Главная страница
Навигация по странице:

  • ДАТЧИК НАПРЯЖЕНИЯ С ВНЕШНИМ ПЕРВИЧНЫМ РЕЗИСТОРОМ

  • ДАТЧИК НАПРЯЖЕНИЯ СО ВСТРОЕННЫМ ПЕРВИЧНЫМ РЕЗИСТОРОМ

  • ТИПОВЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ

    		•

    Датчики напряжения. Датчики напряжения компенсационного типа на эффекте холла. Конструкция и принцип действия


    Скачать 54.41 Kb.
    НазваниеДатчики напряжения компенсационного типа на эффекте холла. Конструкция и принцип действия
    АнкорДатчики напряжения
    Дата04.09.2022
    Размер54.41 Kb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаДатчики напряжения.docx
    ТипДокументы
    #661994

    1. ДАТЧИКИ НАПРЯЖЕНИЯ КОМПЕНСАЦИОННОГО ТИПА НА ЭФФЕКТЕ ХОЛЛА.

      1. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

    Датчики со 100% обратной связью (также называемые компенсационными или датчиками с нулевым потоком) имеют встроенную компенсационную цепь, с помощью которой характеристики датчиков напряжения, использующие эффект Холла, могут быть существенно улучшены.

    В компенсационных датчиках усиленное напряжение с генератора Холла используется для создания компенсационного тока Is во вторичной обмотке. Создаваемый при этом магнитный поток компенсирует магнитный поток, создаваемый первичным током Ip.

    Таким образом, датчик работает практически при нулевом магнитном потоке. Это исключает температурный дрейф коэффициента преобразования датчика. Другим преимуществом датчиков компенсационного типа является то, что вторичная обмотка работает как трансформатор тока на высоких частотах, что значительно расширяет частотный диапазон датчика.

    Датчики напряжения, основанные на эффекте Холла, основаны на тех же принципах, что и датчики тока. Практически они собраны на базе датчиков тока, а главное отличие состоит в первичной цепи, катушка которой изготовлена с большим количеством витков. Это позволяет иметь необходимое количество ампер-витков для создания первичной индукции при минимальном значении первичного тока, обеспечивая минимальное потребление из входной цепи (цепи преобразуемого напряжения).

    Поэтому для измерения напряжения достаточно обеспечить первичный ток, эквивалентный этому напряжению, который и будет преобразовывать датчик. Это достигается с помощью резистора, последовательно соединенного с первичной обмоткой.

    Таким образом, принципом действия является основанное на эффекте Холла, компенсационного типа измерение малого тока прямо пропорционально измеряемому напряжению. Используя добавочный резистор большого сопротивления R1, в первичной цепи, получаем малый ток Imes, который может быть измерен “оптимизированным” датчиком тока., позволяющим точно измерить малый ток Imes, при этом, имея малый входной импеданс для обеспечения приемлемой точности и достаточного частотного диапазона.

    Резистор R1 может быть внешним или встроенным в конструкцию датчика.

      1. ДАТЧИК НАПРЯЖЕНИЯ С ВНЕШНИМ ПЕРВИЧНЫМ РЕЗИСТОРОМ

    Так как в таком датчике напряжения используется тот же принцип работы, что и в датчике тока, то для определения значения выходного напряжения и сопротивления нагрузочного резистора подходят те же правила. Дополнительно должно быть рассчитано значение R1. (Рис.1)



    Рис.1 Эквивалетная схема для расчета внешнего резистора R1.

    Пример 1: расчет R1 для датчика LV100/Sp83:

    А) Определение значения первичного резистора R1, исходя из техпаспорта:

    Номинальный ток: Iном = 10 мА

    Диапазон преобразования: Ip = 20 мА

    Сопротивление первичной обмотки: Rp = 1900 Ω (при +70℃)

    R1 = VPN / IPN – Rp = (230 / 10 * 10 - 3) – 1900 = 21000 Ω

    R1 = 21 кОм Общее сопротивление первичной цепи составит 22,9 кОм при 70℃.

    Номинальное значение мощности PN, рассеиваемой в резисторе R1:



    Чтобы избежать чрезмерного температурного дрейфа резистора R1 и для повышения надежности работы схемы необходимо выбирать номинальную мощность резистора в 3 - 4 раза выше расчетной. В данном случае желательно выбрать

    B) Можно ли измерить значение импульсного напряжения в 500 В с таким резистором R1?

    • Изменение 500 В возможно при условии, что среднее значение первичного тока держится на уровне 10 мА (что определяется условиями рассеивания мощности). Если это правило не выполняется, то R1 должен быть пересчитан в большую сторону для меньшего первичного тока;

    • Первичный ток при большом входном напряжении не должен превышать значение максимального диапазона преобразования для данного типа датчика (20 мА для LV100/SP83).

    В нашем случае мы предположим, что принимается среднеквадратичное значение. Рассчитаем значение первичного тока Ip:

    А, что выходит за границы диапазона.

    Поэтому, для определения возможности данного измерения, необходима проверка со стороны вторичной (измерительной) части схемы датчика:

    Соотношение витков составляет 10000/2000, откуда Is = 5 * 21,8 мА = 109мА.

    Расчет значения VA = (RS+RMmax) * IS = (60+150) Ω * 50 мА = 10,5 В

    Вычисление

    Вывод: преобразование напряжения 500 В возможно, если использовать Rm не более 36,3 Ω.

    С) Влияние R1 и Rp на точность преобразования.

    Любое изменение R1 и Rp влияет на стабильность первичного тока Imes, а, следовательно, и на величину выходного сигнала.

    Расчет точности преобразования, с учетом погрешности R1 и Rp, в худшем случае, для температурного диапазона от +20℃ до +70℃.

    Эталонный случай: эталонное значение измеряемого тока Imes определяется для условий температуры +70℃ и номинальных значений резисторов R1 и Rp (R1 = 21 кОм, как рассчитано ранее, при +70℃; и Rp = 1,9 кОм согласно техническому паспорту). Полученный ток Imes равен 230 В / (21 + 1,9) кОм = 10 мА.

    Максимальная погрешность.

    Сопротивления резисторов при +20℃ меньше, чем при +70℃. Для худшего случая дополнительно принимается во внимание погрешность из-за допуска резисторов при определении минимального значения сопротивлений.

    Для резистора R1 типовое значение температурного дрейфа и допуска 50 ppm/℃ и ± 0,5% соответственно.

    Минимальное значение получается R1 = 21000 * (1 - 50 * 50 * 10 - 6) *(1-0.005) = 20942 Ω.

    Величина сопротивления катушки Rp из медного провода, в зависимости от температуры, выражается следующей зависимостью:



    RPF – сопротивление при конечной температуре (+70℃)

    Rp20 – сопротивление при начальной температуре (+20℃)

    Α – температурный коэффициент меди равен 0,004 К-1

    ∆T – разность температур

    Заметим, что реальная температура медной обмотки, как правило, выше температуры окружающей среды из-за дополнительного разогрева обмотки.



    Получаем ток , что соответствует погрешности +2,1%.

    D) Погрешность преобразования датчика

    В нашем случае мы принимаем, что значение R1 выбрано для получения первичного тока IPN = 10 мА. В соответствии с техническим паспортом LV100/SP83, ошибка преобразования при 25℃ равна ±0,3 мА max. При коэффициенте преобразования 10000:2000 входной ток 10 мА соответствует 50 мА на выходе.

    Значения погрешности будут:

    Ошибка при 25℃

    ± 0,7% от IPN

    ± 0.7%

    Температурный дрейф ± 0,3% мА / 50мА ± 0,6%

    Максимальная ошибка преобразования тока ±1,3%

    E) Полная погрешность преобразования

    Погрешности, рассчитанные в примерах C) и D), определяют погрешность преобразования тока. Типовая схема включения предполагает наличие измерительного резистора RM на выходе для преобразования выходного тока в напряжение.

    Принимая для RM типовые значения допуска ±0,5% и температурного коэффициента 50 ppm/K, получаем ошибку 0,225% при изменении температуры от 20℃ до 70℃.

    Общая погрешность RM составляет 0,5 + 0,225 = 0,725%.

    Для датчика LV100/SP83 полная погрешность для номинального напряжения 230 В, температурного диапазона от 25℃ до 70℃ состоит из погрешностей c), d) и RM:

    2,1% + 1,3% + 0,725% = 4,125%

    Пример 2:

    Значение внешнего резистора при преобразовании номинального значения напряжения VPN = 1000 В и его точность преобразования.

    А) Расчет внешнего резистора в техническом паспорте указано:

    Номинальный ток:

    Диапазон преобразования:

    Сопротивление первичной обмотки:

    IPN = 10 мА

    IP = 20 мА или 2 * IPN

    RP = 1900 Ω (при +70℃) или RP = 1615 Ω (при +25℃)

    Ω

    Номинальная мощность, рассеиваемая в R1:

    и, как упоминалось ранее, необходимо выбирать мощность резистора с трех-четырех кратным запасом.

    Выберем значение мощности, равное 40 Вт. Полное сопротивление первичной цепи будет следующим:



    B) Расчет точности преобразования:

    Влияние выбора R1 на точность преобразования и изменение Rp в зависимости от рабочей температуры. Расчет производится по той же методике, что и для 230 B:

    R1 при допуске 0,5% и температурном дрейфе 50 ppm/K

    RImax = 98385 Ω * 1.005 * 1.00225 = 99099 Ω и RImin = 98385 Ω * 0,995 * 0,99875 = 97771 Ω

    Максимальное значение Rp для 70℃ равно 1,9 кОм тогда как, минимальное значение для 20℃:



    Общее первичное сопротивление RТОТ находится между:

    RTOTmin = 97771 + 1538 = 99354 Ω и RTOTmax = 99099 + 1900 = 100999 Ω

    Диапазон первичного тока

    От 1000В / 100999 Ω = 9,90 мА до 1000 В / 99354 Ω = 10,07 мА, что можно интерпретировать, как 9,985 мА ± 0,085 мА, что соответствует разбросу ±0,85%.

    С) Погрешность преобразования тока рассчитывается аналогично в 1d) и составляет 1,3%;

    D) Для DV100/SP83 полная погрешность преобразования при 1000 В номинального напряжения на входе, для диапазона рабочих температур от 20℃ до 70℃, при тех же предположениях для RM, что и в примере 1Е), составляет:

    0,85% + 1,3% + 0,725% = 2,875%.

    Выводы:

    Как мы видим из этих двух примеров, общая точность преобразования существенно выше для больших напряжений, так как менее заметно влияние изменения сопротивления первичной катушки RP от температуры при большем изменении R1 для большого напряжения. Для получения лучшей точности при измерении малых напряжений необходимо выбирать датчики с большим коэффициентом преобразования (с меньшим количеством витков первичной катушки). Однако, при этом увеличивается рассеиваемая мощность в первичной цепи и, соответственно, потребление энергии от первичной цепи. Преимуществом датчиков напряжения с меньшим количеством витков первичной катушки также является более широкий частотный диапазон, т.к. уменьшается индуктивность LP.

    В конечном итоге, если необходимо, калибровка выходного сигнала датчика напряжения может быть выполнена подстройкой значения резистора R1.

      1. ДАТЧИК НАПРЯЖЕНИЯ СО ВСТРОЕННЫМ ПЕРВИЧНЫМ РЕЗИСТОРОМ

    В датчиках напряжения применены встроенные резисторы R1 мощностью 10 Вт. Встроенные резисторы позволяют осуществлять заводскую калибровку, что позволяет получить большую точность.

    Диапазон измерения ограничен значением 150% от номинального напряжения, за исключением измерения импульсов напряжения, где действует правило не превышения средней рассеиваемой мощности на резисторе 10 Вт.

    Методика расчета выходной (измерительной) цепи для датчиков напряжения – выбор измерительного резистора RM и расчет выходного напряжения.

      1. ТИПОВЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ

    Датчики напряжения компенсированного типа на эффекте Холла широко используются в промышленности и на транспорте для обнаружения, контроля и регулирования напряжений на входе, выходе и выпрямленном и отфильтрованном выходе частотных инверторов, где точность измерения и гальваническая изоляция между силовой и измерительной цепями имеют первостепенное значение.

    написать администратору сайта