А. [2018]

Источник



Датчики электрического тока

Глобальные тренды — спрос на снижение выбросов CO2, повышение интенсивности энергосбережения — приводят к необходимости сбалансированного потребления энергии, для чего большую помощь могут оказать электронные схемы управления процессами. Наиболее распространённые случаи — это оптимизация эксплуатационных характеристик аккумуляторов, контроль скорости вращения двигателей и переходных процессов в серверах, управление солнечными батареями. Для операторов таких систем важно, в частности, знать, какой ток протекает в цепи. Неоценимую помощь в этом могут оказать датчики тока.

практика применения датчиков тока

Почему необходимы датчики тока

Датчиками называют блоки, задача которых измерить некоторый параметр, а потом, сравнив его с эталонным для данной технической системы значением, подать соответствующий сигнал на исполнительный элемент схемы. Поскольку большинство систем используют электродвигатели, то наиболее распространёнными типами являются датчики тока и напряжения (общий вид последнего представлен на следующем рисунке).

Широкое внедрение таких устройств обусловлено развитием сенсорных методов управления, когда исходный сигнал — электрический или оптический — преобразуется в необходимые параметры управления.

По сравнению в другими управляющими технологиями (например, контакторного контроля) датчики обеспечивают следующие преимущества:

  1. Компактность.
  2. Безопасность в применении.
  3. Высокую точность.
  4. Экологичность.

датчик напряжения в сборе

Малые размеры и вес часто позволяют изготавливать многофункциональные датчики, например, такие, которые могут контролировать несколько параметров цепи. Таковыми являются современные датчики тока и напряжения.

В состав таких детекторов входят:

  • Контактные группы входа;
  • Контактные группы выхода;
  • Шунтирующий резистор;
  • Усилитель сигнала;
  • Несущая плата;
  • Блок питания.

Идея того, что устройства можно подключать к уже имеющейся сети, не выдерживает проверку временем, ибо часто в экстремальных ситуациях (пожар, взрыв, землетрясение) именно системы встроенного электроснабжения первыми выходят из строя.

Детекторы подразделяют на активные и пассивные. Первые не только передают конечный сигнал на управляющий элемент, но и управляют его действием.

Классификация и схемы подключения

Датчики тока предназначаются для оценки параметров постоянного и/или переменного тока. Сравнение выполняется двумя методами. В первом случае используется закон Ома. При установке шунтирующего резистора в соответствии с нагрузкой системы на нём создаётся напряжение, пропорциональное нагрузке системы. Напряжение на шунте может быть измерено дифференциальными усилителями, например, токовыми шунтирующими, операционными или разностными. Такие устройства используются для нагрузок, которые не превышают 100 А.

Измерение переменного тока выполняется в соответствии с законами Ампера и Фарадея. При установке петли вокруг проводника с током там индуцируется напряжение. Этот метод измерения используется для нагрузок от 100 А до 1000 А.

Схема описанных измерений представлена на рисунке:

слева – измерение малых токов; справа - измерение больших токов

Измерение обычно производится при низком входном значении синфазного напряжения. При помощи чувствительного резистора датчик тока соединяется между нагрузкой и землей. Это необходимо, поскольку синфазное напряжение всегда учитывает наличие операционных усилителей. Нагрузка обеспечивает питание прибора, а выходное сопротивление заземляется. Недостатками данного способа считаются наличие помех, связанных с потенциалом нагрузки системы на землю, а также невозможность обнаружения коротких замыканий.

Для слежения работой мощных систем детектор присоединяют к усилителю между источником питания и нагрузкой. В результате непосредственно контролируются значения параметров, подаваемых источником питания. Это позволяет идентифицировать возможные короткие замыкания. Особенность подключения заключается в том, что диапазон синфазного напряжения на входе усилителя должен соответствовать напряжению питания нагрузки. Перед измерением выходного сигнала контролируемого устройства нагрузка заземляется.

Как функционирует датчик тока

Работа данного элемента включает следующие этапы:

  1. Измерение нагрузки в контролируемой схеме.
  2. Сравнение полученного значения с эталонным, которое программируется в процессе настройки.
  3. Фиксация полученного результата (может быть выполнена в цифровом или аналогом виде).
  4. Передача данных на панель управления.

Для выполнения указанных функций (в частности, реализации высокой точности измерений) к элементам детектора предъявляются следующие требования:

  • Допустимое падение напряжения на шунтирующем резисторе должно быть не более 120…130 мВ;
  • Температурная погрешность не может быть выше 0.05 %/°С и не изменяться во времени работы;
  • В функциональном диапазоне значений характеристики сопротивления резисторов должны быть линейными;
  • Способ пайки токочувствительных резисторов на плату не может увеличивать общее сопротивление схемы подключения.

Монтажные схемы устройств, которые предназначены для контроля цепей постоянного и переменного тока представлены соответственно на рисунках.

Подключение датчика постоянного тока

подключение датчика переменного тока

Практика применения

Чаще всего данные изделия используются как измерители в схемах токовых реле, которые управляют режимами работы различного электроприводного оборудования и предохраняют его от экстремальных ситуаций.

Токовые реле способны защитить любое механическое устройство от заклинивания или других условий перегрузки, которые приводят к ощутимому увеличению нагрузки на двигатель. Функционально они определяют уровни тока и выдают выходной сигнал при достижении указанного значения. Такие реле используются для:

  • Сигнала сильноточных условий, например, забитая зёрнами доверху кофемолка;
  • Некоторых слаботочных условий, например, работающий насос при низком уровне воды.

Чтобы удовлетворить требования разнообразного набора приложений, в настоящее время используется блочный принцип компоновки датчиков, включая применение USB-разъёмов, монтаж на DIN-рейку и кольцевые исполнения устройств. Это обеспечивает выполнение следующих функций:

  • Надёжную работу на любых режимах эксплуатации;
  • Возможность применения трансформаторов;
  • Регулировка текущих параметров, которые могут быть фиксированными или регулируемыми;
  • Аналоговый или цифровой выход, включая и вариант с коротким замыканием;
  • Различные исполнения блоков питания.

В качестве примера рассмотрим схему датчика тока для управления работой водяного насоса, обеспечивающего подачу воды в дом.

отключение питающего насоса датчиком тока при низком уроне воды в резервуаре

Кавитация — это разрушительное состояние, вызванное присутствием пузырьков, которые образуются, когда центробежный насос или вертикальный турбинный насос работает с низким уровнем жидкости. Образующиеся пузырьки затем лопаются, что приводит к точечной коррозии и разрушению исполнительного узла насоса. Подобную ситуацию предотвращает токовое реле.

Когда насос работает в нормальном режиме, и жидкость полностью перекрывает его впускное отверстие, двигатель насоса потребляет номинальный рабочий ток. В случае снижения уровня воды потребляемый ток уменьшается. Если кнопка запуска нажата, одновременно включаются стартёр M и таймер TD. Реле CD настроено на максимальный ток, поэтому его контакт при первоначальном запуске двигателя не будет замкнут. При падении силы тока ниже установленного минимума реле включается, а, после истечения времени ожидания TD, включается в его нормально замкнутый контакт. Соответственно контакты CR размыкаются и обесточивают двигатель насоса.

Применение такого детектора исключает автоматический перезапуск насоса, поскольку оператору необходимо убедиться в том, что уровень жидкости перед впускным отверстием достаточен.

Датчик тока своими руками

Если приобрести стандартный датчик (наиболее известны конструкции от торговой марки Arduino) по каким-то соображениям невозможно, устройство можно изготовить и самостоятельно.

датчик тока фирмы Arduino. Стрелкой указан USB-разъём

  1. Операционный усилитель LM741, или любой другой, который мог бы действовать как компаратор напряжения.
  2. Резистор 1 кОм.
  3. Резистор 470 Ом.
  4. Светодиод.

Общий вид устройства в сборе, сделанного своими руками, представлен на следующем рисунке. В данной схеме используется эффект Холла, когда разность управляющих потенциалов может изменяться при изменении месторасположения проводника в электромагнитном поле.

Читайте также:  Вольтметры переменного тока 400 в

самодельный датчик тока

Видео по теме

Источник

Как измерить напряжение и ток в силовых преобразователях

Прежде чем дать развернутый ответ на вопрос, содержащийся в заголовке, давайте разберемся, зачем специалисту в области силовой преобразовательной техники уделять этой проблеме достаточно много внимания. Первая мысль, которая придет нам в голову при ответе на вопрос «зачем», — это мысль о необходимости визуального контроля параметров токов и напряжений, формируемых статическими преобразователями. Другими словами, человек, эксплуатирующий преобразовательную технику, не должен лишаться возможности оценить эти основные параметры в любой момент времени и принять после соответствующей ситуационной оценки решение, например, перевести прибор в другой режим работы или вообще отключить его. Самый простой вариант здесь — это установка на лицевую панель статического преобразователя измерительных приборов (стрелочных или цифровых) Вариант посложнее: оцифровка параметров напряжения и тока встроенным аналого-цифровым преобразователем и передача их в цифровом виде по стандартному протоколу на централизованное устройство контроля. Возможны и другие варианты, облегчающие контроль работоспособности приборов. В любом случае задачи эти тривиальны, а значит, любой инженер справится с ними без труда. Наш разговор не об этом.

Гораздо важнее вспомнить, что стабилизация и регулирование параметров статических преобразователей, внутренняя автоматизированная диагностика режимов его работы невозможна без элементов обратной связи, в составе которых обязательно присутствуют узлы, измеряющие напряжения и токи. Ранее мы уже говорили о том, что электрические схемы статических преобразователей содержат как сильноточные силовые цепи, так и сигнальные управляющие цепи, токи в которых могут отличаться на несколько порядков. Соответственно, необходимо обеспечить гальванические развязки между этими цепями, чтобы в максимальной степени исключить влияние силовых цепей на управляющие сигналы. Как обеспечить такие требования с помощью достаточно простых мер — об этом мы поговорим в текущей главе.

Практически невозможно представить современный силовой статический преобразователь электроэнергии, в котором не окажется ни одного датчика тока и напряжения. Более того, реализовать надежное и функциональное изделие силовой электроники без этих самых датчиков — задача практически невыполнимая. Датчики тока и напряжения просто необходимы: они отслеживают величину входного питающего напряжения, потребляемый ток, осуществляют формирование сигналов для узлов стабилизации выходных параметров, диагностируют различные аварийные режимы типа короткого замыкания, перегрузки, выхода параметров тока и напряжения за допустимые пределы.

Напомним, что классический способ измерения токов заключается во включении в измеряемую цепь резистора с небольшим активным сопротивлением, или, как его традиционно называют, — шунта. Такой способ годится для применения и в сигнальных цепях, и в силовых. Однако в том случае, если шунт является переходным элементом между силовой и сигнальной цепями, может возникнуть неприятная ситуация, связанная с затеканием силового тока в измерительные цепи, что приводит не только к возникновению дополнительной погрешности измерения, но может стать причиной аварийного выхода из строя преобразователя. На рис. 2.5.1 эта ситуация иллюстрируется наглядно.

Хорошо видно, что измерительное напряжение Um является итогом суммы силового тока /с и измерительного тока icc. Кроме того, в схеме обязательно присутствует паразитная индуктивность шунта Ьш, а также паразитная индуктивность подводящих проводов (на рисунке она не показана). Падение напряжения на этих паразитных элементах также

включается в измеренное напряжение Um9 формируя ошибку измерения. Названные недостатки прямого измерения токовых сигналов привели к тому, что этот способ при разработке мощной преобразовательной техники практически не используется.

Подавляющее число схем статических преобразователей ныне строится с применением бесконтактных датчиков тока (и напряжения), основанных на эффекте Холла. Эффект Холла был открыт в 1879 г., но из-за значительной температурной и электрической нестабильности его реальное использование стало возможным только сегодня, когда в состав измерительного тракта с датчиком Холла стали включать электронные схемы стабилизации.

На рис. 2.5.2 поясняется физический смысл действия эффекта Холла. Полупроводниковая пластина помещается в магнитное поле, создаваемое проводником с током. Магнитный поток В формирует силу Лоренца, действующую на подвижные заряды, находящиеся в пластине полупроводника, что ведет к изменению их числа на концах пластины. Taким образом, на концах пластины образуется разность потенциалов UH, величина которой пропорциональна величине протекающего тока. Эта разность потенциалов называется напряжением Холла. Величина разности потенциалов может быть рассчитана из соотношения:

где К — константа Холла, зависящая от материала полупроводника; d — толщина пластины, ic — величина тока управления;

В — магнитная индукция.

Существует несколько типов датчиков тока, в основе которых заложено использование элемента Холла. Первый тип датчика называется датчиком прямого усиления. Принцип его действия показан на рис. 2.5.3.

Рис. 2.5.3. Датчик прямого усиления на основе элемента Холла

В основе датчика лежит кольцевой ферромагнитный магнитопровод, в зазоре которого установлен элемент Холла. Через окно магнитопровода проходит проводник с измеряемым током ip. Силовые линии магнитного поля с величиной индукции В замыкаются внутри магнитопровода. Ток управления датчиком /с генерируется встроенным токовым генератором с высокой стабильностью. Измеряемый сигнал UH усиливается электронной схемой и подается на выход датчика. С учетом всех констант, входящих в математическое выражение, описывающее физические процессы в датчике, величина выходного напряжения будет линейно зависеть от величины протекающего силового тока:

где z — константа датчика.

Датчики прямого усиления могут измерять как постоянные, так и переменные токи. Они сравнительно просты по схемам своего построения, выдерживают значительные токовые перегрузки и отличаются небольшим собственным потреблением тока. Немаловажным для серийного производства статических преобразователей также является их низкая стоимость. Разработчику следует запомнить, что датчики прямого усиления формируют выходной сигнал в виде напряжения.

В ряде случаев, однако, от датчика тока требуется формирование выходного токового сигнала, пропорционального измеряемому току. Для решения этих задач разработан другой тип датчика, называемый компенсационным. На рис. 2.5.4 показан принцип действия компенсационного датчика Холла.

Рис. 2.5.4. Датчик компенсационного типа на основе элемента Холла

Отличие его от датчика прямого усиления заключается в наличии дополнительной компенсационной обмотки, размещенной на кольцевом магнитопроводе. Сформированный датчиком Холла сигнал преобразуется в ток компенсации /5, который подается в обмотку компенсации. Магнитное поле, образуемое током компенсации, стремится свести к нулевому магнитный поток в магнитопроводе. По величине тока компенсации можно судить о величине измерительного тока в соответствии со следующей зависимостью:

где Np — число витков проводника с силовым током, проходящих через окно магнитопровода датчика;

Ns — число витков компенсационной обмотки.

Понятно, что число витков обоих обмоток — это конструктивный параметр, который задается при разработке датчика, и не может быть каким-то образом изменен при его использовании в качестве элемента силовой схемы преобразователя. То есть, их отношение — есть константа, а значит, выходной ток компенсационного датчика будет прямо пропорционален измеряемому току, то есть изменяться по линейному закону.

В чем преимущество датчиков компенсационного типа перед датчиками прямого усиления? Так как компенсационные датчики работают в режиме нулевой индукции магнитопровода, это позволяет исключить влияние нелинейности ферромагнетика и значительно повысить точность преобразования. К другим достоинствам компенсационных датчиков относятся: малый температурный дрейф, малое время отклика, широкий диапазон частот, возможность работы в режиме выдачи выходного сигнала тока и сигнала напряжения. К недостаткам компенсационных датчиков относят увеличенные габариты (по сравнению с датчиками прямого преобразования) и более высокую стоимость.

В подавляющем большинстве случаев технические параметры названных двух типов датчиков должны устроить разработчиков стандартной преобразовательной техники. Ну а если разработчика все же не удовлетворяют быстродействие, температурная стабильность датчика компенсационного типа? Тогда придется обратить внимание на модифицированные компенсационные датчики С-типа, позволяющие с высокой точностью измерить, кроме всего прочего, и дифференциальные силовые токи. Устройство компенсационных датчиков С-типа показано на рис. 2.5.5.

Читайте также:  Ооо электротехническая компания эта ток

Измерительный узел датчика С-типа составляют два идентичных кольцевых магнитопровода с равным количеством витков компенса-

ционных обмоток, включенных последовательно. Генератор прямоугольных импульсов формирует двуполярный меандр, который подается на обмотку компенсации и складывается с компенсирующим током. Средняя точка компенсационных обмоток подключена к фильтру нижних частот, который сглаживает ток компенсации. Триггер меняет полярность выходного сигнала генератора при возникновении насыщения в магнитопроводах. Таким образом, гистерезисная кривая магнитопроводов становится симметричной с высокой степенью точности, а ток в одной из обмоток компенсации — строго пропорциональным измеряемому току в соответствии с выражением

(2.5.3) . Далее токовый выходной сигнал преобразуется с помощью конвертора «ток—напряжение» в выходной сигнал датчика.

Преимущество компенсационных датчиков С-типа по сравнению со стандартными компенсационными датчиками очевидно: если последние обеспечивают работу в частотном диапазоне до 150 кГц при типовой нелинейности 0,5…1,0 %, то датчики С-типа позволяют работать в диапазоне до 500 кГц при типовой нелинейности до 0,1 %.

И, наконец, при необходимости обеспечения очень жесткой температурной стабильности, помехозащищенности и линейности, можно применить компенсационные датчики IT-типа (рис. 2.5.6).

Как и в предыдущем случае, компенсация магнитного потока в магнитопроводах осуществляется с помощью обмоток компенсации. Однако в данном случае в схеме предусмотрен специальный узел детектора

нулевого потока, имеющий два магнитопровода. Эти магнитопроводы конструктивно установлены так, чтобы обеспечивать нулевой поток в главном (измерительном) магнитопроводе. Если в основном магнитопроводе поток отличен от нулевого, компенсационные магнитопроводы входят в насыщенное состояние несимметрично, что приводит к появлению двух асимметричных токов с разным гармоническим составом, причем один из магнитопроводов всегда будет находиться в менее насыщенном состоянии, чем второй. При суммировании двух токовых сигналов результирующий сигнал окажется насыщенным только гармониками измерительного тока. Компенсационныедатчики ГГ-типа позволяют обеспечить температурную стабильность порядка 0,00003 % на градус Цельсия и линейность около 0,001 %. Для сравнения, у компенсационныхдатчиков С-типа этот параметр составляет 0,01 % на градус Цельсия.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Источник

Датчик тока

Для того чтобы успешно автоматизировать различные технологические процессы, эффективно управлять приборами, устройствами, машинами и механизмами, нужно постоянно измерять и контролировать множество параметров и физических величин. Поэтому неотъемлемой частью автоматических систем стали датчики, обеспечивающие получение информации о состоянии контролируемых устройств.

  1. Классификация датчиков
  2. Принцип действия
  3. Основные виды датчиков тока
  4. Датчики прямого усиления (O/L)
  5. Датчики тока (Eta)
  6. Датчики тока компенсационные (C/L)
  7. Датчики тока компенсационные (тип С)
  8. Датчики тока PRIME
  9. Датчики тока (тип IT)
  10. Преимущества датчиков тока в современных схемах

Классификация датчиков

По своей сути каждый датчик является составной частью регулирующих, сигнальных, измерительных и управляющих приборов. С его помощью преобразуется та или иная контролируемая величина в определенный тип сигнала, позволяющий измерять, обрабатывать, регистрировать, передавать и хранить полученную информацию. В некоторых случаях датчик может оказывать воздействие на подконтрольные процессы. Всеми этими качествами в полной мере обладает датчик тока, используемый во многих устройства и микросхемах. Он преобразует воздействие электрического тока в сигналы, удобные для дальнейшего использования.

Датчик тока

Датчики, применяемые в различных устройствах, классифицируются в соответствии с определенными признаками. По возможности измерений входных величин, они могут быть: электрическими, пневматическими, датчиками скорости, механических перемещений, давления, ускорения, усилия, температур и других параметров. Среди них измерение электрических и магнитных величин занимает примерно 4%.

Каждый датчик преобразует входную величину в какой-либо выходной параметр. В зависимости от этого, контрольные устройства могут быть неэлектрическими и электрическими.

Среди последних чаще всего встречаются:

  • Датчики постоянного тока
  • Датчики амплитуды переменного тока
  • Датчики сопротивления и другие аналогичные приборы.

Основным достоинством электрических датчиков является возможность передачи информации на определенные расстояния с высокой скоростью. Применение цифрового кода обеспечивает высокую точность, быстродействие и повышенную чувствительность измерительных приборов.

Принцип действия

По принципу работы все датчики разделяются на два основных вида. Они могут быть генераторными – непосредственно преобразующими входные величины в электрический сигнал. К параметрическим датчикам относятся устройства, преобразующие входные величины в измененные электрические параметры самого датчика. Кроме того, они могут быть реостатными, омическими, фотоэлектрическими или оптико-электронными, емкостными, индуктивными и т.д.

К работе всех датчиков предъявляются определенные требования. В каждом устройстве входная и выходная величина должны находиться в непосредственной зависимости между собой. Все характеристики должны быть стабильными во времени. Как правило эти приборы отличаются высокой чувствительностью, небольшими размерами и массой. Они могут работать в самых разных условиях и устанавливаться различными способами.

Основные виды датчиков тока

Датчиками тока являются устройства, с помощью которых определяется сила постоянного или переменного тока в электрических цепях. В их конструкцию входят магнитопровод с зазором и компенсационной обмоткой, датчик Холла, а также электронная плата, выполняющая обработку электрических сигналов. Основным чувствительным элементом служит датчик Холла, закрепляемый в зазоре магнитопровода и соединяемый со входом усилителя.

Принцип действия в целом одинаковый для всех подобных устройств. Под действием измеряемого тока возникает магнитное поле, затем, с помощью датчика Холла осуществляется выработка соответствующего напряжения. Далее это напряжение усиливается на выходе и подается на выходную обмотку.

Датчики прямого усиления (O/L)

Обладают небольшими размерами и массой, низким энергопотреблением. Диапазон преобразований сигналов существенно расширен. Позволяет избежать потерь в первичной цепи. Работа устройства базируется на магнитном поле, которое создает первичный ток Ip. Далее происходит концентрация магнитного поля в магнитной цепи и его дальнейшее преобразование элементом Холла в воздушном зазоре. Сигнал, полученный с элемента Холла усиливается и на выходе образуется пропорциональная копия первичного тока.

Датчики тока (Eta)

Характеризуются широким диапазоном частот и расширенным диапазоном преобразований. Преимуществами данных устройств является низкое энергопотребление и незначительное время задержки. Работа устройства поддерживается однополярным питанием от 0 до +5 вольт. Действие прибора основано на комбинированной технологии, в которой используется компенсационный тип и прямое усиление. Это способствует существенному улучшению характеристик датчика и более сбалансированному функционированию.

Датчики тока компенсационные (C/L)

Отличаются широким диапазоном частот, высокой точностью и малым временем задержки. У приборов этого типа отсутствуют потери первичного сигнала, у них отличные характеристики линейности и низкий температурный дрейф. Компенсация магнитного поля, создаваемого первичным током Ip, происходит за счет такого же поля, образующегося во вторичной обмотке. Генерация вторичного компенсирующего тока осуществляется элементом Холла и электроникой самого датчика. В конечном итоге, вторичный ток представляет собой пропорциональную копию первичного тока.

Датчики тока компенсационные (тип С)

Несомненными достоинствами этих приборов является широкий диапазон частот, высокая точность информации, отличная линейность и сниженный температурный дрейф. Кроме того, данные приборы могут измерять дифференциальные токи (CD). Они обладают высокими уровнями изоляции и пониженным влиянием на первичный сигнал. Конструкция состоит из двух тороидальных магнитопроводов и двух вторичных обмоток. В основе работы датчиков лежит компенсация ампер-витков. Ток с небольшим значением из первичной цепи проходит через первичный резистор и первичную обмотку.

Датчики тока PRIME

Для преобразования переменного тока используется широкий динамический диапазон. Прибор отличается хорошей линейностью, незначительными температурными потерями и отсутствием магнитного насыщения. Преимуществом конструкции являются небольшие габариты и вес, высокая устойчивость к различным видам перегрузок. Точность показаний не зависит от того как в отверстии расположен кабель и не подвержена влиянию внешних полей. В этом датчике используется не традиционная разомкнутая катушка, а измерительная головка с сенсорными печатными платами.

Каждая плата состоит из двух раздельных катушек с воздушными сердечниками. Все они смонтированы на единую базовую печатную плату. Из сенсорных плат формируются два концентрических контура, на выходах которых суммируется наведенное напряжение. В результате, получается информация о параметрах амплитуды и фазы измеряемого тока.

Источник