Измерение токов высокой частоты

Содержание

 

Задание………………………………………………………………...…..………2

Содержание………………………………………………………………………4

Введение………………………………………………………………………...…5

1 Сравнительный анализ методов  измерения тока………………………….…7

1.1 Резистивный метод……………………..…………………………………9

1.2 Метод, основанный на основе эффекта Холла…………………………9

1.3 Метод на основе трансформатора тока……………………………...…11

1.4 Метод на основе магниторезистивных датчиков……………………...12

1.5 Метод на основе магнитооптических датчиков……………………….13

1.6 Метод на основе катушки Роговского………………………………….13

2 Выбор  и обоснование типа датчика…………………………………………18

3 Разработка  структурной схемы высокочастотного  амперметра…………...23

4 Разработка  функциональной схемы высокочастотного  амперметра………24

5 Выбор  и расчёт основных узлов……………………………………………...25

5.1 Выбор измерительного усилителя……………………………………….25

5.2 Расчёт интегратора………………………………………………………..27

5.3 Выбор аналого-цифрового преобразователя……………………………27

5.4 Выбор и обоснование микропроцессора………………………………...31

5.5 Выбор и обоснование интерфейса к ПЭВМ…………………………….34

5.6 Выбор энергонезависимой памяти………………………………………35

5.7 Выбор и обоснование типа отсчетного устройства…………………….37

5.8 Устройство и работа блока питания……………………………………..38

6 Расчет  погрешностей…………………………………………………………..40

Список литературы……………………………………………………...……….44

Приложение А……………………………………………………………………45

 

 

Введение

 

В эпоху научно-технической революции темпы развития науки и техники в значительной степени определяются научным и техническим уровнем измерения. В свою очередь уровень развития измерительной техники является одним из важнейших показателей прогресса науки и техники. Это особенно справедливо для электрорадиоизмерений, поскольку исследования в области физики, радиотехники, электроники, космонавтики, медицины, биологии и других отраслей человеческой деятельности базируются на измерениях электромагнитных величин.

Основными направлениями качественной стороны развития измерительной техники являются:

• повышение точности измерения;

• автоматизация процессов измерения;

• повышение быстродействия и надежности измерительных приборов;

• уменьшение потребляемой мощности питания и габаритов всех средств измерительной техники.

Достоверное измерение токов в энергетическом и управляющем оборудовании является важным аспектом обеспечения высокой надёжности и безопасности промышленных систем и электронных приборов. Существует целый ряд измерительных приборов, в состав которых входят датчики для определения разбаланса токов, мониторинга и диагностики цепей, запуска схем защиты, обнаружения отказов электрооборудования и аварийных состояний различных типов нагрузки.

При измерении тока в высоковольтных установках, как правило, приходится иметь дело с большими значениями измеряемой величины. Не всегда удается измерить такой ток с помощью обычных измерительных приборов. В

 

 

таких случаях пытаются различными способами уменьшить ток, текущий через измерительный прибор, либо измерить его по косвенным признакам. С этой целью обычно используют шунты, измерительные трансформаторы и датчики Холла. Зная зависимость между измеренным и протекающим в проводнике током, определяют величину последнего.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Сравнительный анализ методов измерения тока

 

Существует множество методов измерения тока, однако в промышленности наиболее широко применяются шесть:

- резистивный (где в  качестве датчика тока  применяется  резистивный элемент высокой  точности, последовательно включенный  в цепь, где необходимо выполнить измерение);

- на основе эффекта  Холла (где в качестве первичного  датчика используется элемент Холла);

- на основе трансформатора  тока;

- на основе катушки  Роговского;

- на основе магниторезистивных  датчиков;

- на основе магнитооптических  датчиков;

Датчики тока, реализованные на базе указанных методов, имеют свои достоинства и недостатки, определяющие области их применения. В таблице 1 представлены основные достоинства и недостатки каждого из типов датчиков

Рассмотрим каждый из методов более подробно.

Таблица 1

Внешний вид датчика	Тип датчика	Достоинства	Недостатки
	Резистивный шунт	Низкая стоимость, хорошая линейность	Отсутствие гальванической развязки, ограниченный диапазон преобразуемых токов, паразитная индуктивность, смещение по постоянному току
	Трансформатор тока	Возможность преобразования больших токов, малая собственная потребляемая мощность	Насыщение, гистерезис, фазовый сдвиг, невозможность преобразования пост, тока, относительно большие весогабаритные показатели
	Датчики на основе эффекта Холла	Широкий динамический диапазон	Гистерезис, насыщение, температурный дрейф, высокая стоимость
	Катушка Роговского	Низкая стоимость, нет ограничений по насыщению, малая потребляемая мощность, очень низкая температурная зависимость, невосприимчивость к смещению по пост, току	Выходной сигнал требует использования аппаратного интегратора, чувствительность к внешним магнитным полям
	Магниторезистивные датчики	Высокая надежность, высокая чувствительность, широкий диапазон рабочих частот (от 0 Гц до МГц) и широкий диапазон рабочих температур	Нелинейность, чувствительность к внешним магнитным полям
	Магнитооптические датчики	Высокая точность, широкий диапазон измеряемых токов (от мА до МА)	Высокая цена. Выигрыш в точности, размерах и весе проявляется только при измерении сверхбольших токов

 

1.1 Резистивный метод

 

Резистивные датчики тока – самые дешёвые, линейные и точные и обладают преимуществами, в возможностью измерять как переменный, так и постоянный токи. Однако им присущи потери, вносимые в цепь измерения, отсутствие гальванической развязки, ограничение полосы пропускания, обусловленное паразитной индуктивностью большинства мощных резисторов, а также саморазогрев и термоЭДС при больших токах, снижающие их точность измерения. Низкоиндуктивные измерительные резисторы существенно дороже, но могут быть использованы для измерения токов в диапазоне частот до нескольких мегагерц. Главным недостатком резистивного датчика тока является необходимость подключать датчик непосредственно в цепь измерения.

 

1.2 Метод, основанный на основе эффекта Холла

 

Первые промышленные датчики тока на основе эффекта, открытого в 1897 г. американским физиком Эдвином Холлом (Edwin H. Hall, 1855-1938), были разработаны в конце 1960-х. Однако широкое использование интегральных и гибридных датчиков тока на основе эффекта Холла долгое время сдерживалось их высокой стоимостью. К началу 1990-х были разработаны новые технологии, позволившие значительно снизить себестоимость производства самих ячеек Холла и интегральных схем на их основе. Это обусловило бурный рост предложения промышленных датчиков тока и других магниточувствительных полупроводниковых приборов.

Эффект Холла заключается в появлении напряжения на концах полоски проводника или полупроводника, помещённого перпендикулярно силовым линиям магнитного поля (рисунок 1.1). Для меди напряжение Холла составляет ±24 мкВ/кГс, для полупроводника - свыше ±110 мВ/кГс (с учётом направлений магнитного поля и тока), что вполне достаточно для построения промышленных датчиков тока, главными преимуществами которых является отсутствие вносимых потерь и «естественная» гальваническая развязка. В линейных датчиках Холла выходное напряжение пропорционально приложенному магнитному полю, за исключением режимов симметричного насыщения. По сравнению с резистивными датчиками тока, приборы на основе ячейки Холла имеют более узкий частотный диапазон, паразитное напряжение смещения (в некоторых конструкциях), низкую точность, высокую стоимость и требуют для работы внешний источник питания.

 

Рисунок 1.1 – Возникновение ЭДС Холла

 

На рисунках 1.2 и 1.3 схематически представлены две основные разновидности датчиков тока на основе эффекта Холла - разомкнутого и замкнутого типов соответственно, где Iprimary – ток в первичной цепи, Iseсondary – ток во вторичной цепи, Vout – выходное напряжение усилителя, пропорциональное току в первичной цепи.

 

 

Рисунок 1.2 – Датчик тока Холла разомкнутого типа

 

Рисунок 1.3 – Датчик Холла тока замкнутого типа

 

Датчики замкнутого типа (с компенсирующей обмоткой) обеспечивают высокую точность, в несколько раз более широкую полосу пропускания и, как правило, не имеют выходного смещения при нулевом токе. Их чувствительность прямо пропорциональна числу витков компенсирующей обмотки. Однако по (стоимости) они приближаются к трансформаторам тока.

 

3. Метод на основе трансформатора тока

 

Датчики на базе трансформаторов тока (ТТ) обычно работают на сетевой частоте (50, 60 или 400 Гц). Их стоимость превышает стоимость датчиков на основе эффекта Холла. К преимуществам трансформаторных датчиков следует отнести отсутствие вносимых потерь и напряжения смещения при нулевом токе, а также гальваническую развязку с высоким пробивным напряжением. Они не нуждаются в дополнительном источнике питания. Недостатком ТТ является насыщение сердечника при наличии в первичном токе постоянной составляющей, что приводит к необратимому ухудшению точности преобразования и низкой рабочей частоте.

 

1.4 Метод на основе магниторезистивных датчиков

 

Магниторезистивные (МР) датчики тока строятся на базе анизотропного МР-эффекта, и обеспечивают точность и линейность до 0,1...0,2% при измерении постоянных и переменных (до 500 кГц) токов до 200 А не внося потерь. Однако для работы им требуется внешний источник питания и отсутствие внешних магнитных полей. Последняя проблема в значительной мере снимается применением пар магниторезисторов, расположенных последовательно для магнитного поля проводника и встречно для магнитного поля внешней помехи. Для получения приемлемой температурной стабильности и высокой помехоустойчивости магниторезисторы ИС датчика, как правило, соединяются по мостовой схеме, а МР датчики замкнутого типа снабжаются компенсаторами (Рисунок 1.4). Дополнительными преимуществами магниторезистивных датчиков тока являются: значительно меньшие размеры и вес, а также существенно более высокая чувствительность по сравнению с датчиками Холла и трансформаторами тока, отсутствие остаточной намагниченности после перегрузки, широкий частотный диапазон благодаря низкой индуктивности магниторезисторов.

 

Рисунок 1.4 – магниторезистивный датчик тока с компенсатором

 

1.5 Метод на основе магнитооптических датчиков

 

В магнитооптических датчиках измеряемый ток пропорционален поляризации света, либо разности фаз когерентного излучения. Также существуют оптические датчики на основе эффекта Фарадея. Использование данного типа датчика не целесообразно из-за достаточно высокой стоимости.

 

1.6 Метод на основе катушки Роговского

 

В качестве датчиков переменного тока используются катушки Роговского. На сегодняшний день существуют датчики у которых погрешность измерения тока в диапазоне от 70 мА до 70 А не превышает 0.1%.

Принцип работы этих датчиков основан на измерении напряжения на выводах прямоугольной проводящей рамки, размещенной рядом с проводником. Ток, протекающий по проводнику, создает вокруг него пропорциональное магнитное поле, изменения которого наводят ЭДС в измерительной рамке (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Схематическое изображение датчика тока

с использованием катушки Роговского

 

Плоскость каждой из соединённых последовательно рамок перпендикулярна силовым линиям поля, поэтому для вычисления тока необходимо проинтегрировать напряжение по времени.

В конструктивном исполнении катушка Роговского представляет собой длинный соленоид с воздушным сердечником и равномерной намоткой витков. Концы катушки выводятся вместе и замыкаются через сопротивление нагрузки. В большинстве случаев катушка Роговского наматывается на гибкий стержень, который затем и охватывает токоведущий проводник (рисунок 1.6). Отсутствие магнитного сердечника, обеспечивав достоинства, присущие этому типу датчиков: высокую линейность, точность и надежность, возможности измерения на высоких частотах.

Рисунок 1.6 – Структура катушки Роговского

 

В отличиё от токового трансформатора в катушке Роговского нет первичной обмотки. В катушке, окружающей проводник с измеряемым током, при. замыкании контура наводится э.д.с, величина которой теоретически не зависит от формы петли и ее расположения относительно провода. Связь между электрическим током и напряженностью магнитного поля устанавливается законом полного тока (первым уравнением Максвелла или уравнением Ампера), гласящим, что линейный интеграл напряженности магнитного поля по любому замкнутому контору равен полному току через поверхность, ограниченную этим контуром

,                                                (1)

где Н – напряженность магнитного поля;

α – угол между вектором магнитного поля и направлением нормали к плоскости витка элементарной секции длиной dl.

Связь между магнитным потоком Ф и напряженностью магнитного поля Н определяется выражением:

                           (2)

где μ0 — магнитная проницаемость воздуха;

 dS = А × n × dl (А – поперечная площадь элементарной секции, n– число витков в секции длиной dl).

В замкнутом контуре э.д.с. появляется вследствие наведенного электрического поля при изменении магнитного поля:

,                        (3)