В статье приведены основные требования к современным датчикам измерения тока, с успехом заменяющим традиционно используемые шунты и трансформаторы тока. Представлена конструкция и основные технические характеристики датчиков измерения постоянного и переменного тока. Рассмотрены достоинства и недостатки датчиков напряжения на основе эффекта Холла и чисто электронных приборов.
АО «НИИЭМ», г. Истра, МО
Анализ мировых тенденций в использовании датчиков измерения тока свидетельствует о том, что такие приборы сегодня весьма востребованы в самых разных областях промышленности. Происходит массовая замена традиционно применяемых токовых шунтов, трансформаторов тока, магнитных усилителей на современные миниатюрные датчики тока. Большинство этих датчиков используют принцип измерения тока с помощью эффекта Холла, что обеспечивает их основные преимущества: гальваническую развязку первичной (силовой) и вторичной (измерительной) цепей, высокую чувствительность, широкий диапазон рабочих температур и др. Низкая цена, малые габариты и в то же время высокая надежность работы способствуют тому, что их начинают применять в электроприводах многих устройств, в том числе в устройствах подвижного транспорта. В качестве первичных преобразователей такие датчики являются основой систем автоматизации и управления производством, автоматизированных систем управления технологическими процессами и т. д. [1]. Приятно отметить, что датчики измерения тока отечественного производства также представлены на рынке и сегодня уже хорошо известны российским потребителям [2, 3].
Со своей стороны, производство, широко используя эти датчики, выдвигает новые требования к техническим характеристикам приборов и качеству их изготовления. В ряде случаев для достижения низкого температурного дрейфа, малого времени отклика, обеспечения широкой полосы пропускания и низкого уровня шума сопутствующих компонентов меняется технология изготовления датчиков тока. Например, вместо эффекта Холла используется феррозондовый (fluxdate) детектор, у которого выше температурная стабильность. Вместе со встроенным задающим генератором такие датчики обеспечивают высокий уровень помехозащищенности, малый фазовый сдвиг, низкий уровень шумов [4].
Распространенные сегодня системы мониторинга токовых цепей также базируются на применении датчиков измерения тока. Это, в свою очередь, стимулировало разработку разъемных датчиков тока, которые позволяют проводить мониторинг тока без разрыва цепи и остановки производства. В отличие от ранее используемых резистивных шунтов разъемные датчики не приводят к потере мощности, исчезают проблемы с точки зрения установки и безопасности. Сегодня отечественному потребителю предлагаются разъемные датчики тока серии ДТР (под круглую токовую шину) и серии ДТХ-Ж (под плоскую шину) [5]. Отдельной опцией является изготовление разъемного датчика больших токов (до 25 000 ампер) серии ДБТ [6]. Десятилетний срок безаварийной эксплуатации датчиков ДБТ на Иркутском алюминиевом заводе (г. Шелехов) подтвердил удобство и надежность работы этих приборов в непростых условиях электролитического производства.
Следующее требование разработчиков – это возможность измерения не только всех видов тока, но и напряжения постоянного и переменного тока с обеспечением гальванической развязки. Эта задача тем более актуальна, если учесть, какие жесткие требования предъявляются, например, в железнодорожной отрасли и других отраслях промышленности к учету потребляемой электрической энергии. Кроме того, датчики напряжения должны не просто обладать высокими эксплуатационными характеристиками и надежностью, но и обеспечивать максимально высокий уровень электрической безопасности и гальванической развязки.
Работа датчиков напряжения, выпускаемых АО «НИИЭМ», также основана на использовании эффекта Холла. К измеряемому источнику напряжения подключается тарированный токозадающий резистор. Ток, протекающий через этот резистор, создает магнитное поле, регистрируемое датчиком Холла.
Датчики выпускаются в различных конструктивных исполнениях и могут как устанавливаться на печатную плату, так и крепиться на DIN-рейку. Внешний токозадающий резистор включается между источником измеряемого напряжения и выводом датчика. Производятся модификации датчиков, измеряющие мгновенные значения напряжения (ДНХ‑03) и среднеквадратичные значения напряжения (ДНХ‑03 RMS).
В производственной линейке компании присутствуют также недорогие датчики, предназначенные для работы в цепях только переменного тока. Например, датчик ДНТ‑051 предназначен для преобразования напряжения переменного тока в стандартный токовый сигнал 4–20 мА со средневыпрямленным значением. И конечно, такой прибор обеспечивает гальваническую развязку входной цепи и цепи контроля.
Датчик напряжения ДНТ‑051 предназначен для работы в однофазных цепях. Для работы в трехфазных цепях разработан прибор ДНТ‑053 (рис. 1). Такой датчик содержит три независимых гальванически изолированных канала, каждый из которых идентичен схеме датчика ДНТ‑051.
Рис. 1. Общий вид трехфазного датчика напряжения ДНТ‑053 в корпусе KZ‑102
Указанные датчики предназначены для контроля напряжения переменного тока до 500 В, основные технические параметры их приведены в табл. 1. Отличительной особенностью датчиков ДНТ является питание по «токовой петле» 4–20 мА, что создает удобство для последующей обработки сигнала. Конструктивно датчики напряжения выполнены в корпусе KZ‑102, электрическое соединение производится с помощью клеммных соединителей. Конструкция корпуса позволяет также крепить датчики на DIN-рейку.
Таблица 1. Основные технические характеристики датчиков напряжения
ДНТ‑051 и ДНТ‑053
Конечно, современный рынок требует наличия датчиков с более широким диапазоном измерения напряжений как постоянного, так и переменного тока. Ответом на эти вызовы стала разработка специалистами АО «НИИЭМ» датчиков напряжения серии ДНХ‑3000. Датчики этой серии позволяют расширить диапазон измеряемых напряжений и закрыть проблему измерения напряжений до 3000–4000 В.
В конструкции датчика напряжения ДНХ‑3000-Л (рис. 2) применен прецизионный датчик Холла, что в сочетании с используемой схемой компенсационного типа позволило получить неплохие технические характеристики (табл. 2). Высокая точность измерений достигается благодаря целому ряду новых конструктивных решений, которые дополняют традиционное для таких датчиков исполнение.
Рис. 2. Общий вид датчика напряжения ДНХ‑3000-Л
Таблица 2. Основные технические характеристики датчиков напряжения
ДНХ‑3000-Л и ДНХ‑3000-С
У датчика ДНХ‑3000-Л снижен ток потребления от измеряемой цепи до 1,5 мА. Величина испытательного напряжения гальванической изоляции возросла до 12 кВ (50 Гц, 1 мин). Опытная партия таких датчиков успешно выдержала натурные испытания на подвижном составе.
В табл. 2 представлены технические характеристики опытных образцов модифицированного датчика ДНХ‑3000-С. Этот прибор предназначен для измерения только постоянных напряжений с высокой точностью. ДНХ‑3000-С можно назвать электронным вариантом датчиков напряжения. В конструкции прибора отсутствует датчик Холла, а измерение напряжения производится с помощью аналого-цифрового преобразователя с последующей передачей результата измерения через схему гальванической развязки и преобразования в аналоговый выходной сигнал с помощью цифроаналогового преобразователя. Ток потребления в данной модели датчика снижен до 0,14 мА, а величина испытательного напряжения гальванической развязки составляет 12 кВ.
Современные требования промышленности к датчикам как к компонентам, используемым в цепях измерения и контроля сложных систем, вынуждают и дальше совершенствовать конструкцию и улучшать характеристики приборов: необходимо обеспечить высокую помехоустойчивость, низкий температурный дрейф в широком диапазоне температур, повышать точность измерений. Электронный датчик напряжения DVL, описанный в работе М. Жилярди [7], способен обеспечить суммарную погрешность измерения напряжения ±0,5 %. При этом его объем меньше, а масса приблизительно на 30 % ниже, чем у предыдущих моделей с датчиками Холла.
Литература
1. Данилов А. Современные промышленные датчики тока // Современная электроника. 2004. № 10.
2. Болотин О., Портной Г., Разумовский К. Первичные датчики для предприятий энергетики // Энергобезопасность и энергосбережение. 2012. № 5.
3. Портной Г., Болотин О., Разумовский К. Новые компоненты на рынке бесконтактных датчиков тока // Компоненты и технологии. 2012. № 9.
4. Гиларди М. Новые горизонты технологии датчиков тока на эффекте Холла // Силовая электроника. 2013. № 3.
5. Портной Г. Разъемные датчики тока – актуальный сегмент на рынке датчиков // Компоненты и технологии. 2014. № 1.
6. Датчики больших токов от АО «НИИЭМ» вместо устаревших токовых шунтов // Электронные компоненты. 2015. № 10.
7. Жилярди М. Новое поколение датчиков напряжения // Силовая электроника. 2014. № 2.
Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 1(61)_2016
О. А. Болотин, научный сотрудник,
Г. Я. Портной, к.т.н., зам. гл. конструктора,
К. П. Разумовский, ведущий инженер,
С. А. Старков, инженер-технолог,
АО «НИИЭМ», г. Истра, МО,
тел.: +7 (495) 994-5188,
e-mail: sensor@niiem46.ru,
_big.jpg'); "4(106)_small.jpg")