Бесконтактный датчик тока – Бесконтактный TrueRMS измеритель тока — Меандр — занимательная электроника

Датчик тока и напряжения на эффеке холла

Содержание:
  1. Классификация датчиков
  2. Современные датчики тока
  3. Преимущества датчиков тока в современных схемах

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.

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.

Классификация датчиков

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.

Современные датчики 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.

Основные виды датчиков тока:

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.

Датчики тока (тип IT). Характеризуются высокой точностью показаний, широким частотным диапазоном, низким шумом выходного сигнала, высокой стабильностью температуры и низким перекрестным искажением. В конструкции этих датчиков отсутствуют элементы Холла. Первичный ток создает магнитное поле, которое в дальнейшем компенсируется вторичным током. На выходе вторичный ток представляет собой пропорциональную копию первичного тока.

Преимущества датчиков тока в современных схемах

Микросхемы на основе датчиков тока играют большую роль в сохранении энергии. Этому способствует низкое питание и энергопотребление. В интегральных схемах происходит объединение всех необходимых электронных компонентов. Характеристики приборов значительно улучшаются, благодаря совместной работе сенсоров магнитного поля и всей остальной активной электроники.

Современные датчики тока способствуют дальнейшему уменьшению размеров, поскольку вся электроника интегрирована в единственный общий чип. Это привело к новым инновационным компактным дизайнерским решениям, в том числе касающимся и первичной шины. Каждый новый датчик тока обладает повышенной изоляцией и успешно взаимодействует с другими видами электронных компонентов.

Новейшие конструкции датчиков позволяют монтировать их в существующие установки без отключения первичного проводника. Они состоят из двух частей и являются разъемными, что позволяет легко устанавливать эти детали на первичный проводник без каких-либо отключений.

На каждый датчик имеется техническая документация, где отражается вся необходимая информация, позволяющая произвести предварительные расчеты и определить место наиболее оптимального использования.

electric-220.ru

принцип действия и сфера применения

Многие устройства, работающие в электрических цепях, требуют проведений точных измерений в режиме реального времени. От точности этих замеров зависит многое: качество процессов регулирования в схемах управления, надежная работа защиты, калькуляция при подсчете потребляемой мощности в электроустановках и т.д. Обычно для таких измерений используют специальные приборы, которые входят в состав основной схемы. К примеру, датчик тока широко используется при работе многих устройств. Он может быть реализован на самых разных элементах, в зависимости от того или иного схемного решения. Остается неизменным только сам принцип его работы – в соответствии с заложенным в него коэффициентом он преобразует сигнал с измерительного трансформатора или иного устройства в сигнал напряжения, который согласован с остальной частью схемы.

Различают датчик тока, который разработан для работы в цепях переменного и, соответственно, постоянного напряжения. В качестве примера можно рассмотреть работу каждого из них. Для переменного напряжения в качестве измерительного элемента обычно используется трансформатор тока. Это бесконтактный прибор, который следит за состоянием контролируемой силовой цепи. Сигнал с него и поступает в датчик тока, цель которого — масштабировать полученный сигнал со схемой управления.

Несколько иначе обстоит дело, если мы имеем дело с постоянным или медленно меняющимся во времени параметром. Вышеописанный трансформатор в такой схеме работать не будет, так как на его выходе мы сможем получить только динамику измеряемого параметра. Обычно в таких схемах используется специальный шунт, с повышенным по отношению к остальной части электрической цепи сопротивлением. Он монтируется непосредственно в линию. В этом случае снимается падение напряжение на этом участке, которое и будет отдаваться в датчик постоянного тока. Так как входные цепи в такой схеме находятся под высоким потенциалом, то такой датчик выполняет сразу несколько функций. Он гальванически разделяет силовую и измерительные цепи и одновременно масштабирует полученный сигнал.

Типовая схема, по которой работает такой датчик тока, состоит из генератора импульсов высокой частоты, разделительного ключа и трансформатора. Поступающий измерительный сигнал преобразуется с помощью генератора и разделительного ключа, собранного обычно на полевом транзисторе. Переменное напряжение, преобразованное таким образом, передается в разделительный трансформатор. После этого оно фильтруется и усиливается в зависимости от коэффициента, заложенного при проектировании.

Несколько иной принцип работы заложен в так называемый датчик тока Холла. Он измеряет напряженность магнитного поля, которое возникает по причине протекания тока в проводнике, и преобразует его в выходной сигнал по напряжению. Особенностью его работы является то, что он универсален и способен нормально функционировать в любых цепях. Такие датчики компактны и обладают хорошими эксплуатационными характеристиками.

fb.ru

Что такое датчик тока? :: SYL.ru

Что делает датчик тока? Зачем он необходим и каков его функционал? А также какие существуют виды подобных приборов?

Датчики переменного и постоянного тока

Такие приборы универсальные и востребованы. Их конструкция включает в себя магнитопровод, имеющий зазор и компенсационную обмотку, электронную плату обработки сигналов и датчик Холла. Когда ток протекает по шине, соединённой с первым элементом, то возникает магнитная индукция. Выходной сигнал усиливается, а потом передаётся в компенсационную обмотку. Благодаря нивелированию магнитных полей датчик тока Холла работает как нуль-устройство. При этом полоса частот, что проходит через него, варьируется от 0 герц до 200 кГц. Существуют и приборы, которые по отдельности пропускают один из видов – это датчик постоянного тока и переменного. Чтобы вы имели представление об особенностях их работы, предлагаем рассмотреть функционирование второго из них.

Датчики переменного тока

Чтобы получить более дешевые комплектующие, различными предприятиями разрабатывались и серийно изготавливаются приборы, могущие измерять только переменный ток, частота которого составляет 50 Гц. Они состоят только из электронной платы, обрабатывающей сигналы, и трансформатора тока. Такие датчики делятся на три вида, каждый из них отличается формой своего выходного сигнала:

  1. 1-й тип. Сюда относят те из них, где напряжение является пропорциональным измеряемому току.
  2. 2-й тип. Сюда относят приборы, которые на выходе дают напряжение, являющееся пропорциональным действующему значению замеряемого тока.
  3. 3-й тип. Сюда относят стандартный выход 4/20 мА, который является пропорциональным относительно действующего значения измеряемого типа.

Разъемные датчики тока

Когда проверяется работоспособность действующего электрооборудования, при осуществлении ремонтных работ на предприятиях, имеющих непрерывные циклы работы, а также в целом ряде подобных случаев необходимы приборы, которые можно установить, не производя разрыв токовых цепей. Специально для этих целей и был разработан данный вид датчика, который собирается и устанавливается на токовой шине. Его важным преимуществом является возможность соблюдения всех требований без влияния на производственный процесс. А благодаря особенностям монтажа он получил название «Разъемный датчик тока». Ведь он не устанавливается где-то на линии, а вставляется в обычную розетку. Поэтому им может пользоваться даже человек, у которого отсутствуют специальные навыки. С этой точки зрения датчик тока является очень полезным.

Заключение

Следует отметить, что датчик тока должен присутствовать на любом предприятии, которое использует большую технику, что требует значительных напряжений, или необходим тщательный мониторинг ситуации. Этот прибор позволяет следить за показателями сети и создать условия для безопасной работы. Они нашли своё применение в силовой и автомобильной электронике, аппаратуре общего применения и промышленной автоматике предприятий.

www.syl.ru

Бесконтактный датчик тока

 

Союз Советских

Соцквпксткческйх

Республик ii 746301 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 05.04.77 (21) 2473513/18-25 с присоединением заявки М

G 01 R 19/00

Государственный комитет

СССР (23) Приоритет

Опубликовано 07.07.80 Бюллетень,% 25 по делам изобретений н открытий (53) ЙК 533.9 (088,8) Дата опубликования описания 07.07.80 (72) Автор изобретения

Э, М. Сергеева (7I} Заявитель (54) БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК

ТОКА

Изобретение касается измерения электрических и магнитных величин, в частности измерения постоянного, переменного или импульсного тока в высоковольтных цепях с помощью электронного бескоитактного датчика тока.

Известны бескоитактные измерительные дат5 чики тока с диодами, которые располагают вблизи токоведущих проводов и принцип работы которых основан на взаимодействии магнитного поля .с электронным в вакууме11). !

О

Зти датчики обладают двумя существенными недостатками. Во-первых, выходное напряжение измерительного датчика зависит от его расстояния до токоведущего провода, во-вторых, на выходной параметр измерительного датчика

1$ значительно воздействуют внешние магнитные поля.

Наиболее близкка техническим решением к изобретению является бесконтактный датчик тока, охватывающий шину с измеряемым током выполненный в виде герметичного кольцевого баллона, внутри которого размещены плоский двухсторонний катод, по крайней мере два анода, состоящих из двух анодных колец, равно2 отстоящих от катода и расположенных по обе его стороны, при этом два плоских анодных кольца разных анодов расположены в одной плоскости и разделены зазором (2). Вся электронно-оптическая система датчика укреплена на массивном базовом кольце, закрепленном в свою очередь винтами на баллоне датчика.

Недостатком данной конструкции является ручная установка по отдельности каждого собранного анодного кольца и последующее винтовое закрепление, что приводит к децентрайии анодов и .неравномерности зазора между ними. Зто, в свою очередь, приводит к нестабильности параметров, асимметричности анодных токов во времени процесса, а в процессе длительной работы при циклическом включении напряжений и воздействии механических нагрузок при столь малых зазорах и децентрации возникают короткие замыкания, приводящие к потере работоспособности.

К тому же закрепление электронно-оптической системы на массивном базовом фланце

746301 4

15 з приводит к большой зависимости времени готовности бесконтактного датчика тока от теплового режима баллона и уменьшает точность измерения.

Целью изобретения является повышение стабильности параметров и обеспечение длитель. ности работы при циклическом включении напряжений в условиях механических нагрузок и уменьшение времени готовности. !

Это достигается тем, что в бесконтактном датчике тока, охватывающем шину с измеряемым током и использующем взаимодействие магнитного поля измеряемого тока с электрон-, ным потоком, выполненном в виде герметичйого кольцевого баллона, внутри которого размещен плоский кольцевой двусторонний оксидкатод и по крайней мере два анода, каждый из которых состоит из двух анодных колец, равноотстоящих от катода и расположенных по обе стороны его, при этом два анодных кольца разных анодов расположены в одной плоскости и разделены зазором, каждые два собранных плоских анодных кольца разных анодов, расположеннЫх по одну сторону катода и лежащих в одной плоскости, соединены в единый анодный узел, по крайней мере, тремя фиксирующими зазор керамическими пластинами с пазами, а к катоду, по крайней мере в трех местах, присоединены растяжки, закрепленные между двумя кольцевыми изоляторами с каждой стороны, которые также фиксируют расстояние между анодными кольцами.

На чертеже предоставлена изометрия единого катодно-анодного блока.

Он включает плоский кольцевой катод 1, имаощий с двух сторон оксиднае покрытие

2 и 3, и два анода, каждый из которых состоиг из двух плоских анодных колец 4, 5, 6 и 7, расположенных по обе стороны катода

1 на заданном расстоянйн от него, и плос кости которых перпендикулярны шине с измеряемым током. Таким образом, первый «»nc состоит, по отношению к катоду 1, из верхнего наружного плоского анодного кольца 4 и нижнего внутреннего анодного кольца 5, электрически соединенных перемычкой 8, а второй анод состоит из нижнего наружного анодного кольца 6 и верхнего внутреннего кольца 7, электрически соединенных перемычкой 9. Плос кие анодные кольца 4 и 7, 5 и 6, лежащие по одну сторону катода 1 и в одной плоскости, но принадлежащие разным анодам, разделены, по всей длине окружности зазором 10 и зазором 11 соответственно, равными 0,2 мм.

Расстояние между катодом 1 и упомя.. нутыми анодными кольцами устанавливается посредством керамических стоек 12 и 13.

Каждые два концентрично расположенные анодные кольца разных анодов — наружное 4 и

40 д

55 внутреннее 7, наружное 6 и внутреннее 5 — путем сварки соединены с точной фиксацией зазора между ними с помощью трех керамических пластин 14 и образуют два анодных узла,.

Керамические пластины 14 армированы лепестка ми 15.

При такой конструкции анодных узлов малые зазоры 10 и 14 по всей длине окружности между плоскими анодными кольцами 4 и 7, 5 и 6, равные 0,2 мм, а также точность расположения их в одной плоскости достигаются посредством строго фиксирующей оправки во время сборки и их сварки.

Анодные узлы и катод 1 собраны в единый катодно-анодный блок путем последовательного крепления сначала катода 1 между стойками 12 и 13 посредством растяжек 16 и фиксации анодных колец на стойках, После сборки единый катодно-анодный блок укрепляют на баллоне посредством керамических пластин 14 путем приварки лепестков 15 к баллону.

Для того, чтобы исключить короткие замыкания между плоскими анодными кольцами и устранить утечку по керамике, в керамических пластинах 14 сделаны пазы 17 шириной

2-3 мм, что на порядок больше = зора между упомянутыми анодными кольцами, расположенными в одной плоскости, Принцип действия бесконтактного. датчика тока основан на взаимодействии электронного потока двойного диода — датчика с магнитным полем измеряемого тока.

Во время работы, при протекании по шине измеряемого тока, вокруг нее создается пропорциональное току магнитное поле, вектор напряженности которого направлен перпендикулярно вектору электрического поля между катодом и анодами. Эти скрещенные магнитное и электрическое поля воздействуют на электронный поток, выходящий яз катода 1, искривляют траектории электронов, в результате чего электроннъй ноток смещается по поверхности анодов, при этом ток одного диода увеличивается, а другого уменьшается, и появляется разность потенциала. пропорциональна измеряемому току.

Бесконтактный датчик тока в сочетании с осциллографом или другим индикатором позволяет измерять постоянньй, переменньй либо импульсный токи.

Предлагаемая конструкция в дальнейшем, как при всех технологических операциях, так и при работе в статическом режиме и лри механических воздействиях, сохраняет постоянный зазор между собранными анодными кольцами, равный 0,2 мм, и точность расположения их в плоскости, что обеспечивает стаФормула изобретения

Составитель В. Ким

Редактор Т. Клюкина Техред О. Андрейко Корректор Ю. Макаренко

Подписное

Заказ 3931/31 Тираж 1019

UHHHIIH Государственного комитета СССР о делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

5 7463 бв1ьность анодных токов в течение не менее

1000 ч срока службы, уменьшает асимметричность анодных токов в два раза.

Предлагаемая конструкция повышает точ- ность и стабильность параметров, кроме того, позволяет уменьшить время готовности от

30-40 до 5-10 мин. Данная конструкция позволяет уменьшить трудоемкость изготовления датчика, так как 1О исключены винтовые соединения, требующие совмещения различных элементов конструкции.

Стабильность параметров, в частности устранение ассиметричности анодных токов, пред- д лагаемого бесконтактного датчика тока позволяет уменьшить диапазон подстройки электрической схемы приблизительно в два раза путем уменьшения диапазона регулировки сопротивлений в анодных цепях и соответственно умень- О щения мощности источника питания.

Бесконтактный датЧик тока, охватывающий шину с измеряемым током, выполйенный в ви . де герметичного кольцевого баллона, внутри которого размещен а плоский кольцевой двустоОГ 6 ронний катод и по крайней мере два анода, каждый из которых состоит из двух анодных колец, равноотстоящих от катода и расположенных по обе стороны его, при этом два плоских анодных кольца разных анодов расположены в одной плоскости и разделены зазором, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности параметров, обеспечения длительной работы, при циклическом включении напряжений, при воздействии механических нагрузок и уменьшения времени го.товности, каждые два плоских анодных кольца разных анодов, расположенных по одну сторону катода и лежащих в одной, плоскости, соединены в единый анодный узел, по крайней мере, тремя фиксирующими зазор керамическими пластинами с пазами, а к катоду, по крайней мере в трех местах, присоединены с двух сторон растяжки, закрепленные между двумя изоляторами с каждой стороны, которые также фиксируют расстояние между анодными кольцами.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Приборы для измерения электрических и магнитных величин. М.,: 1959, с. 11-18.

2. Авторское свидетельство СССР л»- 238002, кл. G 01 Я 19/00„ 3.08.64. (прототип),

   

www.findpatent.ru

Бесконтактный датчик тока

 

.,1828099

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 26.06.79 (21) 2784885/18-21 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет (43) Опубликовано 07.05.8!. Бюллетень ¹ 17 (45) Дата опубликования описания 07.05.81 (51)М К, з

G 01R 19/00

Государственный комитет (53) УДК 621.317.31 (088.8) по делам изобретений и открытий

Ю. А. Быстров, Ю. Ф. Радченко и Ю.tR.-:Ãîëÿòèí: у Ь

Ленинградский ордена Ленина электротех ческий-.институт имени В. И. Ульянова (Лен ма. 1 (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК ТОКА

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения токов без разрыва исследуемой цепи.

Известно устройство, позволяющее измерять токи без разрыва исследу.емой цепи (1). Погрешностью этого устройства является низкая чувствительность.

Известен бесконтактный датчик тока, содержащий расположенные в вакуумном ба- 10 лоне два анода и катод, вывод которого подключен к первой шине первого источника питания, вторая шина которого через соответствующие резисторы подключена к соответствующим выводам индикатора (2).

Целью изобретения является повышение чувствительности.

Достигается это тем, что в устройство, содержащее расположенные в вакуумном баллоне два анода и катод, вывод которого подключен к первой шине первого источника питания, вторая шина которого через соответствующие резисторы подключена к соответствующим выводам индикатора, введены второй и третий источники питания, причем аноды выполнены на двухслойном полупроводниковом кристалле, первый слой которого подключен к соответствующему выводу индикатора, вторые выводы анодов через второй и третий источник питания 30 подключены соответственно к плюсовому выводу первого источника питания.

На чертеже представлена структурная схема бесконтактного датчика тока.

Датчик содержит проводник 1 с измеряемым током, р асположенным в вакуумном баллоне 2 аноды 3, 4 и «àòîä 5, вывод которого подключен к первой шине источника

6 питания, вторая шипа которого через резисторы 7 и 8 подключена к соответствую ° щим выводам индикатора 9, первый слой двухслойных полупроводниковых кристаллов 3 и 4 соединен с.соответствующим выводом индикатора 9, » второй — через источник 10 tniI 1 1 пита>tris r o . lo eH и второй шине источника 6.

Бесконтактный датчик тока работает следующим образом.

Магнитное поле измеряемого тока направлено перпендикулярно к электрическому полю. В этом случае электронный поток оказывается помещенным в скрещенныеускоряющие электрическое и магнитное поля и, в зависимости от направления измеряемого тока, отклоняется в ту пли иную сторону, приводя к перераспределению тока первичных электронов между анодамп. Попадающий на аноды, выпо».:íåííûå надвухслойном полупроводниковом кристалле, отклоненный магнитным полем измеряемого

828099!

l ) Составитель Н. Коновалов

Техред И. Заболотнова

Редактор Е. Гончар

Корректор Н. Федорова

Заказ 1897/19 Изд. № 334 Тираж 749 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2 тока первичный поток быстрых электронов приводит к размножению носителей в слоях полупроводникового кристалла представляющий собой п — р-перехода. Величина тока, протекающего через переход, оказывается пропорциональной величине тока первичного электронного потока и, следовательно, величине измеряемого тока. Резисторы, имеющиеся в цепи диодных струкутр, преобразуют токовый сигнал в выходное напряжение.

Таким образом выполнение анодов на двухслойном полупроводниковом кристалле позволяет значительно повысить чувствительность бесконтактного датчика тока.

Формула изобретения

Бесконтактный датчик тока, содержащий расположенные в вакуумном баллоне два анода и катод, вывод которого подключен к первой шине первого источники питания, вторая шина которого через соответствующие резисторы подключена к выводам индикатора, отличающийся тем, 5 что, с целью повышения чувствительности, в него введены второй и третий источники питания, причем аноды выполнены надвухслойных полупроводниковых кристаллах, первый слой которых подключен к соответ10 ствующему выводу индикатора, вторыевыводы анодов через второй и третий источники питания соответственно подключены к второй шине первого источника питания.

15 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 334592, кл. G 11 С 7/02, 13.07.70

2. Авторское свидетельство СССР № 238002, кл, G 01 R 19/00, 03.07.64

  

www.findpatent.ru

Бесконтактный датчик тока

 

О П И С А»-Н:-И-=

ИЗОБРЕТЕН И к АП ОРскбму сВндетельстВу

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от явт. свидетельства ¹â€”

Заявлено 07.VI.1971 (¹ 1667520) 18-10),1, б Olr 19/00 с присоединением заявки ¹â€”

Государственный комнтет

Совета Мнннстроо СССР по делам нзооретеннй и открытий

Приоритст—

Опубликовано 22.VIII.1973. Бюллетень ¹ 34

ДЯта ОИ1 бликОВЯППЯ Описания 1 1.1.! 9/4

УДК 621.317.31(088.8) Авторы изобретения

Ю. А. Быстров и Ю. Ф. Радченко

Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт и(и, В. И. Ульянова (Ленина) Заявитель

БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК ТОКА

Извести(з!е Оескоитаl тиьlе датчики т01,я, Выполнеииые в виде герметичного кольцевого баллона, внутри которого размещены катод и четное количество анодов, изготовлеииых в виде дисков, плоскости которых перпендикулярны оси ипп(ы с измеряемым током, характеризуются невысокой паде?кпостью и экономичностью, ограпичcííû÷ диапазоном измеряемых ! оков.

В предлагаемый датчик для повышения надежности и экономичности введены четыре потенциал(»пях электрода, ограничивающих ра».рядиое пространство и размещенных перпеидику ляр1!О плОскОс(и 1 ;31 Одя и 3!to;Ion, ряспо;Io?KcIIIII>Ix таким Оорязоъ(, чтО кяждый ЯИОд размещеи в отдельном разрядном ilpoblc?куткс, а катод является общим для этих промежутков, при i(м катод выполнен безия! альиым.

Кро(!е того, потенциальные элсктродь! электрft fccêt! соединены мс?к..(у собой крестнакрест, что позволяет Iform!сить (увствlffñën(гость и ио мехоза щи щси ность ир и боря.

Для устранения экраиирующсго эффекгя

IIoTeftttaI33I»»»e электроды выполнены из пео(агиитпого матсриала.

Описываемое устройство (см. чертеж) состоит из кольевого баллона 1, заполненного газом при низком давлении. Внутри баллона имеются один катод 2 и два анода,3, выполненные в виде кольцевых шайб. Катод изготовлеи из материала, имеющего высок и коэффициент вторичной ионной электронной эмиссии.

Кроме того, имеются четыре кольцевых потенциальных электрода 4, ограничивающих раз5 рядиое пространство и предназначенных дл. . снятия выходного напряжения. С целью устранения экраиирующего действия 3TIlx электродов па разрядное просграиство, »0Tcffuf(3льиыс электроды изготовлены из пемягltllTIIol, (p материала и захо1ят за аноды и катод, по предотвращает выпучиваиие положител >f10( столба разряда иа степки баллоия.

Г!ри приложешlи между кятОДОм и яиодО)!

ИЯПРЯЖСПИ 11 ВЫШС ИОТЕИЦll;1;I;1 ЗЯ?1

P33P 51 1fIoro ПРО:)! е?кУтк

Плаза! 3 ПО 10ЖИте, I hi(of Î CTO, 1 011 и IIOCp(, ICTBC I I1(о соприкасалась с IfoTc(lljt(ÿ1û(flì!f электр(20 дами. При протLI(3llllll ио токсове (тщси Illllllc из. (СР)!емОГО то(Я вок1?У(!le(. c03дасTcst . (ягиитIIOC !!01(. ВСКТОР !(3 11PSI?f(C(lllOCT(l 1(OTOPOI 113прав,1сп перпендикулярно вектору элсктричссКОГО по Isf 1(ежДУ катОДОм и if!I()134 1!. Таки

25 0)(р(1зом(, П0.1ожитсльиый столб разряда оказ(,!вастся под воздействием скрещенных электр!— ческого и магнитного полей. В этом случае 113 потенциальных электродах появляется разиост ° потенциалов, обусловленная эффектом Холла

30 в газовом резряде и корелироваппая со зиаче3

Предмет изобретс пия

С:к (ав!Осок l . Верегяейкllliа ! ; хред JI. bo: цацова Кор:.сктор В. Жоауаева

1 едактор С. Хейфиц

Заказ G023 11з,(. М Io15 Торя;«,.ы,а 1(или!!свое

1IIfllIIllII Госуларствеиио(о

Москва, )К-3о, 1 ;л шская 1 аб., д.:»., 5

Загорская ткпогр.-:фия нием измеряемого тока. По этои p23iioc «г(1 потенциалов, можно судить о измеряемо.l токе.

Нйпряи

В

0I

In23i(eIII» кольцом, выходное 1! (тир я»;с!1:1; датчика пс зависит от взаимного )2cTIOë02

Круговая симметрия датчика сущестьспно уменыпяет влияние внешних магнитных полей, r2I

1. Бесконтактный датчик тока, в(ик1Г!псиный в виде герметичного кольцевого баллона, внутри которого p23 ier((e»(катод (чет(:ос коли(ест(10 (п!Одов, изготовлеппых в виде дисков, плос

1! i!i, 1»1 с пзмеР ЯсblhDI токо>(> оТ.!!(ч

ТЯКИМ OOPE!30! i I O КЯЖДЫ!1 IИОД Ра ib(CЩЕII !1

l0 отдел -Iioi разрядном промежутке, а катод явля(тся общим для этих промежутков, приче:; ка-.од выполпеп безпакальпым.

2. Датчик по п. 1, Отии !П>оцийс(! тем, «iòî, !

5 с целью повышения чувствительности и помехозащищенности, потепциальпыс электроды

ЭЛЕ1

3. Датчик (o п. 1, 2, о; (уча!о!1,!!йся тем, чтт(, 20 с целью устра!(си(!я экрап(*»1(one! n =-;ôôåi

  

www.findpatent.ru

 

Полезная модель относится к измерительным средствам электротехники, а именно к приборам для измерения токов или индикации их наличия, точнее — к бесконтактным датчикам постоянного тока. Предлагаемая полезная модель решает задачу измерения тока, величина которого значительно меньше максимально допустимой величины для данной цепи. Бесконтактный датчик постоянного тока содержит датчик Холла, источник питания, входной коммутатор, обеспечивающий переключение квадратурных выводов датчика Холла, последовательно соединенные с ним дифференциальный усилитель и интегрирующий фильтр. В датчик тока введены также магнитопровод с размагничивающей обмоткой и контроллер, включающий в себя аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор. Магнитопровод выполнен с зазором для размещения в нем датчика Холла. Для защиты от паразитных помех магнитопровод окружен экраном из магнитомягкого материала, выполненного в виде кольца. Входной коммутатор позволяет скомпенсировать некоторые составляющие напряжения смещения. Контроллер обеспечивает пуск и плавное регулирование тока в обмотке размагничивания, то есть позволяет выполнять размагничивание магнитопровода перед началом каждого измерения. Технический результат полезной модели заключается в исключении влияния последствий перегрузок измерительной цепи, вплоть до короткого замыкания, — на точность измерения токов величиной от десятых долей ампер и выше.

Назначение

Полезная модель относится к измерительным средствам электротехники, а именно к приборам для измерения токов или индикации их наличия, точнее — к бесконтактным датчикам постоянного тока.

Уровень техники

В электротехнике существует задача измерения тока, величина которого значительно меньше максимально допустимой величины для данной цепи. При этом максимальная величина тока не подлежит измерению.

Например, при зарядке аккумуляторов источника бесперебойного питания, необходимо измерять ток зарядки (подзарядки), величиной до 1 А. При этом не требуется измерять ток в момент отдачи аккумулятором своей энергии, когда токи могут достигать 1 кА, а при коротком замыкании более 10 кА.

Известно изобретение по патенту РФ 2321002, которое относится к электротехнике, а именно к датчикам силового тока как постоянного, так и переменного. Такой датчик может входить в состав защитных коммутационных аппаратов и включает в себя: токопровод для измеряемого тока, датчик Холла с усилителем и компаратором, источник питания и аналого-цифровой преобразователь, содержащий блок сравнения сигнала величины тока одного направления, блок сравнения сигнала величины тока другого направления, источник опорного напряжения блока сравнения сигнала величины тока одного направления, источник опорного напряжения блока сравнения сигнала величины тока другого направления, блок сравнения сигналов для выдачи сигнала направления тока и источник опорного напряжения блока сравнения сигналов для выдачи сигнала направления тока. При этом аналого-цифровой преобразователь дополнительно содержит устройство защиты от перегрузки по току, включающее блок сравнения сигнала одного направления, блок сравнения сигнала другого направления, источник опорного напряжения блока сравнения сигнала одного направления, источник опорного напряжения блока сравнения сигнала другого направления и блок задержки сигнала, соответствующим образом соединенные между собой.

Значение напряжения источника опорного напряжения устанавливается в пределах от напряжения на выходе датчика Холла с усилителем и компаратором, соответствующего номинальному току в токопроводе аппарата, до напряжения блока источника опорного напряжения величины тока условно положительного направления. Это значение напряжения выбирается исходя из коэффициента запаса по сечению токоведущих частей аппарата так, чтобы длительное протекание тока в главной цепи не вызвало перегрев токоведущих частей аппарата. Датчик обеспечивает защиту от перегрузок путем отключения от питания самого аппарата. Техническое решение позволяет использовать коммутационный аппарат при токах больше номинальных, но меньше аварийных, при обеспечении средне-квадратичного значения тока не более номинального, но при этом не обеспечивает высокую точность из-за гистерезисных явлений в магнитопроводе.

Известны датчики тока на эффекте Холла, предназначенные для измерения постоянного или переменного токов с гальванической развязкой силовой цепи и цепей контроля (http://znamus.ru/page/datchiki__holla)

Конструкция датчиков тока включает в себя магнитопровод с зазором и компенсационной обмоткой, датчик Холла и электронную плату обработки сигналов. Магниточувствительный датчик Холла закреплен в зазоре магнитопровода и соединен с входом электронного усилителя. При протекании измеряемого тока по шине, охватываемой магиитопроводом, в последнем наводится магнитная индукция. Датчик Холла, реагирующий на возникшее магнитное поле, вырабатывает напряжение, пропорциональное величине наведенной магнитной индукции. Выходной сигнал с датчика усиливается электронным усилителем и подается в компенсационную обмотку. В результате, по обмотке течет компенсационный ток, пропорциональный измеряемому току по величине и соответствующий ему по форме. Возникающее при этом магнитное поле компенсационной обмотки компенсирует магнитное поле измеряемого тока, и датчик Холла работает как нуль-орган. При этом полоса частот, пропускаемая таким датчиком тока, составляет от 0 Гц (постоянный ток) до 200 кГц. Точность измерения токов таких датчиков, как правило, существенно зависит от материала и качества изготовления магнитопровода. Существенно ограничивает точность измерения тока остаточная намагниченность магнитопровода, вызываемая протекающим измеряемым током.

Намагниченность магнитопровода снижается при использовании в конструкции датчика тока компенсационной обмотки. Однако, это только частичное решение задачи, поскольку при превышении величины измеряемого тока и максимального тока компенсации все-таки происходит намагничивание магнитопровода.

Кроме того, обязательным условием ненамагничивания магнитопровода — является требование не подавать ток в цепь измерения при отключенном питании датчика.

Выходной сигнал холостого хода у датчиков с компенсационной обмоткой составляет порядка 0,5% от номинального значения, допустимая перегрузка, при которой еще не насыщается сердечник — 1,5.

Выходной сигнал холостого хода датчика, способного, с учетом перегрузки, выдерживать ток 10 кА, будет соответствовать:

10000/1,5=6667 — номинал, 0,5% от 6667 соответствует 33,3 А.

Таким образом, ток менее 33 А не будет «заметен» на фоне остаточной намагниченности, а значит описанный датчик непригоден для точного измерения малых токов (порядка единиц ампер).

Существует другой вариант — специально размагничивать магнитопровод. Размагничивание производится устройством, способным создавать переменный ток, и плавно уменьшать его до минимума. Ток подается в проводник, заменяющий на время размагничивания проводник с измеряемым током. Для проведения такой операции необходимо снятия датчика с «измеряемого» проводника, что не всегда допустимо в реальных условиях производства.

Известны датчики, которые позволяют проводить более точные измерения при превышении значений номинальных токов, описанные в статье «Силовые промышленные датчики», автор А. Данилов, «Силовая электроника», октябрь 2004. В ней приведены схемы датчиков тока серии ACS750/752 компании Allegro MicroSystem, созданные на основе датчиков Холла со стабилизацией прерыванием. В состав датчика, принятого за прототип, кроме преобразователя Холла, входит коммутатор, усилитель, интегрирующий фильтр, выходное буферное устройство. Стабилизация прерыванием заключается в периодическом переключении квадратурных выводов ячейки Холла при помощи входного коммутатора, последующем дифференциальным усилением, стробированием и запоминанием плоского участка импульса при помощи устройства выборки хранения. Это позволяет компенсировать некоторые составляющие напряжения смещения. Датчики выпускаются на определенные номинальные токи и не могут использоваться при коротких замыканиях в коммутационных аппаратах.

Предлагаемая полезная модель решает задачу измерения тока, величина которого значительно меньше максимально допустимой величины для данной цепи.

Раскрытие полезной модели

Бесконтактный датчик постоянного тока содержит преобразователь Холла, источник питания, входной коммутатор, обеспечивающий переключение квадратурных выводов преобразователя Холла, последовательно соединенные с ним дифференциальный усилитель и интегрирующий фильтр. В датчик введены также магнитопровод с размагничивающей обмоткой и контроллер, включающий в себя аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор. Магнитопровод выполнен с зазором для размещения в нем датчика Холла.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что входной коммутатор позволяет скомпенсировать некоторые составляющие напряжения смещения, но в случае случайного короткого замыкания в цепи измерения результат измерения будет искажен остаточной намагниченностью магнитопровода наведенным током короткого замыкания. Поэтому всякий раз перед началом измерения следует проводить процедуру размагничивания магнитопровода. Это обеспечивает введенный контроллер, включающий в себя аналого-цифровой преобразователь и процессор. Контроллер обеспечивает пуск и плавное регулирование тока в обмотке размагничивания, то есть позволяет выполнять размагничивание магнитопровода без демонтажа датчика. При этом контроллер имеет выход на внешний интерфейс, что упрощает проведение калибровочных, настроечных и измерительных процессов.

Кроме того, для защиты от паразитных помех магнитопровод окружен экраном из магнитомягкого материала, выполненного в виде кольца, расположенного в одной плоскости с магнитопроводом.

Технический результат полезной модели заключается в исключении влияния последствий перегрузок измерительной цепи, вплоть до короткого замыкания, — на точность измерения.

На фигуре, иллюстрирующей полезную модель, приведена структурная схема бесконтактного датчика постоянного тока.

Осуществление полезной модели

Бесконтактный датчик постоянного тока содержит последовательно соединенные преобразователь Холла 1, коммутатор 2, усилитель 3 и интегрирующий фильтр 4. Коммутатор может быть выполнен на микросхеме ADG513, усилитель — AD620, интегрирующий фильтр на микросхеме AD820, зашунтированной емкостью и резистором. В состав датчика тока входит кольцевой магнитопровод 5 с зазором. Датчик Холла 1 размещен в зазоре магнитопровода 5. На магнитопроводе 5 размещена обмотка размагничивания 6. Отдельный источник питания (не показан) подает электроэнергию во все части схемы, в том числе и на генератор тока 7 для питания датчика Холла 1. К выходу интегрирующего фильтра 4 подсоединен контроллер 8, включающий в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9 и процессор 9. Один из выходов микропроцессора 9 подсоединен к коммутатору 2, два других — к обмотке размагничивания 6, а группа выходов 11 могут подключаться к внешнему устройству, например, к интерфейсу типа RS485. Контроллер 8 может быть выполнен на микрочипе dsPic 30F3013.

Для защиты от паразитных помех магнитопровод 5 может быть окружен экраном 12, выполненным в виде кольца из магнитомягкого материала, например аморфного железа.

Датчик тока работает следующим образом. При протекании контролируемого тока по проводнику, проходящему через отверстие кольцевого магнитопровода 5, на выводах датчика Холла 1 формируется сигнал, пропорциональный силе контролируемого тока. При этом коммутатор 2 непрерывно производит перекоммутацию знака напряжения, подаваемого на входные зажимы датчика Холла 1, чем обеспечивает компенсацию напряжения смещения. Сигнал с датчика Холла 1 поступает на усилитель 3, с него на интегрирующий фильтр 4 и далее на АЦП 9 контроллера 8. Цифровой сигнал, вырабатываемый АЦП 9, подается на процессор 10 для формирования сигнала управления коммутатором 2.

Перед началом измерения с процессора 10 подается сигнал (программно или по команде от оператора) на размагничивающую обмотку 6, обеспечивая размагничивание магнитопровода 5.

После измерения один из выходов группы 11 микропроцессора 10 выдает сигнал в цифровой форме, пропорциональный измеряемому току.

Таким образом, за счет снижения величины смещения и размагничивания магнитопровода, бесконтактный датчик постоянного тока обеспечивает точное измерение токов вне зависимости от возможных, значительно превосходящих номинальные значения, всплесков тока.

1. Бесконтактный датчик постоянного тока, содержащий датчик Холла, источник питания, входной коммутатор, обеспечивающий переключение квадратурных выводов датчика Холла, и последовательно соединенные с ним дифференциальный усилитель и интегрирующий фильтр, отличающийся тем, что содержит дополнительно магнитопровод с размагничивающей обмоткой и контроллер, содержащий аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, при этом магнитопровод выполнен с зазором для размещения в нем датчика Холла, а контроллер соединен с обмоткой размагничивания магнитопровода и имеет выход для подключения к внешнему интерфейсу.

2. Бесконтактный датчик постоянного тока по п.1, отличающийся тем, что содержит экран в виде кольца из магнитомягкого материала, расположенного вокруг магнитопровода в одной с ним плоскости.

poleznayamodel.ru