Grundprinzip und Anwendungsmethode von Hall-Strom- und -Spannungssensoren und -transmittern

1. Hall-Gerät

 

 

Die Hall-Vorrichtung ist eine Art magnetoelektrischer Wandler aus Halbleitermaterialien.Wenn der Steuerstrom IC mit dem Eingangsende verbunden ist, erscheint das Hall-Potential VH am Ausgangsende, wenn ein Magnetfeld B durch die magnetische Erfassungsoberfläche der Vorrichtung hindurchgeht.Wie in Abbildung 1-1 gezeigt.

 

 

Die Größe des Hall-Potentials VH ist proportional zum Produkt des Steuerstroms IC und der magnetischen Flussdichte B, d. h. VH = khicbsin Θ

 

 

Der Hall-Stromsensor ist nach dem Prinzip des Ampere-Gesetzes aufgebaut, d. h. um den stromführenden Leiter herum wird ein dem Strom proportionales Magnetfeld erzeugt, und das Hall-Gerät wird verwendet, um dieses Magnetfeld zu messen.Damit ist eine berührungslose Strommessung möglich.

 

 

Messen Sie indirekt den Strom des stromführenden Leiters, indem Sie das Hall-Potential messen.Daher wurde der Stromsensor einer elektro-magnetischen elektrischen Isolationsumwandlung unterzogen.

 

 

2. Prinzip der Hall-DC-Erkennung

 

 

Wie in Abbildung 1-2 gezeigt.Da der Magnetkreis eine gute lineare Beziehung zum Ausgang der Hall-Vorrichtung hat, kann das von der Hall-Vorrichtung ausgegebene Spannungssignal U0 indirekt die Größe des gemessenen Stroms I1 widerspiegeln, d. h. I1 ∝ B1 ∝ U0

 

 

Wir kalibrieren U0 auf 50 mV oder 100 mV, wenn der gemessene Strom I1 dem Nennwert entspricht.Dies macht einen Hall-Direkterfassungs-Stromsensor (keine Verstärkung).

 

 

3. Hall-Magnetkompensationsprinzip

 

 

Der primäre Hauptkreis hat einen gemessenen Strom I1, der einen magnetischen Fluss Φ 1 erzeugt. Der durch den Strom I2 erzeugte magnetische Fluss, der durch die sekundäre Kompensationsspule Φ 2 geleitet wird, hält das magnetische Gleichgewicht nach der Kompensation aufrecht, und das Hall-Gerät ist immer in der Rolle, Nullmagnet zu erkennen Fluss.Daher wird er als Hall-Magnetkompensationsstromsensor bezeichnet.Dieser erweiterte Prinzipmodus ist dem Direkterkennungsprinzipmodus überlegen.Seine herausragenden Vorteile sind eine schnelle Reaktionszeit und eine hohe Messgenauigkeit, die sich besonders für die Erkennung schwacher und kleiner Ströme eignet.Das Prinzip der magnetischen Hall-Kompensation ist in Abbildung 1-3 dargestellt.

 

 

Abbildung 1-3 zeigt: Φ 1= Φ zwei

 

 

I1N1=I2N2

 

 

I2 = NI/N2·I1

 

 

Wenn der Kompensationsstrom I2 durch den Messwiderstand RM fließt, wird er an beiden Enden von RM in Spannung umgewandelt.Messen Sie als Sensor die Spannung U0, also U0 = i2rm

 

 

Nach dem Prinzip der magnetischen Hallkompensation wird ein Stromsensor mit Nenneingang von bis zu Serienspezifikationen hergestellt.

 

 

Da der magnetische Kompensationsstromsensor mit Tausenden von Windungen der Kompensationsspule auf den Magnetring gewickelt werden muss, steigen die Kosten;Zweitens steigt auch der Betriebsstromverbrauch entsprechend an;Es hat jedoch die Vorteile einer höheren Genauigkeit und einer schnellen Reaktion als die direkte Inspektion.

 

 

4. Magnetischer Kompensationsspannungssensor

 

 

Um den kleinen Strom des Ma-Pegels zu messen, kann gemäß Φ 1 = i1n1 durch Erhöhen der Windungszahl von N1 auch ein hoher Magnetfluss Φ 1 erhalten werden。 Der durch dieses Verfahren hergestellte kleine Stromsensor kann nicht nur den Ma-Pegel-Strom messen, sondern auch Spannung.

 

 

Anders als beim Stromsensor wird bei der Spannungsmessung die Wicklung mit mehreren Windungen auf der Primärseite des Spannungssensors in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand R1 geschaltet und dann parallel zur gemessenen Spannung U1 geschaltet, um den Strom I1 proportional zu zu erhalten die gemessene Spannung U1, wie in Abbildung 1-4 dargestellt.

 

 

Das Prinzip der Sekundärseite ist das gleiche wie das des Stromsensors.Wenn der Kompensationsstrom I2 durch den Messwiderstand RM fließt, wird er an beiden Enden von RM als Messspannung U0 des Sensors in Spannung umgewandelt, d. h. U0 = i2rm

 

 

5. Ausgang des Stromsensors

 

 

Der Stromsensor mit direkter Erfassung (ohne Verstärkung) hat eine Ausgangsspannung mit hoher Impedanz.In der Anwendung sollte die Lastimpedanz größer als 10 kΩ sein.Normalerweise wird seine Ausgangsspannung von ± 50 mV oder ± 100 mV mit einem Proportionalverstärker mit Differenzeingang auf ± 4 V oder ± 5 V verstärkt.Abbildung 5-1 zeigt zwei praktische Schaltungen als Referenz.

 

 

(a) Die Figur kann die allgemeinen Genauigkeitsanforderungen erfüllen;(b) Das Diagramm hat eine gute Leistung und ist für Gelegenheiten mit hohen Genauigkeitsanforderungen geeignet.

 

 

Der verstärkte Stromsensor mit direkter Detektion hat eine Ausgangsspannung mit hoher Impedanz.In der Anwendung sollte die Lastimpedanz größer als 2K Ω sein.

 

 

Magnetische Kompensationsstrom-, Spannungs-magnetische Kompensationsstrom- und Spannungssensoren sind Stromausgangstypen.Aus Abbildung 1-3 ist ersichtlich, dass das „m“-Ende mit der Stromversorgung „O“ verbunden ist.

 

 

Der Anschluss ist der Strompfad I2.Daher ist der Signalausgang vom „m“-Ende des Sensors ein Stromsignal.Das Stromsignal kann in einem bestimmten Bereich fernübertragen und die Genauigkeit garantiert werden.Im Gebrauch muss der Messwiderstand RM nur auf dem sekundären Instrumenteneingang oder der Terminal-Bedienfeldschnittstelle ausgelegt werden.

 

 

Um eine hochpräzise Messung zu gewährleisten, sollte Folgendes beachtet werden: ① Die Genauigkeit des Messwiderstands wird im Allgemeinen als Metallschichtwiderstand mit einer Genauigkeit von ≤ ± 0,5% ausgewählt.Einzelheiten finden Sie in Tabelle 1-1.② Die Schaltkreis-Eingangsimpedanz des sekundären Instruments oder der Terminal-Steuerplatine sollte mehr als 100-mal größer sein als der Messwiderstand.

 

 

6. Berechnung von Abtastspannung und Messwiderstand

 

 

Aus der vorherigen Formel

 

 

U0 = I2RM

 

 

RM = U0/I2

 

 

Wobei: U0 – gemessene Spannung, auch bekannt als Abtastspannung (V).

 

 

I2 – Kompensationsstrom der Sekundärspule (a).

 

 

RM – Widerstand messen (Ω).

 

 

Bei der Berechnung von I2 kann der dem gemessenen Strom (Nenneffektivwert) I1 entsprechende Ausgangsstrom (Nenneffektivwert) I2 aus der technischen Parametertabelle des magnetischen Kompensationsstromsensors entnommen werden.Wenn I2 in U0 = 5 V umgewandelt werden soll, siehe Tabelle 1-1 für die RM-Auswahl.

 

 

7. Berechnung des Sättigungspunktes und * großer gemessener Strom

 

 

Aus Abbildung 1-3 ist ersichtlich, dass die Schaltung des Ausgangsstroms I2 wie folgt lautet: v+ → Kollektor Emitter des Leistungsendverstärkers → N2 → RM → 0. Der Ersatzwiderstand der Schaltung ist in Abbildung 1-6 dargestellt.(Die Schaltung von v- ~ 0 ist die gleiche und der Strom ist entgegengesetzt)

 

 

Wenn der Ausgangsstrom i2* groß ist, steigt der Stromwert nicht mehr mit dem Anstieg von I1, was als Sättigungspunkt des Sensors bezeichnet wird.

 

 

Berechnen Sie nach folgender Formel

 

 

I2max = V+-VCES/RN2+RM

 

 

Wobei: V + – positive Stromversorgung (V).

 

 

Vces – Kollektorsättigungsspannung der Leistungsröhre (V) beträgt im Allgemeinen 0,5 V.

 

 

RN2 – DC-Innenwiderstand der Sekundärspule (Ω), siehe Tabelle 1-2 für Details.

 

 

RM – Widerstand messen (Ω).

 

 

Aus der Berechnung ist ersichtlich, dass sich der Sättigungspunkt mit der Änderung des gemessenen Widerstandes RM ändert.Bei der Ermittlung des gemessenen Widerstandes RM liegt ein eindeutiger Sättigungspunkt vor.Berechnen Sie * großen gemessenen Strom i1max nach folgender Formel: i1max = i1/i2 · i2max

 

 

Beim Messen von AC oder Puls, wenn RM bestimmt wird, berechnen Sie * großen gemessenen Strom i1max.Wenn der i1max-Wert niedriger als der Spitzenwert des Wechselstroms oder niedriger als die Impulsamplitude ist, führt dies zu einer Begrenzung der Ausgangswellenform oder einer Amplitudenbegrenzung.Wählen Sie in diesem Fall einen kleineren RM zum Lösen.

 

 

8. Rechenbeispiel:

 

 

Beispiel 1

 

 

Beispiel Stromsensor lt100-p:

 

 

(1) Messung erforderlich

 

 

Nennstrom: Gleichstrom

 

 

*Hochstrom: DC (Überlastzeit ≤ 1 Minute / Stunde)

 

 

(2) Schlagen Sie die Tabelle nach und wissen Sie Bescheid

 

 

Betriebsspannung: stabilisierte Spannung ± 15 V, Spuleninnenwiderstand 20 Ω (Details siehe Tabelle 1-2)

 

 

Ausgangsstrom: (Nennwert)

 

 

(3) Erforderliche Abtastspannung: 5 V

 

 

Berechnen Sie, ob der gemessene Strom und die Abtastspannung angemessen sind

 

 

RM=U0/I2=5/0.1=50(Ω)

 

 

I2max=V+-VCES/RN2+RM=15-0.5/20+50=0.207(A)

 

 

I1max=I1/I2·I2max=100/0,1 × 0,207=207(A)

 

 

Aus den obigen Berechnungsergebnissen ist bekannt, dass die Anforderungen von (1) und (3) erfüllt sind.

 

 

9. Beschreibung und Beispiel eines magnetischen Kompensationsspannungssensors

 

 

Der Lv50-p-Spannungssensor hat einen primären und sekundären elektrischen Widerstand von ≥ 4000 Vrms (50 Hz. 1 min), der zur Messung von Gleich-, Wechsel- und Impulsspannungen verwendet wird.Bei der Messung der Spannung wird entsprechend der Nennspannung ein Strombegrenzungswiderstand in Reihe an die primärseitige + HT-Klemme geschaltet, d. h. die gemessene Spannung erhält den primärseitigen Strom durch den Widerstand

 

 

U1/r1 = I1, R1 = u1/10ma ​​(K Ω), die Leistung des Widerstands sollte 2 bis 4 mal größer sein als der berechnete Wert, und die Genauigkeit des Widerstands sollte ≤ ± 0,5 % betragen.R1-Präzisions-Draht-Leistungswiderstand kann beim Hersteller bestellt werden.

 

 

10. Verdrahtungsmethode des Stromsensors

 

 

(1) Das Schaltbild des Stromsensors mit direkter Prüfung (ohne Verstärkung) ist in Abbildung 1-7 dargestellt.

 

 

(a) Die Abbildung zeigt eine Verbindung vom p-Typ (Leiterplattenstifttyp), (b) die Abbildung zeigt eine Verbindung vom C-Typ (Buchsensteckertyp), vn VN repräsentiert die Hall-Ausgangsspannung.

 

 

(2) Der Schaltplan des verstärkten Stromsensors für die Direktprüfung ist in Abbildung 1-8 dargestellt.

 

 

(a) Die Abbildung ist eine p-Typ-Verbindung, (b) die Abbildung ist eine C-Typ-Verbindung, wobei U0 die Ausgangsspannung und RL den Lastwiderstand darstellt.

 

 

(3) Das Schaltbild des Magnetkompensationsstromsensors ist in Abbildung 1-9 dargestellt.

 

 

(a) Die Abbildung zeigt eine p-Typ-Verbindung, (b) die Abbildung zeigt eine C-Typ-Verbindung (beachten Sie, dass der dritte Pin der vierpoligen Buchse ein leerer Pin ist)

 

 

Das Anschlussverfahren der Leiterplattenstifte der obigen drei Sensoren stimmt mit dem Anordnungsverfahren des realen Objekts überein, und das Steckverbindungsverfahren stimmt auch mit dem Anordnungsverfahren des realen Objekts überein, um Verdrahtungsfehler zu vermeiden.

 

 

Auf dem obigen Schaltplan hat der gemessene Strom I1 des Hauptstromkreises einen Pfeil im Loch, um die positive Richtung des Stroms anzuzeigen, und die positive Richtung des Stroms ist auch auf der physischen Hülle markiert.Denn der Stromsensor legt fest, dass die positive Richtung des gemessenen Stroms I1 die gleiche Polarität hat wie der Ausgangsstrom I2.Dies ist wichtig bei der Erkennung von dreiphasigem Wechselstrom oder mehrkanaligem Gleichstrom.

 

 

11. Arbeitsstromversorgung des Strom- und Spannungssensors

 

 

Der Stromsensor ist ein aktives Modul, wie z. B. Hallgeräte, Operationsverstärker und Endstufenröhren, die alle eine funktionierende Stromversorgung und Leistungsaufnahme benötigen.Abbildung 1-10 ist ein praktisches schematisches Diagramm einer typischen funktionierenden Stromversorgung.

 

 

(1) Der Masseanschluss des Ausgangs ist zur Rauschunterdrückung zentral mit der großen Elektrolyse verbunden.

 

 

(2) Kapazitätsbit UF, Diode 1N4004.

 

 

(3) Der Transformator hängt von der Leistungsaufnahme des Sensors ab.

 

 

(4) Der Arbeitsstrom des Sensors.

 

 

Direkte Inspektion (keine Verstärkung) Stromverbrauch: * 5mA;Stromverbrauch der Direkterkennungsverstärkung: * groß ± 20mA;Stromverbrauch der magnetischen Kompensation: 20 + Ausgangsstrom* Großer Arbeitsstromverbrauch 20 + doppelter Ausgangsstrom.Der Stromverbrauch kann anhand des verbrauchten Arbeitsstroms berechnet werden.

 

 

12. Vorsichtsmaßnahmen für die Verwendung von Strom- und Spannungssensoren

 

 

(1) Der Stromsensor muss Produkte mit unterschiedlichen Spezifikationen entsprechend dem Nenneffektivwert des gemessenen Stroms auswählen.Wenn der gemessene Strom den Grenzwert für längere Zeit überschreitet, wird die Endpol-Leistungsverstärkerröhre beschädigt (bezogen auf den magnetischen Kompensationstyp).Im Allgemeinen darf die Dauer des doppelten Überlaststroms 1 Minute nicht überschreiten.

 

 

(2) Der Spannungssensor muss primärseitig gemäß Produktanleitung mit einem Strombegrenzungswiderstand R1 in Reihe geschaltet werden, damit die Primärseite den Nennstrom erhalten kann.Im Allgemeinen darf die Dauer der doppelten Überspannung 1 Minute nicht überschreiten.

 

 

(3) Die gute Genauigkeit des Strom- und Spannungssensors wird unter der Bedingung der primärseitigen Nennleistung erreicht, wenn also der gemessene Strom höher ist als der Nennwert des Stromsensors, sollte der entsprechend große Sensor ausgewählt werden;Wenn die gemessene Spannung höher ist als der Nennwert des Spannungssensors, sollte der Strombegrenzungswiderstand neu eingestellt werden.Wenn der gemessene Strom weniger als 1/2 des Nennwerts beträgt, kann zur Erzielung einer guten Genauigkeit das Verfahren mit mehreren Windungen verwendet werden.

 

 

(4) Sensoren mit 3 kV Isolierung und Stehspannung können in AC-Systemen mit 1 kV und darunter und DC-Systemen mit 1,5 kV und darunter über einen langen Zeitraum normal funktionieren.6-kV-Sensoren können in AC-Systemen mit 2 kV und darunter und DC-Systemen mit 2,5 kV und darunter für lange Zeit normal funktionieren.Achten Sie darauf, sie nicht unter Überdruck zu verwenden.

 

 

(5) Bei Verwendung in Geräten, die gute dynamische Eigenschaften erfordern, * ist es einfach, eine einzelne Kupfer-Aluminium-Sammelschiene zu verwenden und mit der Öffnung zusammenzufallen.Das Ersetzen von kleinen oder mehr Windungen durch große beeinflusst die dynamischen Eigenschaften.

 

 

(6) Bei Verwendung in einem Hochstrom-DC-System, wenn die Arbeitsstromversorgung einen offenen Stromkreis hat oder aus irgendeinem Grund fehlerhaft ist, erzeugt der Eisenkern eine große Remanenz, die Beachtung verdient.Remanenz beeinflusst die Genauigkeit.Die Methode der Entmagnetisierung besteht darin, einen Wechselstrom auf der Primärseite einzuschalten, ohne eine funktionierende Stromversorgung hinzuzufügen, und seinen Wert allmählich zu verringern.

 

 

(7) Die Fähigkeit des Sensors gegen externe Magnetfelder beträgt: ein Strom 5 ~ 10 cm vom Sensor entfernt, was mehr als dem Doppelten des Stromwerts der ursprünglichen Seite des Sensors entspricht, und der erzeugten Magnetfeldinterferenz kann widerstanden werden.Beim Verdrahten von dreiphasigem Hochstrom sollte der Abstand zwischen den Phasen größer als 5 ~ 10 cm sein.

 

 

(8) Damit der Sensor in einem guten Messzustand arbeitet, sollte eine einfache typische geregelte Stromversorgung verwendet werden, die in Abbildung 1-10 vorgestellt wird.

 

 

(9) Der magnetische Sättigungspunkt und der Schaltungssättigungspunkt des Sensors machen ihn stark überlastbar, aber die Überlastfähigkeit ist zeitlich begrenzt.Beim Testen der Überlastfähigkeit darf der Überlaststrom von mehr als 2 mal 1 Minute nicht überschreiten.

 

 

(10) Die Temperatur des Primärstrombusses sollte 85 ℃ nicht überschreiten, was durch die Eigenschaften von technischen ABS-Kunststoffen bestimmt wird.Anwender haben spezielle Anforderungen und können als Hülle Hochtemperaturkunststoffe wählen.

 

 

13. Vorteile des verwendeten Stromsensors

 

 

(1) Berührungslose Erkennung.Bei der Rekonstruktion importierter Geräte und der technischen Umgestaltung alter Geräte zeigt es die Überlegenheit der berührungslosen Messung;Der Stromwert kann ohne Änderung der elektrischen Verkabelung der Erstausrüstung gemessen werden.

 

 

(2) Der Nachteil der Verwendung des Shunts besteht darin, dass er nicht elektrisch isoliert werden kann und außerdem Einfügungsverluste auftreten.Je größer der Strom ist, desto größer ist der Verlust und desto größer ist das Volumen.Die Leute fanden auch heraus, dass der Shunt bei der Erkennung von Hochfrequenz und Hochstrom eine unvermeidliche Induktivität aufweist und die gemessene Stromwellenform nicht wirklich übertragen kann, ganz zu schweigen vom Nicht-Sinuswellentyp.Der Stromsensor beseitigt die oben genannten Nachteile des Shunts vollständig, und die Genauigkeit und der Ausgangsspannungswert können mit denen des Shunts identisch sein, z. B. Genauigkeitsstufe 0,5, 1,0, Ausgangsspannungspegel 50, 75 mV und 100 mV.

 

 

(3) Es ist sehr bequem zu bedienen.Nehmen Sie einen lt100-c-Stromsensor, schließen Sie ein analoges 100-mA-Messgerät oder ein digitales Multimeter in Reihe am M-Ende und am Null-Ende der Stromversorgung an, schließen Sie die Arbeitsstromversorgung an und setzen Sie den Sensor auf den Drahtkreis, damit der Strom Wert des Hauptstromkreises 0 ~ 100A kann genau angezeigt werden.

 

 

(4) Obwohl der herkömmliche Strom- und Spannungswandler viele Arbeitsstrom- und Spannungspegel hat und eine hohe Genauigkeit unter der angegebenen sinusförmigen Arbeitsfrequenz hat, kann er sich an ein sehr schmales Frequenzband anpassen und kann keinen Gleichstrom übertragen.Darüber hinaus gibt es während des Betriebs einen Erregerstrom, daher handelt es sich um ein induktives Gerät, sodass seine Reaktionszeit nur einige zehn Millisekunden betragen kann.Wie wir alle wissen, erzeugt die Sekundärseite des Stromwandlers, sobald sie offen ist, Hochspannungsgefahren.Bei der Verwendung von Mikrocomputererkennung ist eine Mehrkanal-Signalerfassung erforderlich.Die Menschen suchen nach einer Möglichkeit, Signale zu isolieren und zu sammeln


Postzeit: 06.07.2022