SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Датчики измерения тока и напряжения для систем автоматизации

Сегодня ОАО «НИИЭМ» предлагает потребителям более 250 модификаций датчиков, которые занимают достойное место на рынке приборов. Но как не растеряться и сделать правильный выбор? Что надежнее и проще в эксплуатации – российские разработки или зарубежные аналоги? Авторы статьи дают информацию о первичных датчиках и разъясняют особенности этих приборов для того, чтобы помочь разобраться в их преимуществах и недостатках.

ОАО «НИИЭМ», г. Истра

NIIEM.png 

Отделение первичных датчиков существует в ОАО НИИ Электромеханики (ОАО «НИИЭМ», г. Истра, Московской обл.) уже не первый десяток лет. И тем не менее можно утверждать, что именно сегодня направление разработки и производства отечественных датчиков переживает свое второе рож­дение. Это объясняется прежде всего тем, что нынешний уровень развития производства требует не только совершенствования технологических процессов, но и их автоматизации. Кроме того, современное предприятие сегодня немыслимо без автоматизированных систем учета, управления производством и т.д. А поскольку базируются все процессы автоматизации на показаниях первичных датчиков, то вполне понятен интерес и повышенные требования, которые предъявляются к конструкции и характеристикам датчиков различных физических величин.


Что измеряют датчики фирмы НИИЭМ

В целом датчики, разработанные и выпускаемые НИИЭМ, можно разбить на две группы – это датчики измерения тока и напряжения, и датчики активной мощности. Однако такая квалификация датчиков будет весьма условной если вспомнить, что сегодня ­НИИЭМ предлагает потребителям более 250 модификаций указанных датчиков. Основная цель настоящей статьи и заключается в том, чтобы дать разработчикам и эксплуатационникам информацию о первичных датчиках, разъяснить особенности этих приборов и помочь разобраться в их преимуществах и недостатках. Вооруженный этими знаниями потребитель сегодня решает сам: использовать отечественные приборы или сделать выбор в пользу зарубежных аналогов, которые в широком ассортименте присутствуют на рынке.

pic1.jpg

Рис. 1. Внешний вид датчиков производства ОАО «НИИЭМ»


Датчики измерения тока и напряжения

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


Универсальные датчики тока

Универсальность датчиков заключается в том, что одним и тем же прибором можно измерять постоянные, переменные и импульсные токи. Для этого в конструкцию датчика кроме концентратора магнитного поля входит так называемый датчик Холла – миниатюрный полупроводниковый прибор, определяющий величину и направление магнитного поля проходящего тока.

Таблица 1. Основные технические характеристики выпускаемых датчиков измерения постоянного и переменного токов (ДТХ, ДТР)

pic2.jpg


Конструктивно датчик тока представляет из себя миниатюрный автономный модуль, электронная начинка которого питается от постоянного напряжения ±15 В*. Потребитель должен только пропустить токовую шину через отверстие в корпусе датчика тока. Выходной сигнал такого датчика строго пропорционален измеряемому току.

Понятно, что в зависимости от величины измеряемого тока и внешних условий эксплуатации датчиков меняется диаметр отверстия и конструкция корпуса этих приборов. На рис. 1 представлены типовые образцы датчиков тока, серийно выпускаемых НИИЭМ. В табл. 1 приведена классификация универсальных датчиков серии ДТХ в зависимости от величины измеряемого тока.

pic3.jpg

Рис. 2. Датчики тока для монтажа на печатную плату (а) и в транспортном варианте (б)

Из табл. 1 видно, что диапазон измерения тока датчиков серии ДТХ составляет от десятков миллиампер и до трех тысяч ампер. Наиболее популярными и часто используемыми являются датчики ДТХ-50 ÷ ДТХ-200 (рис. 2, а). Такие модули имеют минимальные размеры, массу и монтируются, как правило, на печатной плате. Для этого служат выводные ножки датчика, которые впаиваются в металлизированные отверстия печатной платы и изготовлены со стандартным шагом 2,5 мм. Одновременно выводные ножки являются и элементами крепежа датчика. При необходимости использования датчиков ДТХ в более жестких условиях, связанных с внешними механическими воздействиями, предусмотрена более жесткая конструкция датчика (ДТХ-Т на рис. 2, б). Электрическое соединение датчика ДТХ-Т осуществляется с помощью разъема.

Таблица 2. Основные технические характеристики выпускаемых датчиков измерения переменного тока ДТТ

pic4.jpg


Выходной сигнал стандартного датчика ДТХ или ДТХ-Т – токовый и строго пропорционален мгновенному значению измеряемого тока. Однако по требованию заказчика электронная схема датчика легко трансформируется, и тогда датчик может измерять действующее значение тока (TRUE-RMS) либо обладает стандартным токовым выходом 4–20 мА (0–20 мА). Это создает дополнительные удобства при использовании датчиков в системах автоматизации или связи.

Из табл. 1 видны основные преимущества датчиков ДТХ и ДТХ-Т: высокая точность измерений (до 1%), гальваническая развязка, малые габаритно-массовые размеры и температурный дрейф характеристик. Диаметр отверстий под токовую шину колеблется от 10 мм (ДТХ-50) и до 40 мм (ДТХ-3000).

Таблица 3. Основные технические характеристики выпускаемых датчиков напряжения постоянного и переменного токов (ДНХ, ДНТ)

pic5.jpg




pic6.jpg

Рис. 3. Конструкция датчиков напряжения ДНХ (а)и ДНТ (б)


Датчики измерения переменного тока

Датчики переменного тока серии ДТТ можно рассматривать как частный случай универсальных датчиков ДТХ. Анализ рынка показывает, что примерно в 50% случаев потребителям необходимо измерять только переменные токи. Причем в большинстве случаев это токи синусоидальной формы промышленной частоты 

50 Гц. Именно для таких измерений разработана серия датчиков ДТТ, конструктивно выполненных в корпусах ДТХ, однако имеющих более дешевую электронную начинку (табл. 2). Цена таких датчиков приблизительно в 1,5 раза ниже, а уровень технических характеристик весьма высок. Датчики ДТТ могут работать в широком температурном диапазоне от –40° до 80°С с минимальной температурной погрешностью, линейность амплитудно-частотной характеристики не хуже 1% в диапазоне частот от 20 до 10 кГц. Кроме того, потребитель сам выбирает, с каким выходным сигналом датчика ему удобно работать: это может быть потенциальный сигнал или токовый выход 4–20 мА (0–20 мА).

pic7.jpg

Рис. 4. Внешний вид разъемных датчиков тока под плоскую (а) и круглую (б) токовые шины


Датчики измерения напряжения

Если измеряемое напряжение цепи превратить в ток (для этого достаточно использовать токозадающее сопротивление), то величина этого тока будет пропорциональна напряжению в измерительной цепи. Именно этот принцип лежит в основе работы датчиков напряжения, а наличие в их конструкции датчика Холла обеспечивает гальваническую развязку силовых цепей и цепей контроля.

В табл. 3 приведены основные технические характеристики датчиков измерения напряжения постоянного тока (ДНХ) и датчиков напряжения переменного тока (ДНТ). Конструкция датчиков напряжения представлена на рис. 3. Датчик напряжения может монтироваться на печатную плату, а токозадающее сопротивление подключается одним концом к измерительной цепи, а вторым – к винтовому выводу датчика (рис. 3, а). Второй винтовой вывод датчика соединяется с измерительной цепью. В ряде случаев более удобным является размещение датчика на DIN-рейке. Для этих целей существует специальная переходная планка. В ряде случаев более удобным является клеммное устройство датчика напряжения (рис. 3б). Такой датчик напряжения имеет возможность непосредственного монтажа на DIN-рейке.

pic8.jpg

Рис. 5. Внешний вид токовых клещей-адаптеров (а), базовой модели
клещей (б) и клещей для измерения больших токов (в)

Датчики напряжения позволяют контролировать постоянное и переменное напряжение до 1000 В в широком температурном диапазоне. Электронная схема датчика преду­сматривает получение выходного сигнала в виде напряжения или в виде токового сигнала 4–20 мА (0–20 мА). Так, например, датчик ДНХ-03 (табл. 3) предназначен для преоб­разования входного постоянного, импульсного напряжения положительной полярности в стандартное (мгновенное) значение токового выхода 4–20 мА. А модификация этого же датчика ДНХ-03 RMS преобразует входное напряжение в действующее выпрямленное значение стандартного токового выхода 4–20 мА. Питание датчика ДНХ-03 осуществляется по токовой петле 4–20 мА, а монтаж – на DIN-рейку.

Линейка датчиков напряжения предусматривает также модификации более дешевых датчиков для контроля только переменного напряжения (ДНТ-05 – в табл. 3). В этом случае датчик ДНТ-051 можно использовать для работы в однофазных цепях, а датчик ДНТ-053 – предназначен для работы в 3-фазных цепях и содержит в одном корпусе три независимых, гальванически изолированных канала, каждый из которых идентичен датчику ДНТ-051. Датчик напряжения ДНТ-05 преобразует входное напряжение в средневыпрямленное значение выходного тока, проградуированное в среднеквадратических значениях.


Разъемные датчики тока

Большое количество модификаций датчиков обеспечивает свободу выбора пользователям этих приборов. Однако существует целая отрасль измерений, которая принципиально не может использовать вышеописанные стационарные датчики. Это касается вопросов мониторинга токовых цепей, которые давно собраны и функционируют. Кроме того, целый ряд производств с непрерывным циклом работы не допускает длительного отключения токовых цепей и переустановки оборудования. Для таких случаев незаменимыми оказываются разъемные датчики тока серии ДТР-01 и ДТХ-Ж (табл. 1).

Основой таких датчиков является разъемный магнитопровод, позволяющий монтировать датчики непосредственно на токовой шине, без разрыва последней и с гальванической изоляцией измеряемого тока от измерительных цепей. При необходимости датчики можно закрепить и на DIN-рейке.

При протекании измеряемого тока по шине, охватываемой магнитопроводом, в обмотке датчика наводится ток, пропорциональный измеряемому току. Выходной сигнал с обмотки подается либо на выпрямитель (детектор) амплитудных значений (маркировка датчика ДТР-01), либо на детектор истинных среднеквадратичных значений (ДТР-01 RMS). Напряжение постоянного тока с выхода детектора преобразуется в сигнал интерфейса «токовая петля 4–20 мА».

Разъемные датчики тока относятся к числу последних разработок НИИЭМ и на сегодняшний день освоено производство только двух модификаций датчиков, внешний вид которых представлен на рис. 4. Датчик ДТР-01 рассчитан для монтажа на круглой шине и предназначен для измерения токов в диапазоне от 5 до 300 А с допустимой перегрузкой по входному току в 1,5 раза. Разъемная конструкция датчика ДТХ-1000Ж, ДТХ-1500Ж или ДТХ-3000Ж позволяет закрепить его на плоской шине. Соответственно номинальный измеряемый ток у этих датчиков 1000, 1500 или 3000 А.


Клещи электроизмерительные

Описанная выше конструкция разъемных датчиков позволяет закрепить их непосредственно на шине без разрыва токовой цепи. Дальше такие датчики функционируют как обычные стационарные приборы. В то же время существует целый ряд задач, которые требуют частых разовых измерений, причем в различных, иногда труднодоступных участках токовых цепей. И часто качество технологического процесса зависит от точности и своевременности этих токовых измерений. Вот для решения таких задач и разрабатывались клещи электроизмерительные серии КЭИ, основные технические характеристики которых приведены в табл. 4.

Токовые клещи являются автономным контрольным прибором (питание от 2 пальчиковых батареек), предназначенным для измерения действующего значения постоянного и переменного токов без разрыва силовой цепи. Клещи КЭИ введены в Государственный реестр СИ РФ, сертифицированы и выпускаются в различных модификациях (табл. 4). 


Базовая модель клещей

КЭИ-0,6М – это интеллектуальный прибор, в конструкции которого используется микроконтроллер с электрически программируемым ПЗУ (EEPROM). Благодаря этому клещи кроме ряда стандартных функций (измерение постоянного и переменного токов), содержат еще и ряд функций мультиметра. Они могут использоваться для измерения напряжения постоянного и переменного токов до 600 В, для измерения сопротивления цепи до 2000 Ом и измерения температуры окружающей среды. Выбор пределов измерений, обнуление шкалы в клещах производятся автоматически. Кроме того, клещи КЭИ содержат ряд сервисных функций: функцию удержания («память») измеренного значения, способны работать в режиме поиска min или max значения тока за измеряемый промежуток времени. Функция энергосбережения («сон») позволяет свести к минимуму энергозатраты, когда клещи находятся в пассивном режиме (не работают). Малые габаритно-массовые размеры и различный диаметр отверстия под токовую шину создают дополнительные удобства для потребителей. Отечественные клещи марки КЭИ выгодно отличает возможность работы с ними при отрицательных температурах окружающей среды до –20°С.

pic9.jpg

Рис. 6. Датчик больших токов ДБТ, смонтированный на
шинопроводе электролизера алюминия


Из широкого перечня предлагаемых сегодня клещей необходимо выделить модификацию этих приборов для измерения больших токов до 3 кА (КЭИ-3) и до 5 кА (КЭИ-5, рис. 5, в). Диаметр отверстия клещей под токовую шину с измеряемым током до 5000 А составляет 160 мм. Для сравнения эти клещи представлены на одном рисунке рядом со своим собратом – это клещи-адаптер (рис. 5, а), предназначенные для измерения постоянных и переменных токов без индикации измеренных значений на дисплее. Кроме отсутствия ЖКИ, клещи-адаптер отличаются упрощенной электрической схемой и, следовательно, меньшей ценой. В то же время сохраняется возможность выбора таких клещей с размахом губок под токовую шину от 20 и до 64 мм для измерения токов от 20 и до 1500 А.


Датчики измерения мощности

Логическим продолжением описанных выше приборов является датчик измерения мощности ДИМ, реализующий формулу измерения мощности P=I∙U. Датчик ДИМ предназначен для преобразования активной мощности, потребляемой нагрузкой в цепях переменного тока частоты 50 Гц и постоянного тока в пропорциональный сигнал токового интерфейса 0–20 мА или 4–20 мА, гальванически изолированного от измерительных цепей.

Диапазон мощностей, измеряемых датчиками ДИМ, составляет от 5 до 200 кВт. При этом диапазон входных напряжений колеблется от 20 до 380 В, а диапазон входных токов составляет от 20 до 600 А. Коэффициент мощности (Cos Ψ) датчика ДИМ на частоте 50 Гц составляет 0,3÷1, основная приведенная погрешность ± 2%.

Учитывая, что датчик мощности ДИМ может быть изготовлен в одном из описанных ранее корпусов, можно варьировать диаметр отверстия под токовую шину или изготовить датчик мощности под плоскую токовую шину.

Питается датчик ДИМ от внешнего источника питания 13,5÷16,5 В, датчик выдерживает длительную перегрузку по входу до 120% от номинальных значений напряжения и тока.


Датчик больших токов ДБТ

Отдельного описания заслуживает датчик ДБТ, на рис. 6 представленный уже в сборе на токовой шине ванны электролиза алюминия.

Конструктивно датчик больших токов ДБТ состоит из двух блоков: измерительного контура и блока питания. Разъемный измерительный контур массой до 40 кг предназначен для монтажа непосредственно на токоведущей шине. Размеры внутреннего окна контура могут составлять 400х400 мм. Удобство монтажа датчика без разрыва токовой шины – это только одно из преимуществ датчика ДБТ по сравнению с традиционно используемыми шунтами. Электрическая связь между измерительным контуром и блоком питания и индикации осуществляется с помощью кабеля длиной до 5 метров. Блок питания и индикации смонтирован в удобном переносном корпусе и питается от однофазной промышленной сети переменного тока 220 В (50 Гц) ±10%. Блок обеспечивает измерительный контур необходимым питанием и формирует выходной сигнал стандартной токовой петли 0–5 мА. Основная приведенная погрешность датчика составляет 0,4%. Датчик ДБТ полностью сохраняет работоспособность при 1,5-кратной перегрузке измеряемого тока.

Датчик больших токов ДБТ реализует тот же принцип работы датчиков измерения тока, который описан выше. Однако области использования датчика ДБТ весьма специфичны: это энергоемкие производства медеплавильной промышленности, предприятия неф­тяной промышленности и электрометаллургии с высоким уровнем паразитных магнитных полей, неф­техимия и электроэнергетика. Это накладывает целый ряд дополнительных требований и ограничений на схемотехнику датчика, его конструктивные особенности. Учитывая тяжелые температурные условия работы прибора и высокий уровень электромагнитных помех, в датчике предусмотрена специальная система теплоотвода, повышены изолирующие свойства измерительного контура и предусмотрены меры электромагнитной защиты.

В настоящее время датчик больших токов выпускается в трех модификациях: на 8 кА (ДБТ-8), 15 кА (ДБТ-15) и на 25 кА (ДБТ-25). При измерении таких токов особенно остро встает проблема метрологии измерительного датчика. Для решения этой задачи и с целью максимального удобства использования такого прибора в конструкции датчика ДБТ предусмотрена специальная поверочная обмотка. С помощью этой обмотки можно производить настройку и периодическую поверку датчика ДБТ непосредственно на предприятии заказчика.

Не менее существенным преимуществом датчика больших токов является его цена: она приблизительно в 3–4 раза ниже существующих зарубежных аналогов.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 5(35)_2011


Г.Я. Портной, к.т.н., зам. гл. конструктора,
ОАО «НИИЭМ», г. Истра, 
тел.: (495)-994-5188,