БЕСКОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК ПОСТОЯННОГО ТОКА

Назначение
Полезная модель относится к измерительным средствам электротехники, а именно к приборам для измерения токов или индикации их наличия, точнее - к бесконтактным датчикам постоянного тока.
Уровень техники
В электротехнике существует задача измерения тока, величина которого значительно меньше максимально допустимой величины для данной цепи. При этом максимальная величина тока не подлежит измерению.
Например, при зарядке аккумуляторов источника бесперебойного питания, необходимо измерять ток зарядки (подзарядки), величиной до 1 А. При этом не требуется измерять ток в момент отдачи аккумулятором своей энергии, когда токи могут достигать 1 кА, а при коротком замыкании более 10 кА.
Известно изобретение по патенту РФ №2321002, которое относится к электротехнике, а именно к датчикам силового тока как постоянного, так и переменного. Такой датчик может входить в состав защитных коммутационных аппаратов и включает в себя: токопровод для измеряемого тока, датчик Холла с усилителем и компаратором, источник питания и аналого-цифровой преобразователь, содержащий блок сравнения сигнала величины тока одного направления, блок сравнения сигнала величины тока другого направления, источник опорного напряжения блока сравнения сигнала величины тока одного направления, источник опорного напряжения блока сравнения сигнала величины тока другого направления, блок сравнения сигналов для выдачи сигнала направления тока и источник опорного напряжения блока сравнения сигналов для выдачи сигнала направления тока. При этом аналого-цифровой преобразователь дополнительно содержит устройство защиты от перегрузки по току, включающее блок сравнения сигнала одного направления, блок сравнения сигнала другого направления, источник опорного напряжения блока сравнения сигнала одного направления, источник опорного напряжения блока сравнения сигнала другого направления и блок задержки сигнала, соответствующим образом соединенные между собой.
Значение напряжения источника опорного напряжения устанавливается в пределах от напряжения на выходе датчика Холла с усилителем и компаратором, соответствующего номинальному току в токопроводе аппарата, до напряжения блока источника опорного напряжения величины тока условно положительного направления. Это значение напряжения выбирается исходя из коэффициента запаса по сечению токоведущих частей аппарата так, чтобы длительное протекание тока в главной цепи не вызвало перегрев токоведущих частей аппарата. Датчик обеспечивает защиту от перегрузок путем отключения от питания самого аппарата. Техническое решение позволяет использовать коммутационный аппарат при токах больше номинальных, но меньше аварийных, при обеспечении средне-квадратичного значения тока не более номинального, но при этом не обеспечивает высокую точность из-за гистерезисных явлений в магнитопроводе.
Известны датчики тока на эффекте Холла, предназначенные для измерения постоянного или переменного токов с гальванической развязкой силовой цепи и цепей контроля (http://znamus.ru/page/datchiki__holla)
Конструкция датчиков тока включает в себя магнитопровод с зазором и компенсационной обмоткой, датчик Холла и электронную плату обработки сигналов. Магниточувствительный датчик Холла закреплен в зазоре магнитопровода и соединен с входом электронного усилителя. При протекании измеряемого тока по шине, охватываемой магиитопроводом, в последнем наводится магнитная индукция. Датчик Холла, реагирующий на возникшее магнитное поле, вырабатывает напряжение, пропорциональное величине наведенной магнитной индукции. Выходной сигнал с датчика усиливается электронным усилителем и подается в компенсационную обмотку. В результате, по обмотке течет компенсационный ток, пропорциональный измеряемому току по величине и соответствующий ему по форме. Возникающее при этом магнитное поле компенсационной обмотки компенсирует магнитное поле измеряемого тока, и датчик Холла работает как нуль-орган. При этом полоса частот, пропускаемая таким датчиком тока, составляет от 0 Гц (постоянный ток) до 200 кГц. Точность измерения токов таких датчиков, как правило, существенно зависит от материала и качества изготовления магнитопровода. Существенно ограничивает точность измерения тока остаточная намагниченность магнитопровода, вызываемая протекающим измеряемым током.
Намагниченность магнитопровода снижается при использовании в конструкции датчика тока компенсационной обмотки. Однако, это только частичное решение задачи, поскольку при превышении величины измеряемого тока и максимального тока компенсации все-таки происходит намагничивание магнитопровода.
Кроме того, обязательным условием ненамагничивания магнитопровода - является требование не подавать ток в цепь измерения при отключенном питании датчика.
Выходной сигнал холостого хода у датчиков с компенсационной обмоткой составляет порядка 0,5% от номинального значения, допустимая перегрузка, при которой еще не насыщается сердечник - 1,5.
Выходной сигнал холостого хода датчика, способного, с учетом перегрузки, выдерживать ток 10 кА, будет соответствовать:
10000/1,5=6667 - номинал, 0,5% от 6667 соответствует 33,3 А.
Таким образом, ток менее 33 А не будет "заметен" на фоне остаточной намагниченности, а значит описанный датчик непригоден для точного измерения малых токов (порядка единиц ампер).
Существует другой вариант - специально размагничивать магнитопровод. Размагничивание производится устройством, способным создавать переменный ток, и плавно уменьшать его до минимума. Ток подается в проводник, заменяющий на время размагничивания проводник с измеряемым током. Для проведения такой операции необходимо снятия датчика с "измеряемого" проводника, что не всегда допустимо в реальных условиях производства.
Известны датчики, которые позволяют проводить более точные измерения при превышении значений номинальных токов, описанные в статье «Силовые промышленные датчики», автор А. Данилов, «Силовая электроника», октябрь 2004. В ней приведены схемы датчиков тока серии ACS750/752 компании Allegro MicroSystem, созданные на основе датчиков Холла со стабилизацией прерыванием. В состав датчика, принятого за прототип, кроме преобразователя Холла, входит коммутатор, усилитель, интегрирующий фильтр, выходное буферное устройство. Стабилизация прерыванием заключается в периодическом переключении квадратурных выводов ячейки Холла при помощи входного коммутатора, последующем дифференциальным усилением, стробированием и запоминанием плоского участка импульса при помощи устройства выборки хранения. Это позволяет компенсировать некоторые составляющие напряжения смещения. Датчики выпускаются на определенные номинальные токи и не могут использоваться при коротких замыканиях в коммутационных аппаратах.
Предлагаемая полезная модель решает задачу измерения тока, величина которого значительно меньше максимально допустимой величины для данной цепи.
Раскрытие полезной модели
Бесконтактный датчик постоянного тока содержит преобразователь Холла, источник питания, входной коммутатор, обеспечивающий переключение квадратурных выводов преобразователя Холла, последовательно соединенные с ним дифференциальный усилитель и интегрирующий фильтр. В датчик введены также магнитопровод с размагничивающей обмоткой и контроллер, включающий в себя аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор. Магнитопровод выполнен с зазором для размещения в нем датчика Холла.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что входной коммутатор позволяет скомпенсировать некоторые составляющие напряжения смещения, но в случае случайного короткого замыкания в цепи измерения результат измерения будет искажен остаточной намагниченностью магнитопровода наведенным током короткого замыкания. Поэтому всякий раз перед началом измерения следует проводить процедуру размагничивания магнитопровода. Это обеспечивает введенный контроллер, включающий в себя аналого-цифровой преобразователь и процессор. Контроллер обеспечивает пуск и плавное регулирование тока в обмотке размагничивания, то есть позволяет выполнять размагничивание магнитопровода без демонтажа датчика. При этом контроллер имеет выход на внешний интерфейс, что упрощает проведение калибровочных, настроечных и измерительных процессов.
Кроме того, для защиты от паразитных помех магнитопровод окружен экраном из магнитомягкого материала, выполненного в виде кольца, расположенного в одной плоскости с магнитопроводом.
Технический результат полезной модели заключается в исключении влияния последствий перегрузок измерительной цепи, вплоть до короткого замыкания, - на точность измерения.
На фигуре, иллюстрирующей полезную модель, приведена структурная схема бесконтактного датчика постоянного тока.
Осуществление полезной модели
Бесконтактный датчик постоянного тока содержит последовательно соединенные преобразователь Холла 1, коммутатор 2, усилитель 3 и интегрирующий фильтр 4. Коммутатор может быть выполнен на микросхеме ADG513, усилитель - AD620, интегрирующий фильтр на микросхеме AD820, зашунтированной емкостью и резистором. В состав датчика тока входит кольцевой магнитопровод 5 с зазором. Датчик Холла 1 размещен в зазоре магнитопровода 5. На магнитопроводе 5 размещена обмотка размагничивания 6. Отдельный источник питания (не показан) подает электроэнергию во все части схемы, в том числе и на генератор тока 7 для питания датчика Холла 1. К выходу интегрирующего фильтра 4 подсоединен контроллер 8, включающий в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9 и процессор 9. Один из выходов микропроцессора 9 подсоединен к коммутатору 2, два других - к обмотке размагничивания 6, а группа выходов 11 могут подключаться к внешнему устройству, например, к интерфейсу типа RS485. Контроллер 8 может быть выполнен на микрочипе dsPic 30F3013.
Для защиты от паразитных помех магнитопровод 5 может быть окружен экраном 12, выполненным в виде кольца из магнитомягкого материала, например аморфного железа.
Датчик тока работает следующим образом. При протекании контролируемого тока по проводнику, проходящему через отверстие кольцевого магнитопровода 5, на выводах датчика Холла 1 формируется сигнал, пропорциональный силе контролируемого тока. При этом коммутатор 2 непрерывно производит перекоммутацию знака напряжения, подаваемого на входные зажимы датчика Холла 1, чем обеспечивает компенсацию напряжения смещения. Сигнал с датчика Холла 1 поступает на усилитель 3, с него на интегрирующий фильтр 4 и далее на АЦП 9 контроллера 8. Цифровой сигнал, вырабатываемый АЦП 9, подается на процессор 10 для формирования сигнала управления коммутатором 2.
Перед началом измерения с процессора 10 подается сигнал (программно или по команде от оператора) на размагничивающую обмотку 6, обеспечивая размагничивание магнитопровода 5.
После измерения один из выходов группы 11 микропроцессора 10 выдает сигнал в цифровой форме, пропорциональный измеряемому току.
Таким образом, за счет снижения величины смещения и размагничивания магнитопровода, бесконтактный датчик постоянного тока обеспечивает точное измерение токов вне зависимости от возможных, значительно превосходящих номинальные значения, всплесков тока.