Войти
Схема гальванометра типа Д'Арсонваль / Вестон. Когда ток течет от клеммы + катушки к клемме -, в катушке создается магнитное поле, которому противодействует постоянный магнит и заставляет катушку скручиваться. перемещение указателя относительно напряженности поля, вызванного протеканием тока. В электротехнике, измерение тока - это любой из нескольких методов, используемых для измерения электрического тока. Диапазон измерения тока составляет от пикоампер до десятков тысяч ампер. Выбор метода измерения тока зависит от таких требований, как величина, точность, полоса пропускания, надежность, стоимость, изоляция или размер. Текущее значение может быть непосредственно отображено прибором или преобразовано в цифровую форму для использования системой мониторинга или управления.
Методы измерения тока включают шунтирующий резистор, трансформаторы тока и катушки Роговского, преобразователи на основе магнитного поля и другие.
Датчик тока - это устройство, которое обнаруживает электрический ток в проводе и генерирует сигнал, пропорциональный этому току. Сгенерированный сигнал может быть аналоговым напряжением, током или цифровым выходом. Сгенерированный сигнал затем может быть использован для отображения измеренного тока в амперметре, или может быть сохранен для дальнейшего анализа в системе сбора данных, или может быть использован для управления.
Измеряемый ток и выходной сигнал могут быть:
Современные сенсорные технологии должны удовлетворять различным требованиям для различных приложений. Как правило, общие требования:
Измерение электрического тока может быть классифицируются в зависимости от основных фундаментальных физических принципов, таких как,
Датчик тока на эффекте Холла - это тип датчика тока, основанный на явлении эффекта Холла, открытом Эдвином Холлом в 1879 году. Эффект Холла Датчики тока могут измерять переменный, постоянный или пульсирующий ток.
.
Закон Ома - это наблюдение, согласно которому падение напряжения на резисторе пропорционально протекающему через него току.
Это соотношение может использоваться для определения токов. Датчики, основанные на этой простой взаимосвязи, известны своей более низкой стоимостью и надежностью благодаря этому простому принципу.
Шунтирующий резистор Обычным и простым подходом к измерению тока является использование шунтирующего резистора. Падение напряжения на шунте пропорционально протеканию тока. И переменный ток (AC), и постоянный ток (DC) можно измерять с помощью шунтирующего резистора. Коаксиальный шунт с высокими рабочими характеристиками широко использовался во многих приложениях, для быстрых переходных токов с быстрым нарастанием и большой амплитуды, но высокоинтегрированные электронные устройства предпочитают недорогие устройства поверхностного монтажа (SMD) из-за их небольших размеров и относительно низкой цены. Паразитная индуктивность , присутствующая в шунте, влияет на высокоточное измерение тока. Хотя это влияет только на величину импеданса на относительно высокой частоте, но также его влияние на фазу на частоте сети вызывает заметную ошибку при низком коэффициенте мощности. Низкая стоимость и высокая надежность делают токовые шунты с низким сопротивлением очень популярным выбором для систем измерения тока. Основным недостатком использования шунта является то, что шунт по сути является резистивным элементом, поэтому потеря мощности пропорциональна квадрату тока, проходящего через него, и, следовательно, это редкость среди измерений больших токов. Быстрый отклик для измерения импульсных или сильных импульсных токов - обычное требование к шунтирующим резисторам. В 1981 году Малевски разработал схему для устранения скин-эффекта, а позже, в 1999 году, был представлен сэндвич-резистор с плоской лентой (FSSS). Характеристики FSSS с точки зрения времени отклика, потерь мощности и частотных характеристик такие же, как и у шунтирующего резистора, но его стоимость ниже, а метод построения менее сложен, чем у резистора Malewski и коаксиального шунта.
Собственное сопротивление проводящего элемента, обычно медного следа на печатной плате (PCB ), может использоваться в качестве чувствительного элемента вместо шунта резистор. Поскольку не требуется дополнительного резистора, этот подход обещает недорогую и экономящую место конфигурацию без дополнительных потерь мощности. Естественно, падение напряжения на медной дорожке очень низкое из-за ее очень низкого сопротивления, что делает обязательным наличие усилителя с высоким коэффициентом усиления для получения полезного сигнала. Существует несколько физических эффектов, которые могут изменить процесс измерения тока: тепловой дрейф медного следа, начальные условия сопротивления следа и т. Д. Поэтому этот подход не подходит для приложений, требующих разумной точности из-за большого теплового дрейфа. Чтобы преодолеть проблемы, связанные с температурным дрейфом, можно использовать цифровой контроллер для компенсации теплового дрейфа и калибровки медной трассы. Существенным недостатком датчика тока такого типа является неизбежное электрическое соединение между измеряемым током и цепью считывания. Гальваническая развязка может быть добавлена за счет использования так называемого развязывающего усилителя. Однако эти усилители дороги, а также могут ухудшить полосу пропускания, точность и температурный дрейф исходной техники измерения тока. По этим причинам методы измерения тока, основанные на физических принципах, которые обеспечивают внутреннюю электрическую изоляцию, обеспечивают лучшую производительность при меньших затратах в приложениях, где требуется изоляция.
Закон индукции Фарадея - который гласит: полная электродвижущая сила, индуцированная в замкнутой цепи, пропорциональна скорости изменения во времени общего магнитного потока, связывающего схема - широко используется в методах измерения тока. Двумя основными чувствительными устройствами, основанными на законе Фарадея, являются трансформаторы тока (ТТ) и катушки Роговского. Эти датчики обеспечивают внутреннюю электрическую изоляцию между измеряемым током и выходным сигналом, что делает использование этих датчиков тока обязательными там, где стандарты безопасности требуют гальванической развязки.
Трансформаторы тока, используемые как часть измерительного оборудования для трехфазного электроснабжения 400A ТТ основан на принципе трансформатора и преобразует высокий первичный ток в меньший вторичный ток и является распространенным среди систем измерения переменного тока. Поскольку это устройство является пассивным, для его реализации не требуется дополнительных схем управления. Еще одно важное преимущество состоит в том, что он может измерять очень высокий ток при небольшом потреблении энергии. Недостатком трансформатора тока является то, что очень высокий первичный ток или значительная составляющая постоянного тока в токе могут привести к насыщению ферритового материала, используемого в сердечнике, в конечном итоге искажая сигнал. Другая проблема заключается в том, что после намагничивания сердечника он будет содержать гистерезис, и точность будет ухудшаться, если его снова не размагнитить.
Катушка Роговского Катушка Роговского основана на принципе закона индукции Фарадея, и выходное напряжение V out пояса Роговского определяется путем интегрирования тока I c подлежит измерению. Он задается выражением
где A - площадь поперечного сечения катушки, а N - количество оказывается. Катушка Роговского имеет низкую чувствительность из-за отсутствия магнитного сердечника с высокой магнитной проницаемостью, которым может воспользоваться трансформатор тока. Однако это можно компенсировать добавлением большего количества витков к поясу Роговского или использованием интегратора с более высоким коэффициентом усиления k. Чем больше витков, тем выше собственная емкость и собственная индуктивность, а более высокий коэффициент усиления интегратора означает усилитель с большим произведением коэффициента усиления и полосы пропускания. Как всегда в инженерном деле, необходимо идти на компромисс в зависимости от конкретных приложений.
Датчики эффекта Холла - это устройства, основанные на эффекте Холла, который был открыт Эдвином Холлом в 1879 г. о физическом принципе силы Лоренца. Они активируются внешним магнитным полем. В этом обобщенном устройстве датчик Холла воспринимает магнитное поле, создаваемое магнитной системой. Эта система реагирует на измеряемую величину (ток, температуру, положение, скорость и т. Д.) Через интерфейс ввода. Элемент Холла является основным датчиком магнитного поля. Требуется согласование сигнала, чтобы выходной сигнал можно было использовать в большинстве приложений. Необходимыми электронными средствами формирования сигнала являются каскад усиления и температурная компенсация. Регулировка напряжения необходима при работе от нерегулируемого источника питания. Если напряжение Холла измеряется при отсутствии магнитного поля, выходной сигнал должен быть нулевым. Однако, если напряжение на каждой выходной клемме измеряется относительно земли, появится ненулевое напряжение. Это синфазное напряжение (CMV), одинаковое на всех выходных клеммах. Затем выходной интерфейс преобразует электрический сигнал датчика Холла; напряжение Холла: сигнал, который важен для контекста приложения. Напряжение Холла - это сигнал низкого уровня порядка 30 мкВ в присутствии магнитного поля в один гаусс. Для этого выхода низкого уровня требуется усилитель с низким уровнем шума, высоким входным сопротивлением и умеренным усилением. Дифференциальный усилитель с этими характеристиками может быть легко интегрирован с элементом Холла с использованием стандартной технологии биполярных транзисторов. Температурная компенсация также легко интегрируется.
Принцип технологии Fluxgate Магнитные датчики или датчики тока с насыщающимся индуктором работают по тому же принципу измерения, что и датчики тока на основе эффекта Холла: магнитное поле, создаваемое измеряемый первичный ток определяется специальным чувствительным элементом. Конструкция датчика тока с насыщающимся дросселем аналогична конструкции датчика тока Холла с обратной связью; Единственное отличие состоит в том, что в этом методе используется насыщающийся индуктор вместо датчика Холла в воздушном зазоре.
Датчик тока насыщающейся индуктивности основан на обнаружении изменения индуктивности. Насыщаемый индуктор состоит из небольшого и тонкого магнитного сердечника, намотанного на него катушкой. Настраиваемая катушка индуктивности работает в своей области насыщения. Он сконструирован таким образом, что внешняя и внутренняя плотности потока влияют на его уровень насыщения. Изменение уровня насыщения насыщающегося индуктора изменит проницаемость сердечника и, следовательно, его индуктивность L. Значение насыщаемой индуктивности (L) велико при малых токах (в зависимости от проницаемости сердечника) и низкая при больших токах (проницаемость сердечника становится равной единице при насыщении). Феррозондовые детекторы полагаются на свойство многих магнитных материалов демонстрировать нелинейную зависимость между напряженностью магнитного поля H и магнитной индукцией B.
В этом методе высокочастотные характеристики достигаются за счет использования двух сердечников без воздуха. пробелы. Один из двух основных сердечников используется для создания насыщающейся катушки индуктивности, а другой - для создания эффекта высокочастотного трансформатора. В другом подходе можно использовать три жилы без воздушного зазора. Два из трех сердечников используются для создания насыщающегося индуктора, а третий сердечник используется для создания эффекта высокочастотного трансформатора. Преимущества датчиков с насыщаемой индуктивностью включают высокое разрешение, высокую точность, малое смещение и дрейф усиления, а также большую полосу пропускания (до 500 кГц). К недостаткам технологий с насыщаемыми индукторами относятся ограниченная полоса пропускания для более простой конструкции, относительно высокое потребление вторичной мощности и риск инжекции шума тока или напряжения в первичный проводник.
Магниторезистор (MR) представляет собой двухполюсное устройство, которое изменяет свое сопротивление параболически под действием приложенного магнитного поля. Это изменение сопротивления MR из-за магнитного поля известно как магниторезистивный эффект. Можно создавать структуры, в которых электрическое сопротивление изменяется в зависимости от приложенного магнитного поля. Эти конструкции могут использоваться как магнитные датчики. Обычно эти резисторы собираются в виде моста для компенсации теплового дрейфа. Популярные датчики на основе магнитосопротивления: анизотропное магнитосопротивление (AMR), гигантское магнитосопротивление (GMR), гигантское магнитосопротивление (GMI) и туннельное магнитосопротивление (TMR). Все эти датчики на основе MR имеют более высокую чувствительность по сравнению с датчиками на эффекте Холла. Несмотря на это, эти датчики (GMR, CMR и TMR) по-прежнему дороже, чем устройства на эффекте Холла, имеют серьезные недостатки, связанные с нелинейным поведением, отчетливым тепловым дрейфом, а очень сильное внешнее поле может навсегда изменить поведение датчика (GMR).. Датчики GMI и TMR даже более чувствительны, чем датчики на основе GMR, но все еще находятся на стадии тестирования, и по состоянию на 2016-06 годы коммерческих продуктов нет.
