Измерение тока

В электротехнике электрического измерение тока – это один из нескольких методов, используемых для измерения тока . Измерение силы тока варьируется 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

Датчик тока — это устройство, которое обнаруживает электрический ток в проводе и генерирует сигнал, пропорциональный этому току. Сгенерированный сигнал может быть аналоговым напряжением или 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 в целях управления.

Измеряемый ток и выходной сигнал могут быть:

Вход переменного тока ,
- аналоговый выход, который дублирует форму волны измеряемого тока.
- биполярный выход, который дублирует форму волны измеряемого тока.
- униполярный выход, который пропорционален среднему или среднеквадратичному значению измеряемого тока.
Вход постоянного тока ,
- униполярный, с униполярным выходом, повторяющим форму волны измеряемого тока
- цифровой выход, который переключается, когда измеренный ток превышает определенный порог

Требования к измерению тока

Современные сенсорные технологии должны отвечать различным требованиям для различных приложений. Как правило, общие требования таковы:

Высокая чувствительность
Высокая точность и линейность
Широкая полоса пропускания
Измерение постоянного и переменного тока
Низкий температурный дрейф
Подавление помех
корпус ИС
Низкое энергопотребление
Низкая цена

Техники

Измерение электрического тока можно классифицировать в зависимости от основных фундаментальных физических принципов, таких как:

Фарадея Закон индукции
Датчики магнитного поля
Эффект Фарадея
Трансформатор или измеритель токовых клещей (подходит только для переменного тока).
Феррозондовый датчик (подходит для переменного или постоянного тока).
Датчик Холла (подходит для переменного, постоянного или пульсирующего тока), тип датчика тока, основанный на явлении эффекта Холла, открытом Эдвином Холлом в 1879 году.
Шунтирующий резистор , напряжение которого прямо пропорционально току через него.
Оптоволоконный датчик тока , использующий интерферометр для измерения изменения фазы света, создаваемого магнитным полем.
Катушка Роговского , электрическое устройство для измерения переменного тока (AC) или высокоскоростных импульсов тока.
Гигантское магнитосопротивление (GMR): датчик магнитного поля, подходящий для переменного и постоянного тока с более высокой точностью, чем эффект Холла. Расположен параллельно магнитному полю.

Шунтирующие резисторы

Закон Ома — это наблюдение о том, что падение напряжения на резисторе пропорционально току, протекающему через него.

Это соотношение можно использовать для определения токов. Датчики, основанные на этом простом соотношении, хорошо известны своей более низкой стоимостью и надежностью, обусловленной этим простым принципом.

Распространенным и простым подходом к измерению тока является использование шунтирующего резистора. Падение напряжения на шунте пропорционально протекающему через него току, т.е. закон Ома, делает токовый шунт с низким сопротивлением очень популярным выбором для систем измерения тока благодаря его низкой стоимости и высокой надежности. С помощью шунтирующего резистора можно измерять как переменный ток (AC), так и постоянный ток (DC). Высокоэффективный коаксиальный шунт широко используется во многих приложениях при быстром нарастании переходных токов и высоких амплитудах, но высокоинтегрированные электронные устройства предпочитают недорогие устройства поверхностного монтажа (SMD), ^{[ 1 ]} из-за их небольших размеров и относительно низкой цены. Паразитная индуктивность, присутствующая в шунте, влияет на точность измерения тока. Хотя это влияет только на величину импеданса на относительно высокой частоте, но и его влияние на фазу на линейной частоте вызывает заметную погрешность при малом коэффициенте мощности. Основным недостатком использования шунта является то, что по своей сути шунт представляет собой резистивный элемент, поэтому потери мощности пропорциональны квадрату тока, проходящего через него, и, следовательно, это редкость среди измерений больших токов. Быстрое реагирование при измерении высоких импульсных или сильных импульсных токов является общим требованием к шунтирующим резисторам. В 1981 году Малевский ^{[ 2 ]} разработал схему для устранения скин-эффекта, а позже, в 1999 году, сэндвич-шунт с плоской лентой (FSSS). ^{[ 3 ]} был введен из плоского сэндвич-резистора. Свойства FSSS с точки зрения времени срабатывания, потерь мощности и частотных характеристик такие же, как у шунтирующего резистора, но стоимость ниже, а технология изготовления менее сложна по сравнению с Малевским и коаксиальным шунтом.

собственное сопротивление проводящего элемента, например медной дорожки на печатной плате . В качестве чувствительного резистора можно использовать ^{[ 4 ]} Это экономит пространство и стоимость компонентов. 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. Точность ограничена начальным допуском изготовления дорожки и значительным температурным коэффициентом меди. Цифровой контроллер может вносить поправки для улучшения измерений. ^{[ 5 ]}

Существенным недостатком резисторного датчика является неизбежная электрическая связь между измеряемым током и измерительной схемой. Изолирующий усилитель может обеспечить электрическую изоляцию между измеряемым током и остальной частью измерительной схемы. Однако эти усилители дороги, а также могут ограничивать полосу пропускания, точность и тепловой дрейф оригинального метода измерения тока. Другие методы измерения тока, которые обеспечивают внутреннюю электрическую изоляцию, могут обеспечить достаточные характеристики при меньших затратах там, где требуется изоляция.

Датчик тока на основе закона Фарадея

Закон индукции Фарадея, который гласит: общая электродвижущая сила, индуцированная в замкнутой цепи, пропорциональна скорости изменения во времени общего магнитного потока, связывающего цепь, широко использовался 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 устройств измерения тока обязательными там, где стандарты безопасности требуют электрической изоляции.

Трансформатор тока

Трансформаторы тока, используемые в составе приборов учета трехфазного электроснабжения силой 400А.

Трансформатор основан на принципе трансформатора и преобразует высокий первичный ток в меньший вторичный ток и широко используется в системах измерения сильного переменного тока. Поскольку это устройство является пассивным, для его реализации не требуется никаких дополнительных схем управления. Еще одним важным преимуществом является то, что он может измерять очень большой ток, потребляя при этом мало энергии. Недостатком трансформатора тока является то, что очень высокий первичный ток или значительная постоянная составляющая тока могут насытить ферритовый материал, используемый в сердечнике, что в конечном итоге приведет к искажению сигнала. Другая проблема заключается в том, что после намагничивания сердечника в нем возникает гистерезис , и точность ухудшится, если его снова не размагничить.

катушка Роговского

Катушка Роговского основана на законе индукции Фарадея, а выходное напряжение V _{катушки} Роговского определяется путем интегрирования _{тока Ic} измеряемого . Это дано,

V_{\rm {out}}=-k{\frac {NA\mu _{0}}{2\pi r}}I_{\rm {c}}+v_{\rm {out}}(0)

где А — площадь поперечного сечения катушки, а N — количество витков. Катушка Роговского имеет низкую чувствительность из-за отсутствия магнитного сердечника с высокой проницаемостью, которым может воспользоваться трансформатор тока. Однако это можно компенсировать добавлением большего количества витков катушки Роговского или использованием интегратора с более высоким коэффициентом усиления k. Большее количество витков увеличивает собственную емкость и самоиндукцию , а более высокий коэффициент усиления интегратора означает усилитель с большим произведением коэффициента усиления на полосу пропускания. Как всегда в технике, необходимо идти на компромисс в зависимости от конкретных приложений.

Датчики магнитного поля

Эффект Холла

Датчики Холла — это устройства, основанные на эффекте Холла, который был открыт Эдвином Холлом в 1879 году на основе физического принципа 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 входной интерфейс. Элемент Холла является основным датчиком магнитного поля. Для того чтобы выходной сигнал можно было использовать в большинстве приложений, требуется согласование сигнала. Необходимая электроника формирования сигнала — это усилительный каскад и температурная компенсация. Регулирование напряжения необходимо при работе от нестабилизированного 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), оно одинаково на каждой выходной клемме. Затем выходной интерфейс преобразует электрический сигнал датчика Холла; напряжение Холла: сигнал, который важен для контекста приложения. Напряжение Холла представляет собой сигнал низкого уровня порядка 30 мкВ в присутствии магнитного поля в один гаусс. Этот низкоуровневый выходной сигнал требует усилителя с низким уровнем шума, высоким входным сопротивлением и умеренным усилением. А дифференциальный усилитель с такими характеристиками можно легко интегрировать с элементом Холла с использованием стандартной технологии биполярных транзисторов. Температурная компенсация также легко интегрируется.

ДАТЧИКИ ТОКА НА ЭФФЕКТЕ ХОЛЛА Этот диапазон датчиков тока основан на принципе, что всякий раз, когда ток течет в проводнике, вокруг проводника создается магнитное поле с силой, прямо пропорциональной величине этого тока. Затем используется датчик магнитного поля на эффекте Холла для измерения индуцированного тока, выходной сигнал которого прямо пропорционален величине протекающего тока. В простейшей конфигурации датчик магнитного поля на эффекте Холла можно разместить рядом с проводником и измерить его выходной сигнал, но есть ограничения. При силе тока менее 10 ампер создаваемое магнитное поле очень слабое и не намного сильнее, чем магнитное поле Земли. Кроме того, создаваемое напряжение Холла будет крошечным, поэтому потребуется очень высокое усиление со связанными с ним проблемами тепловой нестабильности и шума.

Файл: Simple Hall.jpg|thumb|right|

Феррозондовые датчики

Феррозондовые датчики или датчики тока с насыщающейся индуктивностью работают по тому же принципу измерения, что и датчики тока на основе эффекта Холла: магнитное поле, создаваемое измеряемым первичным током, обнаруживается конкретным чувствительным элементом. Конструкция датчика тока насыщающегося индуктора аналогична конструкции датчика тока с замкнутым контуром на эффекте Холла; единственное отличие состоит в том, что в этом методе вместо датчика Холла в воздушном зазоре используется насыщающийся индуктор.

Датчик тока насыщающегося индуктора основан на обнаружении изменения индуктивности . Насыщающийся индуктор состоит из небольшого и тонкого магнитного сердечника, намотанного вокруг него катушкой. Насыщаемый индуктор работает в области насыщения. Он спроектирован таким образом, что внешняя и внутренняя плотность потока будет влиять на уровень его насыщения. Изменение уровня насыщения насыщающегося индуктора приведет к изменению проницаемости сердечника и, следовательно, его индуктивности L. Значение насыщающейся индуктивности (L) велико при малых токах (исходя из проницаемости сердечника) и низком при больших токах ( проницаемость ядра становится равной единице при насыщении). При интерпретации феррозондовых детекторов необходимо учитывать свойство многих магнитных материалов проявлять нелинейную зависимость между напряженностью магнитного поля H и плотностью потока B. ^{[ 6 ]}

В этой методике высокие частотные характеристики достигаются за счет использования двух сердечников без воздушных зазоров. Один из двух основных сердечников используется для создания насыщающейся катушки индуктивности, а другой — для создания эффекта высокочастотного трансформатора. При другом подходе можно использовать три ядра без воздушного зазора. Два из трех сердечников используются для создания насыщающегося дросселя, а третий сердечник используется для создания эффекта высокочастотного трансформатора. К преимуществам датчиков с насыщающейся индуктивностью относятся высокое разрешение, высокая точность, малый дрейф смещения и усиления, а также большая полоса пропускания (до 500 кГц). К недостаткам технологий насыщающихся индукторов относятся ограниченная полоса пропускания для упрощения конструкции, относительно высокое вторичное энергопотребление и риск появления шума тока или напряжения в первичном проводнике.

Магниторезистивный датчик тока

Магниторезистор (MR) представляет собой двухполюсное устройство, которое параболически меняет свое сопротивление под действием приложенного магнитного поля. Это изменение сопротивления МР под действием магнитного поля известно как магниторезистивный эффект. Можно создавать конструкции, в которых электрическое сопротивление меняется в зависимости от приложенного магнитного поля. Эти структуры могут быть использованы в качестве магнитных датчиков. Обычно эти резисторы собираются по мостовой схеме для компенсации теплового дрейфа. ^{[ 7 ]} Популярными датчиками на основе магнитосопротивления являются: анизотропное магнитосопротивление (AMR), гигантское магнитосопротивление (GMR), гигантское магнитосопротивление (GMI) и туннельное магнитосопротивление (TMR). Все эти датчики на основе МР имеют более высокую чувствительность по сравнению с датчиками на эффекте Холла. Несмотря на это, эти датчики (GMR, CMR и TMR) по-прежнему дороже устройств на эффекте Холла, имеют серьезные недостатки, связанные с нелинейным поведением, выраженным термическим дрейфом, а очень сильное внешнее поле может навсегда изменить поведение датчика (GMR). . Датчики GMI и TMR даже более чувствительны, чем датчики на основе GMR, и в настоящее время серийно производятся несколькими производителями (TDK, Crocus, Sensitec, MDT). ^{[ 8 ]}

См. также

Ссылки

^ Коста, Ф.; Пулише, П.; Мазалейрат, Ф.; Лабуре, Э. (1 февраля 2001 г.). «Датчики тока в силовой электронике, обзор». Журнал ЭПЭ . 11 (1):7–18. дои : 10.1080/09398368.2001.11463473 . ISSN 0939-8368 . S2CID 113022981 .
^ Малевский Р.; Нгуен, Коннектикут; Фезер, К.; Хильтен-Каваллиус, Н. (1 марта 1981 г.). «Устранение погрешности скин-эффекта в сильноточных шунтах». Транзакции IEEE по силовому оборудованию и системам . ПАС-100 (3): 1333–1340. Бибкод : 1981ИТПАС.100.1333М . дои : 10.1109/tpas.1981.316606 . ISSN 0018-9510 . S2CID 43833428 .
^ Кастелли, Ф. (1 октября 1999 г.). «Сэндвич-шунт с плоской лентой». Транзакции IEEE по приборостроению и измерениям . 48 (5): 894–898. Бибкод : 1999ITIM...48..894C . дои : 10.1109/19.799642 . ISSN 0018-9456 .
^ Спазиани, Ларри (1997). «Использование травления медных печатных плат для обеспечения низкого сопротивления». Техасские инструменты . ДН-71.
^ Зиглер, С.; Ю, ХХК; Вудворд, Колорадо; Борле, ЖЖ (1 июня 2008 г.). «Теоретический и практический анализ принципа измерения тока, использующего сопротивление медной дорожки». 2008 Конференция специалистов по силовой электронике IEEE . стр. 4790–4796. дои : 10.1109/PESC.2008.4592730 . ISBN 978-1-4244-1667-7 . S2CID 22626679 .
^ LEM International SA (июнь 2011 г.). «Каталог высокоточных датчиков тока» .
^ Зиглер, С.; Вудворд, Колорадо; Ю, ХХК; Борле, ЖЖ (1 апреля 2009 г.). «Современные методы измерения тока: обзор». Журнал датчиков IEEE . 9 (4): 354–376. Бибкод : 2009ISenJ...9..354Z . дои : 10.1109/jsen.2009.2013914 . ISSN 1530-437X . S2CID 31043063 .
^ «От эффекта Холла до TMR» (PDF) . Крокус Технологии . Август 2021.

[1] Коста, Ф.; Пулише, П.; Мазалейрат, Ф.; Лабуре, Э. (1 февраля 2001 г.). «Датчики тока в силовой электронике, обзор». Журнал ЭПЭ . 11 (1):7–18. дои : 10.1080/09398368.2001.11463473 . ISSN 0939-8368 . S2CID 113022981 .

[2] Малевский Р.; Нгуен, Коннектикут; Фезер, К.; Хильтен-Каваллиус, Н. (1 марта 1981 г.). «Устранение погрешности скин-эффекта в сильноточных шунтах». Транзакции IEEE по силовому оборудованию и системам . ПАС-100 (3): 1333–1340. Бибкод : 1981ИТПАС.100.1333М . дои : 10.1109/tpas.1981.316606 . ISSN 0018-9510 . S2CID 43833428 .

[3] Кастелли, Ф. (1 октября 1999 г.). «Сэндвич-шунт с плоской лентой». Транзакции IEEE по приборостроению и измерениям . 48 (5): 894–898. Бибкод : 1999ITIM...48..894C . дои : 10.1109/19.799642 . ISSN 0018-9456 .

[4] Спазиани, Ларри (1997). «Использование травления медных печатных плат для обеспечения низкого сопротивления». Техасские инструменты . ДН-71.

[5] Зиглер, С.; Ю, ХХК; Вудворд, Колорадо; Борле, ЖЖ (1 июня 2008 г.). «Теоретический и практический анализ принципа измерения тока, использующего сопротивление медной дорожки». 2008 Конференция специалистов по силовой электронике IEEE . стр. 4790–4796. дои : 10.1109/PESC.2008.4592730 . ISBN 978-1-4244-1667-7 . S2CID 22626679 .

[6] LEM International SA (июнь 2011 г.). «Каталог высокоточных датчиков тока» .

[7] Зиглер, С.; Вудворд, Колорадо; Ю, ХХК; Борле, ЖЖ (1 апреля 2009 г.). «Современные методы измерения тока: обзор». Журнал датчиков IEEE . 9 (4): 354–376. Бибкод : 2009ISenJ...9..354Z . дои : 10.1109/jsen.2009.2013914 . ISSN 1530-437X . S2CID 31043063 .

[8] «От эффекта Холла до TMR» (PDF) . Крокус Технологии . Август 2021.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]