Меню

Аналоговых датчиков тока это

Аналоговые датчики: обзор, принцип работы, сферы применения

Во время автоматизации различных рабочих процессов для качественного управления сложными механизмами и агрегатами пользователям приходится регулярно сталкиваться с фиксацией важных параметров. Чаще всего это температурные колебания, частота вращения механизма, расход газа или другой жидкости, давление, сила тока. В некоторых отраслях экспертам необходимо точно знать информацию о положении частей разных деталей. В этом случае на помощь приходит аналоговый датчик, который отличается от всех остальных многочисленными преимуществами.

датчик для измерения газа

Описание

Многофункциональные аналоговые датчики широко распространены в больших системах непрерывного измерения и регулирования различных показателей. Основной принцип действия таких агрегатов состоит в том, чтобы при изменении важных параметров происходила соответствующая перемена выходного сигнала.

Аналоговый датчик – это универсальный элемент измерительного, регулирующего, преобразующего, а также управляющего оснащения. Принцип использования этого устройства отличается своей доступностью и простотой. Поступающие аналоговые сигналы в обязательном порядке преобразуются прежде, чем попасть в компьютер.

Для качественной передачи данных пользователю необходимо устранить специфические проблемы, которые обусловлены электрическим сопротивлением. Сигнал по разным причинам может подвергаться зашумлению из-за нежелательных связей резистивного, емкостного либо индуктивного характера.

Правила подключения

Характеристика

Аналоговый датчик создает специальный сигнал, который подается на вход обрабатывающего устройства. Чаще всего это порт компьютера. Большинство датчиков с преобразователем, которые используются в классических системах управления, генерируют аналоговый сигнал. Чаще всего специалисты используют устройство для решения следующих задач:

  • Параметры движения.
  • Магнитные и электрические характеристики.
  • Момент, сила, давление.
  • Расход.
  • Температура.
  • Активность химического и биохимического типа.
  • Уровень заполнения емкости.
  • Концентрация (жидкости, газа, взвешенных и растворенных веществ).

Классический набор

Способ подключения

Полученное при помощи аналогового датчика напряжение легко преобразуется в необходимый цифровой вид, который идеально подходит для ввода в контроллер. Для этих целей производители предусмотрели наличие специальных агрегатов АЦП. Актуальные цифровые данные в универсальном контроллере передаются параллельным либо последовательным способом. Все зависит от конкретной схемы включения.

К контроллеру аналогового датчика давления подключаются универсальные исполнительные механизмы или сам компьютер. В нижней части устройства можно увидеть классическую присоединительную резьбу, которая подходит для трубопровода. Под небольшой черной крышкой спрятан разъем для подключения линии связи с контроллером. Для герметизации необходимо использовать долговечные шайбы из отожженной меди.

Многофункциональный аналоговый датчик

Применение

Востребованный сегодня аналоговый датчик температуры активно применяется в системах автоматизации. Основное назначение такого агрегата – получить информацию о разных физических величинах. Все данные поступают в реальном масштабе времени. Используется качественное преобразование физической величины в мощный электрический сигнал, который идеально подходит для передачи по существующим линиям связи в предварительно установленный контроллер. Вся полученная информация подлежит обработке.

Чаще всего аналоговые датчики устанавливают на большом расстоянии от компьютера, из-за чего такие агрегаты часто называют полевыми устройствами. Этот термин можно увидеть в технической литературе. Чтобы правильно выполнить подключение аналогового датчика, пользователь должен знать, что агрегат состоит из нескольких основных частей. Базовым элементом является сенсор. Именно это изделие отвечает за перевод измеряемой величины в электрический сигнал. Все дальнейшие действия выполняет схема Уитстона.

Новые модели

Сегодня в продаже представлены совершенно новые изделия, которые работают на основе протокола HART. Используемый аналоговый вход агрегата пользуется огромным спросом. Сигнал находится в диапазоне от 4 до 20 А.

Скоростная связь по протоколу обеспечивается двумя основными способами. Первый вариант считается классическим, так как по надежной двухпроводной линии могут обмениваться информацией исключительно два агрегата. Этот вариант особенно актуален, когда выполняется первичная настройка датчиков.

Во втором случае к двухпроводной линии можно подсоединить сразу 14 девайсов. Итоговое количество всегда зависит от параметров линии и мощности установленного блока питания.

Профессиональный модуль

Параметры выходных сигналов

Этот параметр всегда тщательно изучается специалистами. Чаще всего зависимость выходного напряжения прямо пропорциональна тестируемой пользователем величине. К примеру, чем выше будет давление в трубе, тем больше ток на выходе датчика. В некоторых случаях применяется инверсное подсоединение. Большой величине выходного напряжения обязательно соответствует минимальный показатель измеряемых параметров на выходе датчика. Итоговый результат во многом зависит от применяемого контроллера.

Стоит отметить, что некоторые датчики выгодно отличаются наличием переключения с прямого на инверсный сигнал. Самым надежным считается тот вариант, когда выходной диапазон находится в пределах от 4 до 20 мА. Итоговая помехозащищенность достаточно высокая. Если нижний предел показывает 4 мА, то линия связи не оборвана. Эксперты активно используют измерительный преобразователь, который предназначен для работы с уровнями напряжения.

Конечно, одним только датчиком не обойтись. Чаще всего пользователям необходимо знать показатели давления и температуры. Количество важных точек на крупном предприятии может достигать нескольких десятков. Именно поэтому датчиков тоже нужно много.

Если контроллер был установлен в металлический шкаф, то экранирующие оплетки желательно подключать к точке заземления шкафа. Длина соединительных линий может достигать нескольких километров. Для расчета лучше использовать специализированные формулы.

Источник

Аналоговые датчики: применение, способы подключения к контроллеру

Аналоговые датчикиВ процессе автоматизации технологических процессов для управления механизмами и агрегатами приходится сталкиваться с измерениями различных физических величин. Это может быть температура, давление и расход жидкости или газа, частота вращения, сила света информация о положении частей механизмов и многое другое. Эта информация получается с помощью датчиков. Вот, сначала о положении частей механизмов.

Дискретные датчики

Самый простой датчик – обычный механический контакт: дверь открыли – контакт разомкнулся, закрыли – замкнулся. Такой нехитрый датчик, равно как и приведенный алгоритм работы, часто применяется в охранных сигнализациях. Для механизма с поступательным движением, который имеет два положения, например водопроводная задвижка, понадобится уже два контакта: замкнулся один контакт – задвижка закрыта, замкнулся другой – закрыта.

Более сложный алгоритм поступательного движения имеет механизм закрытия прессформы термопласт автомата. Изначально прессформа открыта, это исходное положение. В этом положении из прессформы извлекаются готовые изделия. Далее рабочий закрывает защитное ограждение и прессформа начинает закрываться, начинается новый рабочий цикл.

Расстояние между половинами прессформы достаточно велико. Поэтому сначала прессформа движется быстро, а на некотором расстоянии до смыкания половин, срабатывает концевик, скорость движения значительно уменьшается и прессформа плавно закрывается.

Такой алгоритм позволяет избежать удара при смыкании прессформы, иначе ее просто можно расколотить на мелкие кусочки. Такое же изменение скорости происходит и при открывании прессформы. Здесь уже двумя контактными датчиками не обойтись.

Таким образом, датчики на основе контакта являются дискретными или бинарными, имеют два положения, замкнут – разомкнут или 1 и 0. Другими словами можно сказать, что событие произошло или нет. В приведенном выше примере, контактами «улавливаются» несколько точек: начало движения, точка снижения скорости, конец движения.

В геометрии точка не имеет никаких размеров, просто точка и все. Она может либо быть (на листе бумаги, в траектории движения, как в нашем случае) или ее попросту нет. Поэтому для обнаружения точек применяются именно дискретные датчики. Может быть сравнение с точкой здесь не очень уместно, ведь в практических целях пользуются величиной точности срабатывания дискретного датчика, а точность эта намного больше геометрической точки.

Но сам по себе механический контакт вещь ненадежная. Поэтому везде, где это возможно, механические контакты заменяются бесконтактными датчиками. Самый простой вариант это герконы: магнит приблизился, контакт замкнулся. Точность срабатывания геркона оставляет желать лучшего, применять такие датчики как раз только для определения положения дверей.

Более сложным и точным вариантом следует считать различные бесконтактные датчики. Если металлический флажок вошел в прорезь, то датчик сработал. В качестве примера таких датчиков можно привести датчики БВК (Бесконтактный Выключатель Конечный) различных серий. Точность срабатывания (дифференциал хода) таких датчиков 3 миллиметра.

Датчик серии БВК

Рисунок 1. Датчик серии БВК

Напряжение питания датчиков БВК 24В, ток нагрузки 200мА, что вполне достаточно для подключения промежуточных реле для дальнейшего согласования со схемой управления. Именно так используются датчики БВК в различном оборудовании.

Кроме датчиков БВК применяются также датчики типов БТП, КВП, ПИП, КВД, ПИЩ. Каждая серия имеет несколько типов датчиков, обозначаемых цифрами, например, БТП-101, БТП-102, БТП-103, БТП-211.

Все упомянутые датчики являются бесконтактными дискретными, их основное назначение определение положения частей механизмов и агрегатов. Естественно, что этих датчиков намного больше, обо всех в одной статье не написать. Еще более распространены и до сих пор находят широкое применение различные контактные датчики.

Применение аналоговых датчиков

Кроме дискретных датчиков в системах автоматизации широкое применение находят аналоговые датчики. Их назначение – получение информации о различных физических величинах, причем не, просто так вообще, а в реальном масштабе времени. Точнее преобразование физической величины (давление, температура, освещенность, расход, напряжение, ток) в электрический сигнал пригодный для передачи по линиям связи в контроллер и дальнейшая его обработка.

Аналоговые датчики располагаются, как правило, достаточно далеко от контроллера, отчего часто их называют полевыми устройствами. Этот термин часто применяется в технической литературе.

Аналоговый датчик, как правило, состоит из нескольких частей. Самая главная часть это чувствительный элемент – сенсор. Его назначение перевести измеряемую величину в электрический сигнал. Но сигнал, получаемый от сенсора, как правило, невелик. Для получения сигнала, пригодного для усиления, сенсор чаще всего включается в мостовую схему – мостик Уитстона.

Мостик Уитстона

Рисунок 2. Мостик Уитстона

Изначальное назначение мостовой схемы — точное измерение сопротивления. К диагонали моста AD подключается источник постоянного тока. В другую диагональ подключен чувствительный гальванометр со средней точкой, с нулем в середине шкалы. Для измерения сопротивления резистора Rx вращением подстроечного резистора R2 следует добиться равновесия моста, установить стрелку гальванометра на нулевое значение.

Отклонение стрелки прибора в ту или иную сторону позволяет определить направление вращения резистора R2. Величина измеряемого сопротивления определяется по шкале, совмещенной с ручкой резистора R2. Условием равновесия моста является равенство соотношений R1/R2 и Rx/R3. В этом случае между точками BC получается нулевая разность потенциалов, и ток через гальванометр V не протекает.

Сопротивление резисторов R1 и R3 подобрано очень точно, их разброс должен быть минимален. Только в этом случае даже небольшой разбаланс моста вызывает достаточно заметное изменение напряжения диагонали BC. Именно это свойство моста используется для подключения чувствительных элементов (сенсоров) различных аналоговых датчиков. Ну, а дальше все просто, дело техники.

Для использования сигнала, полученного с сенсора, требуется его дальнейшая обработка, — усиление и преобразование в выходной сигнал, пригодный для передачи и обработки схемой управления — контроллером. Чаще всего выходным сигналом аналоговых датчиков является ток (аналоговая токовая петля), реже напряжение.

Почему именно ток? Дело в том, что выходные каскады аналоговых датчиков построены на базе источников тока. Это позволяет избавиться от влияния на выходной сигнал сопротивления соединительных линий, пользоваться соединительными линиями большой длины.

Дальнейшее преобразование достаточно просто. Токовый сигнал преобразуется в напряжение, для чего достаточно ток пропустить через резистор известного сопротивления. Падение напряжения на измерительном резисторе получается по закону Ома U=I*R.

Например, для тока 10 мА на резисторе сопротивлением 100Ом получится напряжение 10*100=1000мВ, аж прямо целый 1 вольт! При этом выходной ток датчика не зависит от сопротивления соединительных проводов. В разумных, конечно, пределах.

Подключение аналоговых датчиков

Полученное на измерительном резисторе напряжение легко преобразовать в цифровой вид, пригодный для ввода в контроллер. Преобразование выполняется с помощью аналого-цифровых преобразователей АЦП.

Цифровые данные в контроллер передаются последовательным или параллельным кодом. Все зависит от конкретной схемы включения. Упрощенная схема подключения аналогового датчика показана на рисунке 3.

Подключение аналогового датчика

Рисунок 3. Подключение аналогового датчика (чтобы увеличить нажмите на картинку)

К контроллеру подключаются исполнительные механизмы, либо сам контроллер подключается к компьютеру, входящему в систему автоматизации.

Естественно, что аналоговые датчики имеют законченную конструкцию, одним из элементов которой является корпус с присоединительными элементами. В качестве примера на рисунке 4 показан внешний вид датчика избыточного давления типа Зонд-10.

Датчик избыточного давления Зонд-10

Рисунок 4. Датчик избыточного давления Зонд-10

В нижней части датчика можно видеть присоединительную резьбу для подключения к трубопроводу, а справа под черной крышкой находится разъем для подключения линии связи с контроллером.

Герметизация резьбового соединения производится с помощью шайбы из отожженной меди (входит в комплект поставки датчика), а отнюдь не подмоткой из фум-ленты или льна. Делается это для того, чтобы при установке датчика не деформировать расположенный внутри сенсорный элемент.

Выходные сигналы аналоговых датчиков

Согласно стандартам существует три диапазона токовых сигналов: 0…5мА, 0…20мА и 4…20мА. В чем их отличие, и какие особенности?

Чаще всего зависимость выходного тока прямо пропорциональна измеряемой величине, например, чем выше давление в трубе, тем больше ток на выходе датчика. Хотя иногда применяется инверсное включение: большей величине выходного тока соответствует минимальное значение измеряемой величины на выходе датчика. Все зависит от типа применяемого контроллера. Некоторые датчики имеют даже переключение с прямого на инверсный сигнал.

Выходной сигнал диапазона 0…5мА весьма мал, и поэтому подвержен действию помех. Если сигнал такого датчика колеблется при неизменном значении измеряемого параметра, то есть рекомендации параллельно выходу датчика установить конденсатор емкостью 0.1…1мкФ. Более устойчивым является токовый сигнал в диапазоне 0…20мА.

Но оба этих диапазона нехороши тем, что ноль в начале шкалы не позволяет однозначно определить, что же произошло. Или измеряемый сигнал на самом деле принял нулевой уровень, что в принципе возможно, или просто оборвалась линия связи? Поэтому от использования этих диапазонов стараются, по возможности, отказаться.

Более надежным считается сигнал аналоговых датчиков с выходным током в диапазоне 4…20мА. Помехозащищенность его достаточно высокая, а нижний предел, даже если измеряемый сигнал имеет нулевой уровень, будет 4мА, что позволяет говорить о том, что линия связи не оборвана.

Еще одной хорошей особенностью диапазона 4…20мА является то, что датчики можно подключать всего по двум проводам, поскольку именно таким током питается сам датчик. Это его ток потребления и одновременно измерительный сигнал.

Источник питания датчиков диапазона 4…20мА включается, как показано на рисунке 5. При этом датчики Зонд-10, как и многие другие, по паспорту имеют широкий диапазон напряжения питания 10…38В, хотя чаще всего применяются стабилизированные источники с напряжением 24В.

Подключение аналогового датчика с внешним источником питания

Рисунок 5. Подключение аналогового датчика с внешним источником питания

На этой схеме присутствуют следующие элементы и обозначения. Rш – резистор измерительного шунта, Rл1 и Rл2 – сопротивления линий связи. Для повышения точности измерения в качестве Rш должен использоваться прецизионный измерительный резистор. Прохождение тока от источника питания показано стрелками.

Нетрудно видеть, что выходной ток источника питания проходит с клеммы +24В, через линию Rл1 достигает клеммы датчика +AO2, проходит через датчик и через выходной контакт датчика — AO2, соединительную линию Rл2, резистор Rш возвращается на клемму источника питания -24В. Все, цепь замкнулась, ток течет.

В случае, если контроллер содержит источник питания 24В, то подключение датчика или измерительного преобразователя возможно по схеме, показанной на рисунке 6.

Подключение аналогового датчика к контроллеру с внутренним источником питания

Рисунок 6. Подключение аналогового датчика к контроллеру с внутренним источником питания

На этой схеме показан еще один элемент – балластный резистор Rб. Его назначение защита измерительного резистора при замыкании линии связи или неисправности аналогового датчика. Установка резистора Rб необязательна, хотя и желательна.

Кроме различных датчиков токовый выход имеют также измерительные преобразователи, которые в системах автоматизации используются достаточно часто.

Измерительный преобразователь – устройство для преобразования уровней напряжения, например, 220В или тока в несколько десятков или сотен ампер в токовый сигнал 4…20мА. Здесь просто происходит преобразование уровня электрического сигнала, а не представление некоторой физической величины (скорость, расход, давление) в электрическом виде.

Но единственным датчиком дело, как правило, не обходится. Одними из самых популярных измерения являются измерения температуры и давления. Количество таких точек на современных производствах может достигать нескольких десятков тысяч. Соответственно и количество датчиков тоже велико. Поэтому к одному контроллеру чаще всего подключается сразу несколько аналоговых датчиков. Конечно же, не сразу несколько тысяч, хорошо, если десяток – другой. Такое подключение показано на рисунке 7.

Подключение нескольких аналоговых датчиков к контроллеру

Рисунок 7. Подключение нескольких аналоговых датчиков к контроллеру

На этом рисунке показано, как из токового сигнала получается напряжение, пригодное для преобразования в цифровой код. Если таких сигналов несколько, то обрабатываются они не все сразу, а разделяются по времени, мультиплексируются, в противном случае на каждый канал пришлось бы ставить отдельный АЦП.

Для этой цели контроллер имеет схему коммутации каналов. Функциональная схема коммутатора показана на рисунке 8.

Коммутатор каналов аналоговых датчиков

Рисунок 8. Коммутатор каналов аналоговых датчиков (картинка кликабельна)

Сигналы токовой петли, преобразованные в напряжение на измерительном резисторе (UR1…URn) поступают на вход аналогового коммутатора. Управляющие сигналы поочередно пропускают на выход один из сигналов UR1…URn, которые усиливаются усилителем, и поочередно поступают на вход АЦП. Преобразованное в цифровой код напряжение поступает в контроллер.

Схема, конечно, очень упрощенная, но принцип мультиплексирования в ней рассмотреть вполне возможно. Примерно так построен модуль ввода аналоговых сигналов контроллеров МСТС (микропроцессорная система технических средств) выпускавшихся смоленским ПК «Пролог». Внешний вид контроллера МСТС показан на рисунке 9.

Контроллер МСТС

Рисунок 9. Контроллер МСТС

Выпуск таких контроллеров давно уже прекращен, хотя в некоторых местах, далеко не лучших, эти контроллеры служат до сих пор. На смену этим музейным экспонатам приходят контроллеры новых моделей, в основном импортного (китайского) производства.

Для подключения токовых датчиков 4…20мА рекомендуется использовать двухпроводный экранированный кабель с сечением жил не менее 0,5 мм2.

Если контроллер смонтирован в металлическом шкафу, то экранирующие оплетки рекомендуется подключать к точке заземления шкафа. Длина соединительных линий может достигать двух с лишним километров, что рассчитывается по соответствующим формулам. Считать здесь ничего не будем, но поверьте, что это так.

Новые датчики, новые контроллеры

С приходом новых контроллеров появились и новые аналоговые датчики, работающие по протоколу HART (Highway Addressable Remote Transducer), что переводится как «Измерительный преобразователь, адресуемый дистанционно через магистраль».

Выходной сигнал датчика (полевого устройства) представляет собой аналоговый токовый сигнал диапазона 4…20мА, на который накладывается частотно модулированный (FSK — Frequency Shift Keying) сигнал цифровой связи.

Выходной сигнал аналогового датчика по протоколу HART

Рисунок 10. Выходной сигнал аналогового датчика по протоколу HART

На рисунке показан аналоговый сигнал, а вокруг него, как змея, извивается синусоида. Это и есть частотно – модулированный сигнал. Но это еще вовсе не цифровой сигнал, его еще предстоит распознать. На рисунке заметно, что частота синусоиды при передаче логического нуля выше (2,2КГц), чем при передаче единицы (1,2КГц). Передача этих сигналов осуществляется током амплитудой ±0,5мА синусоидальной формы.

Известно, что среднее значение синусоидального сигнала равно нулю, поэтому, на выходной ток датчика 4…20мА передача цифровой информации влияния не оказывает. Такой режим используется при настройке датчиков.

Связь по протоколу HART осуществляется двумя способами. В первом случае, стандартном, по двухпроводной линии могут обмениваться информацией только два устройства, при этом выходной аналоговый сигнал 4…20мА зависит от измеряемой величины. Такой режим применяется при настройке полевых устройств (датчиков).

Во втором случае к двухпроводной линии может быть подключено до 15 датчиков, количество которых определяется параметрами линии связи и мощностью блока питания. Это режим многоточечной связи. В этом режиме каждый датчик имеет свой адрес в диапазоне 1…15, по которому к нему обращается устройство управления.

Датчик с адресом 0 от линии связи отключен. Обмен данными между датчиком и устройством управления в многоточечном режиме осуществляется только частотным сигналом. Токовый сигнал датчика зафиксирован на необходимом уровне и не изменяется.

Под данными в случае многоточечной связи подразумеваются не только собственно результаты измерений контролируемого параметра, но еще и целый набор всевозможной служебной информации.

В первую очередь это адреса датчиков, команды управления, параметры настройки. И вся эта информация передается по двухпроводным линиям связи. А нельзя ли избавиться и от них? Правда, делать это надо осторожно, лишь в тех случаях, когда беспроводное соединение не сможет повлиять на безопасность контролируемого процесса.

Оказывается, избавиться от проводов можно. Уже в 2007 году был опубликован Стандарт WirelessHART, средой передачи является нелицензируемая частота 2,4ГГц, на которой работают многие компьютерные беспроводные устройства, в том числе и беспроводные локальные сети. Поэтому и WirelessHART-устройства можно использовать без всяких ограничений. На рисунке 11 показана беспроводная сеть WirelessHART.

Беспроводная сеть WirelessHART

Рисунок 11. Беспроводная сеть WirelessHART

Вот такие технологии пришли на смену старой аналоговой токовой петле. Но и она свои позиции не сдает, широко применяется везде, где это возможно.

Источник

Датчик тока

Содержание

Датчик тока предназначен для того, чтобы передать в систему автоматического управления сигнал, пропорциональный току, протекающему в силовой цепи или для преобразования тока до значения, удобного для измерения.

В настоящее время примерно 15 % всех электроприводов имеют инверторное управление, и это управление позволяет сэкономить до 50 % всей расходуемой электроэнергии. Однако векторное управление невозможно без контроля тока, напряжения и магнитного поля.

Наиболее распространенными сегодня способами измерения тока являются три метода:

  • метод прямого измерения с помощью токоизмерительного шунта;
  • косвенный метод с помощью трансформатора тока;
  • метод, основанный на основе эффекта Холла.

Метод прямого измерения – это наиболее часто применяемый метод, что объясняется простотой его использования и дешевизной. Прямое измерение тока обеспечивается включением в схему токочувствительного резистора (шунта), который имеет стабильный температурный коэффициент (ТКС менее 0,01 %).

Графическое изображение шунта представлено на рисунке 2.89 а , схема подключения – на рисунке 2.89 б.

Токовый шунт

Шунты изготовляют из манганина. Если шунт рассчитан на небольшой ток (до 30 А), то его обычно встраивают в корпус прибора (внутренние шунты). Для измерения больших токов используют приборы с наружными шунтами. В этом случае мощность, рассеиваемая в шунте, не нагревает прибор.

Шунт, представленные на рисунке, имеет наконечники из меди, которые служат для отвода тепла от манганиновых пластин, впаянных между ними. Шунт подключается последовательно в цепь через токовые зажимы. Измерительный механизм присоединяют к потенциальным зажимам, между которыми и заключено сопротивление шунта. При таком включении измерительного механизма устраняются погрешности от контактных сопротивлений.

Наружные шунты обычно выполняются калиброванными, т е. рассчитываются на определенные токи и падения напряжения. Калиброванные шунты должны иметь номинальное падение напряжения 10, 15, 30, 50, 60, 75, 100, 150 и 300 мВ. Для переносных магнитоэлектрических приборов на токи до 30 А внутренние шунты изготовляют на несколько пределов измерения. Большинство измерительных головок для шунтов откалибровано на напряжение в 75мВ.

Шунты разделяются на классы точности 0,02; 0,05; 0,1; 0,2 и 0,5. Число, определяющее класс точности, обозначает допустимое отклонение сопротивления шунта в процентах его номинального значения.

  • простота контракции;
  • хорошая линейность;
  • способность измерять постоянный и переменные токи;
  • отсутствие необходимости внешнего источника питания.
  • отсутствие гальванической развязки;
  • вносимые в цепь измерений потери;
  • при низких токах шунт должен иметь высокое сопротивление, чтобы падение напряжения на нем имело достаточную величину, что приводит к необходимости применения усилителя;
  • наличие паразитной индуктивности у большинства мощных резисторов приводит к ограничению полосы пропускания данного метода.

В конструктивном отношении трансформаторы тока выполнены в виде сердечника, шихтованного из холоднокатанной кремнистой трансформаторной стали, на которую наматываются одна или несколько вторичных изолированных обмоток. Первичная обмотка также может быть выполнена в виде катушки, намотанной на сердечник, либо в виде шины. В некоторых конструкциях вообще не предусмотрена встроенная первичная обмотка; первичная обмотка выполняется потребителем путём пропускания провода через специальное окно. Обмотки и сердечник заключаются в корпус для изоляции и предохранения обмоток. В некоторых современных конструкциях трансформаторов тока сердечник выполняется из нанокристаллических (аморфных) сплавов, для расширения диапазона, в котором трансформатор работает в классе точности.

Вторичные обмотки трансформатора тока обязательно нагружаются. Сопротивление нагрузки строго регламентировано требованиями к точности коэффициента трансформации. Незначительное отклонение сопротивления вторичной цепи от номинала приводит к изменению погрешности преобразования и возможно ухудшению измерительных качеств трансформатора. Значительное увеличение сопротивления нагрузки создает высокое напряжение во вторичной обмотке, достаточное для пробоя изоляции трансформатора, что приводит к выходу трансформатора из строя, а также создаёт угрозу жизни обслуживающего персонала. Кроме того, из-за возрастающих потерь в сердечнике магнитопровода, трансформатор начинает перегреваться, что также может привести к повреждению (или, как минимум, к износу) изоляции и дальнейшему её пробою. Полностью разомкнутая вторичная обмотка ТТ не создаёт компенсирующего магнитного потока в сердечнике, что приводит к перегреву магнитопровода и его выгоранию. При этом магнитный поток, созданный первичной обмоткой, имеет очень высокое значение и потери в магнитопроводе сильно нагревают его.

Коэффициент трансформации измерительных трансформаторов тока является их основной характеристикой. Номинальный (идеальный) коэффициент указывается на шильдике трансформатора в виде отношения номинального тока первичной (первичных) обмоток к номинальному току вторичной (вторичных) обмоток, например, 100/5 А или 10–15–50–100/5 А (для первичных обмоток с несколькими секциями витков). При этом реальный коэффициент трансформации несколько отличается от номинального. Это отличие характеризуется величиной погрешности преобразования, состоящей из двух составляющих – синфазной и квадратурной. Первая характеризует отклонение по величине, вторая отклонение по фазе вторичного тока реального от номинального. Эти величины регламентированы ГОСТами и служат основой для присвоения трансформаторам тока классов точности при проектировании и изготовлении. Поскольку в магнитных системах имеют место потери, связанные с намагничиванием и нагревом магнитопровода, вторичный ток оказывается меньше номинального у всех трансформаторов тока. В связи с этим для улучшения характеристик и внесения положительного смещения в погрешность преобразования применяют витковую коррекцию. А это означает, что коэффициент трансформации у таких откорректированных трансформаторов не соответствует привычной формуле, соотношений витков первичной и вторичной обмоток.

Графическое изображение трансформаторов тока представлено на рисунке 2.90 а , на рисунке 2.90 б – схема включения.

Трансформатор тока

Аналогичный метод измерений используется в датчиках, получивших название «пояс Роговского». Различие только в том, что «пояс Роговского» не имеет сердечника и поэтому его индуктивность меньше, чем у трансформаторов тока.

  • наличие гальваническая развязка с высоким пробивным напряжением;
  • может измерять токи в несколько кА;
  • высокая точность измерений.
  • работают на сетевой частоте и не могут использоваться в цепях постоянного тока;
  • изменяет фазу сигнала и требует компенсации.

Датчики на основе эффекта Холла

Датчики компенсационного типа и датчики прямого усиления основаны на использовании эффекта Холла, Генераторы Холла обладают определенной зависимостью чувствительности и начального выходного напряжения от температуры, тем не менее, эта зависимость может быть значительно компенсирована электронной схемой датчика тока.

Датчики прямого усиления используют эффект Холла. Магнитная индукция В и напряжение Холла, создаются измеряемым первичным током IP, который необходимо преобразовать в выходной ток датчика. Ток управления подается с помощью стабилизированного источника тока.

При создании датчика тока открытого типа берется магнитопровод, пропускается через него провод измеряемой цепи и в разрез магнитопровода помещается датчик Холла (рисунок 2.91).

Датчик тока на эффекте Холла открытого типа

Достоинством такого датчика является относительная простота. Недостатком – наличие подмагничивания сердечника, следовательно, повышение нелинейности показаний.

Датчики прямого усиления позволяют измерять номинальные токи от нескольких ампер до нескольких сотен килоампер с общей точностью в несколько процентов от номинального значения.

Датчики прямого усиления способны измерять постоянный, переменный ток и токи других форм с гальванической изоляцией. Они отличаются низкой потребляемой мощностью и уменьшенными геометрическими размерами, а также относительно небольшим весом, в особенности для диапазона больших токов. Они обеспечивают отсутствие внутренних потерь в измеряемой цепи и особенно устойчивы к перегрузкам. Эти датчики сравнительно недороги и в основном применяются в промышленности.

Датчики компенсационного типа , (также называемые датчиками с нулевым потоком) имеют встроенную компенсационную цепь, с помощью которой характеристики датчиков тока, использующих эффект Холла, могут быть существенно улучшены.

В то время как датчики прямого усиления дают выход напряжения, пропорциональный увеличенному напряжению Холла, компенсационные датчики обеспечивают выходной ток, пропорциональный напряжению Холла, который действует как сигнал обратной связи, чтобы компенсировать магнитное поле, создаваемое первичным током, магнитным полем, создаваемым полем выходного тока (рисунок 2.92).

Датчик тока на эффекте Холла компенсационного типа

Диапазон компенсационных датчиков позволяет измерять номинальные токи от нескольких ампер до нескольких сотен килоампер с точностью около 1 %.

Компенсационные датчики способны измерять постоянный ток, переменный ток и токи иной формы с гальванической развязкой.

Они выделяются следующим:

  • отличная точность;
  • очень хорошая линейность;
  • малый температурный дрейф;
  • очень быстрое время отклика и широкий частотный диапазон;
  • не приводят к дополнительным потерям в измерительной цепи.

Токовый выход этих датчиков особенно приспособлен к применению при наличии помех окружающей среды. При необходимости очень легко преобразовать сигнал датчика в напряжение. Датчики выдерживают перегрузки тока без повреждений. Эти датчики особенно хорошо подходят к промышленному применению, когда требуется высокая точность и широкий частотный диапазон. Основным недостатком этой технологии является потребление мощности на компенсацию тока. Кроме того, для диапазона высоких токов эти датчики более дорогие и имеют большие габариты по сравнению с аналогичными датчиками прямого усиления. Несмотря на это, датчики компенсационного типа являются относительно дешевыми, особенно для диапазона малых токов.

  • широкий диапазон измеряемых токов с частотой до 50–100кГц и выше;
  • измеряет постоянный и переменный ток;
  • гальваническая развязка;
  • высокая точность;
  • низкий температурный дрейф;
  • линейность;
  • небольшие масса-габаритные показатели;
  • низкое энергопотребление.
  • высокая стоимость.

Литература

Элементы и функциональные устройства судовой автоматики — Авдеев Б.А. [2018]

Источник



Датчик тока

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.

  1. Классификация датчиков
  2. Принцип действия
  3. Основные виды датчиков тока
  4. Датчики прямого усиления (O/L)
  5. Датчики тока (Eta)
  6. Датчики тока компенсационные (C/L)
  7. Датчики тока компенсационные (тип С)
  8. Датчики тока PRIME
  9. Датчики тока (тип IT)
  10. Преимущества датчиков тока в современных схемах

Классификация датчиков

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.

Датчик тока

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.

Основные виды датчиков 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.

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.

Источник

Читайте также:  Неразветвленная электрическая цепь переменного тока что это