Текущее зондирование

В электротехнике измерение тока — это один 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. Значение тока может быть напрямую 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. Генерируемый сигнал может быть аналоговым напряжением или током или цифровым выходом. Генерируемый сигнал затем может использоваться 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 измеренного тока.
- биполярный выход, который дублирует форму волны измеренного тока.
- однополярный выход, пропорциональный среднему или среднеквадратичному значению измеренного тока.
Вход постоянного тока ,
- однополярный, с однополярным выходом, который дублирует форму волны измеренного тока
- цифровой выход, который переключается, когда измеренный ток превышает определенный порог

Требования к измерению тока

Современные технологии обнаружения должны соответствовать различным требованиям для различных приложений. Как правило, общие требования следующие:

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

Методы

Измерение электрического тока можно классифицировать в зависимости от лежащих в его основе фундаментальных физических принципов, таких как:

Закон индукции Фарадея
Датчики магнитного поля
эффект Фарадея
Трансформатор или токовые клещи (подходят только для переменного тока).
Датчик феррозонда (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, проходящему через него.
Волоконно-оптический 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, согласно которому падение напряжения на резисторе пропорционально проходящему через него току.

Это отношение можно использовать для измерения токов. Датчики, основанные на этом простом отношении, хорошо известны своей низкой стоимостью и надежностью благодаря этому простому принципу.

Распространенным и простым подходом к измерению тока является использование шунтового резистора. То, что падение напряжения на шунте пропорционально его току, т. е. закону Ома, делает токовый шунт с низким сопротивлением очень популярным выбором для систем измерения тока с его низкой стоимостью и высокой надежностью. С помощью шунтового резистора можно измерять как переменный (AC), так и постоянный (DC) токи. Высокопроизводительный коаксиальный шунт широко используется для многих приложений с быстрым временем нарастания переходных токов и высокими амплитудами, 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 высокоточное измерение тока. Хотя это влияет только на величину импеданса на относительно высокой частоте, но также его влияние на фазу на частоте линии вызывает заметную ошибку при низком коэффициенте мощности. Основным недостатком использования шунта является то, что по сути шунт является резистивным элементом, потери мощности, таким образом, пропорциональны квадрату проходящего через него тока, и, следовательно, он является редкостью среди измерений больших токов. Быстродействие для измерения больших импульсов или сильных бросков тока является общим требованием для шунтовых резисторов. В 1981 году Малевски ^[2] разработал схему для устранения скин-эффекта, а позднее, в 1999 году, был представлен плоский сэндвич-шунт (FSSS) ^[3] из плоского сэндвич-резистора. Свойства FSSS с точки зрения времени отклика, потерь мощности и частотных характеристик такие же, как у шунтового резистора, но его стоимость ниже, а технология изготовления менее сложна по сравнению с Малевски и коаксиальным шунтом.

Внутреннее сопротивление проводящего элемента, такого как медная дорожка на печатной плате, может использоваться в качестве чувствительного резистора. ^[4] Это экономит место и стоимость компонентов. Падение напряжения на медной дорожке очень низкое из-за ее очень низкого сопротивления, что делает наличие усилителя с высоким коэффициентом усиления обязательным для получения полезного сигнала. Точность ограничена первоначальным допуском изготовления дорожки и значительным температурным коэффициентом меди. Цифровой контроллер может применять поправки для улучшения измерения. ^[5]

Существенным недостатком резисторного датчика является неизбежное электрическое соединение между измеряемым током и измерительной цепью. Изолирующий усилитель может обеспечить электрическую изоляцию между измеряемым током и остальной частью измерительной цепи. Однако эти усилители дороги и могут также ограничивать полосу пропускания, точность и тепловой дрейф исходной технологии измерения тока. Другие технологии измерения тока, которые обеспечивают внутреннюю электрическую изоляцию, могут обеспечить достаточную производительность при меньших затратах, когда требуется изоляция.

Датчик тока, работающий на основе закона Фарадея

Закон индукции Фарадея, который гласит: полная электродвижущая сила, индуцируемая в замкнутой цепи, пропорциональна скорости изменения во времени полного магнитного потока, связывающего цепь, широко используется в методах измерения тока. Два основных датчика, основанных на законе Фарадея, — это трансформаторы тока (ТТ) и катушки Роговского. Эти датчики обеспечивают внутреннюю электрическую изоляцию между измеряемым током и выходным сигналом, что делает эти датчики тока обязательными, когда стандарты безопасности требуют электрической изоляции.

Трансформатор тока

Трансформаторы тока, используемые в составе измерительных приборов для трехфазного электроснабжения 400А

CT основан на принципе трансформатора и преобразует высокий первичный ток в меньший вторичный ток и распространен среди систем измерения высокого переменного тока. Поскольку это устройство является пассивным, для его реализации не требуется дополнительная схема управления. Еще одним важным преимуществом является то, что он может измерять очень высокий ток, потребляя при этом мало энергии. Недостатком CT является то, что очень высокий первичный ток или значительная постоянная составляющая в токе могут насытить ферритовый материал, используемый в сердечнике, в конечном итоге искажая сигнал. Другая проблема заключается в том, что после намагничивания сердечника в нем будет присутствовать гистерезис , и точность ухудшится, если его снова не размагнитить.

Катушка Роговского

Катушка Роговского основана на законе индукции Фарадея, а выходное напряжение V _out катушки Роговского определяется путем интегрирования измеряемого тока I _{c . Оно определяется как,}

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

где A — площадь поперечного сечения катушки, а N — количество витков. Катушка Роговского имеет низкую чувствительность из-за отсутствия магнитного сердечника с высокой проницаемостью, который может использовать трансформатор тока. Однако это можно компенсировать, добавив больше витков на катушку Роговского или используя интегратор 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 инженерии, необходимо делать компромиссы в зависимости от конкретных применений.

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 определяет магнитное поле, создаваемое магнитной системой. Эта система реагирует на измеряемую величину (ток, температуру, положение, скорость и т. д.) через входной интерфейс. Элемент Холла — это базовый датчик магнитного поля. Он требует согласования сигнала, чтобы сделать выход пригодным для большинства приложений. Необходимая электроника согласования сигнала — это каскад усилителя и температурная компенсация. Регулировка напряжения необходима при работе от нерегулируемого источника питания. Если напряжение Холла измеряется при отсутствии магнитного поля, выход должен быть равен нулю. Однако, если напряжение на каждой выходной клемме измеряется относительно земли, появится ненулевое напряжение. Это синфазное напряжение (CMV), и оно одинаково на каждой выходной клемме. Затем выходной интерфейс преобразует электрический сигнал от датчика Холла; напряжение Холла: сигнал, который имеет значение для контекста приложения. Напряжение Холла представляет собой сигнал низкого уровня порядка 30 мквольт в присутствии магнитного поля в один гаусс. Этот низкоуровневый выход требует усилителя с низким уровнем шума, высоким входным сопротивлением и умеренным усилением. Дифференциальный усилитель с такими характеристиками может быть легко интегрирован с элементом Холла с использованием стандартной технологии биполярных транзисторов. Температурная компенсация также легко интегрируется.

ДАТЧИКИ ТОКА НА ЭФФЕКТЕ ХОЛЛА Этот ряд датчиков тока основан на принципе, что всякий раз, когда ток течет в проводнике, вокруг проводника создается магнитное поле с силой, прямо пропорциональной величине этого протекающего тока. Затем датчик магнитного поля на эффекте Холла используется для измерения индуцированного тока, причем его выходной сигнал 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 существуют ограничения. Для уровней тока ниже примерно 10 ампер создаваемое магнитное поле очень слабое и не намного сильнее магнитного поля Земли. Кроме того, создаваемое напряжение Холла будет крошечным, поэтому потребуется очень большое усиление с сопутствующими проблемами тепловой нестабильности и шума.

Файл: Simple Hall.jpg|большой палец|вправо|

Датчики феррозондовые

Датчики тока Fluxgate или датчики тока Saturable inductor работают по тому же принципу измерения, что и датчики тока на основе эффекта Холла: магнитное поле, создаваемое первичным током, который необходимо измерить, обнаруживается специальным чувствительным элементом. Конструкция датчика тока Saturable inductor аналогична конструкции датчика тока Холла с замкнутым контуром; единственное отличие состоит в том, что этот метод использует насыщаемый индуктор вместо датчика Холла в воздушном зазоре.

Датчик тока насыщающегося индуктора основан на обнаружении изменения индуктивности . Насыщающийся индуктор изготовлен из небольшого и тонкого магнитного сердечника, намотанного с катушкой вокруг него. Насыщающийся индуктор работает в своей области насыщения. Он сконструирован таким образом, что внешняя и внутренняя плотность потока будут влиять на его уровень насыщения. Изменение уровня насыщения насыщающегося индуктора изменит проницаемость сердечника и, следовательно, его индуктивность L. Значение насыщающейся индуктивности (L) велико при малых токах (на основе проницаемости сердечника) и мало при больших токах (проницаемость сердечника становится единицей при насыщении). При интерпретации детекторов Fluxgate необходимо учитывать свойство многих магнитных материалов проявлять нелинейную зависимость между напряженностью магнитного поля H и плотностью потока B. ^[6]

В этой технике высокочастотные характеристики достигаются за счет использования двух сердечников без воздушных зазоров. Один из двух основных сердечников используется для создания насыщающегося индуктора, а другой — для создания эффекта высокочастотного трансформатора. В другом подходе три сердечника могут использоваться без воздушного зазора. Два из трех сердечников используются для создания насыщающегося индуктора, а третий сердечник — для создания эффекта высокочастотного трансформатора. Преимущества датчиков с насыщающимися индукторами включают высокое разрешение, высокую точность, низкое смещение и дрейф усиления, а также большую полосу пропускания (до 500 кГц). Недостатки технологий с насыщающимися индукторами включают ограниченную полосу пропускания для более простой конструкции, относительно высокое вторичное потребление энергии и риск инжекции тока или напряжения в первичный проводник.

Магниторезистивный датчик тока

Магниторезистор (МР) — это двухконтактное устройство, которое изменяет свое сопротивление параболически с приложенным магнитным полем. Это изменение сопротивления МР из-за магнитного поля известно как магниторезистивный эффект. Можно построить структуры, в которых электрическое сопротивление изменяется в зависимости от приложенного магнитного поля. Эти структуры могут использоваться в качестве магнитных датчиков. Обычно эти резисторы собираются в мостовой конфигурации для компенсации теплового дрейфа. ^[7] Популярные датчики на основе магниторезистивности: 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, 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 еще более чувствительны, чем датчики на основе GMR, и в настоящее время выпускаются серийно несколькими производителями (TDK, Crocus, Sensitec, MDT) ^[8]

Смотрите 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.
^ Malewski, R.; Nguyen, CT; Feser, K.; Hylten-Cavallius, N. (1 марта 1981 г.). «Устранение ошибки скин-эффекта в сильноточных шунтах». IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems . PAS-100 (3): 1333–1340. Bibcode : 1981ITPAS.100.1333M. doi : 10.1109/tpas.1981.316606. ISSN 0018-9510. S2CID 43833428.
^ Кастелли, Ф. (1 октября 1999 г.). "Плоский сэндвич-шунт с ремешком". Труды IEEE по приборостроению и измерениям . 48 (5): 894–898. Bibcode : 1999ITIM...48..894C. doi : 10.1109/19.799642. ISSN 0018-9456.
^ Spaziani, Larry (1997). «Использование травления медной печатной платы для получения низкого сопротивления». Texas Instruments . DN-71.
^ Ziegler, S.; Iu, HHC; Woodward, RC; Borle, LJ (1 июня 2008 г.). «Теоретический и практический анализ принципа измерения тока, использующего сопротивление медной дорожки». Конференция специалистов по силовой электронике IEEE 2008 г. стр. 4790–4796. doi :10.1109/PESC.2008.4592730. ISBN 978-1-4244-1667-7. S2CID 22626679.
^ LEM International SA (июнь 2011 г.). «Каталог высокоточных преобразователей тока».
^ Ziegler, S.; Woodward, RC; Iu, HHC; Borle, LJ (1 апреля 2009 г.). «Текущие методы измерения: обзор». IEEE Sensors Journal . 9 (4): 354–376. Bibcode : 2009ISenJ...9..354Z. doi : 10.1109/jsen.2009.2013914. ISSN 1530-437X. S2CID 31043063.
^ "От эффекта Холла к TMR" (PDF) . Crocus Technology . Август 2021 г.

[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] Malewski, R.; Nguyen, CT; Feser, K.; Hylten-Cavallius, N. (1 марта 1981 г.). «Устранение ошибки скин-эффекта в сильноточных шунтах». IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems . PAS-100 (3): 1333–1340. Bibcode : 1981ITPAS.100.1333M. doi : 10.1109/tpas.1981.316606. ISSN 0018-9510. S2CID 43833428.

[3] Кастелли, Ф. (1 октября 1999 г.). "Плоский сэндвич-шунт с ремешком". Труды IEEE по приборостроению и измерениям . 48 (5): 894–898. Bibcode : 1999ITIM...48..894C. doi : 10.1109/19.799642. ISSN 0018-9456.

[4] Spaziani, Larry (1997). «Использование травления медной печатной платы для получения низкого сопротивления». Texas Instruments . DN-71.

[5] Ziegler, S.; Iu, HHC; Woodward, RC; Borle, LJ (1 июня 2008 г.). «Теоретический и практический анализ принципа измерения тока, использующего сопротивление медной дорожки». Конференция специалистов по силовой электронике IEEE 2008 г. стр. 4790–4796. doi :10.1109/PESC.2008.4592730. ISBN 978-1-4244-1667-7. S2CID 22626679.

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

[7] Ziegler, S.; Woodward, RC; Iu, HHC; Borle, LJ (1 апреля 2009 г.). «Текущие методы измерения: обзор». IEEE Sensors Journal . 9 (4): 354–376. Bibcode : 2009ISenJ...9..354Z. doi : 10.1109/jsen.2009.2013914. ISSN 1530-437X. S2CID 31043063.

[8] "От эффекта Холла к TMR" (PDF) . Crocus Technology . Август 2021 г.