Датчики тока и напряжения реферат

Обновлено: 02.07.2024

Рассмотрен класс магнитооптических и электрооптических датчиков тока и напряжения, обеспечивающих естественную гальваническую развязку высоковольтной и измерительной части при снижении массо-габаритных показателей, повышении безопасности их эксплуатации и снижении затрат при монтаже. Рассмотрены перспективы использования этих датчиков в металлургической и химической промышленности, а также в судостроении.

Неослабевающий интерес к волоконнооптическим датчикам тока, работа которых основана на эффекте Фарадея,
и датчиков напряжения, основанных на использовании эффекта Поккельса [1], связан
с высокими потенциальными возможностями
этих устройств. К ним относятся:

  • Широкий динамический диапазон измерений (токов до сотен кА, напряжения
    до сотен кВ).
  • Высокая линейность.
  • Широкий частотный диапазон, позволяющий анализировать гармоники напряжения и тока непосредственно в высоковольтной цепи.
  • Отсутствие влияния нагрузки вторичных
    цепей и потерь в них.
  • Высокая устойчивость оптоволоконных
    информационных каналов к внешним
    электромагнитным помехам.
  • Меньшие массо-габаритные показатели.
  • Первичный оптический преобразователь
    может быть удален от блока электроники
    на 450–900 м и более.

Применение таких трансформаторов особенно эффективно в высоковольтных и средневольтовых электрических сетях, что объясняется тем, что наиболее сложные вопросы
обеспечения изоляции, особенно для высоковольтных приложений, решаются автоматически за счет физической природы преобразования, так как элементы оптики оптического
волокна изначально являются диэлектриками.
Соответственно, легко обеспечивается гальваническая развязка измерительной и высоковольтной цепи, повышается безопасность при
эксплуатации данных приборов.

Работа оптического датчика тока

Работа оптического датчика тока основана
на эффекте Фарадея, заключающемся в изменении поляризации светового потока под
воздействием магнитного поля. Конкретная
реализация датчиков, использующих этот
эффект, может отличаться и патентуется
фирмами-производителями.


Рис. 1. Структурная схема оптоволоконного датчика
тока с электронно-оптическим блоком

Упрощенная структура электроннооптической схемы датчика тока (рис. 1) содержит источник оптического сигнала. Этот
сигнал с помощью разветвителя преобразуется в два право-и левополяризованных сигнала с противоположными направлениями
вращения, которые поступают в оптическую
петлю, выполненную из N витков оптоволокна. Магнитное поле, создаваемое током I,
протекающим по проводу, в соответствии
с эффектом Фарадея замедляет один сигнал и ускоряет другой. Оба сигнала доходят
до следующего кругового поляризатора, который преобразует их в линейно поляризованные световые потоки с плоскостями поляризации, сдвинутыми на угол:


где V — постоянная Верде.

Постоянная Верде — величина, характеризующая магнитное вращение плоскости
поляризации в веществе. Ее значение зависит
от свойств вещества, длины волны и монохроматичности излучения.

Пришедшие световые потоки преобразуются фотоприемником в два напряжения переменного тока с частотой ω = 2πС/λ (С — скорость света в оптоволокне, λ — длина волны
оптического излучения). Полученные электрические сигналы поступают на ввод аналогоцифрового преобразователя электронного
блока, преобразующего угол Δφ в цифру
с дальнейшей обработкой в DSP-процессоре.
Цифровой блок оснащен высокоуровневыми
и низкоуровневыми аналоговыми интерфейсами и дополнительным цифровым интерфейсом, поддерживающим стандарт IEC 61850, что
открыло пути к созданию полностью цифровой системы защиты и измерения.

Работа оптического датчика
напряжения

Работа оптического датчика напряжения
основана на эффекте Поккельса, заключающемся в возникновении двойного лучепреломления в оптических средах при наложении постоянного или переменного электрического поля (рис. 2), что наблюдается
у кристаллических пьезоэлектриков:


где E — напряженность электрического поля;
L — толщина пластины; λ — длина волны;
K — электро-оптические коэффициенты.


Рис. 2. Упрощенная структурная схема оптического датчика напряжения с электронно-оптическим блоком

Эффект находится в прямо пропорциональной зависимости от величины приложенного электрического поля. Напряжение
рассчитывается на основании измерения датчиками напряженности электрического поля
в нескольких точках колонны.

Разработкой оптических датчиков напряжения и тока занимается целый ряд компаний, среди которых следует отметить канадскую компанию NxtPhase T&D Corporation,
шведскую фирму PowerSense, американские
фирмы OptiSense Network, Inc., ABB, Inc.,
Airak, Inc., FieldMetrics, Inc. (FMI).

Датчики компании NxtPhase T&D Corporation
[4] достаточно хорошо известны отечественным специалистам в области автоматизации систем контроля и защиты электрических сетей высокого напряжения. Вместе с тем
следует сказать, что огромные возможности
открывают оптические датчики для средневольтовых (MV) и низковольтных (LV) цепей.
Малые габариты и вес этих датчиков позволяют разместить измерительный комплекс
на их основе на опоре линии электропередачи
или подвесить к проводам. В ряде случаев эти
датчики выгодно использовать и в сетях низкого напряжения, получая выигрыш по надежности и массо-габаритным показателям.

Некоторые обобщенные сравнительные
характеристики оптических датчиков различных компаний приведены в таблицах 1, 2.

Таблица 1. Сравнительные характеристики оптоволоконных датчиков тока различных компаний

Таблица 2. Сравнительные характеристики оптических датчиков напряжения различных компаний

Естественно, что в таблицах даются некоторые обобщенные параметры продукции, выпускаемой той или иной компанией, без указания особенностей конкретных марок изделий.

Рассмотрим несколько подробнее некоторые характерные особенности оптических
датчиков каждой компании и, соответственно, области их применения.

Компания NxtPhase T&D Corporation выпускает:

  • высоковольтные измерительные оптические преобразователи тока NXCT для измерения тока до 4 кА с классом точности
    0,5 в сетях 60–750 кВ;
  • высоковольтные измерительные оптические преобразователи напряжения NXVT
    для измерения напряжения в диапазоне 138–500 кВ с классом точности 0,25;
  • высоковольтные измерительные оптические преобразователи тока и напряжения,
    совмещенные NXVCT для измерения тока
    в диапазоне до 4 кА и напряжения до 500 кВ
    с классом точности 0,25;
  • измерительные оптические преобразователи, трансформируемые NXCT-F3, предназначенные для измерения токов до 100 кА
    в цепях переменного тока и до 600 кА в цепях постоянного тока, что дает возможность их использования в металлургической и химической промышленности.

Компания FieldMetrics, Inc. [5] основана
в 2001 г. и специализируется на разработке
и производстве трех линеек оптоволоконных
датчиков для средневольтовых (11–36 кВ)
энергетических сетей переменного тока:
MetPod, Fiber MetPod, MetPod Lite класса 0,2.
В линейку MetPod входят комбинированные датчики тока и напряжения (рис. 3а),
которые могут крепиться непосредственно
на опоре. Электронный блок с автономным
блоком питания выполнен в единой конструкции с датчиками. Связь с пунктом сбора и обработки информации осуществляется
по радиоканалу мощностью до 1 Вт.


Рис. 3. а) Комбинированный модуль MetPod; б) датчик тока MetPod Lite

Fiber MetPod предусматривает интегрированное исполнение датчика тока, датчика
напряжения и электронного преобразователя оптических сигналов в цифровой код,
размещаемых в легком прочном корпусе. Непосредственно на корпусе монтируется
радиопередатчик, обеспечивающий беспроводную связь с диспетчерским пунктом.

MetPod Lite — датчик тока класса 0,3, облегченной конструкции, крепится на изолированной штанге, подключаемой между
активным проводом и нейтралью (рис. 3б).
Датчики имеют более низкую стоимость
по сравнению с MetPod.

Помимо оборудования для контроля параметров средневольтовых сетей, фирма
активно разрабатывает и внедряет датчики
класса 0,3 для высоковольтных приложений.
В основе этих датчиков лежит модульный
принцип построения, состоящий в использовании опорных модулей на 15 кВ, из которых
можно набирать датчики для сетей до 750 кВ.

Компания PowerSense A/S [6], основанная
в 2006 году, предложила потребителям линейку энергоизмерительного оборудования
Discos, в которую вошли оптоволоконные
датчики тока (рис. 4а), напряжения (рис. 4б)
и комбинированные датчики тока/напряжения (рис. 4в), предназначенные для работы
в сетях до 36 кВ. Диапазон измерения токов — от 5 А до 20 кА с погрешностью 2%,
погрешность измерения напряжения — 1%.
Сами датчики крепятся на штанге и оптоволокном соединяются с оптическим модулем,
размещаемым на опоре.


Рис. 4. Датчики фирмы PowerSense: а) тока; б) напряжения; в) комбинированные (тока/напряжения)

Компания Optisense Network, основанная
в 2001 г., специализируется на производстве
высокоточных компактных датчиков тока
и напряжения, используемых в сетях с напряжением до 35 кВ.

Компания Airak, Inc. [7] выпускает оптоволоконные датчики, отличающиеся наименьшими массо-габаритными показателями.
Оптоволоконные датчики напряжения этой
фирмы вместе с пятиметровыми выводами
весят всего 170 г (рис. 5а). Датчик напряжения
размещен на специальной платформе, расположенной на опоре. Стандартный диапазон
измерения напряжения — 5 кВ (со сменой
ячейки Поккельса диапазон может быть расширен до 13,8 кВ). Максимальная приведенная
погрешность составляет 5%, типовая — 1%.


Рис. 5. а) оптоволоконный датчик напряжения
фирмы Airak, Inc.;
б) токовый датчик для воздушных линий

Судя по приведенным данным, недостатками датчика являются низкая точность измерения и малый диапазон измеряемых напряжений. Существенным недостатком для его
применения в российских условиях является
также температурный диапазон — 0…50 °С.

Лучшими показателями обладают датчики
тока этой фирмы. Токовый датчик для воздушных линий (рис. 5б) позволяет измерять
токи в диапазоне от 3 А до 1 кА (возможны
версии до 15 кА) с погрешностью, не превышающей 1%. Он работает в диапазоне температур –40…+85 °С. Вес этих датчиков не превышает 570 г, что позволяет легко смонтировать их прямо на проводах, не прибегая
к разъединению линии (рис. 6).


Рис. 6. Размещение датчиков фирмы Airak, Inc.
на воздушной линии электропередачи

Представляет интерес датчик, предназначенный для измерения тока и напряженности
магнитного поля при применении в стационарном оборудовании (рис. 7). Датчик имеет
вес 28 г и устанавливается на шину 4″×¾″.
Токи измеряются в диапазоне от 3 А до 3 кА
с погрешностью не более 1%.


Рис. 7. Датчик тока и напряженности магнитного поля
для применения в стационарном оборудовании

Компания ABB, Inc. [9] известна, прежде
всего, по токовым датчикам, используемым
в цепях постоянного тока, основанным на эффекте Холла [10]. Преобразователи такого
типа хотя и надежны, но очень сложны, а их
вес может достигать 2000 кг. При их установке также необходимы сложные процедуры
настройки для исключения влияния асимметричного поля и перекрестных наводок
с расположенных рядом шин. Для решения
этих и других проблем компания ABB разработала новый оптоволоконный датчик тока
(Fiber Optic Current Sensor, FOCS) (рис. 8)
[11]. По сравнению с датчиками Холла новые
датчики имеют следующие преимущества:

  • Продолжительность установки и ввода в эксплуатацию измеряется часами,
    а не днями.
  • Резко снижается сложность системы.
  • Устройства не подвержены воздействию магнитных полей сложных конфигураций и перекрестным наводкам от соседних шин.
  • Повышается точность (до 10-кратного
    уменьшения погрешности).
  • Широкая полоса пропускания обеспечивает быструю реакцию на пульсации и нестационарные токи.
  • Датчики обеспечивают измерение постоянных токов как в одном, так и в двух направлениях.


Рис. 8. Оптоволоконный датчик тока FOCS компании ABB, Inc.

Датчик позволяет измерять токи
от 0 до ±500 кА с погрешностью 0,1% в диапазоне частот от 0 до 4 кГц. Вес одной секции — 5 кг.

Применение таких датчиков в металлургической и химической промышленности может существенно повысить эффективность
производства и дать значительный экономический эффект. В производстве алюминия,
меди, марганца, цинка, стали и хлора требуются огромные объемы электроэнергии.
Электролизные ванны для производства алюминия обычно питаются постоянным напряжением 1000 В и потребляют ток до нескольких сот килоампер. Необходимо учесть, что
ошибка на 0,1% в измерении тока 500 кА приводит к ошибке учета мощности на 0,5 МВт.

Компания ABB, Inc. считается одним
из лидеров в разработке и оптоволоконных
датчиков для высоковольтных электроэнергетических приложений. Магнитооптические
датчики тока (Magneto-Optic Current Transformer,
MOCT) этой компании (рис. 7) могут
использоваться в сетях с напряжением от 72,5
до 800 кВ для измерения токов до 3,5 кА.


Рис. 9. Эквивалентная схема измерения напряжения
с помощью датчика тока

Оптоволоконные датчики напряжения
обычно имеют более сложную конструкцию.
В связи с этим компания ABB для измерения
напряжения предложила проводить измерение тока через нагрузку с известным значением сопротивления, подключенную последовательно с датчиком MOCT (рис. 9) [12].
Физически указанная нагрузка реализована
с помощью электрооптического трансформатора напряжения EOVT (рис. 10) [13].


Рис. 10. Датчик напряжения компании ABB, Inc. на базе MOCT и EOVT

Как следует из предложенного обзора, класс
оптических датчиков тока и напряжения может занять существенное место в системах мониторинга, контроля и управления в энергетике, металлургической, химической, судостроительной и оборонной промышленности.

Датчики тока и датчики напряжения осуществляют преобразование текущих значений тока и, соответственно, напряжения (в контролируемой цепи) в электрический сигнал, у которого носителем информации обычно является напряжение. В датчиках может предусматриваться гальваническая развязка выходной (слаботочной) цепи от входной (силовой) цепи, а также нормирование сигнала (приведение его значений к определенной области, например, к напряжению из диапазона 0…10 В). В состав такого датчика входят следующие функциональные части: чувствительный элемент (первичный измерительный преобразователь), устройство гальванической развязки (потенциальный разделитель), усилительные устройства. Обобщенная структурная схема датчика тока и датчика напряжения показана на рис. 8.22.

На схеме обозначены:

ЧЭ – чувствительный элемент (первичный измерительный преобразователь – шунт, трансформатор тока в датчиках тока; делитель напряжения, измерительный трансформатор напряжения в датчиках напряжения);

ВУ – входной усилитель;

ПР – потенциальный разделитель;

НУ – нормирующий усилитель;

ЭЦ – контролируемая датчиком электрическая цепь;

ПИ – приемник информации (например регулятор системы управления автоматизированного электропривода).

Подключение чувствительных элементов к электрической цепи с нагрузкой (RH, ZH) показано на рис. 8.23.


Шунт (RШ на рис. 8.23а) представляет собой резистор с двумя токовыми и двумя потенциальными зажимами. С помощью токовых зажимов шунт подключают в разрыв (рассечку) контролируемой цепи. Напряжение, пропорциональное току контролируемой цепи, с потенциальных зажимов шунта подается на входной усилитель (ВУ) датчика тока и усиливается им в 100…200 раз. Линейная зависимость напряжения от тока обеспечивается при большом входном сопротивлении ВУ.

Классы точности шунтов: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 05. Номинальные токи в пределах от 0,5 А до 7500 А. Номинальное падение напряжения на шунте составляет 75 мВ (это напряжение между потенциальными зажимами, когда по шунту протекает ток, равный номинальному току шунта).

Делитель напряжения в виде последовательного соединения резисторов R1 и R2 (рис. 8.23а) подключают под полное контролируемое напряжение. Выходное напряжение делителя, пропорциональное контролируемому напряжению, снимается с резистора R2. ВУ исполняет роль согласующего элемента, обладая высоким входным сопротивлением.

Измерительный трансформатор переменного тока (ТА) применяют вместо шунта (рис. 8.23б), что позволяет: уменьшить потери энергии, возникающие в процессе ее преобразования; реализовать гальваническую развязку между цепями; повысить безопасность эксплуатации; уменьшить габариты и массу датчика. Режим работы выбирают близким к режиму короткого замыкания (разрыв вторичной цепи приводит к аварийному режиму). Усилитель (ВУ) с малым входным сопротивлением подключают к вторичной цепи трансформатора тока через выпрямитель.

Трансформаторы тока изготовляют на номинальные первичные токи в диапазоне от 0,1 А до 40000 А. Вторичные номинальные токи могут иметь значения 1,2; 2,5; 5 А. Классы точности: 0,2; 0,5; 1; 3.

Измерительный трансформатор напряжения (TV на рис. 8.23б) работает в режиме близком к режиму холостого хода. Он понижает контролируемое переменное напряжение и гальванически развязывает электрические цепи. Сигнал, снимаемый с вторичной обмотки трансформатора, через выпрямитель подается на усилитель (ВУ) с большим входным сопротивлением.

Измерительный трансформатор постоянного тока, выполненный на основе магнитного усилителя (см. [1] п. 5.3), применяют для измерения постоянных токов свыше 5000 А. Использование шунтов в таких случаях нецелесообразно, так как шунты получаются весьма громоздкими и дорогими.

Обмотка управления wy магнитного усилителя А подключается в разрыв контролируемой цепи, по которой протекает постоянный ток I (рис. 8.24). Она состоит из одного витка провода. Рабочие обмотки wp получают питание от источника переменного напряжения ~U.


Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя UZ линейно зависит от тока I при I

Мы должны научиться жить вместе как братья или погибнуть вместе как дураки. © Лютер Кинг ==> читать все изречения.

Датчики переменного тока изготавливаются на базе трансформатора тока, вторичная обмотка которого замкнута на резистор. При этом напряжение на резисторе пропорционально току первичной обмотки. Для получения постоянного сигнала, пропорционального среднему или действующему значению переменного синусоидального тока, применяют схемы выпрямления (рис. 3.18), аналогичные схемам датчиков напряжения… Читать ещё >

Датчики тока и напряжения ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Под датчиком в технике обычно понимают устройство, выдающее информацию о параметрах системы. В силовых электронных аппаратах наиболее широко распространены датчики электрических параметров: тока и напряжения. Реже применяют датчики частоты, мощности, датчики нуля тока или напряжения.

Простейший датчик напряжения, наиболее широко применяемый в регуляторах постоянного тока, состоит из двух резисторов, соединенных по схеме делителя (рис. 3.15). На вход поступает контролируемое напряжение t/BX, а выходное напряжение t/BbIX пропорционально входному через коэффициент датчика.

Датчики тока и напряжения.

Основные достоинства датчика на основе делителя — простота, надежность, линейность характеристики и безынерционность. Однако часто возникает необходимость обеспечения гальванической развязки между контролируемой цепью и системой управления. В частности, гальваническая развязка может обеспечиваться оптоэлектронной парой, состоящей из светоизлучающего и фотоприемного элементов. В схеме датчика с опторазвязкой (рис. 3.16) интенсивность свечения светодиода пропорциональна входному напряжению, а значение выходного напряжения определяется фототранзистором, который управляется световым потоком светодиода. Основной недостаток этого датчика заключается в том, что характеристика оптопары является нелинейной. В настоящее время в датчиках широко применяются интегральные оптопары, содержащие в одном корпусе светоизлучатель и фотоириемник, разделенные светоирозрачным материалом с высокой изоляционной способностью. Существуют изолированные усилители с встроенной оиоразвязкой, способные осуществлять передачу аналоговых сигналов. Эти усилители, выполненные в виде одной микросхемы, обладают хорошей линейностью, а частота пропускаемого сигнала составляет до сотен килогерц.

Простейший датчик напряжения.

Рис. 3.15. Простейший датчик напряжения

Датчик напряжения на основе оптопары.

Рис. 3.16. Датчик напряжения на основе оптопары

Датчики переменного напряжения, как правило, включают в себя маломощный понижающий трансформатор, обеспечивающий гальваническую развязку силовых цепей и системы управления. Для датчиков синусоидального напряжения характерно наличие выпрямителя с емкостным фильтром. Если входное напряжение синусоидально, то напряжение на конденсаторе пропорционально амплитудному, среднему и действующему значению контролируемого напряжения. Если входное напряжение искажается, то эти зависимости нарушаются. Поэтому для несинусоидальных сигналов датчики действующих и средних значений напряжений содержат функциональные блоки (интеграторы, перемножи гели и др.), необходимые для вычисления соответствующих значений.

Основой простейшего датчика постоянного тока является шунт (резистор) с низкоомным сопротивлением. Часто в цепях используется шунт, падение напряжения па котором при протекании номинального тока составляет определенное стандартное значение (например, 75 мВ). Низковольтный сигнал, снимаемый с шунта, как правило, усиливается. Усилитель позволяет сделать шунт более низкоомным и повысить КПД устройства (рис. 3.17). Для обеспечения гальванической развязки в датчиках постоянного тока применяются те же устройства, что и в датчиках постоянного напряжения. Помимо этого применяются различные типы магнитных усилителей и трансформаторов постоянного тока.

Датчик постоянного тока с транзисторным усилителем.

Рис. 3.17. Датчик постоянного тока с транзисторным усилителем.

Датчики переменного тока изготавливаются на базе трансформатора тока, вторичная обмотка которого замкнута на резистор. При этом напряжение на резисторе пропорционально току первичной обмотки. Для получения постоянного сигнала, пропорционального среднему или действующему значению переменного синусоидального тока, применяют схемы выпрямления (рис. 3.18), аналогичные схемам датчиков напряжения.

Датчик переменного тока на основе трансформатора тока.

Рис. 3.18. Датчик переменного тока на основе трансформатора тока.

В датчиках тока прямого усиления (рис. 3.19) магнитное поле создается измеряемым током /вх. Ток управления /упр подается с помощью стабилизированного источника тока. Напряжение Холла, зависящее от /вх, преобразуется усилителем в выходной ток датчика /вых. Такие датчики позволяют измерять токи до нескольких сотен ампер.

Принцип работы датчика тока, основанного на эффекте Холла.

Рис. 3.19. Принцип работы датчика тока, основанного на эффекте Холла.

Датчики тока компенсационного типа или датчики с нулевым потоком имеют встроенную компенсационную цепь, которая позволяет существенно улучшить характеристики датчиков. Выходной ток, пропорциональный напряжению Холла, действует как сигнал обратной связи. Благодаря его действию результирующий магнитный поток в магнитопроводе практически отсутствует. Компенсационные датчики способны измерять токи от нескольких ампер до нескольких сотен тысяч ампер. Они выделяются высокой точностью, хорошей линейностью, малым температурным дрейфом, малым временем отклика и широким частотным диапазоном. Датчики напряжения, основанные на эффекте Холла, базируются на тех же принципах, что и датчики тока.

Датчики частоты основываются на различных схемах фильтров, имеющих частотно-зависимые характеристики. Для определения моментов перехода переменного тока или напряжения через нуль используют различные типы сравнивающих устройств (компараторов).

Датчик мощности, как правило, имеет два чувствительных элемента и функциональный блок перемножения сигналов тока и напряжения. Для получения средних и действующих значений могут применяться интегрирующие, перемножающие и другие устройства.

Часто современные датчики оснащаются встраиваемыми микроконтроллерами. Это позволяет, во-первых, улучшить характеристики датчиков за счет математической обработки информации непосредственно в процессе измерения и активного управления измерением, а во-вторых, упросить передачу данных в систему управления.



Мы переходим к завершающей части обзорного цикла датчиков, в которой рассмотрим датчики постоянного и переменного тока и напряжения. По всем остальным датчикам, которые не попали в основную серию мы сделаем дополнительные обзоры когда они вдруг понадобятся в будущих статьях.
Данная статья открывает новый цикл материалов про измерение параметров качества электроэнергии, куда войдут вопросы подключения датчиков тока и напряжения к микроконтроллеру, рассмотрение алгоритмов работы анализаторов качества электроэнергии, смысл тех или иных показателей качества электроэнергии и что они обозначают. Кроме того, мы затронем волнующую многих тему точности оцифровки и обработки данных, упомянутую в комментариях к первой статье.

Содержание


Часть 1. Мат. часть. В ней рассматривается датчик, не привязанный к какому-то конкретному измеряемому параметру. Рассматриваются статические и динамические характеристики датчика.
Часть 2. Датчики климат-контроля. В ней рассматриваются особенности работы с датчиками температуры, влажности, давления и газового состава
Часть 3. Датчики электрических величин. В этой части я рассмотрю датчики тока и напряжения

Бывает постоянный ток, бывает переменный. Бывает все и сразу, что иногда приносит много проблем. Но об этом позже. Для начала, разберемся с терминологией.

Рисунок 1: напряжение в цепях переменного тока
При измерении переменного тока мы имеем 4 различных величины, которыми будем руководствоваться при проведении измерений. Все нижеприведенные формулы и термины применимы и к измерителю тока.
1. Мгновенное значение напряжения — это разность потенциалов между двумя точками. Измеренная в определенный момент времени. Это значение является базовым во всех остальных вычислениях. Фактически, наша задача будет заключаться в считывании последовательного набора мгновенных значений напряжения через равные промежутки времени, чтобы впоследствии с их помощью получить некие другие данные.
u = u(t) (1)
Получится примерно следующий график:

Рисунок 2: Измерение серии мгновенных значений напряжения
При выборе частоты опроса датчиков мы руководствуемся теоремой Котельникова-Шеннона, когда для того, чтобы восстановить сигнал с частотой f необходимо производить считывание с частотой Больше чем 2f. Отмечу необходимость строгого неравенства, т. е. если нам надо оцифровать сигнал с частотой 50Гц, то считывание необходимо производить с частотой, не менее 101 Гц. Но, понятное дело, чем больше тем лучше.
Если вспомнить ГОСТ на показатели качества электроэнергии, то в разделе Гармоник мы найдем, что интересными для нашего измерения являются гармоники вплоть до 40, т. е. до 2кГц. И микросхемы счетчиков электроэнергии производят считывание с частотой 4096 раз в секунду. Степень двойки выбрана для того, чтобы можно было применять быстрые алгоритмы преобразования Фурье.
Имея этот большой набор данных, собранный за единицу времени, например, 1с переходим к следующим:
2. Амплитудное значение напряжения — которое определяется как максимальное по модулю значение из нашей выборки:
(2)
где [u(t)] – массив с данными.
Для гармонических колебаний это значение используется в следующей формуле:
(3)
3. Среднее значение напряжения, т. е. Среднее арифметическое, т. е. постоянная составляющая переменного напряжения.
(4)
Где — период дискретизации аналогового сигнала. Я намеренно пишу сумму вместо интеграла. В промышленной сети переменного тока среднее значение должно быть равно нулю. Если это условие не выполняется, могут быть определенные проблемы, так как постоянный ток подмагничивает трансформаторы, вводя их в насыщение, либо подогревает питающую линию. Последнее кстати может быть полезно для решения проблемы намерзшего льда на проводах — провод подогревают и лед отваливается.
В слаботочных аналоговых цепях постоянная составляющая присутствует сплошь и рядом и может быть очень полезна. А если она нам будет мешать, то мы от нее быстро избавимся, но об этом позже.
4. Среднеквадратичное значение напряжения. — известное также как действующее значение напряжения — на линейной активной нагрузке оно совершает ту же самую работу, что и постоянное напряжение аналогичного уровня. Определяется по следующей формуле:
(5)
При измерении напряжения в розетке нас, как правило, интересует именно это самое действующее напряжение, которое составляет 230/380В.
Амплитудное и действующее значения синусоидального напряжения связаны между собой через . Во время проектирования измерительной системы нас будет интересовать в первую очередь именно амплитудное значение напряжения и тока.
Во время измерений будем руководствоваться одной из следующих схем:

Рисунок 3: Подключение измерительных приборов
Загадка для ума — обе схемы подключения правильные, но при каких обстоятельствах важно правильно выбрать одну из них? Ответы в комментариях.

Датчики напряжения


Первым делом произведем измерение напряжения. Все нижесказанное относится к напряжениям не менее напряжения питания АЦП нашего контроллера. Таким образом, нам необходимо измерить напряжение с амплитудой большей, чем АЦП способен прожевать. Следовательно, уровень напряжения необходимо понизить — т.е. произвести ослабление сигнала.
Для малых напряжений (например как термоЭДС термопары из прошлой статьи) нужна обратная задача — усиление сигнала. Это более сложная задача и мы обязательно к ней вернемся в следующих статьях.
Поставим условие для расчета наших датчиков:
Измеряемое напряжение: переменное, 0-1000В, частота 50/60Гц. Для трехфазного напряжения в 380В амплитудное составляет почти 600В, а ведь есть сети и на 660В. Так что пусть будет. На самом деле этот расчет я взял из своей железки и переделывать его мне лень.
Выходное напряжение ± 1,65В — половина от питающего +3,3В

Делитель напряжения
  • широкий диапазон напряжений и частот, определяемый номиналами резисторов;
  • высокая точность, опять таки определяемая точностью и термостабильностью резисторов;
  • измеряет постоянное и переменное напряжение.
  • отсутствует гальваническая развязка — при взаимодействии с промышленной сетью необходимо предусмотреть защиту пользователя от электрических цепей, либо использовать гальваническую развязку;
  • низкий КПД — весь ток делителя уходит в тепло;
Трансформатор напряжения
  • огромный диапазон рабочих напряжений — до сотен киловольт и выше;
  • столь необходимая гальваническая развязка.
  • работает на определенной полосе частот;
  • работает только с переменным напряжением;
Электронный изолированный датчик



Недостатков и той и другой схемы лишен электронный изолированный датчик. Фактически, он представляет собой завершенное устройство. Внутри которого имеется и делитель напряжения, и операционные усилители, и блок гальванической развязки и схема изолированного питания всего этого безобразия:

Рисунок 9: Структурная схема электронного изолированного датчика
Мне попадались на глаза только промышленные датчики с выходом по напряжению 0-10В или по току 0-10мА. В отличие от предыдущих датчиков выдает однополярный сигнал. В принципе, такую схему можно разработать и самостоятельно, применив, к примеру. изолированный аналоговый усилитель вроде HCPL-7850. Главный недостаток схемы — очень сложно и очень дорого.
И как верно отмечает в комментариях тов. progchip666

Передать аналоговый сигнал с точностью даже один процент по гальваноразвязанному интерфейсу крайне трудно, поэтому часто в этом случае приходится перегонять его в цифру и в таком виде уже перегонять.
К сожалению на усилитель, изображённый на схеме надо ещё и питание подать. Разумеется от гальваноразвязанного источника.

  • гальваническая развязка;
  • высокая точность;
  • широкий диапазон напряжений и частот;
  • измеряет постоянное и переменное напряжение.
  • дорого;
  • сложная схемотехника.
Дополнительные ссылки

Датчики тока

Измерительный шунт
  • высокая точность;
  • широкий диапазон напряжений и частот;
  • измеряет постоянный и переменный ток.
  • отсутствует гальваническая развязка;
  • низкий КПД.
Измерительный трансформатор тока
  • гальваническая развязка;
  • работа с большими токами в тысячи Ампер;
  • измеряет только переменный ток в определенном диапазоне частот(кроме катушки Роговского);
  • изменяет фазу сигнала и требует компенсации
Датчики тока на эффекте Холла
  • Датчик ACS712 – измерение постоянного и переменного тока до 30А с точностью ± 1,5%
  • Датчик ACS713 – оптимизирован для измерения постоянного тока до 30А. Имеет вдвое большую чувствительность чем его универсальный собрат.
  • Датчик ACS754 – измерение постоянного и переменного тока до 200А с точностью ± 1,5%
  • Датчик ACS755 – оптимизирован для измерения постоянного тока.
  • Датчик ACS756 – датчик для измерения постоянного и переменного тока до 100А с напряжением питания 3-5В.
  • широкий диапазон измеряемых токов с частотой до 50-100кГц и выше;
  • измеряет постоянный и переменный ток.
  • гальваническая развязка
  • Дорого
Дополнительные ссылки:

Заключение

Я поставил перед собой задачу сделать обзорный материал по датчикам, наиболее часто используемым сообществом при разработке различных устройств. Большинство датчиков не вошли в цикл лишь по той причине, что в ближайшем будущем для моих материалов они не понадобятся, но некоторые из них в планах. Обязательно сделаю отдельный материал с датчиками ускорения, угловых скоростей, компасом и примерами, так что следите за новыми статьями!

Читайте также: