Применение датчиков измерения тока и напряжения для решения инженерных задач

PDF версия
В статье приведены основные требования к современным датчикам измерения тока, которые успешно заменяют традиционно используемые шунты и трансформаторы тока. Представлена конструкция и основные технические характеристики датчиков измерения постоянного и переменного тока. Рассмотрены достоинства и недостатки датчиков напряжения на основе эффекта Холла и чисто электронных приборов. Датчики перекрывают диапазон измерения напряжения 50–4000 В.

Анализ мировых тенденций использования датчиков, предназначенных для измерения тока, свидетельствует о том, что сегодня такие приборы весьма востребованы в самых разных областях промышленности. Происходит массовая замена традиционно применяемых токовых шунтов, трансформаторов тока, магнитных усилителей на современные миниатюрные датчики тока. Большинство этих датчиков измеряют ток с помощью магниточувствительных датчиков Холла, что обеспечивает основные преимущества подобных приборов: гальваническую развязку первичной (силовой) и вторичной (измерительной) цепей, высокую чувствительность, широкий диапазон рабочих температур и многое другое. Низкая цена, малые габариты и одновременно высокая надежность работы способствуют применению их в электроприводах многих устройств, в том числе в оборудовании подвижного транспорта. В качестве первичных преобразователей такие датчики являются основой систем автоматизации и управления производством, автоматизированных систем управления технологическими процессами и т. д. [1]. Приятно отметить, что датчики измерения тока, изготовленные отечественными компаниями, также представлены на рынке и сегодня уже хорошо известны российским потребителям [2, 3].

В свою очередь производство, широко используя эти датчики, выдвигает новые требования к техническим характеристикам приборов и качеству их изготовления. В ряде случаев для достижения низкого температурного дрейфа, короткого времени отклика, обеспечения широкой полосы пропускания и малого уровня шума сопутствующих компонентов меняется технология изготовления датчиков тока. Например, вместо эффекта Холла применяется феррозондовый (fluxdate) детектор, имеющий более высокую температурную стабильность. Вместе со встроенным задающим генератором такие датчики обеспечивают высокий уровень помехозащищенности, малый фазовый сдвиг, низкий уровень шумов [4].

Распространенные сегодня системы мониторинга токовых цепей также базируются на использовании датчиков измерения тока. Это, в свою очередь, стимулировало разработку разъемных датчиков тока, которые позволяют проводить мониторинг тока без разрыва цепи и остановки производства. В отличие от ранее используемых резистивных шунтов, разъемные датчики не приводят к потере мощности, исчезают проблемы с точки зрения установки и безопасности. Сегодня отечественному потребителю предлагаются разъемные датчики тока серии ДТР (под круглую токовую шину) и серии ДТХ-Ж (под плоскую шину) [5]. Отдельной опцией является изготовление разъемного датчика больших токов (до 25 000 А) серии ДБТ [6]. Безаварийный десятилетний срок эксплуатации датчиков ДБТ на Иркутском алюминиевом заводе (г. Шелехов) подтвердил удобство и надежность работы этих приборов в непростых условиях электролитического производства.

Следующее требование разработчиков — возможность измерения не только всех видов тока, но и напряжения постоянного и переменного тока с обеспечением гальванической развязки. Эта задача тем более актуальна, если учесть, какие жесткие требования предъявляются, например, в железнодорожной отрасли и в других отраслях промышленности по учету потребляемой электрической энергии. Кроме того, датчики напряжения должны не просто обладать высокими эксплутационными характеристиками и надежностью, но и обеспечивать максимально высокий уровень электрической безопасности и гальванической развязки.

Работа датчиков напряжения, выпускаемых АО «НИИЭМ», тоже основана на использовании эффекта Холла. К измеряемому источнику напряжения подключается тарированный токозадающий резистор. Ток, протекающий через этот резистор, создает магнитное поле, регистрируемое датчиком Холла.

Датчики выпускаются в различных конструктивных исполнениях и могут как устанавливаться на печатную плату, так и крепиться на DIN-рейку. Внешний токозадающий резистор включается между источником измеряемого напряжения и выводом датчика. Изготовляются модификации датчиков, измеряющие мгновенные значения напряжения (ДНХ‑03) и среднеквадратичные значения напряжения (ДНХ‑03 RMS).

В производственной линейке компании присутствуют также недорогие датчики, предназначенные для работы в цепях только переменного тока. Например, датчик ДНТ‑051 предназначен для преобразования напряжения переменного тока в стандартный токовый сигнал 4÷20 мА со средневыпрямленным значением. И конечно, такой прибор обеспечивает гальваническую развязку входной цепи и цепи контроля.

Датчик напряжения ДНТ‑051 предназначен для однофазных цепей. Для работы в трехфазных цепях создан прибор ДНТ‑053 (рис. 1). Датчик содержит три независимых гальванически изолированных канала, каждый из которых идентичен схеме датчика ДНТ‑051.

Общий вид трехфазного датчика напряжения ДНТ 053 в корпусе KZ 102

Рис. 1. Общий вид трехфазного датчика напряжения ДНТ 053 в корпусе KZ 102

Указанные датчики предназначены для контроля напряжения переменного тока до 500 В, их основные технические параметры приведены в таблице 1. Отличительной особенностью датчиков ДНТ является питание по «токовой петле» 4÷20 мА, что создает удобство для последующей обработки сигнала. Конструктивно датчики напряжения выполнены в корпусе KZ‑102, электрическое соединение производится с помощью клеммных соединителей. Конструкция корпуса позволяет также крепить датчики на DIN-рейку.

Таблица 1. Основные технические характеристики датчиков напряжения ДНТ‑051 и ДНТ‑053

Характеристика

ДНТ-051

ДНТ-053

Диапазон измеряемых напряжений, В

0–50; 0–100; 0–250

0–250; 0–500

Допустимая перегрузка по измеряемому напряжению, раз

1,3

Основная приведенная погрешность, 50 Гц, %

0,5

АЧХ в диапазоне 0,02–10 кГц, не более, %

1

Максимальный диапазон рабочих температур, °С

–40…+70

Выходной ток, мА

4÷20

Питание, В

+9÷36

Габаритные размеры, мм

95×54×65

Масса, г

150

210

Конечно, современный рынок требует наличия датчиков с более широким диапазоном измерения напряжений как постоянного, так и переменного тока. Ответом на эти вызовы стала разработка специалистами АО «НИИЭМ» датчиков напряжения серии ДНХ‑3000. Приборы этой серии расширяют диапазон измеряемых напряжений и решают проблему измерения напряжений до 3000–4000 В.

В конструкции датчика напряжения ДНХ‑3000‑Л (рис. 2) предусмотрен прецизионный датчик Холла, что в сочетании с используемой схемой компенсационного типа позволило получить неплохие технические характеристики (табл. 2). Высокая точность измерений достигается с помощью целого ряда новых конструктивных решений, которые дополняют традиционную для таких датчиков конструкцию.

Общий вид датчика напряжения ДНХ 3000 Л

Рис. 2. Общий вид датчика напряжения ДНХ 3000 Л

У датчика ДНХ‑3000‑Л снижен ток потребления от измеряемой цепи до 1,5 мА. В устройстве увеличено значение испытательного напряжения гальванической изоляции до 12 кВ (50 Гц, 1 мин). Опытная партия таких датчиков успешно выдержала натурные испытания на подвижном составе.

В таблице 2 представлены технические характеристики опытных образцов модифицированного датчика ДНХ‑3000‑С. Этот датчик предназначен для измерения только постоянных напряжений с высокой точностью. Датчик ДНХ‑3000‑С можно назвать электронным вариантом датчиков напряжения. В конструкции прибора отсутствует датчик Холла, а измерение напряжения производится с помощью аналого-цифрового преобразователя с последующей передачей полученного результата через схему гальванической развязки и преобразования в аналоговый выходной сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя. Ток потребления в данной модели снижен до 0,14 мА, а величина испытательного напряжения гальванической развязки составляет 12 кВ.

Таблица 2. Основные технические характеристики датчиков напряжения ДНХ‑3000‑Л и ДНХ‑3000‑С

Характеристика

ДНХ-3000-Л

ДНХ-3000-С

Диапазон измеряемых напряжений, В

3000

Допустимая перегрузка по измеряемому напряжению, раз

1,2

Основная приведенная погрешность, 50 Гц, %

1,5

1

Выходной аналоговый сигнал, мА

±(0÷50)

0÷20

Максимальный диапазон рабочих температур, °С

–40…+70

Выходной ток открытого коллектора компаратора, не менее, мА

150

Выходное напряжение открытого коллектора компаратора, В

60

Напряжение питания, В

±24

15–30

Габаритные размеры, мм

120×117×115

Масса, г

1200

800

Современные требования промышленности к датчикам как к компонентам, используемым в цепях измерения и контроля сложных систем, вынуждают и дальше совершенствовать конструкцию и повышать характеристики приборов: необходимо обеспечить высокую помехоустойчивость, низкий температурный дрейф в широком диапазоне температур, повышать точность измерений. Электронный датчик напряжения DVL, описанный в работе [7], способен обеспечить суммарную погрешность измерения напряжения ±0,5%. При этом его объем меньше, а масса приблизительно на 30% ниже, чем у предыдущих моделей с датчиками Холла.

Литература
  1. Данилов А. Современные промышленные датчики тока // Современная электроника. 2004. № 10.
  2. Болотин О., Портной Г., Разумовский К. Первичные датчики для предприятий энергетики // Энергобезопасность и энергосбережение. 2012. № 5.
  3. Портной Г., Болотин О., Разумовский К. Новые компоненты на рынке бесконтактных датчиков тока // Компоненты и технологии. 2012. № 9.
  4. Гиларди М. Новые горизонты технологии датчиков тока на эффекте Холла // Силовая электроника. 2015. № 3.
  5. Портной Г. Разъемные датчики тока — актуальный сегмент на рынке датчиков // Компоненты и технологии. 2014. № 1.
  6. Датчики больших токов от ОАО «НИИЭМ» вместо устаревших токовых шунтов // Электронные компоненты. 2015. № 10. С. 101.
  7. Жилярди М. Новое поколение датчиков напряжения // Силовая электроника. 2014. № 2.
  8. niiem46.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.