В этой статье представлен обзор современных датчиков тока на эффекте Холла, их устройства и работы.
Эффект Холла — это физическое явление, открытое Эдвином Холлом в 1879 году, согласно которому при приложении магнитного поля перпендикулярно потоку электрического тока в проводнике создается разность потенциалов.
Датчики тока на основе эффекта Холла используются для измерения и контроля величины электрического тока в различных приложениях. В этой статье рассматриваются компоненты и устройства датчиков тока на основе эффекта Холла, а также принцип их работы.
Введение
Действовать предусмотрительно всегда лучше, чем реагировать в цейтноте. Это правило также относится к обслуживанию промышленного оборудования и систем.
Датчики тока также могут вносить значительный вклад в упреждающее действие в зависимости от состояния устройства. Потому что возможные слабые места, приводящие к возможному отказу компонентов, часто можно вовремя распознать на основе потребляемого тока.
Производители электрических машин все чаще используют датчики тока для получения подробной информации о своем оборудовании. Датчики тока, использующие эффект Холла, особенно хорошо подходят для измерения больших токов в промышленных условиях.
Как устроены и работают датчики тока на эффекте Холла
Датчик Холла, ячейка Холла, генератор Холла или магнитный датчик — это электронный компонент, работа которого основана на техническом использовании так называемого эффекта Холла.
Магнитные датчики, как правило, представляют собой полупроводниковые устройства, которые сегодня пользуются большим спросом из-за их высокой точности и точности, бесконтактного действия, относительно низких затрат на техническое обслуживание, компактной конструкции и т. д.
Доступны магнитные датчики без сердечника, предназначенные для различных видов промышленного применения, Например, закрытые устройства с эффектом Холла водонепроницаемы и способны выдерживать любую вибрацию.
Датчики на эффекте Холла используются для измерения магнитных полей или других величин (например, больших токов - от 0,5 до 10 кА), преобразованных в магнитные поля, управления синхронными электродвигателями, электродвигателями постоянного тока (например, в компьютерных вентиляторах).
Также они используются в конструкциях различных механических датчиков положения, скорости, ускорения, бесконтактных кнопок и т. д., где постоянный магнит помещается на подвижную часть (смотрите - Применение датчиков Холла).
Датчик на эффекте Холла работает в основном за счет действия силы Лоренца.
Принцип работы датчика Холла
Сам элемент Холла на самом деле является датчиком, в частности, датчиком магнитного поля. Если его дополнить оценочной электроникой, которая не только усиливает, модифицирует и стандартизирует результирующее напряжение Холла, но также регулирует и стабилизирует напряжение питания элемента, генерирующего постоянный ток, будет создан полноценный датчик.
Поддержание постоянного тока является основным условием того, чтобы изменение напряжения Холла было равно только изменению величины индукции магнитного поля.
Датчики Холла обычно состоят из прямоугольного куска полупроводника, такого как антимонит индия (InSb) или арсенид галлия (GaAs), известного как датчик Холла, установленного на алюминиевой пластине и полностью закрытого внутри головки датчика.
Рукоятка зонда из немагнитного материала соединена с головкой зонда так, что плоскость прямоугольной полупроводниковой пластины перпендикулярна рукоятке зонда.
Точность измерения зависит от основного принципа: в датчиках Холла магнитное поле первичного тока группируется в кольцевом сердечнике, окружающем проводник.
Кольцевой сердечник имеет воздушный зазор, в котором размещен датчик. Датчик Холла выдает напряжение, прямо пропорциональное протекающему току. Таким образом первичный ток может быть определен с точностью до ± 0,5 %.
Датчики тока с косвенной компенсацией (Closed Loop) имеют аналогичную конструкцию, но улавливают ток немного точнее. Отклонение в 0,5% от фактического значения является здесь максимальным значением.
Эти датчики также работают с кольцевым сердечником, который создает напряжение Холла. Однако напряжение здесь не измеряется напрямую, а используется для регулирования цепи вторичного тока.
Датчик Холла регулирует протекание вторичного тока таким образом, что магнитные поля вторичного и первичного тока всегда компенсируют друг друга.
Вторичный ток одновременно подает выходной сигнал. Этот тип датчика имеет то преимущество, что он измеряет очень точно даже при экстремальных температурах окружающей среды от -40 °C до +85 °C.
Современные датчики тока
Эффект Холла в настоящее время является одним из наиболее часто используемых физических принципов как непосредственно для нужд измерения и регистрации магнитного поля, так и для нужд бесконтактного контроля и обнаружения наличия объектов.
Благодаря достаточно высокому эффекту Холла кремниевого полупроводникового материала легко создавать полностью интегрированные однокристальные датчики, содержащие как сам элемент Холла, так и схемы оценки или даже микропроцессор. Все эти факты обеспечивают датчикам Холла определенное будущее.
Лучший энергетический баланс благодаря датчикам
Использование датчиков тока позволяет точно анализировать ошибки или сбои до того, как их последствия могут проявиться на производстве в виде дефектов качества, простоев или, в крайних случаях, даже дефектов с последующим ущербом (травмы рабочих и т. д.).
Датчики тока обеспечивают классический аналоговый сигнал, который, например, микроконтроллер преобразователя частоты преобразует в цифровые сигналы и, таким образом, может использоваться для более высокого уровня регистрации состояния.
Использование датчиков тока имеет смысл, прежде всего, там, где используются приводы или необходимо контролировать токи нагрева, например, в оборудовании для нагрева сырья для экструзионных машин.
Например, если плавильная печь не поддерживает должным образом требуемую температуру, это напрямую влияет на качество продукции. Отклонение от потребляемого тока будет своевременно предупреждать систему управления устройством о сбоях в этих приложениях. Целенаправленное использование датчиков впоследствии способствует повышению надежности всей системы.
Сравнение параметров различных датчиков тока
| Тип датчика | Полоса пропускания, Гц | Цена | Точность, % | Внешний источник питания | Гальваническая развязка | Рассеиваемая мощность, Вт | Возможность измерения постоянного тока |
| Резистивный шунт | 1 – 107 | очень низкая | 0,1 – 2 | нет | нет | 1 - 103 | есть |
| Катушка Роговского | 103 – 109 | низкая | 0,2 – 5 | нет | есть | примерно 10-3 | нет |
| Датчик Холла | 1 – 106 | средняя | 0,5 – 10 | есть | есть | примерно 10-3 | есть |
| Магнито-оптический датчик | 1 – 109 | высокая | 0,1 – 1 | есть | есть | 1 – 10 | есть |
Нечувствительность к полям электрических помех
Точное измерение энергии поддерживает экономическую эффективность при эксплуатации машин и оборудования. Датчики, использующие эффект Холла, имеют то преимущество, что их электронные компоненты нечувствительны к полям электрических помех. Это важно, потому что из-за миниатюризации провода в машинах и устройствах проходят все ближе друг к другу, и, следовательно, теоретически увеличиваются интерференционные эффекты.
Дополнительные провода могут повлиять на улавливаемые поля помех и исказить результаты. Поэтому датчики Холла встроены глубоко в геометрию сенсорного кольца, чтобы защитить их от «внешних» воздействий.
Не имея собственной функции фильтра, они показывают в определенном отношении величину тока в проводах, которые они окружают. Например, в соотношении 1:500, при котором из датчика выходит ток 200 мА при протекании в проводнике 1000 А.
Переносной датчик тока
Измерение тока повышает безопасность
Датчики тока являются элементом профилактического обслуживания. В автоматизированном производстве программы оценивают текущие сигналы потока в режиме реального времени для раннего обнаружения типов дефектов и определения их причин.
Таким образом, можно заранее привлечь внимание к необходимым проверкам и мерам по техническому обслуживанию. Затем в производственный процесс можно интегрировать соответствующие меры таким образом, чтобы производственные перерывы были сведены к абсолютно необходимому минимуму.
Цель состоит в том, чтобы предотвратить трудоемкий и, следовательно, дорогостоящий ремонт, а также повысить производительность и безопасность труда, обеспечив выполнение работ по техническому обслуживанию в соответствии с планом.
Токоизмерительные клещи на эффекте Холла
Токоизмерительные клещи
Электроизмерительные клещи представляют собой электрический тестер, сочетающий в себе вольтметр и амперметр клещевого типа. Современные токоизмерительные клещи обладают большинством основных функций цифрового мультиметра, но с дополнительным преимуществом встроенного в прибор датчика тока. Они измеряют любую комбинацию постоянного и переменного тока.
Способность токоизмерительных клещей измерять большие переменные токи основана на простом действии трансформатора. Когда провод под напряжением переменного тока помещается внутрь зажима или вокруг гибкого щупа, ток реагирует с зажимами аналогично железному сердечнику трансформатора и проходит через вторичную обмотку к измерительному прибору.
Постоянный ток они измеряют с помощью датчиков Холла. В отличие от простого индукционного датчика, датчик Холла работает, когда приложенный магнитный поток является статическим и не изменяется. Он будет работать и в переменных магнитных полях.
Датчик тока на эффекте Холла в электроизмерительных клещах (Слева: клещи переменного тока с трансформатором тока плотно смыкаются. Справа: датчик встроен в воздушный зазор между губками клещей с датчиком Холла)
Токовые клещи содержат тороидальный железный сердечник, на концах которого расположена микросхема с датчиком, работающем на эффекте Холла, так что магнитный поток, создаваемый проводом с током, проходит через него.
Токоизмерительные клещи на эффекте Холла могут измерять переменный и постоянный ток в диапазоне до килогерц (1000 Гц). Они используют жесткие железные зажимы для фокусировки магнитного поля вокруг измеряемого проводника.
В отличие от клещей с трансформаторами тока, клещи не обмотаны медными проводами. Вместо этого, когда губки зажимаются вокруг проводника, магнитное поле, создаваемое проводником, фокусируется на одном или нескольких пазах в сердечнике.
Зазор находится там, где кончики зажимов токоизмерительных клещей встречаются с датчиком Холла, создавая воздушный карман, который должно преодолеть магнитное поле (магнитный поток). Этот зазор ограничивает магнитный поток, так что сердечник не может насыщаться. В этом зазоре, прикрытом тонкой пластиковой прокладкой, помещен датчик Холла.
Из-за постоянного магнитного поля Земли и возможности наличия других магнитных полей вблизи места измерения эти измерительные приборы требуют «обнуления» показаний перед проведением измерения, чтобы устранить неточности.