Измерение постоянного тока бесконтактным способом

Порядок точности измерения

Один из важных вопросов, который относится ко всем измерительным устройствам: сколько разрядов значения измеряемой величины может быть получено в результате замера? Количество разрядов — это функция точности измерения. Достоверность измерения требует определенной степени точности в точке измерения, чтобы быть уверенным в полученном значении. Отношение 4:1 измеренного значения и ошибки измерения этого значения в точке измерения — необходимый минимум (лучше 10:1). Как узнать, должен ли 100-амперный датчик с погрешностью 1% точно измерить ток в 1 А? Здесь на сцену выступают считанное значение и номинальное значение. Погрешность коэффициента усиления всегда оценивается в процентах от считанного значения тока в первичной цепи. Погрешность линейности измерения всегда оценивается в процентах от номинального тока датчика. Начальное смещение также определяется в процентах от номинального тока датчика. Обычно все три погрешности не складываются. В противном случае это привело бы к совершенно нереалистичной величине суммарной погрешности. Суммарную погрешность в общем случае получают как квадратный корень от суммы их квадратов. Датчик, имеющий погрешность усиления в 1%, нелинейность 0,5% и погрешность из-за начального смещения 0,2%, обладает погрешностью измерения в 1,14%. Фактическая ошибка в амперах зависит от величины считываемого тока в первичной цепи ввиду того, что от него зависит погрешность коэффициента усиления. Так, датчик, рассчитанный на номинальный ток 100 A с указанной выше погрешностью измерения, для считываемого тока в 10 A будет иметь фактическую ошибку в 0,55 A. Это даже лучше, чем 10:1. Но датчик, рассчитанный на номинальный ток в 100 A, с указанной выше погрешностью измерения, для считываемого тока в 1 A будет иметь фактическую ошибку, равную 0,54 A. А такая ошибка (0,54 A) означает отношение измеренного тока к ошибке даже хуже, чем 2:1. Таким образом, ток в 1 A уже не может быть достоверно измерен.

Таким образом, обеспечение измерений с точностью в несколько разрядов является трудной задачей. Большинство датчиков обеспечивает измерение токов ниже, чем номинальный, с точностью одного разряда. Обеспечение измерения с точностью в два разряда — это уже серьезная задача. Лучшие из датчиков компенсационного типа обеспечивают отношение примерно 4:1 при точности измерения в два разряда. Еще лучше, если начальное смещение приведено к нулю (скомпенсировано) при подаче питания на датчик, а температурный дрейф начального смещения минимизирован (для датчиков индукционного типа). Но необходимо помнить, что проблема обеспечения точности измерений не ограничивается точностью измерения тока самим датчиком. Требуется учитывать погрешность номинала и дрейф нагрузочного резистора (1% против 0,1%), а кроме того, еще и погрешность аналого-цифрового преобразователя. Проверка системы с использованием осциллографа с пробником в виде разъемного датчика прямого усиления, имеющим погрешность измерения в 2%, не сравнима с использованием датчика тока, имеющего собственную погрешность в 0,5%.

Устройство и примеры использования

Простейшая система с датчиком Холла включает в свой состав следующие элементы:

Постоянный магнит (его функция – создание магнитного поля).
Подвижный ротор с лопастями или зубцами.
Особый стержень из магнитного материала (магнитопровод).
Пластиковый корпус.

Помимо этого, техническая характеристика датчика предусматривает применение микросхем, задействованных в измерительном процессе.

Понять принцип работы этого прибора удается, если ознакомиться с подробной схемой включения датчика Холла в зоне проведения измерений. Схема подключения и суть работы сенсора может быть представлена следующим образом:

В зазоре, образованном половинками магнитопровода, перемещаются металлические лопасти ротора.
При их вращении происходит периодическое шунтирование магнитного потока.
Встроенной микросхемой предусмотрено определение нулевого показателя индукции (в эти моменты напряжение на ее выходе максимально).
По частоте таких всплесков, подсчитываемой той же микросхемой, судят о скорости вращения контролируемого объекта (двигательного вала в мотоцикле, например).

Чтобы этот процесс протекал нормально – при включении сенсора в измерительную цепь должна учитываться цоколевка данного образца (она бывает разной).

Обобщая рассмотренную схему, следует предположить, что датчики этого класса способны измерять скорость вращения коленвала любого движущегося средства. Универсальность сенсора, не исключающая возможности его установки в скутере, например, позволяет применять датчик Холла не только в сложных технических устройствах, но и в обычной бытовой технике.

Применение в системе зажигания и стиральных машинах

При использовании датчика Холла в системе зажигания автомобиля с его помощью удается фиксировать момент размыкания трамблера. В данном случае он работает как аналоговый преобразователь, определяющий мгновения прерывания бортового питания. На этом же принципе базируется его применение в рабочих модулях стиральной машины, что позволяет по скорости вращения барабана определять увеличение веса белья.

Датчики Холла устанавливаются и в некоторых образцах измерительной аппаратуры. Чаще всего ими комплектуются бесконтактные клещи, применяемые для измерения тока в проводниках. Встроенный прибор реагирует на изменение электромагнитного поля, образующегося вокруг силового кабеля. Кроме того, он подходит для ручки газа электровелосипеда, позволяя контролировать угол ее поворота.

В бытовых условиях

В клавиатурах компьютеров эти приборы обеспечивают бесконтактный способ снятия информации. Сенсор, входящий в состав кулера бытового ПК, способен управлять полярностью обмоток ротора, то есть менять направление его вращения.

При использовании такого элемента в смартфоне, в частности, он обеспечивает выключение устройства при помещении его в чехол с «магнитной» застежкой.

Рассматривая области применения датчики Холла простыми словами можно сказать, что его использование в технической сфере практически ничем не ограничено. В электронном конструкторе Ардуино, например, имеется набор с таким датчиком, позволяющий на практике проиллюстрировать эффект Холла.

Это не единственный пример его использования в целях обучения, помогающий начинающим пользователям понять, как подключить и использовать сенсоры полевых структур.

В заключение отметим, что к недостаткам датчиков Холла относят их чувствительность к электромагнитным помехам, нередко возникающим в рабочих цепях. Кроме того, использование сложных электронных модулей в конструкции прибора в какой-то мере влияет на его надежность, несколько снижая ее. Эти минусы сенсора не рассматриваются как его дефекты, а просто учитываются при работе с аппаратурой.

Теперь вы знаете, что такое датчик Холла, как он работает и зачем нужен. Надеемся, предоставленная информация была для полезной и интересной!

Материалы по теме:

Что такое тензодатчик и как он устроен
Для чего нужны концевые выключатели
Чем отличается переменный ток от постоянного

Опубликовано:
09.07.2019
Обновлено: 09.07.2019

Преимущества датчиков тока в современных схемах

Микросхемы на основе датчиков тока играют большую роль в сохранении энергии. Этому способствует низкое питание и энергопотребление. В интегральных схемах происходит объединение всех необходимых электронных компонентов. Характеристики приборов значительно улучшаются, благодаря совместной работе сенсоров магнитного поля и всей остальной активной электроники.

Современные датчики тока способствуют дальнейшему уменьшению размеров, поскольку вся электроника интегрирована в единственный общий чип. Это привело к новым инновационным компактным дизайнерским решениям, в том числе касающимся и первичной шины. Каждый новый датчик тока обладает повышенной изоляцией и успешно взаимодействует с другими видами электронных компонентов.

Новейшие конструкции датчиков позволяют монтировать их в существующие установки без отключения первичного проводника. Они состоят из двух частей и являются разъемными, что позволяет легко устанавливать эти детали на первичный проводник без каких-либо отключений.

На каждый датчик имеется техническая документация, где отражается вся необходимая информация, позволяющая произвести предварительные расчеты и определить место наиболее оптимального использования.

Проверенный «бюджетный» вариант

Вот, что надо предпринять для изготовления такого варианта:

в ферритовом кольце пропилить канавку по толщине корпуса;
на эпоксидный клей посадить МС;
сделать определенное количество витков на кольце (кол-во витков будет зависеть от конкретного напряжения);
в итоге получится бесконтактный вариант реле, функционирующий на электромагнитной основе.

Ферритовое кольцо в роли датчика

Точность срабатывания такого ДТ и регулярность достаточно высокая. Единственным недостатком схемы можно назвать кол-во витков, определяемых чисто эмпирически. На самом деле расчетов конкретного типа нигде и нет. Приходится определять число витков для конкретного сердечника.

Измерение постоянного тока бесконтактным способом схема. Одна микросхема для создания любого датчика тока

Измерить ток высоковольтного источника питания? Или ток, потребляемый стартером автомобиля? Или ток с ветрогенератора? Все это можно сделать бесконтактно с помощью одной микросхемы.

Melexis делает следующий шаг в создании экологичных решений, открывая новые возможности для бесконтактного измерения тока в приложениях возобновляемых источников энергии, гибридных электромобилей (HEV) и электромобилей (EV). MLX91206 является программируемым монолитным датчиком, основанным на технологии Triaxis Hall. MLX91206 позволяет пользователю построить небольшие экономичные сенсорные решения с малым временем отклика. Чип непосредственно контролирует ток, протекающий во внешнем проводнике, например, шине или дорожке печатной платы.

Бесконтактный датчик тока MLX91206 состоит из КМОП интегральной схемы Холла с тонким слоем ферромагнитной структуры на его поверхности. Интегрированный ферромагнитный слой (IMC) используется в качестве концентратора магнитного потока, обеспечивая его высокое усиление и более высокое отношение сигнал-шум датчика. Датчик особенно подходит для измерения постоянного и/ или переменного тока до 90 кГц с омической изоляцией, характеризуется очень малыми вносимыми потерями, малым временем отклика, небольшим размером корпуса и простотой сборки.

MLX91206 удовлетворяет спрос на широкое использование электроники в автомобильной промышленности, возобновляемых источниках преобразования энергии (солнечная и ветряная), источниках питания, управления двигателем и защите от перегрузки.

измерение потребляемого тока в батарейном питании;
преобразователи солнечной энергии;
автомобильные инверторы в гибридных автомобилях и др.

MLX91206 имеет защиту от перенапряжения и защиту от обратного напряжения и может быть использован в качестве автономного датчика тока, подключенного напрямую к кабелю.

MLX91206 измеряет ток путем преобразования магнитного поля, создаваемого протекающими через проводник токами, в напряжение, которое пропорционально полю. MLX91206 не имеет верхнего предела измеряемого уровня тока, потому что выходной уровень зависит от размера проводника и расстояния от датчика.

программируемый высокоскоростной датчик тока;
концентратор магнитного поля, обеспечивающий высокое отношение сигнал/ шум;
защита от перенапряжения и переполюсовки;
бессвинцовые компоненты для бессвинцовой пайки, MSL3;
быстрый аналоговый выход (разрешение ЦАП 12 бит);
программируемый переключатель;
выход термометра;
ШИМ выход (разрешение АЦП 12 бит);
17-битный номер ID;
диагностика неисправной дорожки;
быстрое время отклика;
огромная полоса пропускания DC — 90 кГц.

Как датчик работает :

MLX91206 представляет собой монолитный датчик, выполненный на базе технологии Triais Hall . Традиционная планарная Hall технология чувствительна к плотности потока, приложенного перпендикулярно к поверхности ИС. Датчик тока IMC-Hall чувствителен к плотности потока, приложенного параллельно поверхности IC. Это достигается за счет интегрированного магнитного концентратора (IMC-Hall ), который наносится на CMOS кристалл. Датчик тока IMC-Hall может применяться в автомобильной промышленности. Он представляет собой датчик Холла, обеспечивающий выходной сигнал, пропорциональный плотности потока, приложенного по горизонтали, и поэтому подходит для измерения тока. Он идеально подойдет в качестве открытой петли датчика тока для монтажа на печатной плате. Передаточная характеристика MLX91206 является программируемой (смещение, усиление, зажимные уровни, диагностические функции. ). Выход выбирается между аналоговым и ШИМ. Линейный аналоговый выход используется для приложений, требующих быстрого отклика ( Схема на микросхеме 711

ВНИМАНИЕ! Найден совершенно простой способ сократить расход топлива! Не верите? Автомеханик с 15-летним стажем тоже не верил, пока не попробовал. А теперь он экономит на бензине 35 000 рублей в год!

ACS 711 – тот самый чип, благодаря которому удастся изготовить токовый датчик или ТД на основе ДХ (датчика Холла). ЧД такого датчика будет равен почти 100 кГц, что будет вполне эффективно для проведения измерений.

Микросхема этого типа имеет выход, который интегрируется с усилителем. Последний, в свою очередь, за счет своей оперативности способен увеличивать возможности схемы вплоть до 1 А/В.

Что касается питания, то напряжение на усилитель поступает за счет применения внутреннего источника 2-полярного типа. Это может быть вариант NSD10 либо какой-нибудь другой. Сама микросхема питается уже посредством стабилизатора, имеющего выход с напряжением 3,3 В.

Установка угла опережения зажигания

Система зажигания является весьма чувствительным узлом, требующим тщательной настройки. Только в этом случае можно добиться оптимальной работы двигателя, минимального расхода топлива и максимально возможной мощности.

Методы установки угла зажигания

Отрегулировать угол опережения зажигания можно разными способами.

На слух.
С помощью лампочки.
По стробоскопу.
По искре.

Выбор способа зависит прежде всего от наличия необходимых приспособлений и подручных средств.

Регулировка зажигания на слух

Этот способ отличается своей простотой, но прибегать к нему рекомендуется лишь опытным автолюбителям. Работу выполняют на прогретом и заведённом двигателе в следующей последовательности.

Ослабляют гайку крепления трамблёра и начинают его медленно вращать.
Находят положение трамблёра, при котором обороты двигателя будут максимальными. Если позиция найдена правильно, то при нажатии на педаль акселератора двигатель будет быстро и бесперебойно набирать обороты.
Глушат двигатель, проворачивают трамблёр на 2˚ по часовой стрелке и закручивают гайку крепления.

Регулировка зажигания с помощью лампочки

Можно отрегулировать зажигание ВАЗ 2107 с помощью лампочки 12В (автомобильной «контрольки»). Делается это следующим образом.

Первый цилиндр устанавливают в положение, при котором метка на шкиве коленвала будет совпадать с меткой 5˚ на блоке цилиндров. Для проворачивания коленвала потребуется специальный ключ.
Один из проводов, идущих от лампочки, соединяют с массой, второй — с контактом катушки «К» (цепь низкого напряжения).
Ослабляют крепление трамблёра и включают зажигание.
Вращая трамблёр, ищут положение, при котором лампочка загорится.
Затягивают крепление трамблёра.

Регулировка зажигания с помощью стробоскопа

Подключение стробоскопа и процесс установки угла опережения зажигания осуществляется в следующем порядке:

Двигатель прогревают до рабочей температуры.
С вакуумного корректора снимают трубку, а в образовавшееся отверстие устанавливают заглушку.
Провода питания стробоскопа соединяют с аккумулятором (красный — на плюс, чёрный — на минус).
Оставшийся провод (датчик) прибора фиксируют на высоковольтном проводе, идущим на первую свечу.
Стробоскоп устанавливают таким образом, чтобы его луч попадал на шкив коленвала параллельно метке на крышке ГРМ.
Заводят двигатель и ослабляют крепление трамблёра.
Вращая трамблёр, добиваются того, чтобы луч проскакивал точно в момент прохождения метки на шкиве коленчатого вала.

Видео: регулировка зажигания с помощью стробоскопа

Порядок работы цилиндров двигателя ВАЗ 2107

На ВАЗ 2107 установлен бензиновый, четырехтактный, четырехцилиндровый, рядный двигатель, с верхним расположением распределительного вала. В ряде случаев для диагностики и устранения неисправностей необходимо знать последовательность работы цилиндров силового агрегата. Для ВАЗ 2107 эта последовательность такова: 1 — 3 — 4 — 2. Цифрам соответствуют номера цилиндров, а нумерация начинается от шкива коленвала.

Нумерация цилиндров двигателя ВАЗ 2107 начинается от шкива коленвала

Установка направления бегунка

При правильно отрегулированном зажигании элементы двигателя и системы зажигания должны быть выставлены в соответствии с определёнными правилами.

Метка на шкиве коленвала должна располагаться напротив метки 5˚ на блоке цилиндров.
Бегунок трамблёра должен быть направлен на контакт крышки распределителя, соответствующий первому цилиндру.

При правильно отрегулированном зажигании бегунок трамблёра должен быть направлен на контакт крышки, соответствующий свече первого цилиндра

Таким образом, отрегулировать угол опережения зажигания ВАЗ 2107 довольно просто. Сделать это сможет даже неискушённый автолюбитель, обладающий минимальным набором инструментов и тщательно соблюдающий инструкции специалистов. При этом не следует забывать о требованиях безопасности, так как большая часть работ связана с высоким напряжением.

Датчик в автомобиле

Применение датчика Холла получило довольно большое распространение в автомобильной промышленности. Далее будет дано описание — для чего нужен и как работает датчик Холла автомобиля ВАЗ.

Датчик Холла нашел свое применение в системе зажигания таких автомобилей. Состоит устройство из следующих элементов:

Самого датчика.
Постоянного магнита.
Металлической пластины с прорезями.

Автомобильный датчик Холла и его принцип работы будут следующим:

Вращение вала двигателя передается на распределитель.
К элементу подводится электрическое напряжение.
При вращении распределителя, прорези его пластины инициируют размагничивание датчика, а значит в этот момент происходит разъединение контактов. При этом ток не поступает на катушку зажигания.
После прохождения прорезей, магнит вступает во взаимодействие с металлической частью пластины. Магнит втягивает контакт внутрь устройства и замыкает его. Через замкнутый контакт ток проходит сначала к коммутатору, а потом уже к катушке зажигания и возбуждает ее. После разряда, ток попадает в распределитель и от него поступает на каждый цилиндр.

Так как автомобиль оснащается 4 цилиндрами, то распределительная пластина имеет только четыре прорези (по одной на каждый цилиндр). От датчика на коммутатор поступает импульсное напряжение. Его частота зависит от скорости вращения самого двигателя. Если напряжение поточное, значит датчик находится постоянно в замкнутом состоянии. Такой вариант указывает на наличие неисправности.

Датчик холла ВАЗ оснащается только 3 контактными проводами. Распиновка проводки устройства будет следующая:

Красный провод используется для питания датчика. В соединительном штекере он обозначается цифрой «1» или «+».
Далее идет провод зеленого цвета. По нему поступает импульсное напряжение от датчика к коммутатору. Он имеет обозначение «2» или выход.
Последний провод — черный или черно-белый, который является массой или «минусом». Подключается непосредственно к массе самого автомобиля.

Подключение данного устройства в карбюраторных моделях автомобилей довольно простые. А вот в инжекторных моделях подключение такого датчика предполагает перенаправление импульса сначала на ЭБУ, а только потом на привод распределения зажигания. Ниже в статье будет приведен датчик Холла и его схема подключения в автомобиле ВАЗ.

Компенсационные датчики индукционного типа

В компенсационных датчиках индукционного типа (в англоязычной терминологии — Closed Loop Flux Gate) элемент Холла заменен индукционным детектором магнитного потока (Flux Gate detector) (рис. 2). Такой детектор представляет собой сердечник из магнитного материала, помещенный в зазор магнитной цепи. Сердечник индукционного детектора имеет обмотку, которая возбуждается напряжением прямоугольной формы, доводящим сердечник до насыщения в каждом из полупериодов напряжения. Наведенный в обмотке детектора ток, чья величина в каждом полупериоде зависит от момента входа сердечника в насыщение, сравнивается с неким пороговым уровнем

При достижении порога происходит изменение скважности импульсов прямоугольного напряжения. Момент входа сердечника детектора в насыщение, а значит, и скважность прямоугольного напряжения пропорциональны величине тока в первичной цепи

По своей природе технология с индукционным детектором является цифровой и содержит внутренний генератор тактовых импульсов, который сам может быть источником помех с частотой, пропорциональной тактовой частоте. Однако частота этих помех значительно выше рабочей полосы пропускания датчика. Полный состав подобной системы выглядит следующим образом: магнитная система, индукционный детектор с обмоткой, специализированная интегральная микросхема и вторичная обмотка. Нагрузочный резистор может быть встроенным, тогда на выходе датчика присутствует сигнал в виде напряжения. В противном случае выход такого датчика — токовый. Есть и другие технологии реализации датчиков с детектором индукционного типа. Это касается различных вариантов возбуждения и схем детектирования, но в целом все решения схожи между собой.

Рис. 2. Преобразователь тока компенсационного типа с индукционным детектором

Датчики компенсационного типа разработаны для долговременного измерения тока, не превышающего номинального, заявленного в спецификации на конкретный тип датчика. Измеряемый ток обычно называют первичным. Выходной ток датчика именуют вторичным током. Датчики компенсационного типа могут измерить и более высокие токи, чем номинальный (диапазон измерения), но этот более высокий измеряемый ток допустим только лишь в течение короткого промежутка времени (секунд, миллисекунд или микросекунд).

Преимущества того, что датчики компенсационного типа имеют токовый выход заключаются еще и в том, что при этом достигается значительно большая помехоустойчивость и более высокая точность измерения.

Назначение датчика тока — это, собственно, измерение тока. Но до какой степени такое измерение является достоверным? Любые датчики не идеальные устройства и имеют свою величину погрешности. Как ни странно, коэффициент усиления в таких датчиках определяется их механическими параметрами, а именно: насколько точно выполнена намотка вторичной цепи на намоточном станке. Линейность датчика в свою очередь зависит от характеристик материала, из которого изготовлен магнитный сердечник. А начальное смещение на выходе датчика — от остаточной намагниченности магнитного сердечника. Ранее было выявлено, что температура не оказывает влияния на усиление датчика, но влияет на начальное смещение его выходного сигнала. Температурный дрейф начального смещения на выходе датчика может оказывать влияние в конкретном применении (например, возникают пульсации выходного сигнала). Здесь преимущества за датчиками индукционного типа. У них минимальное начальное смещение выходного сигнала и более низкий, чем у датчиков на эффекте Холла, температурный дрейф.