|
Нынешний уровень развития производства требует всесторонней автоматизации – применения систем учета, контроля и т.д. А поскольку базируются все процессы автоматизации на показаниях первичных датчиков физических величин (тока, напряжения, мощности), то понятен интерес и повышенные требования, которые предъявляются к их конструкциям и характеристикам. Сегодня ФГУП НИИ Электромеханики (ФГУП НИИЭМ г. Истра, Московской обл.) предлагает более 250 модификаций первичных датчиков. Представленная информация об особенностях датчиков от НИИЭМ поможет потребителям разобраться в их конструкциях, технических возможностях, преимуществах и недостатках и решить нелегкий вопрос: использовать отечественные приборы или сделать выбор в пользу зарубежных аналогов.
Первичные датчики, разработанные и выпускаемые НИИЭМ, можно условно разбить на две группы – датчики тока и напряжения, и датчики активной мощности. Физическая основа работы всех датчиков заключается в том, что ток создает вокруг проводника магнитное поле, характеристики которого однозначно связаны с амплитудой, направлением и видом протекающего тока. Отсюда и основное преимущество датчиков, реализующих указанный принцип работы: они измеряют любой вид тока без разрыва токовой цепи и с гальванической развязкой выходного сигнала от токовой цепи.
Датчики измерения тока и напряжения
Универсальные датчики тока. Универсальность датчиков заключается в том, что одним и тем же прибором можно измерять постоянные, переменные и импульсные токи. Для этого в конструкцию датчика кроме концентратора магнитного поля, входит так называемый датчик Холла – миниатюрный полупроводниковый прибор, определяющий величину и направление магнитного поля проходящего тока. Конструктивно датчик выполнен в виде миниатюрного автономного модуля с напряжением питания ± 15 В – по требованию заказчика источник питания может быть поставлен вместе с датчиком.
Потребитель должен только пропустить токовую шину через отверстие в корпусе датчика тока. Понятно, что в зависимости от величины измеряемого тока и внешних условий эксплуатации датчиков, меняется диаметр отверстия и конструкция корпуса приборов.
Диапазон измерения тока датчиков серии ДТХ составляет от десятков миллиампер и до трех тысяч ампер. Наиболее популярными и часто используемыми являются датчики ДТХ-50 ÷ ДТХ-200. Такие модули имеют минимальные размеры, массу и монтируются, как правило, на печатной плате. Для этого служат выводные ножки датчика, которые впаиваются в металлизированные отверстия печатной платы и изготовлены со стандартным шагом 2,5 мм. При необходимости работы ДТХ в условиях, связанных с внешними механическими воздействиями, предусмотрена более жесткая конструкция – электрическое соединение датчика осуществляется с помощью разъема.
Выходной сигнал стандартного датчика ДТХ или ДТХ-Т – токовый и строго пропорционален мгновенному значению измеряемого тока. Однако, по требованию заказчика, электронная схема датчика легко трансформируется и тогда датчик может измерять действующее значение тока (TRUE-RMS), либо обладает стандартным токовым выходом 4--20 мА (0--20 мА). Это создает дополнительные удобства при использовании датчиков в системах автоматизации или связи.
Основные преимущества датчиков ДТХ и ДТХ-Т: высокая точность измерений (до 1%), гальваническая развязка, малые массогабаритные параметры и температурный дрейф характеристик. Диаметр отверстий под токовую шину колеблется от 10 мм. (ДТХ-50) до 40 мм. (ДТХ-3000).
Датчики измерения переменного тока. Датчики переменного тока серии ДТТ можно рассматривать как частный случай универсальных датчиков ДТХ. Анализ рынка показывает, что в 50% случаев потребителям необходимо измерять только переменные токи синусоидальной формы (50 Гц). Именно для таких измерений разработана серия датчиков ДТТ, конструктивно выполненных в корпусах ДТХ, однако имеющих более дешевую электронную начинку (таблица 2). Цена таких датчиков приблизительно в 1,5 раза ниже, а уровень технических характеристик весьма высок. Датчики ДТТ могут работать в широком температурном диапазоне (- 40… 80оС) с минимальной температурной погрешностью. Линейность АЧХ не хуже 1% в диапазоне частот от 20 Гц до 10 кГц. Кроме того, потребитель сам выбирает с каким выходным сигналом датчика ему удобно работать: это может быть потенциальный сигнал или токовый выход 4--20 мА (0--20 мА).
Датчики измерения напряжения. Если измеряемое напряжение цепи преобразовать в ток (для этого достаточно использовать токозадающее сопротивление), то величина этого тока будет пропорциональна напряжению в измерительной цепи. Этот принцип лежит в основе работы датчиков напряжения, а наличие в их конструкции датчика Холла обеспечивает гальваническую развязку силовых и контрольных цепей.
Датчик напряжения может монтироваться на печатную плату, а токозадающее сопротивление подключается одним концом к измерительной цепи, а вторым – к винтовому выводу датчика. Второй винтовой вывод датчика соединяется с измерительной цепью. В ряде случаев более удобным является размещение датчика на DIN-рейке - существует специальная переходная планка. В ряде случаев более удобным является клеммное устройство датчика напряжения. Такой датчик напряжения имеет возможность непосредственного монтажа на DIN-рейке.
Датчики напряжения позволяют измерять постоянное и переменное напряжение до 1000 В в широком температурном диапазоне. Электронная схема датчика предусматривает получение выходного сигнала в виде напряжения или в виде токового сигнала 4--20 мА (0--20 мА). Например, датчик ДНХ-03 (табл. 3) предназначен для преобразования входного постоянного импульсного напряжения положительной полярности в стандартное (мгновенное) значение токового выхода 4--20 мА. А модификация этого же датчика - ДНХ-03 RMS -преобразует входное напряжение в действующее выпрямленное значение стандартного токового выхода 4--20 мА. Питание датчика ДНХ-03 осуществляется по токовой петле 4--20 мА, а монтаж - на DIN-рейку.
Предлагаются более дешевые датчики ДНТ-05 для измерения только переменного напряжения. Датчик ДНТ-051 можно использовать для работы в однофазных цепях, а датчик ДНТ-053 предназначен для работы в 3-х фазных цепях и содержит в одном корпусе три независимых, гальванически изолированных канала, каждый из которых идентичен датчику ДНТ-051. Датчик напряжения ДНТ-05 преобразует входное напряжение в средневыпрямленное значение выходного тока, проградуированное в среднеквадратических значениях.
Разъемные датчики тока. Существует целая отрасль измерений, которая принципиально не может использовать вышеописанные стационарные датчики. Это касается вопросов мониторинга токовых цепей, которые давно собраны и функционируют. Кроме того, целый ряд производств с непрерывным циклом не допускает длительного отключения токовых цепей и переустановки оборудования. Для таких случаев незаменимыми оказываются разъемные датчики тока серии ДТР-01 и ДТХ-Ж.
Основой таких датчиков является разъемный магнитопровод, позволяющий монтировать (и демонтировать) датчики непосредственно на токовой шине, без разрыва последней и с гальванической изоляцией измеряемого тока от измерительных цепей. При необходимости датчики можно закрепить и на DIN-рейке.
При протекании измеряемого тока по шине, охватываемой магнитопроводом датчика, в обмотке датчика наводится ток, пропорциональный измеряемому току. Выходной сигнал с обмотки подается либо на выпрямитель (детектор) амплитудных значений (маркировка датчика ДТР-01), либо на детектор истинных среднеквадратичных значений (ДТР-01 RMS). Напряжение постоянного тока с выхода детектора преобразуется в сигнал интерфейса «токовая петля 4--20 мА».
Разъемные датчики тока относятся к числу последних разработок НИИЭМ - на сегодняшний день освоено производство только двух модификаций, внешний вид которых представлен на рис. 4. Датчик ДТР-01 рассчитан для монтажа на круглой шине и предназначен для измерения токов в диапазоне от 5 до 300 А с допустимой перегрузкой по входному току в 1,5 раза. Разъемная конструкция датчиков ДТХ-1000Ж, ДТХ-1500Ж или ДТХ-3000Ж позволяет закрепить их на плоской шине - номинальный измеряемый ток у этих датчиков 1000, 1500 или 3000 А (соответственно).
Клещи электроизмерительные. Описанная выше конструкция разъемных датчиков позволяет закрепить их непосредственно на шине без разрыва токовой цепи. Дальше такие датчики функционируют как обычные стационарные приборы. В то же время существует целый ряд задач, которые требуют частых разовых измерений, причем в различных, иногда труднодоступных участках токовых цепей. Для решения таких задач предлагаются клещи электроизмерительные серии КЭИ.
Токовые клещи являются автономным контрольным прибором (питание от 2-х пальчиковых батареек), который предназначен для измерения действующего значения переменного и постоянного токов без разрыва силовой цепи. Клещи КЭИ введены в Государственный Реестр СИ РФ, сертифицированы и выпускаются в различных модификациях. Базовая модель клещей
КЭИ-0,6М – это интеллектуальный прибор, в конструкции которого используется микроконтроллер с электрически программируемым ПЗУ (EEPROM). Благодаря этому клещи кроме ряда стандартных функций (измерение постоянного и переменного токов), содержат еще и ряд функций мультиметра. Они могут использоваться для измерения напряжения постоянного и переменного токов до 600 В, для измерения сопротивления цепи до 2000 Ом и измерения температуры окружающей среды. Выбор пределов измерений, обнуление шкалы в клещах производятся автоматически. Кроме того, клещи КЭИ содержат ряд сервисных функций: функцию удержания («память») измеренного значения, способны работать в режиме поиска min или max значения тока за измеряемый промежуток времени. Функция энергосбережения («спящий режим») позволяет свести к минимуму энергозатраты. По требованию заказчика клещи комплектуются стандартным интерфейсом RS-232 для связи с ПК. Малые массогабаритные параметры и различный диаметр отверстия под токовую шину создают дополнительные удобства для потребителей. Отечественные клещи марки КЭИ работают при температурах окружающей среды - 20оС.
Из широкого перечня предлагаемых клещей необходимо выделить модификации этих приборов для измерения больших токов до 3 кА (КЭИ-3) и до 5 кА. Диаметр отверстия клещей под токовую шину с измеряемым током до 5 кА составляет 160 мм. Для сравнения эти клещи представлены на одном рисунке рядом со своим собратом – это клещи - адаптер предназначенные для измерения постоянных и переменных токов без индикации измеренных значений на ЖКИ дисплее. Кроме отсутствия ЖКИ, клещи-адаптер отличаются упрощенной электрической схемой и, следовательно, меньшей ценой. В то же время сохраняется возможность выбора таких клещей с размахом губок под токовую шину от 20 и до 64 мм для измерения токов от 20 и до 1500 А.
Датчики измерения мощности (ДИМ).
Логическим продолжением описанных выше приборов является ДИМ, схемно реализующий формулу расчета мощности (P=I∙U). ДИМ предназначен для преобразования активной мощности, потребляемой нагрузкой в цепях переменного тока (50 Гц) и постоянного тока в пропорциональный сигнал токового интерфейса 0--20 мА или 4--20 мА, гальванически изолированного от измерительных цепей.
Диапазон мощностей, измеряемых ДИМ, составляет от 5 до 200 кВт. При этом диапазон входных напряжений колеблется от 20 до 380 В, а диапазон входных токов составляет от 20 до 600 А. Коэффициент мощности (Cos Ψ) ДИМ на частоте 50 Гц составляет 0,3÷1, погрешность ± 2%.
Учитывая, что ДИМ может быть изготовлен в одном из описанных ранее корпусов, можно варьировать диаметр отверстия под токовую шину или изготовить ДИМ под плоскую токовую шину. Питается ДИМ от внешнего источника 13,5÷16,5 В и выдерживает длительную перегрузку по входу до 120% от номинальных значений напряжения и тока.
Датчик больших токов (ДБТ).
Отдельного описания заслуживает ДБТ, представленный уже в сборе на токовой шине ванны электролиза алюминия.
Конструктивно ДБТ состоит из двух блоков: измерительного контура и блока питания. Разъемный измерительный контур массой до 40 кг. предназначен для монтажа непосредственно на токоведущей шине. Размеры внутреннего окна контура могут составлять 400×400 мм. Удобство монтажа датчика без разрыва токовой шины – это только одно из преимуществ ДБТ по сравнению с традиционно используемыми шунтами. Электрическая связь между измерительным контуром и блоком питания и индикации осуществляется с помощью кабеля длиной до 5 метров. Блок питания и индикации смонтирован в удобном переносном корпусе и питается от однофазной промышленной сети переменного тока 220 В (50 Гц) ±10%. Блок обеспечивает питанием измерительный контур и формирует выходной сигнал стандартной токовой петли 0--5 мА. Погрешность датчика составляет 0,4%, ДБТ полностью сохраняет работоспособность при 1,5-кратной перегрузке измеряемого тока.
ДБТ реализует тот же принцип работы датчиков тока, который описан выше. Однако области использования ДБТ весьма специфичны: это энергоемкие производства медеплавильной промышленности, предприятия нефтяной промышленности и электрометаллургии, нефтехимия и электроэнергетика с высоким уровнем паразитных магнитных полей. Это накладывает целый ряд дополнительных требований и ограничений на схемотехнику датчика, его конструктивные особенности. Учитывая тяжелые температурные условия работы прибора и высокий уровень электромагнитных помех, в датчике предусмотрена специальная система теплоотвода, повышены изолирующие свойства измерительного контура и предусмотрены меры электромагнитной защиты.
В настоящее время ДБТ выпускается в 3-х модификациях: на 8 кА (ДБТ-8), на 15 кА (ДБТ-15) и на 25 кА (ДБТ-25). При измерении таких токов особенно остро встает проблема метрологии измерительного датчика. Для решения этой задачи и с целью максимального удобства использования такого прибора, в конструкции ДБТ предусмотрена специальная поверочная обмотка. С помощью этой обмотки можно производить настройку и периодическую поверку ДБТ непосредственно на предприятии заказчика.
Не менее существенным преимуществом ДБТ является его цена: она приблизительно в 3--4 раза ниже существующих зарубежных аналогов.
Для желающих более подробно ознакомиться с нашими разработками имеется страница в Интернете http://www.niiem.ru.
В ближайшее время следует ожидать появления на рынке нового датчика больших токов на 40000 Ампер, разработка и изготовление которого сейчас заканчиваются. Новый датчик сохраняет все достоинства датчика ДБТ, однако диапазон измеряемых токов увеличен до 40 КА, снижена масса разъемного магнитопровода и усовершенствована элементная база электронного блока питания датчика.
Адрес для справок и консультаций:
143500, г. Истра-2, Московской обл., НИИЭМ,
телефон (095)-994-51-88,
факс (096-31)-5-26-88; (095)-975-49-17.
E- mail: sensor@istra.ru ; support@niiem.ru
Страничка в Интернет - http://www.niiem.ru
|
|
