Частина 1. Мат. частина. У ній розглядається датчик, не прив'язаний до якогось конкретного вимірюваному параметру. Розглядаються статичні і динамічні характеристики датчика.
Частина 2. Датчики клімат-контролю. У ній розглядаються особливості роботи з датчиками температури, вологості, тиску і газового складу
Частина 3. Датчики електричних величин. У цій частині я розгляну датчики струму і напруги
УВАГА: Не вставляйте спиці в розетку Не лізьте в мережу 220В без необхідних на те навичок!
датчики напруги
дільник напруги
- широкий діапазон напруг і частот, який визначається номіналами резисторів;
- висока точність, знову таки обумовлена точністю і термостабильностью резисторів;
- вимірює постійне і змінне напруга.
- відсутня гальванічна розв'язка - при взаємодії з промислової мережею необхідно передбачити захист користувача від електричних ланцюгів, або використовувати гальванічну розв'язку;
- низький ККД - весь струм дільника йде в тепло;
Трансформатор напруги
Малюнок 7: Трансформатор напруги
Для випадків, коли потрібно виміряти дуже високі напруги, 6 / 10кВ і вище, використовується трансформатор напруги Фактично, він являє собою звичайний трансформатор, основним режимом роботи якого є режим холостого ходу.
Клас точності такого трансформатора залежить від робочої ділянки характеристики намагнічування. Адже нам треба пропустити через нього не просто сигнал з певною амплітудою, але і не зіпсувати її форму. Тут якраз проблема - трансформатор практично не пропускає гармоніки зважаючи на великі индуктивностей. Так що для вимірювання гармонійних спотворень більшість трансформаторів напруги не підійде.
Звичайний клас точності трансформатора - 0,5, 1, 3
переваги:
- величезний діапазон робочих напруг - до сотень кіловольт і вище;
- така необхідна гальванічна розв'язка.
- працює на певній смузі частот;
- працює тільки зі змінним напругою;
Останній недолік злегка надуманий, тому що якщо треба, можна скористатися вимірювальним трансформатором постійного струму. Так, трансформатори постійного струму «існують», але правильна назва пристрою - магнітний підсилювач. Точність і лінійність таких приладів залишає бажати кращого - робота відбувається на ділянці насичення сердечника підмагнічуванням.
Виглядає це ось так:
Малюнок 8: Вимірювання постійного струму за допомогою магнітного підсилювача
Почитати про це чудо техніки можна тут: analogiu.ru/6/6-2-2.html
Якщо тема буде цікава, то запив огляд цих старовинних регуляторів.
Електронний ізольований датчик
Недоліків і тієї й іншої схеми позбавлений електронний ізольований датчик. Фактично, він являє собою закінчений пристрій. Всередині якого є і дільник напруги, і операційні підсилювачі, і блок гальванічної розв'язки і схема ізольованого харчування всього цього неподобства.
Малюнок 9: Структурна схема електронного ізольованого датчика
Мені траплялися на очі тільки промислові датчики з виходом по напрузі 0-10 або по струму 0-10мА. На відміну від попередніх датчиків видає однополярний сигнал. В принципі, таку схему можна розробити і самостійно.
переваги:
гальванічна розв'язка;
висока точність;
широкий діапазон напруг і частот;
вимірює постійне і змінне напруга.
недоліки:
дорого;
складна схемотехніка.
додаткові посилання
датчики струму
вимірювальний шунт
Найпростіший і найбільш точний спосіб вимірювання струму. Як відомо, при протіканні струму через активний опір, на ньому відбувається падіння напруги, пропорційне вимірюваному току. Відмінно, беремо резистор і поміщаємо його в розрив вимірюваної ланцюга:
Малюнок 10: Датчик струму струмовий шунт
Падіння напруги на шунт пропорційно який пропускають току:
(10)
Відповідно в залежності від необхідного напруги на виході датчика підбираємо потрібне опір шунта. Але! Падіння напруги на шунт призведе до втрат потужності, які виділяються в тепло, відповідно при великих токах ми змушені задовольнятися малими значеннями напруги з датчика, щоб обмежити втрати. Ось ці випускаються промисловістю шунти типу ШСМ забезпечують стандартне вихідна напруга в 75мВ:
Малюнок 11: Токовий шунт типу ШСМ
На напругу в 75мВ калібрувати більшість вимірювальних головок для шунтів. Зверніть увагу на другу пару гвинтів - вони призначені спеціально для підключення до вимірювального приладу для зниження втрат.
Для вимірювання струму за допомогою таких шунтів потрібно використовувати операційні підсилювачі. При цьому, середній коефіцієнт посилення становить 20-40, що під силу широко-поширеним операційним підсилювачів. В принципі, в некритичних ланцюгах постійного струму можна скористатися і підсилювальним каскадом на базі одного транзистора. Лінійність такої схеми буде кульгати, але для порогових ланцюгів захисту - це простий і надійний варіант.
Отримаємо наступну схему:
Малюнок 12: Використання ОУ як підсилювач
Слід враховувати, що при вимірюванні змінного струму, вихідний сигнал буде біполярний і операційний підсилювач потрібно живити від двополярного джерела живлення.
Глянемо на всякий випадок, як працює наша схема:
Малюнок 13: Моделювання підсилювача датчика струму
На вхід подаємо 75мВ, множимо на 20, на виході маємо сигнал з амплітудою 1,5 В для струму в 10А. У наступному матеріалі ми розберемося, чим може бути незручний біполярний сигнал.
переваги:
- висока точність;
- широкий діапазон напруг і частот;
- вимірює постійний і змінний струм.
- відсутня гальванічна розв'язка;
- низький ККД.
Вимірювальний трансформатор струму
Вимірювальний трансформатор струму являє собою трансформатор, первинна обмотка якого підключається до джерела струму, а вторинна замикається на вимірювальні прилади або пристрої захисної автоматики.
Трансформатори струму використовуються для вимірювання струмів в потужнострумових ланцюгах, часто я високим потенціалом. Наприклад, нам захотілося виміряти струм в мережі 10кВ. Або, ми хочемо отримати простий і відносно дешевий спосіб гальванічної розв'язки вимірюваної ланцюга струму нашого пристрою на 220В. Основна проблема трансформаторів струму полягає в тому, що вони вміють вимірювати тільки змінну напругу.
Трансформатор струму завжди навантажується. Якщо вторинна обмотка трансформатора струму виявиться розімкнутої, то на ній виникне потенціал в пару тисяч кіловольт, який покалічить персонал і виведе з ладу прилад, пробивши його ізоляцію.
Трансформатори бувають з вбудованою первинної обмоткою. Наприклад такі:
Малюнок 14: Трансформатор струму серії CS2106L від Coilcraft
Або ось такі слоники, мають подібність первинної обмотки у вигляді величезної шини, або зовсім вікно для пропускання через нього дроти
Малюнок 15: Промисловий трансформатор струму на багато ампер
Основний недолік трансформатора струму - це робота тільки на певній частоті. Крок вліво-крок вправо - розстріл. Виною всьому металевий сердечник.
А ось якщо ми його видалимо, то отримаємо повітряний трансформатор, або, т. Н. Котушку Роговского:
Малюнок 16: Схема підключення котушки Роговского
На відміну від інших датчиків, які потребують взаємодії з вимірюваної ланцюгом, котушку Роговского можна встановити поверх проводів вимірюваної ланцюга як поясок.
Деякі вимірювальні прилади комплектуються такими датчиками:
Малюнок 17: Датчик котушка Роговского
Діапазон вимірюваних струмів - від десятків до тисяч ампер, але вони страждають від невисокої точності.
переваги:
- гальванічна розв'язка;
- робота з великими струмами в тисячі Ампер;
- вимірює тільки змінний струм в певному діапазоні частот (крім котушки Роговского);
- змінює фазу сигналу і вимагає компенсації
Датчики струму на ефекті Холла
Датчики цього типу використовують ефект виникнення різниці потенціалів при приміщенні провідника зі струмом в магнітне поле.
Малюнок 18: Ефект Холла
При створенні датчика ми беремо муздрамтеатр, пропускаємо через нього провід вимірюваної ланцюга і в розріз муздрамтеатру поміщаємо датчик Холла, отримуючи датчик струму відкритого типу:
Малюнок 19: Датчик струму на ефекті Холла відкритого типу
Перевагою такого датчика є простота. Недоліком - наявність подмагничивания сердечника, отже, підвищення нелінійності показань.
Додамо на сердечник обмотку і пустимо по ній струм, пропорційний вимірюваній току:
Малюнок 20: Датчик струму на ефекті Холла компенсаційного типу
З нульовим підмагнічуванням сердечника ми підвищуємо лінійність датчика і його клас точності. Однак за своєю конструкцією такий датчик наближається до трансформаторів струму, відповідно його вартість підвищується в рази.
Як і трансформатори, бувають різновиди датчиків, що дозволяють пропустити через себе силовий провід:
Малюнок 22: Датчик струму на ефекті Холла
Існують датчики з розділяються сердечником - однак їх вартість просто зашкалює.
Датчики з інтегрованою силовим ланцюгом на базі ефекту Холла з гальванічною розв'язкою 2,1кВ і 3кВ випускаються компанією Allegro. З огляду на свої малі розміри вони не забезпечують високої точності, але зате компактні і прості у використанні.
Малюнок 23: датчик струму Allegro ACS754
- Датчик ACS712 - вимір постійного і змінного струму до 30А з точністю ± 1,5%
- Датчик ACS713 - оптимізований для вимірювання постійного струму до 30А. Має вдвічі більшу чутливість ніж його універсальний побратим.
- Датчик ACS754 - вимір постійного і змінного струму до 200А з точністю ± 1,5%
- Датчик ACS755 - оптимізований для вимірювання постійного струму.
- Датчик ACS756 - датчик для вимірювання постійного і змінного струму до 100А з напругою живлення 3-5в.
Малюнок 24: Залежність вихідної напруги датчика від струму
переваги:
- широкий діапазон вимірюваних струмів з частотою до 50-100кГц і вище;
- вимірює постійний і змінний струм.
- гальванічна розв'язка