RU133316U1

RU133316U1 - DC Contactless Sensor

Info

Publication number: RU133316U1
Application number: RU2013128480/28U
Authority: RU
Inventors: Григорий Яковлевич Портной; Олег Александрович Болотин; Константин Павлович Разумовский
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" (ОАО "НИИЭМ")
Priority date: 2013-06-21
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2013-10-10

Abstract

1. Бесконтактный датчик постоянного тока, содержащий датчик Холла, источник питания, входной коммутатор, обеспечивающий переключение квадратурных выводов датчика Холла, и последовательно соединенные с ним дифференциальный усилитель и интегрирующий фильтр, отличающийся тем, что содержит дополнительно магнитопровод с размагничивающей обмоткой и контроллер, содержащий аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, при этом магнитопровод выполнен с зазором для размещения в нем датчика Холла, а контроллер соединен с обмоткой размагничивания магнитопровода и имеет выход для подключения к внешнему интерфейсу.2. Бесконтактный датчик постоянного тока по п.1, отличающийся тем, что содержит экран в виде кольца из магнитомягкого материала, расположенного вокруг магнитопровода в одной с ним плоскости.1. A non-contact DC sensor containing a Hall sensor, a power source, an input switch that provides switching of the quadrature outputs of the Hall sensor, and a differential amplifier and an integrated filter connected in series with it, characterized in that it additionally contains a magnetic circuit with a demagnetizing winding and a controller containing analog - a digital converter and a microprocessor, while the magnetic circuit is made with a gap to accommodate a Hall sensor in it, and the controller is connected to the winding magnetic circuit and has an output for connecting to an external interface. 2. The non-contact DC sensor according to claim 1, characterized in that it comprises a screen in the form of a ring of soft magnetic material located around the magnetic circuit in the same plane with it.

Description

НазначениеAppointment

Полезная модель относится к измерительным средствам электротехники, а именно к приборам для измерения токов или индикации их наличия, точнее - к бесконтактным датчикам постоянного тока.The utility model relates to measuring means of electrical engineering, namely, devices for measuring currents or indicating their presence, more precisely, to non-contact DC sensors.

Уровень техникиState of the art

В электротехнике существует задача измерения тока, величина которого значительно меньше максимально допустимой величины для данной цепи. При этом максимальная величина тока не подлежит измерению.In electrical engineering, there is the task of measuring current, the value of which is much less than the maximum permissible value for a given circuit. In this case, the maximum current value cannot be measured.

Например, при зарядке аккумуляторов источника бесперебойного питания, необходимо измерять ток зарядки (подзарядки), величиной до 1 А. При этом не требуется измерять ток в момент отдачи аккумулятором своей энергии, когда токи могут достигать 1 кА, а при коротком замыкании более 10 кА.For example, when charging the batteries of an uninterruptible power supply, it is necessary to measure the charging (recharging) current of up to 1 A. It is not necessary to measure the current when the battery releases its energy, when the currents can reach 1 kA, and with a short circuit more than 10 kA.

Известно изобретение по патенту РФ №2321002, которое относится к электротехнике, а именно к датчикам силового тока как постоянного, так и переменного. Такой датчик может входить в состав защитных коммутационных аппаратов и включает в себя: токопровод для измеряемого тока, датчик Холла с усилителем и компаратором, источник питания и аналого-цифровой преобразователь, содержащий блок сравнения сигнала величины тока одного направления, блок сравнения сигнала величины тока другого направления, источник опорного напряжения блока сравнения сигнала величины тока одного направления, источник опорного напряжения блока сравнения сигнала величины тока другого направления, блок сравнения сигналов для выдачи сигнала направления тока и источник опорного напряжения блока сравнения сигналов для выдачи сигнала направления тока. При этом аналого-цифровой преобразователь дополнительно содержит устройство защиты от перегрузки по току, включающее блок сравнения сигнала одного направления, блок сравнения сигнала другого направления, источник опорного напряжения блока сравнения сигнала одного направления, источник опорного напряжения блока сравнения сигнала другого направления и блок задержки сигнала, соответствующим образом соединенные между собой.The invention is known according to the patent of the Russian Federation No. 2321002, which relates to electrical engineering, namely to sensors of power current, both direct and alternating. Such a sensor can be a part of protective switching devices and includes: a current lead for the measured current, a Hall sensor with an amplifier and a comparator, a power source and an analog-to-digital converter containing a unit for comparing a signal for a current value of one direction, a unit for comparing a signal of a current value of another direction , the reference voltage source of the unit for comparing the signal of the magnitude of the current of one direction, the reference voltage source of the unit of comparing the signal of the magnitude of the current of one direction, the signal comparing unit Allows for the generation of a current direction signal and a reference voltage source of a signal comparison unit for generating a current direction signal. Moreover, the analog-to-digital converter further comprises an overcurrent protection device, including a signal comparison unit for one direction, a signal comparison unit for another direction, a reference voltage source for a signal comparison unit for one direction, a voltage reference source for a signal comparison unit for another direction, and a signal delay unit, appropriately interconnected.

Значение напряжения источника опорного напряжения устанавливается в пределах от напряжения на выходе датчика Холла с усилителем и компаратором, соответствующего номинальному току в токопроводе аппарата, до напряжения блока источника опорного напряжения величины тока условно положительного направления. Это значение напряжения выбирается исходя из коэффициента запаса по сечению токоведущих частей аппарата так, чтобы длительное протекание тока в главной цепи не вызвало перегрев токоведущих частей аппарата. Датчик обеспечивает защиту от перегрузок путем отключения от питания самого аппарата. Техническое решение позволяет использовать коммутационный аппарат при токах больше номинальных, но меньше аварийных, при обеспечении средне-квадратичного значения тока не более номинального, но при этом не обеспечивает высокую точность из-за гистерезисных явлений в магнитопроводе.The value of the voltage of the reference voltage source is set in the range from the voltage at the output of the Hall sensor with an amplifier and a comparator corresponding to the rated current in the device’s current path to the voltage of the block of the reference voltage source for the current of a conditionally positive direction. This voltage value is selected based on the safety factor for the cross-section of the current-carrying parts of the device so that a prolonged current flow in the main circuit does not cause overheating of the current-carrying parts of the device. The sensor provides overload protection by disconnecting the device from power. The technical solution allows the use of a switching apparatus at currents greater than rated, but less than emergency, while ensuring the root-mean-square current is not more than rated, but it does not provide high accuracy due to hysteresis phenomena in the magnetic circuit.

Известны датчики тока на эффекте Холла, предназначенные для измерения постоянного или переменного токов с гальванической развязкой силовой цепи и цепей контроля (http://znamus.ru/page/datchiki__holla)Known Hall effect current sensors for measuring direct or alternating currents with galvanic isolation of the power circuit and control circuits (http://znamus.ru/page/datchiki__holla)

Конструкция датчиков тока включает в себя магнитопровод с зазором и компенсационной обмоткой, датчик Холла и электронную плату обработки сигналов. Магниточувствительный датчик Холла закреплен в зазоре магнитопровода и соединен с входом электронного усилителя. При протекании измеряемого тока по шине, охватываемой магиитопроводом, в последнем наводится магнитная индукция. Датчик Холла, реагирующий на возникшее магнитное поле, вырабатывает напряжение, пропорциональное величине наведенной магнитной индукции. Выходной сигнал с датчика усиливается электронным усилителем и подается в компенсационную обмотку. В результате, по обмотке течет компенсационный ток, пропорциональный измеряемому току по величине и соответствующий ему по форме. Возникающее при этом магнитное поле компенсационной обмотки компенсирует магнитное поле измеряемого тока, и датчик Холла работает как нуль-орган. При этом полоса частот, пропускаемая таким датчиком тока, составляет от 0 Гц (постоянный ток) до 200 кГц. Точность измерения токов таких датчиков, как правило, существенно зависит от материала и качества изготовления магнитопровода. Существенно ограничивает точность измерения тока остаточная намагниченность магнитопровода, вызываемая протекающим измеряемым током.The design of current sensors includes a magnetic circuit with a gap and a compensation winding, a Hall sensor and an electronic signal processing board. The magnetically sensitive Hall sensor is fixed in the gap of the magnetic circuit and is connected to the input of an electronic amplifier. When the measured current flows through the bus covered by the magnetic wire, magnetic induction is induced in the latter. A Hall sensor that responds to an arising magnetic field generates a voltage proportional to the magnitude of the induced magnetic induction. The output signal from the sensor is amplified by an electronic amplifier and fed into the compensation winding. As a result, a compensation current proportional to the measured current in magnitude and corresponding to it in shape flows through the winding. The resulting magnetic field of the compensation winding compensates for the magnetic field of the measured current, and the Hall sensor acts as a zero-organ. In this case, the frequency band passed by such a current sensor is from 0 Hz (direct current) to 200 kHz. The accuracy of the measurement of currents of such sensors, as a rule, substantially depends on the material and the quality of magnetic circuit manufacturing. Significantly limits the accuracy of current measurement, the residual magnetization of the magnetic circuit caused by the flowing measured current.

Намагниченность магнитопровода снижается при использовании в конструкции датчика тока компенсационной обмотки. Однако, это только частичное решение задачи, поскольку при превышении величины измеряемого тока и максимального тока компенсации все-таки происходит намагничивание магнитопровода.Magnetization of the magnetic circuit decreases when a compensation coil is used in the design of the current sensor. However, this is only a partial solution to the problem, since when the measured current and the maximum compensation current are exceeded, magnetization of the magnetic core nevertheless occurs.

Кроме того, обязательным условием ненамагничивания магнитопровода - является требование не подавать ток в цепь измерения при отключенном питании датчика.In addition, a prerequisite for the non-magnetization of the magnetic circuit is the requirement not to supply current to the measurement circuit when the sensor power is off.

Выходной сигнал холостого хода у датчиков с компенсационной обмоткой составляет порядка 0,5% от номинального значения, допустимая перегрузка, при которой еще не насыщается сердечник - 1,5.The output signal of idling for sensors with a compensation winding is about 0.5% of the nominal value, the permissible overload at which the core is still not saturated is 1.5.

Выходной сигнал холостого хода датчика, способного, с учетом перегрузки, выдерживать ток 10 кА, будет соответствовать:The output signal of the idle sensor, which, taking into account overload, can withstand a current of 10 kA, will correspond to:

10000/1,5=6667 - номинал, 0,5% от 6667 соответствует 33,3 А.10000 / 1.5 = 6667 - nominal, 0.5% of 6667 corresponds to 33.3 A.

Таким образом, ток менее 33 А не будет "заметен" на фоне остаточной намагниченности, а значит описанный датчик непригоден для точного измерения малых токов (порядка единиц ампер).Thus, a current of less than 33 A will not be "noticeable" against the background of residual magnetization, which means that the described sensor is unsuitable for accurate measurement of low currents (of the order of units of amperes).

Существует другой вариант - специально размагничивать магнитопровод. Размагничивание производится устройством, способным создавать переменный ток, и плавно уменьшать его до минимума. Ток подается в проводник, заменяющий на время размагничивания проводник с измеряемым током. Для проведения такой операции необходимо снятия датчика с "измеряемого" проводника, что не всегда допустимо в реальных условиях производства.There is another option - specifically demagnetize the magnetic circuit. Demagnetization is carried out by a device capable of creating alternating current and smoothly reducing it to a minimum. Current is supplied to the conductor, replacing the conductor with the measured current for the time of demagnetization. To carry out such an operation, it is necessary to remove the sensor from the "measured" conductor, which is not always permissible in real production conditions.

Известны датчики, которые позволяют проводить более точные измерения при превышении значений номинальных токов, описанные в статье «Силовые промышленные датчики», автор А. Данилов, «Силовая электроника», октябрь 2004. В ней приведены схемы датчиков тока серии ACS750/752 компании Allegro MicroSystem, созданные на основе датчиков Холла со стабилизацией прерыванием. В состав датчика, принятого за прототип, кроме преобразователя Холла, входит коммутатор, усилитель, интегрирующий фильтр, выходное буферное устройство. Стабилизация прерыванием заключается в периодическом переключении квадратурных выводов ячейки Холла при помощи входного коммутатора, последующем дифференциальным усилением, стробированием и запоминанием плоского участка импульса при помощи устройства выборки хранения. Это позволяет компенсировать некоторые составляющие напряжения смещения. Датчики выпускаются на определенные номинальные токи и не могут использоваться при коротких замыканиях в коммутационных аппаратах.Sensors are known that allow more accurate measurements when exceeding the rated currents described in the article "Industrial Power Sensors", by A. Danilov, "Power Electronics", October 2004. It shows the diagrams of current sensors of the ACS750 / 752 series from Allegro MicroSystem based on Hall sensors with interrupt stabilization. The sensor adopted for the prototype, in addition to the Hall converter, includes a switch, an amplifier, an integrating filter, and an output buffer device. Interruption stabilization consists in periodically switching the quadrature outputs of the Hall cell using the input switch, followed by differential amplification, gating, and storing of the flat portion of the pulse using the storage sampler. This allows you to compensate for some of the components of the bias voltage. Sensors are available for specific rated currents and cannot be used for short circuits in switching devices.

Предлагаемая полезная модель решает задачу измерения тока, величина которого значительно меньше максимально допустимой величины для данной цепи.The proposed utility model solves the problem of measuring current, the value of which is much less than the maximum allowable value for a given circuit.

Раскрытие полезной моделиUtility Model Disclosure

Бесконтактный датчик постоянного тока содержит преобразователь Холла, источник питания, входной коммутатор, обеспечивающий переключение квадратурных выводов преобразователя Холла, последовательно соединенные с ним дифференциальный усилитель и интегрирующий фильтр. В датчик введены также магнитопровод с размагничивающей обмоткой и контроллер, включающий в себя аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор. Магнитопровод выполнен с зазором для размещения в нем датчика Холла.The non-contact DC sensor contains a Hall converter, a power source, an input switch that provides switching of the quadrature outputs of the Hall converter, a differential amplifier and an integrating filter connected in series with it. A magnetic circuit with a demagnetizing winding and a controller including an analog-to-digital converter and a microprocessor are also introduced into the sensor. The magnetic circuit is made with a gap to accommodate a Hall sensor in it.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что входной коммутатор позволяет скомпенсировать некоторые составляющие напряжения смещения, но в случае случайного короткого замыкания в цепи измерения результат измерения будет искажен остаточной намагниченностью магнитопровода наведенным током короткого замыкания. Поэтому всякий раз перед началом измерения следует проводить процедуру размагничивания магнитопровода. Это обеспечивает введенный контроллер, включающий в себя аналого-цифровой преобразователь и процессор. Контроллер обеспечивает пуск и плавное регулирование тока в обмотке размагничивания, то есть позволяет выполнять размагничивание магнитопровода без демонтажа датчика. При этом контроллер имеет выход на внешний интерфейс, что упрощает проведение калибровочных, настроечных и измерительных процессов.The essence of the proposed technical solution lies in the fact that the input switch allows you to compensate for some components of the bias voltage, but in case of an accidental short circuit in the measurement circuit, the measurement result will be distorted by the residual magnetization of the magnetic circuit induced by the short circuit current. Therefore, each time before starting the measurement, the demagnetization of the magnetic circuit should be carried out. This provides an input controller including an analog-to-digital converter and a processor. The controller provides start-up and smooth regulation of the current in the demagnetization winding, that is, it allows the demagnetization of the magnetic circuit without dismantling the sensor. At the same time, the controller has an output to an external interface, which simplifies the calibration, adjustment and measurement processes.

Кроме того, для защиты от паразитных помех магнитопровод окружен экраном из магнитомягкого материала, выполненного в виде кольца, расположенного в одной плоскости с магнитопроводом.In addition, to protect against spurious interference, the magnetic circuit is surrounded by a screen of soft magnetic material made in the form of a ring located in the same plane with the magnetic circuit.

Технический результат полезной модели заключается в исключении влияния последствий перегрузок измерительной цепи, вплоть до короткого замыкания, - на точность измерения.The technical result of the utility model is to eliminate the effect of the consequences of overloading the measuring circuit, up to a short circuit, on the measurement accuracy.

На фигуре, иллюстрирующей полезную модель, приведена структурная схема бесконтактного датчика постоянного тока.The figure illustrating a utility model shows a block diagram of a proximity sensor DC.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Бесконтактный датчик постоянного тока содержит последовательно соединенные преобразователь Холла 1, коммутатор 2, усилитель 3 и интегрирующий фильтр 4. Коммутатор может быть выполнен на микросхеме ADG513, усилитель - AD620, интегрирующий фильтр на микросхеме AD820, зашунтированной емкостью и резистором. В состав датчика тока входит кольцевой магнитопровод 5 с зазором. Датчик Холла 1 размещен в зазоре магнитопровода 5. На магнитопроводе 5 размещена обмотка размагничивания 6. Отдельный источник питания (не показан) подает электроэнергию во все части схемы, в том числе и на генератор тока 7 для питания датчика Холла 1. К выходу интегрирующего фильтра 4 подсоединен контроллер 8, включающий в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9 и процессор 9. Один из выходов микропроцессора 9 подсоединен к коммутатору 2, два других - к обмотке размагничивания 6, а группа выходов 11 могут подключаться к внешнему устройству, например, к интерфейсу типа RS485. Контроллер 8 может быть выполнен на микрочипе dsPic 30F3013.The non-contacting DC sensor contains a series-connected Hall converter 1, switch 2, amplifier 3 and an integrating filter 4. The switch can be made on the ADG513 chip, the amplifier - AD620, the integrating filter on the AD820 chip, shunted by capacitance and resistor. The composition of the current sensor includes an annular magnetic circuit 5 with a gap. The Hall sensor 1 is located in the gap of the magnetic circuit 5. On the magnetic circuit 5 there is a demagnetization winding 6. A separate power supply (not shown) supplies electricity to all parts of the circuit, including the current generator 7 to power the Hall sensor 1. To the output of the integrating filter 4 controller 8 is connected, including an analog-to-digital converter (ADC) 9 and processor 9. One of the outputs of microprocessor 9 is connected to switch 2, the other two to demagnetization winding 6, and the group of outputs 11 can be connected to an external device, example, to an interface like RS485. The controller 8 can be performed on a dsPic 30F3013 microchip.

Для защиты от паразитных помех магнитопровод 5 может быть окружен экраном 12, выполненным в виде кольца из магнитомягкого материала, например аморфного железа.To protect against spurious interference, the magnetic circuit 5 can be surrounded by a screen 12 made in the form of a ring of soft magnetic material, such as amorphous iron.

Датчик тока работает следующим образом. При протекании контролируемого тока по проводнику, проходящему через отверстие кольцевого магнитопровода 5, на выводах датчика Холла 1 формируется сигнал, пропорциональный силе контролируемого тока. При этом коммутатор 2 непрерывно производит перекоммутацию знака напряжения, подаваемого на входные зажимы датчика Холла 1, чем обеспечивает компенсацию напряжения смещения. Сигнал с датчика Холла 1 поступает на усилитель 3, с него на интегрирующий фильтр 4 и далее на АЦП 9 контроллера 8. Цифровой сигнал, вырабатываемый АЦП 9, подается на процессор 10 для формирования сигнала управления коммутатором 2.The current sensor operates as follows. When the controlled current flows through the conductor passing through the hole of the annular magnetic circuit 5, a signal proportional to the strength of the controlled current is formed at the terminals of the Hall sensor 1. In this case, the switch 2 continuously commutes the sign of the voltage supplied to the input terminals of the Hall sensor 1, thereby compensating for the bias voltage. The signal from the Hall sensor 1 is fed to amplifier 3, from it to an integrating filter 4 and then to ADC 9 of controller 8. The digital signal generated by ADC 9 is fed to processor 10 to generate a control signal for switch 2.

Перед началом измерения с процессора 10 подается сигнал (программно или по команде от оператора) на размагничивающую обмотку 6, обеспечивая размагничивание магнитопровода 5.Before starting the measurement from the processor 10, a signal (programmatically or by command from the operator) is supplied to the demagnetizing winding 6, providing demagnetization of the magnetic circuit 5.

После измерения один из выходов группы 11 микропроцессора 10 выдает сигнал в цифровой форме, пропорциональный измеряемому току.After measurement, one of the outputs of group 11 of the microprocessor 10 gives a signal in digital form proportional to the measured current.

Таким образом, за счет снижения величины смещения и размагничивания магнитопровода, бесконтактный датчик постоянного тока обеспечивает точное измерение токов вне зависимости от возможных, значительно превосходящих номинальные значения, всплесков тока.Thus, by reducing the magnitude of the bias and demagnetization of the magnetic circuit, the non-contact DC sensor provides accurate current measurement regardless of the possible, significantly exceeding the nominal values, current surges.

Claims

1. A non-contact DC sensor containing a Hall sensor, a power source, an input switch that provides switching of the quadrature outputs of the Hall sensor, and a differential amplifier and an integrated filter connected in series with it, characterized in that it additionally contains a magnetic circuit with a demagnetizing winding and a controller containing analog - a digital converter and a microprocessor, while the magnetic circuit is made with a gap to accommodate a Hall sensor in it, and the controller is connected to the winding of the magnetic circuit and has an output for connecting to an external interface.

2. The non-contact DC sensor according to claim 1, characterized in that it comprises a screen in the form of a ring of soft magnetic material located around the magnetic circuit in the same plane with it.