Бесконтактный способ измерения тока

Бесконтактный TrueRMS измеритель тока

При проверке силовых электрических цепей часто возникает необходимость в измерении силы тока. Чтобы измерить величину постоянного тока, как правило, применяют резисторный шунт, включенный последовательно с нагрузкой, напряжение на котором пропорционально току. Однако, если возникнет необходимость в измерении больших токов, то потребуется шунт внушительной мощности, поэтому целесообразнее использовать другие методы измерения.

В связи с этим у меня возникла идея собрать измеритель тока на основе датчика Холла. Его схема представлена на рисунке.

Особенности амперметра:

• Измерение силы переменного или постоянного тока без электрического контакта с цепью
• Измерение истинного среднеквадратичного (TrueRMS) значения тока независимо от формы сигнала, а также максимального значения за период (приблизительно 0.5 секунды)
• Вывод информации на символьный LCD дисплей
• Два режима измерения (до 10А и до 50А)

Схема работает следующим образом. Провод с током располагается внутри ферритового кольца, создавая при этом магнитное поле, величина которого прямо пропорциональна силе тока. Датчик Холла, расположенный в воздушном зазоре сердечника, преобразует величину индукции поля в напряжение, и это напряжение подается на операционные усилители. ОУ необходимы, чтобы привести уровни напряжения с датчика к диапазону входных напряжений АЦП. Полученные данные обрабатываются микроконтроллером и выводятся на LCD дисплей.

Предварительный расчет схемы

В качестве сердечника использовано кольцо R20*10*7 из материала N87. Датчик Холла — SS494B.

С помощью надфиля в кольце протачивается зазор такой толщины, чтобы там поместился датчик, то есть около 2 мм. На данном этапе уже можно примерно оценить чувствительность датчика к току и максимально возможный измеряемый ток.

Эквивалентная проницаемость сердечника с зазором приблизительно равна отношению длины магнитной линии к величине зазора:

Тогда, подставив это значение в формулу расчета индукции в сердечнике и умножив это все на чувствительность датчика, найдем зависимость выходного напряжения датчика от силы тока:

Здесь K_B — чувствительность датчика к индукции магнитного поля, выраженная в В/Тл (берется из даташита).

Например, в моем случае l_з = 2 мм = 0,002 м, K_B = 5 мВ/Гаусс = 50 В/Тл, откуда получаем:

Реальная чувствительность к току оказалась равной 0,03В/А, то есть расчет получается весьма точным.

Согласно даташиту на SS494B, максимальная измеряемая датчиком индукция равна 420 Гауссов, следовательно максимальный измеряемый ток равен:

Фото датчика в зазоре:

Расчет цепей ОУ

В амперметре имеется два канала: до 10 А (23 вывод МК), и до 50 А (24 вывод МК). Переключением режимов занимается мультиплексор АЦП.

В качестве опорного напряжения АЦП выбран внутренний ИОН, поэтому сигнал необходимо привести к диапазону 0 — 2.56 В. При измерении токов величиной ±10 А напряжение датчика составляет 2,5±0,3 В, следовательно нужно усилить и сместить его так, чтобы нулевая точка находилась точно посередине диапазона АЦП. Для этого используется ОУ IC2:A, включенный как неинвертирующий усилитель. Напряжение на его выходе описывается уравнением:

Здесь под R2 подразумеваются последовательно соединенные R2 и P2, а под R3 соответственно R3 и P3, чтобы выражение не выглядело слишком громоздким. Чтобы найти сопротивления резисторов запишем уравнение дважды (для токов -10А и +10А):

Напряжения нам известны:

Задав R4 равным 20 кОм, получаем систему из двух уравнений, где переменными являются R2 и R3. Решение системы можно легко найти с помощью математических пакетов, например MathCAD (файл расчетов приложен к статье).

Аналогичным образом рассчитывается и вторая цепь, состоящая из IC3:A и IC3:B. В ней сигнал с датчика сначала проходит через повторитель IC3:A, а затем попадает на делитель на резисторах R5, R6, P5. После ослабления сигнала, он дополнительно смещается операционным усилителем IC3:B.

Описание работы микроконтроллера

Микроконтроллер ATmega8A выполняет обработку сигналов с ОУ и вывод результатов на дисплей. Он тактируется от внутреннего генератора на 8 МГц. Фьюзы стандартные, за исключением CKSEL. В PonyProg они выставляются так:

АЦП сконфигурирован на работу с частотой 125 кГц (коэффициент деления равен 64). По окончании преобразования АЦП вызывается обработчик прерывания. В нем запоминается максимальное значение тока, а также суммируются квадраты токов последовательных выборок. Как только число выборок доходит до 5000, микроконтроллер вычисляет RMS значение тока и выводит данные на дисплей. Затем переменные обнуляются и все происходит с начала. На схеме указан дисплей WH0802A, но можно использовать любой другой дисплей с контроллером HD44780.

Прошивка микроконтроллера, проект для CodeVision AVR и файл симуляции в Proteus приложены к статье.

Настройка схемы

Настройка устройства сводится к регулировке подстроечных резисторов. Сначала нужно настроить контрастность дисплея, вращая P1.

Затем, переключившись кнопкой S1 в режим до 10А, настраиваем P2 и P3. Выкручиваем один из резисторов максимально вправо и, вращая второй резистор, добиваемся нулевых показаний прибора. Пробуем измерить ток, величина которого точно известна, при этом показания амперметра должны получиться ниже, чем есть на самом деле. Подкручиваем оба резистора немного влево, так чтобы сохранилась нулевая точка, и опять измеряем ток. На этот раз показания должны стать чуть больше. Продолжаем это до тех пор, пока не добьемся точного отображения величины тока.

Теперь переключимся в режим до 50А и настроим его. Резистором P4 выставляем ноль на дисплее. Измеряем какой-либо ток и смотрим на показания. Если амперметр завышает их, то крутим P5 влево если занижает, то крутим вправо. Опять выставляем ноль, проверяем показания при заданном токе и так далее.

Фото устройства

Измерение постоянного тока:

Из-за недостаточно точной калибровки, значения немного завышаются.

Измерение переменного тока частотой 50 Гц, в качестве нагрузки используется утюг:

В теории среднеквадратичный ток синусоиды равняется 0.707 от максимального, но, судя по показаниям, этот коэффициент равен 0.742. После проверки формы напряжения в сети, выяснилось что оно лишь напоминает синусоиду. Учитывая это, такие показания прибора выглядят вполне достоверными.

У прибора все же есть недостаток. На выходе датчика постоянно присутствуют шумы. Проходя через ОУ, они попадают на микроконтроллер, в результате чего невозможно добиться идеального нуля (вместо нуля отображается примерно 30-40 мА RMS). Это можно исправить, увеличив емкость C7, но тогда ухудшатся частотные характеристики: на высоких частотах показания будут занижаться.

Источник

Способ бесконтактного измерения электрического тока

Бесконтактные методы измерения тока

Для измерения переменного тока, протекающего в подземном трубопроводе, применяются приемные устройства с бесконтактными преобразователями электромагнитного поля на фиксированных и стабильных частотах, сигналы которых преобразуют в постоянный ток. При применении в качестве бесконтактных преобразователей катушек индуктивностей, датчиков Холла или феррозондов с дифференциальным включением величина измеряемого переменного тока определенной частоты, протекающего по подземному трубопроводу, будет определена выражением
i = 2П · (hв — hн) · Нв · Нн / (Нн — Нв),

где i — измеряемая величина переменного тока, А; hв и hн — расстояния от осевой линии трубопровода до осевой линии верхних датчиков и до осевой линии нижних датчиков, м; Нв и Нн — величины напряженности электромагнитного поля, измеренные на выходах верхней пары преобразователей и нижней пары преобразователей, А/м

Схематичное расположение преобразователей с дифференциальным включением преобразователей (а) и их сигналов (б)

При использовании преобразователей с независимыми выходными сигналами от каждого преобразователя измеряемый ток будет определяться более сложным выражением

где HB1, HB2 — величины напряженности электромагнитного поля, измеренные на выходах каждого верхнего преобразователя, наведенные электромагнитным полем трубопровода, А/м; HH1, HH2 — величины напряженности электромагнитного поля, измеренные на выходе каждого нижнего преобразователя, наведенные электромагнитным полем трубопровода, А/м.

Схематичное расположение преобразователей с раздельными выходными сигналами

Такие сложные вычисления хорошо реализуются с применением вычислительной техники, когда обработка сигналов производится программно-аппаратурными средствами, решаемыми специальными контроллерами, как, например, в приемниках типа C-SCAN и др.

Затухание токов A, протекающих по трубопроводу между точками измерений, вычисляется по формуле

A2 = 2000 · lg (i1 / i2) / L1-2 мБ/м,

где i1 и i2 — токи, измеренные в точке 1 и в точке 2, мА; L1-2 — расстояние между точками измерений этих токов, м; lg(i1/i2) — десятичный логарифм отношения измеренных токов.

По величине затухания тока по таблицам или по номограммам для определенной частоты сигнала и определенного диаметра трубопровода находят интегральную величину сопротивления изоляционного покрытия Rи, отнесенную к одному квадратному метру поверхности трубопровода. Далее по эмпирической формуле

вычисляют интегральную величину площади дефекта на одном квадратном метре этого изоляционного покрытия. Для вычисления скорости старения изоляционного покрытия подземного трубопровода и определения его ресурса используется номограмма зависимости минимальных величин постоянных времени старения изоляционных покрытий от величин удельного электрического сопротивления грунтов и от конструкции основных типов изоляционных покрытий, приведенная на рисунке.

Зависимость минимальных величин постоянной времени старения изоляционного покрытия от величин удельного электрического сопротивления грунтов и от типа изоляционных покрытий;

В первую очередь вычисляется интегральная величина сопротивления изоляционного покрытия интервала R0 на момент начала его эксплуатации по формуле

R0 = Rи · exp (T/ t) Oм·м2,

где R0 — величина сопротивления изоляционного покрытия на момент начала эксплуатации трубопровода, Ом·м2; Rи — величина сопротивления изоляционного покрытия, определенная на настоящий момент времени, Ом·м2; Т — время эксплуатации трубопровода с данным покрытием, годы;t — постоянная времени данного покрытия, определенная по номограмме.

Зная величину R0, можно определить величину сопротивления изоляционного покрытия на любой заданный год эксплуатации этого покрытия Rит, которое было несколько лет назад или которое будет через несколько лет в будущем. Величина Rит вычисляется по формуле

Rит = R0 · ехр (-Т/ t),

где Т — любой год эксплуатации трубопровода до момента обследования покрытия или любой год эксплуатации в будущем, год. Эта формула позволяет прогнозировать изменение состояния изоляционного покрытия и определять ресурс или старение покрытия. Вычислим остаточный ресурс изоляционного покрытия до момента времени, когда величина сопротивления его ухудшится до величины Ri 500 Ом·м2, т.е. по нашей классификации покрытие станет ПЛОХИМ

Tост = t · ln (Rи/Ri) лет,

где ln (Rи/Ri) — натуральный логарифм отношения величин сопротивлений изоляционного покрытия; Ri — задаваемая величина, до которой состояние изоляционного покрытия ухудшится и станет ПЛОХИМ, т.е., по нашей классификации, Ri 500 Ом·м2.

Тогда ухудшение состояния изоляционного покрытия (или скорость его старения) можно вычислить по данным, полученным во время обследования участка трубопровода, на любой наперед заданный год эксплуатации трубопровода по формуле

Rиi = Rи · exp (- Тi / t) Ом·м2,

где Rи — интегральная величина сопротивления изоляционного покрытия участка трубопровода на момент его обследования, Ом·м2; Rиi — прогнозируемая интегральная величина сопротивления изоляционного покрытия на i-ый год эксплуатации участка трубопровода после момента его обследования, Ом·м2; Тi = 1, 2, 3, . i — прогнозируемое время эксплуатации участка трубопровода после момента обследования, годы;t — постоянная времени данного покрытия, определяемая по номограмме , годы. Откуда видно, что величина сопротивления изоляционного покрытия в процессе эксплуатации будет каждый год уменьшаться на некоторую величину.

КРИТЕРИИ интегральной оценки состояния изоляционного покрытия подземных трубопроводов, находящихся в эксплуатации:

1. Минимальный шаг между точками измерений для оценки состояния изоляционного покрытия должен быть не менее 10 м.
2. Состояние покрытия ОТЛИЧНОЕ, если интегральная величина сопротивления изоляционного покрытия входит в интервал от 1·104 Ом·м2 и более.
3. Состояние покрытия ХОРОШЕЕ, если интегральная величина сопротивления изоляционного покрытия входит в интервал от 2,5·103 до 1·104 Ом·м2.
4. Состояние покрытия УДОВЛЕТВОРИТЕЛЬНОЕ, если интегральная величина сопротивления изоляционного покрытия входит в интервал от 500 до 2,5·103 Ом·м2.
5. Состояние покрытия ПЛОХОЕ, если интегральная величина сопротивления изоляционного покрытия входит в интервал от 50 до 500 Ом·м2.
6. Состояние покрытия ОЧЕНЬ ПЛОХОЕ, если интегральная величина сопротивления изоляционного покрытия входит в интервал от 5 до 50 Ом·м2.
7. Состояние покрытия СОВЕРШЕННО РАЗРУШЕНО, если интегральная величина сопротивления изоляционного покрытия имеет величину менее 5 Ом·м2.
8. Минимальный шаг между точками измерений тока на коротких интервалах при поиске мест сквозных дефектов в покрытии должен быть не менее 1 метра.

КРИТЕРИИ интегральной оценки площади дефектов в изоляционном покрытии подземных трубопроводов, находящихся в эксплуатации

1. Покрытие НЕ ИМЕЕТ ДЕФЕКТОВ, если вычисленная величина площади дефектов в покрытии на поверхности 1 м2 составляет 0,01 мм2/м2 и менее.
2. Покрытие имеет САМЫЕ МЕЛКИЕ ОДИНОЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ, если вычисленная величина площади дефектов в покрытии на поверхности 1 м2 находится в пределах величин от 0,01 до 0,16 мм2/м2.
3. Покрытие имеет МЕЛКИЕ ДЕФЕКТЫ В НЕБОЛЬШОМ КОЛИЧЕСТВЕ, если вычисленная величина площади дефектов и покрытии на поверхности 1 м2 находится в пределах величин от 0,16 до 4,0 мм2/м2.
4. Покрытие имеет ЗНАЧИТЕЛЬНУЮ ПЛОЩАДЬ ОГОЛЕНИЯ МЕТАЛЛА, если вычисленная величина площади дефектов в покрытии на поверхности 1 м2 находится в пределах величин от 4 до 400 мм /м2.
5. ПОКРЫТИЕ СИЛЬНО РАЗРУШЕНО, если вычисленная величина площади дефектов в покрытии на поверхности 1 м2 находится в пределах величин от 400 до 40000 мм2/м2.
6. СЛЕДЫ ПОКРЫТИЯ, если вычисленная величина площади дефектов в покрытии на поверхности 1 м2 составляет от 40000 мм2/м2 и более.

Бесконтактный TrueRMS измеритель тока

При проверке силовых электрических цепей часто возникает необходимость в измерении силы тока. Чтобы измерить величину постоянного тока, как правило, применяют резисторный шунт, включенный последовательно с нагрузкой, напряжение на котором пропорционально току. Однако, если возникнет необходимость в измерении больших токов, то потребуется шунт внушительной мощности, поэтому целесообразнее использовать другие методы измерения.

В связи с этим у меня возникла идея собрать измеритель тока на основе датчика Холла. Его схема представлена на рисунке.

Особенности амперметра:

• Измерение силы переменного или постоянного тока без электрического контакта с цепью
• Измерение истинного среднеквадратичного (TrueRMS) значения тока независимо от формы сигнала, а также максимального значения за период (приблизительно 0.5 секунды)
• Вывод информации на символьный LCD дисплей
• Два режима измерения (до 10А и до 50А)

Схема работает следующим образом. Провод с током располагается внутри ферритового кольца, создавая при этом магнитное поле, величина которого прямо пропорциональна силе тока. Датчик Холла, расположенный в воздушном зазоре сердечника, преобразует величину индукции поля в напряжение, и это напряжение подается на операционные усилители. ОУ необходимы, чтобы привести уровни напряжения с датчика к диапазону входных напряжений АЦП. Полученные данные обрабатываются микроконтроллером и выводятся на LCD дисплей.

Предварительный расчет схемы

В качестве сердечника использовано кольцо R20*10*7 из материала N87. Датчик Холла — SS494B.

С помощью надфиля в кольце протачивается зазор такой толщины, чтобы там поместился датчик, то есть около 2 мм. На данном этапе уже можно примерно оценить чувствительность датчика к току и максимально возможный измеряемый ток.

Эквивалентная проницаемость сердечника с зазором приблизительно равна отношению длины магнитной линии к величине зазора:

Тогда, подставив это значение в формулу расчета индукции в сердечнике и умножив это все на чувствительность датчика, найдем зависимость выходного напряжения датчика от силы тока:

Здесь KB — чувствительность датчика к индукции магнитного поля, выраженная в В/Тл (берется из даташита).

Например, в моем случае lз = 2 мм = 0,002 м, KB = 5 мВ/Гаусс = 50 В/Тл, откуда получаем:

Реальная чувствительность к току оказалась равной 0,03В/А, то есть расчет получается весьма точным.

Согласно даташиту на SS494B, максимальная измеряемая датчиком индукция равна 420 Гауссов, следовательно максимальный измеряемый ток равен:

Фото датчика в зазоре:

Расчет цепей ОУ

В амперметре имеется два канала: до 10 А (23 вывод МК), и до 50 А (24 вывод МК). Переключением режимов занимается мультиплексор АЦП.

В качестве опорного напряжения АЦП выбран внутренний ИОН, поэтому сигнал необходимо привести к диапазону 0 — 2.56 В. При измерении токов величиной ±10 А напряжение датчика составляет 2,5±0,3 В, следовательно нужно усилить и сместить его так, чтобы нулевая точка находилась точно посередине диапазона АЦП. Для этого используется ОУ IC2:A, включенный как неинвертирующий усилитель. Напряжение на его выходе описывается уравнением:

Здесь под R2 подразумеваются последовательно соединенные R2 и P2, а под R3 соответственно R3 и P3, чтобы выражение не выглядело слишком громоздким. Чтобы найти сопротивления резисторов запишем уравнение дважды (для токов -10А и +10А):

Напряжения нам известны:

Задав R4 равным 20 кОм, получаем систему из двух уравнений, где переменными являются R2 и R3. Решение системы можно легко найти с помощью математических пакетов, например MathCAD (файл расчетов приложен к статье).

Аналогичным образом рассчитывается и вторая цепь, состоящая из IC3:A и IC3:B. В ней сигнал с датчика сначала проходит через повторитель IC3:A, а затем попадает на делитель на резисторах R5, R6, P5. После ослабления сигнала, он дополнительно смещается операционным усилителем IC3:B.

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

• Вычислительная техникаМикроконтроллеры микропроцессоры
• ПЛИС
• Мини-ПК

Силовая электроника

Датчики

Интерфейсы

Теория

Программирование

ТАУ и ЦОС

Перспективные технологии

3D печать

Робототехника

Искусственный интеллект

Криптовалюты

Методы измерения тока

С помощью каких способов можно измерить ток в цепи

Ток является очень важным параметром в электронике или электротехнике. В электронных устройствах ток может иметь пропускную способность от нескольких наноампер до сотен ампер. Этот диапазон может быть намного шире в области электротехники, обычно до нескольких тысяч ампер, особенно в электрических сетях. Существуют разные методы измерения тока внутри цепи или проводника. В этой статье мы обсудим, как измерить ток с использованием различных методов измерения тока с их преимуществами, недостатками и приложениями.

Измерение тока с использованием датчика Холла

Эффект Холла был обнаружен американским физиком Эдвином Гербертом Холлом и может использоваться для определения тока. Он обычно используется для обнаружения магнитного поля и может быть полезен во многих приложениях, таких как спидометры, дверная сигнализация, бесколлекторные двигатели и т.п.

Датчик Холла выдает выходное напряжение в зависимости от магнитного поля. Соотношение выходного напряжения пропорционально магнитному полю. В процессе измерения ток определяется путем измерения магнитного поля. Выходное напряжение очень низкое и его необходимо увеличить до полезного значения с помощью усилителя с высоким коэффициентом усиления и очень низким уровнем шума. Помимо схемы усилителя датчик Холла требует дополнительных схем, так как это линейный преобразователь.

• Может использоваться на более высокой частоте
• Может использоваться как в устройствах переменного, так и постоянного тока
• Бесконтактный метод
• Может использоваться в суровых условиях
• Высокая надежность

Одна микросхема для создания любого датчика тока

Измерить ток высоковольтного источника питания? Или ток, потребляемый стартером автомобиля? Или ток с ветрогенератора? Все это можно сделать бесконтактно с помощью одной микросхемы.

Melexis делает следующий шаг в создании экологичных решений, открывая новые возможности для бесконтактного измерения тока в приложениях возобновляемых источников энергии, гибридных электромобилей (HEV) и электромобилей (EV). MLX91206 является программируемым монолитным датчиком, основанным на технологии Triaxis™ Hall. MLX91206 позволяет пользователю построить небольшие экономичные сенсорные решения с малым временем отклика. Чип непосредственно контролирует ток, протекающий во внешнем проводнике, например, шине или дорожке печатной платы.

Бесконтактный датчик тока MLX91206 состоит из КМОП интегральной схемы Холла с тонким слоем ферромагнитной структуры на его поверхности. Интегрированный ферромагнитный слой (IMC) используется в качестве концентратора магнитного потока, обеспечивая его высокое усиление и более высокое отношение сигнал-шум датчика. Датчик особенно подходит для измерения постоянного и/ или переменного тока до 90 кГц с омической изоляцией, характеризуется очень малыми вносимыми потерями, малым временем отклика, небольшим размером корпуса и простотой сборки.

MLX91206 удовлетворяет спрос на широкое использование электроники в автомобильной промышленности, возобновляемых источниках преобразования энергии (солнечная и ветряная), источниках питания, управления двигателем и защите от перегрузки.

Области применения:

• измерение потребляемого тока в батарейном питании;
• преобразователи солнечной энергии;
• автомобильные инверторы в гибридных автомобилях и др.

MLX91206 имеет защиту от перенапряжения и защиту от обратного напряжения и может быть использован в качестве автономного датчика тока, подключенного напрямую к кабелю.

MLX91206 измеряет ток путем преобразования магнитного поля, создаваемого протекающими через проводник токами, в напряжение, которое пропорционально полю. MLX91206 не имеет верхнего предела измеряемого уровня тока, потому что выходной уровень зависит от размера проводника и расстояния от датчика.

Отличительные особенности:

• программируемый высокоскоростной датчик тока;
• концентратор магнитного поля, обеспечивающий высокое отношение сигнал/ шум;
• защита от перенапряжения и переполюсовки;
• бессвинцовые компоненты для бессвинцовой пайки, MSL3;
• быстрый аналоговый выход (разрешение ЦАП 12 бит);
• программируемый переключатель;
• выход термометра;
• ШИМ выход (разрешение АЦП 12 бит);
• 17-битный номер ID;
• диагностика неисправной дорожки;
• быстрое время отклика;
• огромная полоса пропускания DC – 90 кГц.

Метод определения тока с помощью датчика потока

Насыщаемый индуктор является основным компонентом метода обнаружения с помощью датчика потока (Fluxgate). Из-за этого датчик Fluxgate называется датчиком тока насыщаемой индуктивности. Сердечник индуктора, который используется для датчика потока, работает в области насыщения. Уровень насыщения этого индуктора высокочувствителен, и любая внутренняя или внешняя плотность потока изменяет уровень насыщения индуктора. Проницаемость сердечника прямо пропорциональна уровню насыщения, поэтому индуктивность также изменяется. Это изменение значения индуктивности анализируется датчиком потока для измерения тока. Если ток высокий, индуктивность становится меньше, если ток низкий, индуктивность становится высокой.

Читайте также:  Строительство закрытым способом подземных сооружений

Датчик Холла работает аналогично датчику потока, но между ними есть одно отличие. Разница в основном материале. Датчик потока использует насыщаемый индуктор, а датчик эффекта Холла использует воздушный сердечник.

На изображении выше показана базовая конструкция датчика потока. В нем есть две катушки первичной и вторичной обмотки вокруг насыщаемого сердечника индуктора. Изменения в потоке тока могут изменить проницаемость сердечника, что приведет к изменению индуктивности через другую катушку.

• Можно измерять ток в широком диапазоне частот
• Имеет большую точность
• Низкое смещение

• Высокое вторичное энергопотребление
• Увеличивается фактор риска повышения шума напряжения или тока в первичном проводнике
• Подходит только для постоянного или низкочастотного переменного тока

Датчики потока используются в инверторах солнечной энергии для измерения тока. Кроме этого, измерение переменного и постоянного тока с обратной связью может быть легко выполнено с помощью таких датчиков. Этот датчик тока также может быть использован для измерения тока утечки, обнаружения перегрузки по току и т. д.

Как выбрать токовые клещи

При выборе устройства в первую очередь необходимо руководствоваться задачами, которые вы перед ним ставите. Если вам нужно проводить замеры только переменного тока, то присмотритесь к моделям с электромагнитным датчиком, они менее дорогие и отлично выполняют свою функцию с высокой точностью.

Для домашнего использования лучше подойдут недорогие универсальные токоизмерители – тестеры с датчиком Холла, такие устройства способны полноценно заменить обычный мультиметр «цешку» в быту и обязательно должны быть у каждого электрика.

Для профессионального использования необходимо рассматривать приборы в более дорогом ценовом сегменте, поверенные и зарегистрированные в Госреестре СИ. Такие приборы способны выдавать максимально точный результат, как правило они оснащены вспомогательными элементами, такими как выносные клещи или двойной датчик Холла.

Приборы профессионального назначения измеряют в более широком диапазоне, способны мерить с наименьшей погрешностью. Зачастую такие устройства способны проводить расчеты без подключения к компьютеру, имеют множество других полезных функций, а также у таких устройств в комплекте предусмотрен чехол либо сумка. Из известных производителей можно выделить: Mastech, MULTI, Uni Trend, Fluke, APPA, АКИП, МЕГЕОН.

Метод измерения тока с помощью катушки Роговского

Катушка Роговского названа в честь немецкого физика Вальтера Роговского. Катушка Роговского выполнена с использованием спиральной катушки с воздушным сердечником и намотана на целевой проводник для измерения тока.

На изображении выше показана катушка Роговского с дополнительной схемой. Дополнительная схема является интегральной цепью. Катушка Роговского обеспечивает выходное напряжение в зависимости от скорости изменения тока в проводнике. Для создания выходного напряжения, пропорционального току, требуется дополнительная схема интегратора.

• Это хороший метод для обнаружения быстрого высокочастотного изменения тока
• Безопасная работа с точки зрения обращения с вторичной обмоткой
• Недорогое решение
• Гибкость в использовании благодаря конструкции с разомкнутым контуром
• Температурная компенсация не сложна

• Подходит только для переменного тока
• Имеет более низкую чувствительность, чем трансформатор тока

Катушка Роговского имеет широкий спектр применения. Например, измерение тока в больших силовых модулях, особенно на полевых МОП-транзисторах или мощных транзисторах IGBT. Катушка Роговского обеспечивает гибкость измерения. Поскольку отклик катушки Роговского очень быстр по переходным процессам или высокочастотным синусоидальным волнам, это хороший выбор для измерения высокочастотных переходных процессов в линиях электропередачи. В приложениях распределения мощности или в интеллектуальной электросети катушка Роговского обеспечивает превосходную гибкость для измерений тока.

Обзоры бесконтактных индикаторов напряжения

Бесконтактный индикатор напряжения – прибор, с использованием которого есть возможность определять контакты под напряжением, расположенные в изолированных проводах и кабелях, а также в проводке под штукатуркой.

Такой индикатор представляет собой небольшое по размерам устройство, которое удобно носить с собой, бывает полезным не только профессиональным электрикам, но и обычным потребителям – используя его, можно находить скрытые провода под напряжением не только под штукатуркой, но и под кафелем, плиткой и прочими отделочными материалами.

Для точного обнаружения проводки бесконтактным индикатором по ней должен проходить ток, если при этом стена будет влажной – электромагнитное поле, созданное прибором, будет отражаться от влаги, так что выданные им показания будут ошибочными.

• uni-t,
• UNI-T UT11,
• индикатор напряжения бесконтактный,
• мультиметры и тестеры,
• тестер напряжения

• 22 июля 2021, 17:05
• автор: geovas
• просмотры: 8270
• комментарии: 35

• uni-t,
• UNI-T UT13A,
• индикатор напряжения бесконтактный,
• мультиметры и тестеры

• 21 июня 2021, 23:26
• автор: Klod
• просмотры: 12010
• комментарии: 41

• Surveyor,
• Surveyor 1AC-D,
• измерительный инструмент,
• индикатор напряжения бесконтактный,
• тестер напряжения

• 03 июля 2015, 18:15
• автор: ksiman
• просмотры: 47428
• комментарии: 132

• Mastech,
• Mastech MS8211,
• детектор скрытой проводки,
• индикатор напряжения бесконтактный,
• мультиметры и тестеры

• 13 сентября 2014, 05:02
• автор: VitruM
• просмотры: 17982
• комментарии: 15

Существует целая прорва не сильно известных в широких кругах товаров, совершенно незаменимых в быту. Об одном и хочу написать. Это бесконтактный тестер напряжения Fluke VoltAlert.

• Fluke,
• Fluke 1AC-C2,
• индикатор напряжения бесконтактный,
• мультиметры и тестеры,
• тестер напряжения

• 07 сентября 2014, 19:07
• автор: dec99
• просмотры: 12591
• комментарии: 95

Тестер напряжения (в том числе и бесконтактным способом), т.н. индикаторная отвертка. Должен определять наличие напряжения постоянного/переменного тока 12-250 В с приблизительным указанием вольтажа, а также определять наличие тока в проводах без вмешательства в цепь, что позволяет, например, определить место, где проходит проводка или находится ли под напряжением конкретный провод.

В целом — вроде работает, но не без странностей.

Измерение тока с помощью трансформатора тока

Трансформатор тока или ТТ используется для измерения тока по вторичному напряжению, которое пропорционально току во вторичной катушке. Это промышленный трансформатор, который преобразует большое значение напряжения или тока в намного меньшее значение в своей вторичной катушке. Измерение производится через вторичный выход.

На изображении выше показана конструкция такого трансформатора. Это идеальный трансформатор тока с первичным и вторичным соотношением 1:N. N зависит от технических характеристик трансформатора.

• Большая пропускная способность, больше, чем у других рассмотренных методов
• Не требует дополнительных схем

• Требуется техническое обслуживание
• Из-за намагниченности возникает гистерезис
• Высокий первичный ток насыщает материалы ферритового сердечника

Основное применение метода измерения тока на основе ТТ – в энергосистеме из-за очень высокой способности измерения тока. Некоторые токовые клещи также используют трансформатор тока для измерения переменного тока.

Как работают датчики и токовые клещи для измерения постоянного и переменного тока

Для расширения функционала мультиметров, осциллографов и других электроизмерительных инструментов, применяются токовые датчики в форме клещей — токовые клещи. Для проведения измерений клещами, их смыкают в обхват проводника с током, и таким образом, без разрыва цепи и без необходимости врезания в проводник какого бы то ни было шунта, осуществляют замер.

Это просто и удобно. Результат измерения прибор отображает на своей шкале в виде напряжения или тока пропорциональной измеренному току величины. Достоинство метода заключается еще и в том, что прибор может и не иметь достаточно широкого входного диапазона, тогда как датчик — клещи вполне в состоянии свободно принять проводник даже с очень большим током.

Проводник с измеряемым током не только остается целым, но и всегда гальванически изолирован от цепей измерительного прибора. Сам же прибор может иметь входную цепь с очень высоким импедансом и даже быть заземлен. Здесь нет необходимости как-то регулировать или включать и выключать питание цепи, параметры которой измеряются клещами, а значит в работе питаемого оборудования не будет простоев.

Среднеквадратичное значение тока в диапазоне частотных характеристик датчика можно измерить при совместном использовании токового датчика с мультиметром, способным измерять среднеквадратичные значения. В данном случае диапазон будет ограничен возможностями (шкалой) мультиметра. Лучшие результаты достигаются с датчиками обладающими широкой частотной характеристикой, минимальным фазовым сдвигом и высокой точностью.

Для измерения параметров переменного тока используются датчики, работающие по принципу обычного измерительного токового трансформатора. Любой трансформатор имеет первичную и вторичную обмотки, установленные на общем магнитопроводе. Первичное напряжение подается на первичную обмотку, в сердечнике создается переменный магнитный поток, наводящий во вторичной обмотке соответствующую коэффициенту трансформации ЭДС. Токи первичной и вторичной обмоток соотносятся как количества витков во вторичной и первичной обмотках.

Так и работает токовый датчик для измерения переменного тока. Магнитопровод в форме клещей замыкается вокруг проводника. Проводник — это первичная обмотка, состоящая из одного единственного витка, значение тока в котором необходимо узнать.

Ток во вторичной обмотке будет пропорционален току в проводнике и отличаться от него в число раз, равное коэффициенту трансформации, то есть во столько раз, сколько витков во вторичной обмотке. Количество витков во вторичной обмотке датчика обычно 1000, 500 или 100.

Измерение тока с помощью шунтирующего резистора

Это наиболее используемый метод в современной электронике. Этот метод основана на законе Ома. Здесь последовательно подключенный в цепь резистор с малым сопротивлением используется для измерения тока. Когда ток протекает через резистор, он создает разницу напряжения на резисторе.

Давайте рассмотрим пример. Предположим, что ток 1А протекает через резистор на 1 Ом. Согласно закону Ома, напряжение эквивалентно току, умноженному на сопротивление. Следовательно, когда ток 1A протекает через резистор с сопротивлением 1 Ом, он создает напряжение 1В на резисторе. Мощность резистора является критическим фактором, который необходимо учитывать. Тем не менее, на рынке также есть резисторы очень малого значения, сопротивление которых находится в диапазоне миллиом. В таком случае разница напряжения на резисторе также очень мала. Но усилитель с высоким коэффициентом усиления необходим для увеличения амплитуды напряжения, и, наконец, ток измеряется с использованием обратного расчета.

Альтернативный подход для этого типа метода измерения тока заключается в использовании трассировки печатной платы в качестве шунтирующего резистора. Поскольку медные дорожки на печатной плате имеют очень небольшое сопротивление, можно использовать часть дорожки для измерения тока. Однако при таком альтернативном подходе несколько зависимостей также являются огромной проблемой для получения точного результата. Основным фактором является температурный дрейф. В зависимости от температуры, сопротивление трассировки изменяется, что приводит к ошибке. Нужно компенсировать эту ошибку в приложении.

• Очень экономичное решение
• Может работать с переменным и постоянным током
• Дополнительное оборудование не требуется

• Не подходит для работы с большим током из-за рассеивания тепла
• Измерение с помощью шунта обеспечивает ненужное снижение эффективности системы из-за потери энергии на резисторе
• Тепловой дрейф обеспечивает ошибку в высокотемпературном приложении

Читайте также:  Кровоточит геморрой способы лечения

Применение шунтирующего резистора в первую очередь – цифровой амперметр. Это точный и более дешевый метод, кроме датчика Холла. Шунтирующий резистор также может обеспечивать путь с низким сопротивлением.

Общие принципы действия УНН (указателей низкого напряжения)

Для срабатывания индикатора (вне зависимости от его типа), необходимо обеспечить протекание электротока по цепи прибора. При этом на первом месте стоит обеспечение безопасности оператора. Двухполюсная конструкция исключает прикосновение открытых участков тела к токоведущим частям. А вот однополюсный указатель напряжения, работает только при касании вспомогательного электрода пальцем. Соответственно, конструкция обязательно должна включать в себя систему ограничения тока до безопасного значения. После снижения порога тока, прибор превращается в указатель низкого напряжения, вне зависимости от реального потенциала на токоведущих частях.

Двухполюсные указатели представляют собой типичную электрическую цепь, где ток протекает от фазы к нулевому (или заземленному) проводнику электроустановки. Благодаря этому можно гарантировано определить наличие потенциала, и даже измерить напряжение на контрольном участке.

Однополюсные указатели для срабатывания индикатора используют индукционные токи, протекающие через тело оператора. Для срабатывания достаточно наличия фазы на проверяемом элементе электроустановки или проводнике. Точность невысокая, поэтому определить напряжение таким способом невозможно.

Как выбрать метод измерения тока

Выбор правильного метода для измерения тока не является сложной задачей. Для выбора правильного метода необходимо учитывать несколько вопросов, таких как:

• Какая требуется точность
• Предполагается измерение постоянного или переменного тока (или обоих)
• Сколько потребляется энергии
• Какой диапазон тока и полоса пропускания
• Стоимость

Помимо них, также необходимо учитывать приемлемую чувствительность и подавление помех. Поскольку все факторы не могут быть соблюдены одновременно, приходится идти на некоторые компромиссы в зависимости от приоритета требования приложения.

Типы приборов

Существует два типа устройств, основным различием которых являются измерительные датчики:

1. Cэлектромагнитным датчиком. Способны измерить только переменный ток. Клещи-трансформатор такого инструмента представляют из себя размыкающийся магнитопровод со вторичной катушкой, замыкающейся на измерительном датчике.
2. Cполупроводниковым датчиком Холла. Данный тип устройства способен измерять постоянный или переменный ток.

Токовые клещи с электромагнитным датчиком, замыкающийся магнитопровод

Токовые клещи с датчиком Холла, без замыкающегося магнитопровода

Датчики электрического тока

Глобальные тренды — спрос на снижение выбросов CO2, повышение интенсивности энергосбережения — приводят к необходимости сбалансированного потребления энергии, для чего большую помощь могут оказать электронные схемы управления процессами. Наиболее распространённые случаи — это оптимизация эксплуатационных характеристик аккумуляторов, контроль скорости вращения двигателей и переходных процессов в серверах, управление солнечными батареями. Для операторов таких систем важно, в частности, знать, какой ток протекает в цепи. Неоценимую помощь в этом могут оказать датчики тока.

Почему необходимы датчики тока

Датчиками называют блоки, задача которых измерить некоторый параметр, а потом, сравнив его с эталонным для данной технической системы значением, подать соответствующий сигнал на исполнительный элемент схемы. Поскольку большинство систем используют электродвигатели, то наиболее распространёнными типами являются датчики тока и напряжения (общий вид последнего представлен на следующем рисунке).

Широкое внедрение таких устройств обусловлено развитием сенсорных методов управления, когда исходный сигнал — электрический или оптический — преобразуется в необходимые параметры управления.

По сравнению в другими управляющими технологиями (например, контакторного контроля) датчики обеспечивают следующие преимущества:

1. Компактность.
2. Безопасность в применении.
3. Высокую точность.
4. Экологичность.

Малые размеры и вес часто позволяют изготавливать многофункциональные датчики, например, такие, которые могут контролировать несколько параметров цепи. Таковыми являются современные датчики тока и напряжения.

В состав таких детекторов входят:

• Контактные группы входа;
• Контактные группы выхода;
• Шунтирующий резистор;
• Усилитель сигнала;
• Несущая плата;
• Блок питания.

Идея того, что устройства можно подключать к уже имеющейся сети, не выдерживает проверку временем, ибо часто в экстремальных ситуациях (пожар, взрыв, землетрясение) именно системы встроенного электроснабжения первыми выходят из строя.

Детекторы подразделяют на активные и пассивные. Первые не только передают конечный сигнал на управляющий элемент, но и управляют его действием.

Классификация и схемы подключения

Датчики тока предназначаются для оценки параметров постоянного и/или переменного тока. Сравнение выполняется двумя методами. В первом случае используется закон Ома. При установке шунтирующего резистора в соответствии с нагрузкой системы на нём создаётся напряжение, пропорциональное нагрузке системы. Напряжение на шунте может быть измерено дифференциальными усилителями, например, токовыми шунтирующими, операционными или разностными. Такие устройства используются для нагрузок, которые не превышают 100 А.

Измерение переменного тока выполняется в соответствии с законами Ампера и Фарадея. При установке петли вокруг проводника с током там индуцируется напряжение. Этот метод измерения используется для нагрузок от 100 А до 1000 А.

Схема описанных измерений представлена на рисунке:

Измерение обычно производится при низком входном значении синфазного напряжения. При помощи чувствительного резистора датчик тока соединяется между нагрузкой и землей. Это необходимо, поскольку синфазное напряжение всегда учитывает наличие операционных усилителей. Нагрузка обеспечивает питание прибора, а выходное сопротивление заземляется. Недостатками данного способа считаются наличие помех, связанных с потенциалом нагрузки системы на землю, а также невозможность обнаружения коротких замыканий.

Для слежения работой мощных систем детектор присоединяют к усилителю между источником питания и нагрузкой. В результате непосредственно контролируются значения параметров, подаваемых источником питания. Это позволяет идентифицировать возможные короткие замыкания. Особенность подключения заключается в том, что диапазон синфазного напряжения на входе усилителя должен соответствовать напряжению питания нагрузки. Перед измерением выходного сигнала контролируемого устройства нагрузка заземляется.

Бесконтактный указатель напряжения

При наличии прямого доступа к открытым контактам электропроводки или электроустановки, производить измерение напряжения легко. А как определить потенциал (хотя бы его наличие) в скрытой проводке?

Для этого существуют бесконтактные индикаторы (не путать с токоизмерительными клещами).

Такие указатели работают не напрямую с электрическим током, а с электромагнитным полем, возникающим вокруг проводника. Фактически, это трансформатор без сердечника, или катушка индуктивности.

Простейшие указатели реагируют на переменное магнитное поле. При его обнаружении срабатывает схема, собранная на триггерах, и на индикатор (LED элемент) подается напряжение. Для усиления эффекта обнаружения, параллельно включается звуковой сигнал.

Разумеется, ни о каких измерениях напряжения не может быть и речи. Мало того, наличие электромагнитного поля зависит от многих факторов, в том числе наличие рядом с проводником заземляющей шины. Иными словами, качественно (по требованиям ПУЭ) проложенный электрический кабель, бесконтактным пробником обнаружен не будет.

Важно: Использовать такой указатель в качестве детектора скрытой проводки нельзя, расстояние обнаружения составляет 1-2 см по открытому воздуху.

• удобство применения: не надо искать открытые контакты;
• безопасность: нет контакта с токоведущими частями.

• в реальности прибор не гарантирует даже 50 % результата.

Исходя из принципа работы такого указателя, чем сильнее ток в кабеле — тем выше вероятность обнаружения потенциала. Соответственно, если электроприбор не включен, его питающий кабель не будет активно формировать вокруг себя электромагнитное поле. При этом потенциал на фазном проводе присутствует, и опасность поражения электротоком остается.

Важно: Если вы планируете использование такого указателя, все равно перед началом работ следует проверить отсутствие напряжения на открытых участках обычным контактным прибором.

Перед использованием любого измерительного прибора убедитесь в наличии сертификата соответствия безопасности.

Как функционирует датчик тока

Работа данного элемента включает следующие этапы:

1. Измерение нагрузки в контролируемой схеме.
2. Сравнение полученного значения с эталонным, которое программируется в процессе настройки.
3. Фиксация полученного результата (может быть выполнена в цифровом или аналогом виде).
4. Передача данных на панель управления.

Для выполнения указанных функций (в частности, реализации высокой точности измерений) к элементам детектора предъявляются следующие требования:

• Допустимое падение напряжения на шунтирующем резисторе должно быть не более 120…130 мВ;
• Температурная погрешность не может быть выше 0.05 %/°С и не изменяться во времени работы;
• В функциональном диапазоне значений характеристики сопротивления резисторов должны быть линейными;
• Способ пайки токочувствительных резисторов на плату не может увеличивать общее сопротивление схемы подключения.

Монтажные схемы устройств, которые предназначены для контроля цепей постоянного и переменного тока представлены соответственно на рисунках.

Практика применения

Чаще всего данные изделия используются как измерители в схемах токовых реле, которые управляют режимами работы различного электроприводного оборудования и предохраняют его от экстремальных ситуаций.

Токовые реле способны защитить любое механическое устройство от заклинивания или других условий перегрузки, которые приводят к ощутимому увеличению нагрузки на двигатель. Функционально они определяют уровни тока и выдают выходной сигнал при достижении указанного значения. Такие реле используются для:

• Сигнала сильноточных условий, например, забитая зёрнами доверху кофемолка;
• Некоторых слаботочных условий, например, работающий насос при низком уровне воды.

Чтобы удовлетворить требования разнообразного набора приложений, в настоящее время используется блочный принцип компоновки датчиков, включая применение USB-разъёмов, монтаж на DIN-рейку и кольцевые исполнения устройств. Это обеспечивает выполнение следующих функций:

• Надёжную работу на любых режимах эксплуатации;
• Возможность применения трансформаторов;
• Регулировка текущих параметров, которые могут быть фиксированными или регулируемыми;
• Аналоговый или цифровой выход, включая и вариант с коротким замыканием;
• Различные исполнения блоков питания.

В качестве примера рассмотрим схему датчика тока для управления работой водяного насоса, обеспечивающего подачу воды в дом.

Кавитация — это разрушительное состояние, вызванное присутствием пузырьков, которые образуются, когда центробежный насос или вертикальный турбинный насос работает с низким уровнем жидкости. Образующиеся пузырьки затем лопаются, что приводит к точечной коррозии и разрушению исполнительного узла насоса. Подобную ситуацию предотвращает токовое реле.

Когда насос работает в нормальном режиме, и жидкость полностью перекрывает его впускное отверстие, двигатель насоса потребляет номинальный рабочий ток. В случае снижения уровня воды потребляемый ток уменьшается. Если кнопка запуска нажата, одновременно включаются стартёр M и таймер TD. Реле CD настроено на максимальный ток, поэтому его контакт при первоначальном запуске двигателя не будет замкнут. При падении силы тока ниже установленного минимума реле включается, а, после истечения времени ожидания TD, включается в его нормально замкнутый контакт. Соответственно контакты CR размыкаются и обесточивают двигатель насоса.

Применение такого детектора исключает автоматический перезапуск насоса, поскольку оператору необходимо убедиться в том, что уровень жидкости перед впускным отверстием достаточен.

Датчик тока своими руками

Если приобрести стандартный датчик (наиболее известны конструкции от торговой марки Arduino) по каким-то соображениям невозможно, устройство можно изготовить и самостоятельно.

1. Операционный усилитель LM741, или любой другой, который мог бы действовать как компаратор напряжения.
2. Резистор 1 кОм.
3. Резистор 470 Ом.
4. Светодиод.

Общий вид устройства в сборе, сделанного своими руками, представлен на следующем рисунке. В данной схеме используется эффект Холла, когда разность управляющих потенциалов может изменяться при изменении месторасположения проводника в электромагнитном поле.

Источник