Датчики напряжения и тока – Датчики АО «НИИЭМ» как средства контроля и измерения постоянных и переменных токов, напряжений и активной мощности

Содержание

ДАТЧИКИ ТОКА, НАПРЯЖЕНИЯ И МОЩНОСТИ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Сегодня направление разработки и производства отечественных датчиков переживает своё второе рождение. Это объясняется, прежде всего, тем, что нынешний уровень развития производства требует не только совершенствования технологических процессов, но и их автоматизации. Кроме того, современное предприятие сегодня немыслимо без автоматизированных систем учёта и управления производством. А поскольку базируются все процессы автоматизации на показаниях первичных датчиков, то вполне понятен интерес и повышенные требования, которые предъявляются к конструкции и характеристикам датчиков различных физических величин.

 

В целом продукцию датчиков можно разбить на две группы: датчики измерения тока и напряжения, датчики активной мощности. Датчики измерения тока и напряжения – это самая многочисленная группа приборов, и физические принципы, лежащие в основе этих датчиков, так или иначе повторяются во всех остальных модификациях. Любой ток, протекающий по проводнику, создаёт вокруг этого проводника магнитное поле. Измеряя величину и направление этого магнитного поля, можно определить величину, направление и форму протекающего тока. Отсюда и основное преимущество датчиков тока, реализующих указанный принцип работы: они измеряют любой вид тока без разрыва токовой цепи и с гальванической развязкой выходного сигнала от токовой цепи. Поэтому, даже несмотря на большую стоимость, датчики измерения тока успешно заменяют токовые шунты и трансформаторы тока.

 

Универсальность датчиков тока заключается в том, что одним и тем же прибором можно измерять постоянные, переменные и импульсные токи. Для этого в конструкцию датчика кроме концентратора магнитного поля, входит так называемый датчик Холла – миниатюрный полупроводниковый прибор, определяющий величину и направление магнитного поля проходящего тока. Конструктивно датчик тока представляет миниатюрный автономный модуль, электронная начинка которого питается от постоянного напряжения ± 15В. Потребитель должен только пропустить токовую шину через отверстие в корпусе датчика тока. Выходной сигнал такого датчика строго пропорционален измеряемому току. Понятно, что в зависимости от величины измеряемого тока и внешних условий эксплуатации датчиков, меняется диаметр отверстия и конструкция корпуса этих приборов. Диапазон измерения тока таких датчиков может составлять от десятков миллиампер и до трёх тысяч ампер. Наиболее популярными и часто используемыми являются датчики, имеющие минимальные размеры, массу и монтируемые, как правило, на печатной плате. При необходимости использования датчиков в более жёстких условиях, связанных с внешними механическими воздействиями, предусмотрена более жёсткая конструкция датчика. Электрическое соединение датчика осуществляется с помощью разъёма.

 

Выходной сигнал стандартного датчика – токовый и строго пропорционален мгновенному значению измеряемого тока. Однако, по требованию заказчика, электронная схема датчика легко трансформируется, и тогда датчик может измерять действующее значение тока, либо обладает стандартным токовым выходом 4-20мА (0-20мА). Это создаёт дополнительные удобства при использовании датчиков в системах автоматизации или связи. Основные преимущества таких датчиков: высокая точность измерений (до 1%), гальваническая развязка, малые габаритно-массовые размеры и температурный дрейф характеристик. Диаметр отверстий под токовую шину колеблется от 10 и до 40мм.

 

Датчики измерения переменного тока можно рассматривать как частный случай универсальных датчиков. Анализ рынка показывает, что примерно в 50% случаев потребителям необходимо измерять только переменные токи. Причём в большинстве случаев это токи синусоидальной формы промышленной частоты 50Гц. Именно для таких измерений разработана серия датчиков, имеющих более дешёвую электронную начинку. Цена таких датчиков приблизительно в 1,5 раза ниже, а уровень технических характеристик весьма высок. Датчики могут работать в широком температурном диапазоне от минус 40 до плюс 80°С с минимальной температурной погрешностью, линейность амплитудно-частотной характеристики не хуже 1% в диапазоне частот от 20Гц до 10кГц. Кроме того, потребитель сам выбирает, с каким выходным сигналом датчика ему удобно работать: это может быть потенциальный сигнал или токовый выход 4-20мА (0-20мА).

 

Если измеряемое напряжение цепи превратить в ток (используя токозадающее сопротивление), то величина этого тока будет пропорциональна напряжению в измерительной цепи. Именно этот принцип лежит в основе работы датчиков измерения напряжения, а наличие в их конструкции датчика Холла обеспечивает гальваническую развязку силовых цепей и цепей контроля. Датчик напряжения может монтироваться на печатную плату, а токозадающее сопротивление подключается одним концом к измерительной цепи, а вторым – к винтовому выводу датчика. Второй винтовой вывод датчика соединяется с измерительной цепью. В ряде случаев более удобным является размещение датчика на DIN-рейке. Для этих целей существует специальная переходная планка. В ряде случаев более удобным является клеммное устройство датчика напряжения. Такой датчик напряжения имеет возможность непосредственного монтажа на DIN-рейке.

 

Датчики напряжения позволяют контролировать постоянное и переменное напряжение до 1 000В в широком температурном диапазоне. Электронная схема датчика предусматривает получение выходного сигнала в виде напряжения или в виде токового сигнала 4-20мА (0-20мА). Этот датчик предназначен для преобразования входного постоянного, импульсного напряжения положительной полярности в стандартное (мгновенное) значение токового выхода 4-20мА. А модификация этого же датчика преобразует входное напряжение в действующее выпрямленное значение стандартного токового выхода 4-20мА. Питание датчика осуществляется по токовой петле 4-20мА, а монтаж – на DIN-рейку.

 

Большое количество модификаций датчиков тока обеспечивает свободу выбора пользователям этих приборов. Однако существует целая отрасль измерений, которая принципиально не может использовать вышеописанные стационарные датчики. Это касается вопросов мониторинга токовых цепей, которые давно собраны и функционируют. Кроме того, целый ряд производств с непрерывным циклом работы не допускает длительного отключения токовых цепей и переустановки оборудования. Для таких случаев незаменимыми оказываются разъёмные датчики тока. Основой таких датчиков является разъёмный магнитопровод, позволяющий монтировать датчики непосредственно на токовой шине, без разрыва последней и с гальванической изоляцией измеряемого тока от измерительных цепей. При необходимости датчики можно закрепить и на DIN-рейке.

 

При протекании измеряемого тока по шине, охватываемой магнитопроводом, в обмотке датчика наводится ток, пропорциональный измеряемому току. Выходной сигнал с обмотки подаётся либо на выпрямитель (детектор) амплитудных значений, либо на детектор истинных среднеквадратичных значений. Напряжение постоянного тока с выхода детектора преобразуется в сигнал интерфейса «токовая петля 4-20мА». Разъёмные датчики тока относятся к числу последних отечественных разработок, и на сегодняшний день освоено производство только двух модификаций: для монтажа на круглой шине и измерения токов в диапазоне от 5 до 300А с допустимой перегрузкой по входному току в 1,5 раза; для монтажа на плоской шине и измерения токов 1 000, 1 500 или 3 000А. Такая конструкция разъёмных датчиков позволяет закрепить их непосредственно на шине без разрыва токовой цепи. Дальше такие датчики функционируют как обычные стационарные приборы. В то же время существует целый ряд задач, которые требуют частых разовых измерений, причём в различных, иногда труднодоступных участках токовых цепей. И часто качество технологического процесса зависит от точности и своевременности этих токовых измерений. Для решения таких задач разработаны электроизмерительные клещи. Токовые клещи являются автономным контрольным прибором (питание от 2-х пальчиковых батареек), предназначенным для измерения действующего значения постоянного и переменного токов без разрыва силовой цепи. Базовая модель клещей – это интеллектуальный прибор, в конструкции которого используется микроконтроллер с электрически программируемым ПЗУ. Благодаря этому клещи кроме ряда стандартных функций (измерение постоянного и переменного токов) содержат ещё и ряд функций мультиметра. Они могут использоваться для измерения напряжения постоянного и переменного токов до 600В, для измерения сопротивления цепи до 2 000Ом и измерения температуры окружающей среды. Выбор пределов измерений, обнуление шкалы в клещах производятся автоматически. Кроме того, клещи содержат ряд сервисных функций: удержания («память») измеренного значения и энергосбережения («сон»). Малые габаритно-массовые размеры и различный диаметр отверстия под токовую шину создают дополнительные удобства для потребителей. Отечественные клещи выгодно отличает возможность работы с ними при отрицательных температурах окружающей среды до минус 20°С.

 

Логическим продолжением описанных выше приборов является датчик измерения мощности (ДИМ). Он предназначен для преобразования активной мощности, потребляемой нагрузкой в цепях переменного тока частоты 50Гц и постоянного тока в пропорциональный сигнал токового интерфейса 0-20мА или 4-20мА, гальванически изолированного от измерительных цепей. Диапазон мощностей, измеряемых ДИМ, составляет от 5 до 200кВт. При этом диапазон входных напряжений колеблется от 20 до 380В, а диапазон входных токов составляет от 20 до 600А. Коэффициент мощности ДИМ на частоте 50Гц составляет 0,3–1, основная приведённая погрешность ± 2%, при этом диаметр отверстия под токовую шину можно варьировать или изготовить датчик мощности под плоскую токовую шину. Питается датчик от внешнего источника питания 13,5–16,5В и выдерживает длительную перегрузку по входу до 120% от номинальных значений напряжения и тока.

 

Отдельного описания заслуживает датчик измерения больших токов (ДБТ). Конструктивно ДБТ состоит из двух блоков: измерительного контура и блока питания. Разъёмный измерительный контур массой до 40кг предназначен для монтажа непосредственно на токоведущей шине. Размеры внутреннего окна контура могут составлять 400х400мм. Удобство монтажа датчика без разрыва токовой шины – это только одно из преимуществ ДБТ по сравнению с традиционно используемыми шунтами. Электрическая связь между измерительным контуром и блоком питания и индикации осуществляется с помощью кабеля длиной до 5м. Блок питания и индикации смонтирован в удобном переносном корпусе и питается от однофазной промышленной сети переменного тока 220В (50Гц) ± 10%. Блок обеспечивает измерительный контур необходимым питанием и формирует выходной сигнал стандартной токовой петли 0-5мА. Основная приведённая погрешность датчика составляет 0,4%. Датчик ДБТ полностью сохраняет работоспособность при 1,5-кратной перегрузке измеряемого тока. Области использования ДБТ весьма специфичны: это энергоёмкие производства медеплавильной промышленности, предприятия нефтяной промышленности и электрометаллургии с высоким уровнем паразитных магнитных полей, нефтехимия и электроэнергетика. Поэтому в датчике предусмотрена специальная система теплоотвода, повышены изолирующие свойства измерительного контура и предусмотрены меры электромагнитной защиты.

 

Основная цель настоящей статьи заключается в том, чтобы дать разработчикам и эксплуатационникам информацию о первичных датчиках, разъяснить особенности этих приборов и помочь разобраться в их преимуществах и недостатках. Вооружённый этими знаниями потребитель сегодня решает сам: использовать импортные приборы или сделать выбор в пользу отечественного производителя.

 

Из статьи Г.Я. ПОРТНОГО,

к.т.н., зам. гл. конструктора ОАО «НИИЭМ»

www.to-inform.ru

Датчики тока — применение

Датчики тока и напряжения позволяют решить все проблемы в области силовой электроники, связанные с созданием систем обратной связи в электрооборудовании, а также при измерении и контроле постоянного, переменного, импульсного напряжения и тока в широких пределах с высокой точностью. Эти устройства обеспечивают точную, изолированную ОС в системах управления приводами постоянного и переменного тока, в преобразовательной технике.

Датчики дифференциального тока (тока утечки) позволяют измерять разностный ток в прямом и обратном проводнике, передавая , таки образом, измерительному устройству сигнал, пропорциональный току утечки или передаваемый по протоколу обмена. Современные датчики работают как на постоянном, так и на переменном токе.

Когда-то давно, во времена, которые сейчас вспоминаются с большим трудом, датчики тока и напряжения было принято делить по исполнениям — на промышленное (стандартное) и транспортное. В последние годы, при резком улучшении качества компонентной базы, заливочных компаундов, пластика, из которого изготавливаются корпуса, это деление является весьма и весьма условным. Пожалуй, наиболее правильным ответом, чем же отличается транспортный датчик от промышленного, будет следующий — датчик, применяемый на транспорте (подвижном составе), должен соответствовать стандарту EN50155, а промышленный — стандарту EN50178. В ряде случаев отличие одной модели от другой заключается только в выборе стандарта, по которому аттестовали конкретное изделие, и, соответственно, наличие и объем испытаний, описанных в стандарте. Существует мнение, что, залив компаундом промышленный датчик и проведя испытания в соответствии со стандартом, можно в результате получить устройство транспортного применения.

Ныне трудно найти электронные компоненты, имеющие пониженную рабочую температуру хуже -25С, величина -40С стала стандартом даже для индустриальных применений, учитывая, что, например, в России половина территории расположена в местах, где температура в -30 воспринимается как совершенно нормальная. Но даже в таких условиях некоторые производители идут на дополнительные затраты и ухищрения для обеспечения работоспособности и соответствия параметров датчиков при пониженной температуре вплоть до -55С. Для этого применяется отбор датчиков Холла, операционные усилители так называемых «военных» серий (с пониженной рабочей температурой -55С), заливочные компаунды с температурой стеклования -60С и ниже. Обеспечение повышенной рабочей температуры вплоть до +85С оказывается существенно более простой задачей, как правило, устройство, соответствующее требованиям технического паспорта при -55С, работает при повышенной температуре без проблем.

Какие параметры нужно учитывать при выборе датчиков тока

Выбор датчиков связан как с техническими, так и с экономическими предпосылками. Поэтому должны быть приняты во внимание все аспекты их применения.

Среди технических параметров особое внимание нужно уделить следующим:

  • Электрические воздействия
  • Механические воздействия
  • Температурные воздействия
  • Условия эксплуатации

На практике часто возникают комбинации нескольких факторов, которые должны оцениваться в совокупности для выбора наиболее подходящих вариантов датчиков.

При более сложных условиях применения датчика необходимо учесть такие факторы, как:

  • Внешние магнитные воздействия    
  • Электромагнитные помехи
  • Крутизна фронта импульсов
  • Специальные требования по электрической прочности
  • Совместимость с существующими стандартами
  • Другие.

В случае затруднений в выборе типа датчика проконсультируйтесь с нашими специалистами, они предложат Вам датчик, полностью соответствующий специфике применения.

ldtn.ru

Датчики АО «НИИЭМ» как средства контроля и измерения постоянных и переменных токов, напряжений и активной мощности

Отделение датчиков первичных физических величин было создано в АО «НИИЭМ» (г. Истра Московской области) почти четверть века тому назад. За это время специалистами фирмы разработано и запущено в производство около 400 модификаций современных датчиков измерения постоянного и переменного токов, напряжений и датчиков активной мощности. Эти устройства представляют собой автономные модули, которые в процессе измерений обеспечивают гальваническую развязку входных и выходных цепей. Данное свойство, а также малые габаритные размеры, возможность крепежа на печатную плату или DIN-рейку, простота в обращении и многое другое позволяют использовать датчики вместо широко применяемых, но морально устаревших токовых шунтов, магнитных усилителей и трансформаторов тока. Дополнительными преимуществами датчиков являются малое энергопотребление, работа в широком температурном диапазоне, высокая чувствительность и хорошее по сравнению с зарубежными аналогами соотношение цены и качества.

Принцип работы всех датчиков основан на бесконтактном измерении силы протекающего по шине тока с помощью одного или нескольких датчиков Холла, помещенных в зазор магнитопровода. Ток, протекающий по шине через отверстие магнитопровода, создает в последнем магнитное поле, величину, форму и направление которого фиксируют датчики Холла. Современная электроника позволяет обработать полученный сигнал и обеспечить потребителям необходимый вид выходного сигнала с датчика: мгновенное значение измеряемого тока, действующее, средневыпрямленное или стандартизированное значение 0?20 или 4?20 мА.

Далее представлены основные типы и характеристики разработанных датчиков, которые используются как средство измерения и включены в Госреестр средств измерений РФ.

Рис. 1. Общий вид датчиков тока ДТХ (а) и датчиков напряжения ДНХ (б) для монтажа на печатную плату

Датчики для монтажа на печатную плату

Серии датчиков измерения тока ДТХ (рис. 1а) и датчиков напряжения ДНХ (рис. 1б) разработаны и включены в Госреестр одними из первых. Потребителей привлекают малые размеры этих приборов, широкий температурный диапазон от –60 до +80 °С и возможность измерения постоянных и переменных токов до 200 А и напряжений до 1000 В. Выходные контакты у датчиков организованы в виде ножек со стандартным шагом 2,5 мм, которые впаиваются в металлизированные отверстия печатной платы. Диаметр отверстия под токовую шину составляет 10 мм, в датчиках напряжения ДНХ входные клеммы изготовлены в виде винтовых соединений. Масса датчиков тока и напряжения составляет соответственно 70 и 100 г.

Датчики с увеличенным диаметром отверстия под токовую шину

Серия датчиков измерения тока ДТХ-У (постоянный ток) и ДТХ-П (переменный ток) перекрывает диапазон контролируемых токов от 50 до 4000 А с допустимой перегрузкой по току в 1,5 раза от номинального значения. Пластмассовые корпуса этих устройств удобно крепятся в двух плоскостях или с помощью DIN-рейки, диаметр отверстия под токовую шину составляет от 14 мм в датчиках ДТХ-Т (рис. 2а) до 30 мм в датчиках ДТХ-300 (рис. 2б) или 40 мм в ДТХ-1000 (риc. 2в).

Рис. 2. Внешний вид датчиков серии ДТХ

На рис. 3 представлена новинка: разработанный датчик тока ДТХ-5000 способен измерять постоянный и переменный ток до 5000 А. Прибор рассчитан под плоскую токовую шину размером 100?40 мм, электрическая прочность изоляции которой на переменном токе 50 Гц/1 мин составляет не менее 12 000 В. Ток потребления по цепи питания не превышает 850 мА, допустимая основная приведенная погрешность не более 1%, коэффициент преобразования 1/5000. Габаритные размеры датчика 215?220?144 мм. В настоящее время готовятся документы на сертификацию датчика в органах Госстандарта.

Рис. 3. Новинка: разработанный датчик измерения постоянного и переменного токов до 5000 А

Калибровка приборов осуществляется отделом главного метролога предприятия-разработчика, или по требованию заказчика датчики поверяются в Госстандарте государственным поверителем.

 

Разъемные датчики тока

Разъемные датчики являются модификацией стационарных датчиков тока и в этом качестве также введены в Госреестр СИ РФ. Удобство применения таких приборов заключается в том, что измерения тока можно проводить без демонтажа уже собранных изделий. Для этого достаточно на токовой шине закрепить разъемный датчик. Габариты устройства колеблются от 85?56?35 мм для датчика ДТР-01 (рис. 4а) до 65?110?114 мм ДТР-03 (рис. 4б) или 131?106?66 мм для датчика ДТР-02 (рис. 4в) под плоскую шину 10?82 мм.

Рис. 4. Внешний вид разъемных датчиков: а) ДТР-01; ,б) ДТР-03; в) ДТР-02

 

Клещи электроизмерительные КЭИ

Разъемными датчиками можно назвать и такое средство измерения, как токовые клещи. Кроме стандартных клещей-мультиметров для разовых измерений постоянных и переменных токов до 600 А (КЭИ-0,6М, рис. 5а) или 1000 А (КЭИ-1,0М, рис. 5б), в АО «НИИЭМ» разработаны клещи больших токов. В частности, в Госреестр включены клещи для измерения токов до 3000 А с диаметром отверстия под токовую шину 90 мм и до 5000 А с диаметром 160 мм (рис. 6). Последняя разработка — это высоковольтные клещи для измерения токов до 1000 А при потенциале на токовой шине до 10 кВ.

Рис. 5. Клещи-мультиметры: а) КЭИ-0,6М и б) КЭИ-1,0М

 

Рис. 6. Клещи больших токов до 5000 А

Клещи КЭИ-1 (10 кВ), показанные на рис. 7, являются современным средством измерения, снабженным целым рядом функций, делающих их привлекательными для потребителей. Полностью электронные клещи содержат микропроцессор, цифровой свето­диодный индикатор, автономный источник питания. При минимальном токе потребления высоковольтные клещи обеспечивают диапазон измеряемых токов 0?100 и 0?1000 А с основной приведенной погрешностью не более 1%. Клещи поддерживают функцию энергосбережения «Сон», содержат светодиод, который упрощает работу в темное время суток. Для удобства эксплуатации предусмотрены съемные 60-см ручки, а сам прибор легко помещается в специальный носимый заплечный чехол.

Рис. 7. Электронные высоковольтные клещи КЭИ-1 (10кВ)

Высоковольтные электронные клещи КЭИ-1 (10 кВ) также внесены в Госреестр и успешно заменяют аналогичный, но морально устаревший стрелочный прибор Ц-4502.

 

Датчики измерения активной мощности

Датчики активной мощности серии ДИМ давно уже выпускаются АО «НИИЭМ». Сегодня предприятие предлагает новые измерители активной мощности серии ДИМ-200HV в цепях переменного и постоянного токов (рис. 8). У датчиков ДИМ-200НV входное напряжение увеличено до 800 В, а максимальный входной ток — до 800 А.

Рис. 8. Датчики измерения активной мощности ДИМ-200HV с различными диаметрами отверстия под токовую шину

В конструкцию измерителя активной мощности ДИМ-200НV включен 16-разрядный микроконтроллер, выходные интерфейсы 4?20 мА и RMS-485 с протоколом Моd — bus. Максимальное значение измерителя (шкала) указывается заказчиком. Клиент также выбирает конструкцию корпуса датчика активной мощности с диаметром отверстия под токовую шину 30 мм (ДИМ-200BHV) или 40 мм (ДИМ-200AHV).

Датчик обеспечивает контроль мощностей (шкала) 20–640 кВт, основная приведенная погрешность измерения в диапазоне от 5 до 100% максимальной мощности не превышает 2%.

controlengrussia.com

10. Современные промышленные датчики тока.

Современная практика и научные исследования требуют измерений больших токов — до 12 МА. Токи при этом могут быть постоянными, переменными, и импульсными с длительностью импульсов от долей микросекунд до нескольких десятков миллисекунд. Измерение больших постоянных токов — до 200500 кА широко используется в устройствах электролиза алюминия. Большие переменные токи — до 150200 кА имеют место в мощных дуговых электропечах. В термоядерных установках токи достигают сотен килоампер [9].

В ряде случаев необходимо проводить измерения при сверхнизких и высоких температурах, например, в криотурбогенераторах или криомодулях высокоскоростных транспортных средств на магнитной подушке, при исследовании плазменных и термоядерных источников энергии.

Достоверное измерение токов в энергетическом и управляющем оборудовании является важным аспектом обеспечения высокой надёжности и безопасности промышленных систем и электронных приборов. Специализированные датчики также применяются для определения разбаланса токов, мониторинга и диагностики цепей, запуска схем защиты, обнаружения отказов электрооборудования и аварийных состояний различных типов нагрузки [9].

Существует множество методов измерения тока, однако в промышленности наиболее широко применяются четыре: резистивный, магнитооптический, на основе эффекта Холла и трансформатора тока; последний может быть использован только в цепях переменного тока. Датчики тока, реализованные на базе указанных методов, имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения.

Рассмотрим конструкцию каждого датчика [9].

11. Резистивные датчики.

Резистивные датчики – самые дешёвые, линейные и точные. Однако им присущи потери, вносимые в цепь измерения, отсутствие гальванической развязки, ограничение полосы пропускания, обусловленное паразитной индуктивностью большинства мощных резисторов, а также саморазогрев и термо ЭДС при больших токах, снижающие точность измерения.

Низкоиндуктивные измерительные резисторы существенно дороже, но могут быть использованы для измерения токов в диапазоне частот до нескольких мегагерц. Для усиления или обработки напряжения, выделяющегося на токочувствительном резисторе, необходим дифференциальный усилитель или компаратор, обладающий достаточным КОСС, особенно вблизи питающих напряжений [9].

12. Датчики Холла.

Первые промышленные датчики на основе эффекта, открытого в 1897 г.

американским физиком Эдвином Холлом (Edwin H. Hall, 1855–1938), были разработаны в конце 1960х. Однако широкое использование интегральных и гибридных датчиков тока на основе эффекта Холла долгое время сдерживалось их высокой стоимостью. К началу 1990_х были разработаны новые технологии, позволившие значительно снизить себестоимость производства самих ячеек Холла и интегральных схем на их основе. Это

обусловило бурный рост предложения промышленных датчиков тока и других магниточувствительных полупроводниковых приборов [9].

Рис. 12. Возникновение ЭДС Холла (VH)

Эффект Холла заключается в появлении напряжения на концах полоски проводника или полупроводника, помещённого перпендикулярно силовым линиям магнитного поля (рис. 12). Для меди напряжение Холла составляет 24 мкВ/кГс, для полупроводника – свыше ±110 мВ/кГс (с учётом направлений магнитного поля и тока), что вполне достаточно для построения промышленных датчиков тока, главными преимуществами которых является отсутствие вносимых потерь и «естественная» гальваническая развязка. В линейных датчиках Холла выходное напряжение пропорционально приложенному магнитному полю, за исключением режимов симметричного насыщения. По сравнению с резистивными датчиками тока, приборы на основе ячейки Холла имеют более узкий частотный диапазон, паразитное напряжение смещения (в некоторых конструкциях), низкую точность, высокую стоимость и требуют для работы внешний источник питания [9].

На рис. 13 и 14 схематически представлены две основные разновидности датчиков тока на основе эффекта Холла – разомкнутого и замкнутого

типов соответственно, где I primary – ток в первичной цепи, I secondary – ток во вторичной цепи, Vout – выходное напряжение усилителя, пропорциональное току в первичной цепи. Датчики замкнутого типа (с компенсирующей обмоткой) обеспечивают высокую точность, в несколько раз более широкую полосу пропускания и, как правило, не имеют выходного

смещения при нулевом токе. Их чувствительность прямо пропорциональная числу витков компенсирующей обмотки. Однако по стоимости

они приближаются к трансформаторам тока [9].

Рис. 13. Холловский датчик тока разомкнутого типа

Рис. 14. Холловский датчик тока замкнутого типа

studfiles.net

Датчики тока и напряжения | Строй легко

В современной электротехнической промышленности очень важным является качественное дистанционное измерение токов. Датчик тока и напряжения позволяет решать эту задачу дистанционно. Данная функция применяется в электронике, электротехнике, энергетике, при диагностике цепей, для определения величины токов, управления запуском схем защиты, при выявлении отказов в работающем оборудовании. При всем многообразии способов измерений можно выделить три наиболее часто используемых:

1. Резистивный.

2. Основанный на использовании эффекта Холла.

3. Основанный на применении трансформаторов тока.

Способ, с использованием трансформаторов тока может быть применен только к переменному току. Все три типа датчиков не лишены недостатков, которые ограничивают их сферы применения. Датчики, основанные на законе Ома (резистивные) – самые доступные и точные при относительно небольших токах. Однако при увеличении тока, проходящего через датчик, происходит его значительный разогрев, что требует применения более мощных резисторов, которые имеют паразитную индуктивность. Все это снижает точность измерений. При применении малоиндуктивных резисторов повышаются расходы, но появляется возможность измерения токов вплоть до единиц мегагерц. Но, кроме этого, после снятия напряжения с измерительного резистора, его необходимо обработать, усилить и т.д., что осуществляется электронными усилителями. Эти устройства очень чувствительны к электромагнитным наводкам от цепей с протекающим по ним большим током, что также исказит результат измерений. Помимо этого, такие схемы измерений не имеют гальванической развязки.

Эффект Холла был открыт еще в прошлом веке. Смысл его состоит в том, что если отрезок полупроводника поместить перпендикулярно в магнитное поле, то на его концах появится разность потенциалов. Такие датчики не влияют на измеряемую цепь. Первые датчики, пригодные для использования в промышленности на основе этого эффекта были изготовлены только в 60х годах 20-ого века. Они имели интегральное или гибридное исполнение, но были дороги, так как сама технология полупроводников еще только делала первые шаги по удешевлению своей продукции. Только к 90 годам полупроводниковая промышленность накопила необходимый технологический потенциал, позволивший начать массовый выпуск специализированных микросхем, использующих в своей работе также и эффект Холла. Стали доступными такие специализированные устройства, как датчик постоянного и переменного тока и т.д.

stroylegko.com

Датчики тока, датчики напряжения, датчики больших токов

ДАТЧИКИ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
 — Промышленные датчики тока

— Датчики тока для электротяги

— Датчики напряжения для электротяги

— Детекторы напряжения

— Общая информация

Датчики тока и напряжения АВВ соответствуют прогрессивным тенденциям в областях промышленности и электротяги, отвечая всем требованиям. Благодаря электронной технологии, АВВ внедрили в свою продукцию последние новшества. 
Датчики тока и напряжения АВВ, являясь более компактными, чем любые другие, позволяют сократить занимаемое ими место в оборудовании, они могут располагаться как в горизонтальном, так и в вертикальном положении. Производимые из высококачественного материала, датчики тока и напряжения АВВ обладают повышенным температурным диапазоном, большой механической прочностью и, главным образом, надежной работоспособностью в различных климатических условиях. Эта продукция соответствует экологическим требованиям, требованиям к безопасности и строгим стандартам качества.

                                                                                                                                                         

Technologies

                                                                                        
 Замкнутый контур 
Эффект Холла
                 

 

Принцип

Сенсоры тока АВВ являются электронными датчиками, в которых применяется технология замкнутого контура (эффект коридора).С их помощью можно измерить постоянный, переменный и импульсные токи. Между первичной и вторичной обмотками трансформаторов — гальваническая изоляция.
Первичный ток IP протекая через сенсор, создает первичный магнитный поток. Фиксирующий элемент, расположенный в воздушном зазоре магнитного контура, обеспечивает напряжение пропорционально этому потоку. В электронном контуре происходит усиление напряжения и преобразование во вторичный так IS.
Вторичный так, умноженный на число витков NS вторичной обмотки, нейтрализует первичный магнитный поток ( противодействие). Формула  NP x IP = NS x IS всегда действительна.  Датчики тока измеряют мгновенные значения

 

Таким образом, вторичный выходной ток IS прямо пропорционален первичному току в любой момент времени. Вторичный ток Is может протекать через измерительный резистор Rm. Следовательно, напряжение Um на клеммах измерительного резистора Rm также прямо пропорционально первичному току Ip.


Преимщества

Применение

The main advantages of this closed loop Hall effect technology are as follows:
●   Гальваническая изоляция между первичной и вторичной обмотками.
● Возможность измерения тока любой формы: постоянный, переменный, импульсивный и т.д.
● Высокая точность.
● Высокая динамическая характеристика.
● Устойчивость перед большими перегрузками.
● Высокая надежность.
 

В промышленности

Различные скоростные приводы, источники бесперебойного питания (VPS), активные гармонические фильтры, зарядные устройства для батарей, генераторы, телемеханические устройства, конвейеры, лифты, краны, электросварка, электролиз, поверхностная обработка, прокатный станы, телекоммуникации, флот, военное производство и т.д.
 

В электротяге

Главные, вспомогательные преобразователи (освещение, воздушные кондиционеры), зарядные устройства для батарей, подстанции, горное дело и т.д.
                                               

Электронная технология
                                                                                            
 Здесь применяются только электронные компоненты. Это полностью электронная технология без использования магнитных контуров или фиксирующих элементов. Можно измерить постоянное и переменное напряжения. Между первичной и вторичной обмотками датчика — электрическая изоляция. Первичное напряжение на клеммах датчика +HT (положительное напряжение) и -HT (отрицательное напряжение или земля). После усилителя это напряжение преобразуется во вторичный выходной ток Is. Этот вторичный ток Is электрически изолирован от первичного напряжения, которому прямо пропорционален. Датчик напряжения измеряет мгновенные значения. Так же, как и в датчиках тока, вторичный ток Is может протекать через измерительный резистор Rm. Напряжение Um на клеммах измерительного резистора Rm также  прямо пропорционально первичному напряжению. Электроснабжение датчика также изолированно от первичного напряжения.

Преимущества

Применение

●   Электрическая изоляция между первичной и вторичной обмотками.
●    Возможность измерения тока любой формы: постоянный, переменный, импульсный и т.д
●   Высокая стойкость к электромагнитным полям.
●   Высокая точность.
●   Высокая динамическая характеристика.
●   Высокая надежность.
 

В электротяге

Главные, вспомогательные преобразователи (освещение, воздушные кондиционеры), зарядные устройства для батарей, подстанции, горное дело и т.д.

Описание основных характеристик датчиков тока и напряжения

Номинальный первичный ток (IPN) и номинальное первичное напряжение (UPN)
Это максимальный ток или напряжение, которое может выдержать сенсор в продолжительном режиме (без ограничения времени).
Температурные нормы сенсоров устанавливаются для продолжительного режима при номинальных величинах. Для переменных токов — это r.m.s. значение импульсного тока.
Номинальные величины даются в каталогах или в технических справочниках. Графические значения могут быть выше, если определенные условия (температура, напряжение, питание) меньше граничных.

Measuring range (IPMAX and UPMAX)
Это максимальный ток или напряжение, которые может измерить сенсор с помощью технологии замкнутого контура (эффект коридора).Обычно, главным образом по температурным причинам, сенсор не может продолжительно измерять эту величину при постоянных токах и напряжениях. Этот предел измерения дается для специальных рабочих условий. Он меняется в зависимости от параметров, приведенных ниже ( смотрите примеры расчетов на стр.56 и далее):

Напряжение питания:

Предел измерения увеличивается с ростом напряжения питания.

 
Измерительное сопротивление:

Предел измерения увеличивается, когда измерительное сопротивление уменьшается.

 
 Не измеряемая перегрузка
Это максимальный мгновенный ток или напряжение, которые сенсор может выдержать, минуя повреждения. Однако сенсор не может измерять значения этой перегрузки. Это значение должно быть ограничено по амплитуде и продолжительности для того, чтобы избежать намагничивания магнитной цепи, перегрева или деформации электронных компонентов. Чем ниже величина перегрузки, тем дольше сенсор может ее выдерживать.
 

fmccgroup.ru

Электроника НТБ — научно-технический журнал — Электроника НТБ

Первичные датчики, разработанные и выпускаемые НИИЭМ, можно условно разделить на две группы – датчики тока и напряжения и датчики активной мощности. Физическая основа работы всех датчиков в том, что ток создает вокруг проводника магнитное поле. Характеристики поля связаны с амплитудой, направлением и видом протекающего тока. Поэтому основное преимущество таких датчиков в том, что они измеряют любой вид тока без разрыва токовой цепи и с гальванической развязкой выходного сигнала от токовой цепи.
Датчики измерения тока и напряжения

Универсальные датчики тока. Универсальность датчиков заключается в том, что одним и тем же прибором можно измерять постоянные, переменные и импульсные токи. Для этого в конструкцию датчика, кроме концентратора магнитного поля, входит так называемый датчик Холла – миниатюрный полупроводниковый прибор, который определяет величину и направление магнитного поля проходящего тока. Датчик выполнен в виде миниатюрного автономного модуля с напряжением питания ± 15 В – по требованию заказчика источник питания может быть поставлен вместе с датчиком. Потребитель должен только пропустить токовую шину через отверстие в корпусе датчика тока. Понятно, что в зависимости от величины измеряемого тока и внешних условий эксплуатации датчиков, меняется диаметр отверстия и конструкция корпуса приборов. На рис.1 представлены типовые образцы датчиков тока, которые серийно выпускает НИИЭМ. В табл.1 приведена классификация универсальных датчиков серии ДТХ в зависимости от величины измеряемого тока.
Из табл.1 видно, что диапазон измерения тока датчиков серии ДТХ составляет от десятков милиампер и до трех тысяч ампер. Наиболее популярны датчики ДТХ-50…ДТХ-200 (рис.2а). Такие модули имеют минимальные размеры и массу. Монтируются они, как правило, на печатной плате с помощью выводных ножек датчика. Ножки впаиваются в металлизированные отверстия печатной платы, их стандартный шаг – 2,5 мм. При необходимости работы ДТХ в условиях, связанных с внешними механическими воздействиями, предусмотрена более жесткая конструкция (ДТХ-Т на рис.2б) – электрическое соединение датчика реализуется с помощью разъема.
Выходной сигнал стандартного датчика ДТХ или ДТХ-Т – токовый и строго пропорционален мгновенному значению измеряемого тока. Однако, по требованию заказчика, электронная схема датчика легко трансформируется. В этом случае датчик может измерять действующее значение тока (TRUE-RMS), либо обладает стандартным токовым выходом 4–20 мА (0–20 мА). Это создает дополнительные удобства при использовании датчиков в системах автоматизации или связи.
Основные преимущества датчиков ДТХ и ДТХ-Т: высокая точность измерений (до 1%), гальваническая развязка, малые массогабаритные параметры и температурный дрейф характеристик (см. табл.1). Диаметр отверстий под токовую шину колеблется от 10 (ДТХ-50) до 40 мм (ДТХ-3000).
Датчики измерения переменного тока. Датчики переменного тока серии ДТТ – вариант универсальных датчиков ДТХ. Анализ рынка показывает, что в 50% случаев потребителям необходимо измерять только переменные токи синусоидальной формы (50 Гц). Именно для таких измерений разработана серия датчиков ДТТ, конструктивно выполненных в корпусах ДТХ, но с менее дорогостоящей электроникой (табл. 2). Цена таких датчиков приблизительно в 1,5 раза ниже, а уровень технических характеристик весьма высок. Датчики ДТТ могут работать в широком температурном диапазоне (-40… 80°С) с минимальной температурной погрешностью. Линейность АЧХ не хуже 1% в диапазоне частот от 20 Гц до 10 кГц. Кроме того, потребитель сам выбирает, с каким выходным сигналом датчика ему удобно работать: это может быть потенциальный сигнал или токовый выход 4–20 мА (0–20 мА).
Датчики измерения напряжения. Если измеряемое напряжение цепи преобразовать в ток (для этого достаточно использовать токозадающее сопротивление), то величина его будет пропорциональна напряжению в измерительной цепи. Этот принцип лежит в основе работы датчиков напряжения, а наличие в их конструкции датчика Холла обеспечивает гальваническую развязку силовых и контрольных цепей.
В табл. 3 приведены основные технические характеристики датчиков напряжения постоянного тока (ДНХ) и датчиков напряжения переменного тока (ДНТ). Конструкция датчиков напряжения представлена на рис. 3. Датчик напряжения можно монтировать на печатную плату, а токозадающее сопротивление подключать одним концом к измерительной цепи, а вторым – к винтовому выводу датчика (рис. 3а). Второй винтовой вывод датчика соединен с измерительной цепью. Иногда удобнее размещать датчик на DIN-рейке – для этого существует специальная переходная планка. В ряде случаев более удобным является клеммное устройство датчика напряжения (рис.3б). Такой датчик напряжения можно монтировать непосредственно на DIN-рейке.
Датчики напряжения позволяют в широком температурном диапазоне измерять постоянное и переменное напряжение до 1000 В. Электронная схема предусматривает получение выходного сигнала в виде напряжения или в виде токового сигнала 4–20 мА (0–20 мА). Например, датчик ДНХ-03 (табл.3) предназначен для преобразования входного постоянного импульсного напряжения положительной полярности в стандартное (мгновенное) значение токового выхода 4–20 мА. А модификация этого же датчика – ДНХ-03 RMS – преобразует входное напряжение в действующее выпрямленное значение стандартного токового выхода 4–20 мА. Питание датчика ДНХ-03 производится по токовой петле 4–20 мА, а монтаж – на DIN-рейку.
Существуют и более дешевые датчики ДНТ-05 для измерения только переменного напряжения (табл. 3). Датчик ДНТ-051 может работать в однофазных цепях, а датчик ДНТ-053 предназначен для работы в трехфазных цепях и содержит в одном корпусе три независимых, гальванически изолированных канала. Каждый канал идентичен датчику ДНТ-051. Датчик напряжения ДНТ-05 преобразует входное напряжение в средневыпрямленное значение выходного тока, проградуированное в среднеквадратических значениях.
Разъемные датчики тока. Есть целая отрасль измерений, которая не может использовать описанные стационарные датчики. Речь идет о мониторинге функционирующих токовых цепей, которые собраны давно. Кроме того, целый ряд производств с непрерывным циклом не допускает длительного отключения токовых цепей и переустановки оборудования. Именно здесь незаменимы разъемные датчики тока серии ДТР-01 и ДТХ-Ж (см. табл. 1).
Основа таких датчиков – разъемный магнитопровод, позволяющий монтировать (и демонтировать) датчики непосредственно на токовой шине. Монтировка/демонтировка производится без разрыва шины и с гальванической изоляцией измеряемого тока от измерительных цепей. При необходимости датчики можно закрепить и на DIN-рейке.
При протекании измеряемого тока по шине, охватываемой магнитопроводом датчика, в обмотке датчика наводится ток, который пропорционален измеряемому току. Выходной сигнал с обмотки подается либо на выпрямитель (детектор) амплитудных значений (маркировка датчика ДТР-01), либо на детектор истинных среднеквадратичных значений (ДТР-01 RMS). Напряжение постоянного тока с выхода детектора преобразуется в сигнал интерфейса «токовая петля 4–20 мА».
Разъемные датчики тока относятся к числу последних разработок НИИЭМ – сейчас налажено производство только двух модификаций (рис.4). Датчик ДТР-01 рассчитан для монтажа на круглой шине и предназначен для измерения токов в диапазоне от 5 до 300 А с допустимой перегрузкой по входному току в 1,5 раза. Разъемная конструкция датчиков ДТХ-1000Ж, ДТХ-1500Ж или ДТХ-3000Ж позволяет закрепить их на плоской шине – номинальный измеряемый ток у этих датчиков 1000, 1500 или 3000 А (соответственно).
Электроизмерительные клещи. Конструкция разъемных датчиков позволяет закрепить их непосредственно на шине без разрыва токовой цепи. Затем такие датчики функционируют как обычные стационарные приборы. Однако существует целый ряд задач, решение которых требует частых разовых измерений, причем в различных, иногда труднодоступных участках токовых цепей. Здесь помогут клещи электроизмерительные серии КЭИ. Их основные технические характеристики приведены в табл.4.
Токовые клещи – это автономные контрольные приборы (питаются от двух пальчиковых батареек) для измерения действующего значения переменного и постоянного токов без разрыва силовой цепи. Клещи КЭИ введены в Государственный Реестр СИ РФ, сертифицированы и выпускаются в различных модификациях (см. табл.4). Базовая модель клещей КЭИ-0,6М (рис. 5б) – это интеллектуальный прибор, в конструкции которого используется микроконтроллер с электрически программируемым ПЗУ (EEPROM). Вот почему клещи помимо стандартных функций (измерение постоянного и переменного токов) содержат еще и ряд функций мультиметра. С их помощью можно измерять напряжение постоянного и переменного токов до 600 В; сопротивление цепи до 2000 Ом; температуру окружающей среды. Выбор пределов измерений и обнуление шкалы в клещах производятся автоматически. Кроме того, клещи КЭИ содержат ряд сервисных функций. Они сохраняют измеренное значение («память»), способны работать в режиме поиска минимального или максимального значения тока за измеряемый промежуток времени. Функция энергосбережения («спящий режим») позволяет минимизировать энергозатраты. По требованию заказчика клещи комплектуются стандартным интерфейсом RS-232 для связи с ПК. Малые массогабаритные параметры и различный диаметр отверстия под токовую шину также удобны для потребителей. Отечественные клещи марки КЭИ работают при температурах окружающей среды -20°С.
Стоит выделить модификацию клещей (см. табл. 4) для измерения больших токов до 3 кА (КЭИ-3) и до 5 кА (КЭИ-5, рис.5в). Диаметр отверстия клещей под токовую шину с измеряемым током до 5 кА составляет 160 мм. Для сравнения эти клещи представлены на одном рисунке рядом с клещами-адаптером (рис.5а). Последние предназначены для измерения постоянных и переменных токов без индикации измеренных значений на ЖКИ дисплее. Кроме отсутствия ЖКИ, клещи-адаптер имеют упрощенную электрическую схему (следовательно, их цена ниже). В то же время можно выбрать такие клещи с размахом губок под токовую шину от 20 и до 64 мм (табл. 5) для измерения токов от 20 и до 1500 А.
Датчики измерения мощности (ДИМ)

Логическим продолжением описанных приборов является ДИМ, схемно реализующий формулу расчета мощности (P = I·U). ДИМ преобразует активную мощность, потребляемую нагрузкой в цепях переменного (50 Гц) и постоянного тока, в пропорциональный сигнал токового интерфейса 0–20 мА или 4–20 мА, гальванически изолированного от измерительных цепей.
Диапазон мощностей, измеряемых ДИМ, составляет от 5 до 200 кВт. При этом диапазон входных напряжений колеблется от 20 до 380 В, а диапазон входных токов составляет от 20 до 600 А. Коэффициент мощности (Cos Y) ДИМ на частоте 50 Гц составляет 0,3–1, погрешность ±2%.
ДИМ изготовлен в одном из описанных корпусов, поэтому диаметр отверстия под токовую шину можно варьировать или изготовить ДИМ под плоскую токовую шину. Питается ДИМ от внешнего источника 13,5–16,5 В и выдерживает длительную перегрузку по входу до 120% от номинальных значений напряжения и тока.
Датчик больших токов

Теперь опишем датчик больших токов (ДБТ), представленный в сборе на токовой шине ванны электролиза алюминия (рис. 6).
Конструкция ДБТ состоит из двух блоков: измерительного контура и блока питания. Разъемный измерительный контур массой до 40 кг предназначен для монтажа непосредственно на токоведущей шине. Размеры внутреннего окна контура могут составлять 400 ´ 400 мм. Удобство монтажа датчика без разрыва токовой шины – это только одно из преимуществ ДБТ по сравнению с традиционно используемыми шунтами. Электрическую связь между измерительным контуром и блоком питания и индикации обеспечивает кабель длиной до 5 м. Блок питания и индикации смонтирован в удобном переносном корпусе и питается от однофазной промышленной сети переменного тока 220 В (50 Гц) ±10%. Блок обеспечивает питанием измерительный контур и формирует выходной сигнал стандартной токовой петли 0–5 мА. Погрешность датчика составляет 0,4%, ДБТ полностью сохраняет работоспособность при полуторакратной перегрузке измеряемого тока.
ДБТ реализует принцип работы датчиков тока, который описан выше. Однако области использования ДБТ весьма специфичны: это энергоемкие производства медеплавильной промышленности, предприятия нефтяной промышленности и электрометаллургии, нефтехимия и электроэнергетика с высоким уровнем паразитных магнитных полей. Область применения обусловливает дополнительные требования к схемотехнике и конструкции датчика. Прибор работает в тяжелых температурных условиях и при высоком уровне электромагнитных помех. Поэтому в датчике имеется специальная система теплоотвода, повышены изолирующие свойства измерительного контура и предусмотрены меры электромагнитной защиты.
В настоящее время ДБТ выпускается в трех модификациях: на 8 кА (ДБТ-8), на 15 кА (ДБТ-15) и на 25 кА (ДБТ-25). При измерении таких токов актуализируется проблема метрологии измерительного датчика. Решение ее возможно с помощью специальной поверочной обмотки в конструкции ДБТ. Обмотка позволяет настраивать и периодически поверять ДБТ непосредственно на предприятии заказчика.
Не менее существенным преимуществом ДБТ является его цена: она приблизительно в 3–4 раза ниже зарубежных аналогов.
В ближайшее время следует ожидать появления на рынке нового датчика больших токов на 40000 А, разработка и изготовление которого сейчас заканчиваются. Новый датчик сохраняет все достоинства предшествующих ДБТ, но снижена масса его разъемного магнитопровода и усовершенствована элементная база электронного блока питания.

Для желающих более подробно ознакомиться с нашими разработками существует страница в Интернете http://www.niiem.ru.

www.electronics.ru