11/18/2012. Snímače ve VPM. Snímače ve VPM obsah prezentace. Snímače ve VPM. Konstrukce polovodičových měničů

Transkript

1 Snímače ve VPM Konstrukce polovodičových měničů Snímače ve VPM obsah prezentace Vlastnosti snímačů s Hallovým generátorem Proudová čidla smínač s Hallovým generátorem s otevřenou smyčkou smínač s Hallovým generátorem s uzavřenou smyčkou snímač plně elektronického proudového čidla Napěťová čidla smínač s Hallovým generátorem s uzavřenou smyčkou snímač plně elektronického proudového čidla Vlastnosti napěťových a proudových čidel Čidla teploty odporová teplotní čidla princip, provedení polovodičová teplotní čidla dilatační snímače termostaty Průtoková čidla Hlídače izolačního stavu Snímače ve VPM Pro měření a snímání fyzikálních veličin se používají zařízení označovaná jako čidla, transduktory, snímače, převodníky atd. Pod tímto pojmem se rozumí zařízení převádějící snímanou veličinu na elektrický signál (digitální nebo analogový). Vlastnosti a požadavky: sejmutí fyzikální veličiny (informace) zpracování a vyhodnocení pro další použití zajištění galvanického oddělení 1

2 Snímače proudu a napětí ve VPM Tradiční metody měření proudů pomocí bočníků nebo proudových transformátorů se vyznačují řadou nevýhod: ztráta výkonu v měřeném obvodu ovlivňování měřeného obvodu galvanické spojení vyžaduje zvláštní izolační zesilovač omezená šířka frekvenčního pásma Současný trend vývoje moderní výkonové elektroniky vyžaduje trvale bezpečnou funkci, snadnou manipulaci, kompaktní velikost a výhodný poměr ceny k výkonu. Velmi často používají čidla s Hallovým generátorem, jejíž základní funkční princip detekce proudu je založen na měření magnetického pole, které se vytváří kolem vodiče protékaného proudem. Snímače proudu a napětí ve VPM Snímače proudu a napětí ve VPM Hallův generator (Hall generator) V roce 1879 objevil americký fyzik Edwin Herbert Hall, že magnetické pole kolmé na elektrický proud způsobuje zvláštní jev: volné nosiče elektrického proudu jsou ve vodiči vychylovány z podélného směru a vytlačovány k okraji. Příčinou této odchylky je elektromagnetická Lorentzova síla. Mezi okraji vodiče se tedy vytvoří rozdíl potenciálů, kolmý na směr proudu. 2

3 Princip čidla Hallova generátoru s otevřenou smyčkou (Open loop Hall effect technology) Pro tento typ proudového čidla je důležité, aby Hallův generátor poskytoval lineární závislost mezi magnetickým tokem a Hallovým napětím. V čidle je integrován regulátor napětí a teplotní kompenzovaný měřicí zesilovač. Výstupní napětí U a proudového čidla je úměrné primárnímu proudu I p. Vlastnosti: Galvanické oddělení Nízká proudová spotřeba nezávislá na měřené hodnotě Velmi kompaktní konstrukce bez sekundárního vinutí Vysoká odolnost vůdčí přetížení Dobrá přesnost v rozsahu DC až desítky khz Princip čidla Hallova generátoru s uzavřenou smyčkou (Closed loop Hall effect technology) Magnetický tok vytvářený primárním proudem je zcela vyrovnáván opačným magnetickým tokem vinutí kolem magnetického obvodu. Každá odchylka od nulového vyvážení vede k Hallovu napětí Hallova generátoru. Elektronický obvod ihned dodá sekundární proud I s potřebný ke kompenzaci magnetického pole. Potom platí, kde Princip čidla Hallova generátoru s uzavřenou smyčkou (Closed loop Hall effect technology) Pro nízké frekvence pracuje čidlo na principu Hallova generátoru, při vyšších frekvencích sekundární cívka pracuje jako proudový transformátor. Počet závitů sekundární cívky je N s = Velikost generovaného proudu je pohybuje v rozmezích I s = mA výjimečně až 2A. Vložení vnějšího odporu umožňuje získat výstupní napětí širokého frekvenčním rozsahu proudu I p. 3

4 Princip čidla Hallova generátoru s uzavřenou smyčkou (Closed loop Hall effect technology) Vlastnosti: Galvanické oddělení Vysoká dynamika, měření širokého spektra průběhů Vysoká schopnost přetížení Vysoká přesnost v rozsahu DC až 200 khz Princip plně elektronického čidla Proudová čidla bez magnetického obvodu. Primární proud tekoucí čidlem vytváří primární magnetický tok. Hallovy sondy v diferenciálním zapojení měří magnetický tok, který je zpracován v elektronickém obvodu, jehož výstupem je napětí a proud proporciálně shodný s primárním proudem. Vlastnosti: Galvanické oddělení Měření širokého spektra průběhů Vysoká měřicí rozsah (až 40 ka) Vysoká dynamika Honeywell, VAC, ABB, ETN 4

5 LEM Snímače napětí ve VPM Princip čidla Hallova generátoru s uzavřenou smyčkou (Close loop Hall effect technology) Primární napětí U p je přivedeno mezi terminály HT+ a HT-. Umístěním odporu R E je v primárním obvodu vytvoří proud, který vyvolá magnetický tok působící na Hallův snímač. Dále je funkce stejná jako u proudového čidla. Vlastnosti: Galvanické oddělení Měření širokého spektra průběhů Vysoká přesnost a spolehlivost Snímače napětí ve VPM Princip plně elektronického čidla Napěťové čidlo bez magnetického obvodu. Primární napětí U p je přivedeno mezi terminály HT+ a HT- a je přes izolační zesilovač konvertováno na výstupní proud I s. Vlastnosti: Galvanické oddělení Měření širokého spektra průběhů Vysoká přesnost, dynamika, imunita na elektromagnetická pole a spolehlivost 5

6 Snímače napětí ve VPM obsah prezentace Vlastnosti snímačů proudu a napětí pro VPM Jmenovitý primární proud (I PN ) napětí (U PN ) maximální proud nebo napětí, které je senzor schopen kontinuálně měřit (nezávisle na čase). Pracovní rozsah (I PN, U PN ) a teplota ( C) čidlo je navrženo pro jistý teplotní rozsah ( C), který je redukován v případě, užití čidla na vyšší proud či napětí než jmenovitý. Vlastnosti snímačů proudu a napětí pro VPM Měřicí rozsah (I PMAX a U PMAX ) maximální napětí či proud, které je čidlo schopné změřit Velikost měřicího rozsahu závisí na: Napájecím napětí Měřicím odporu 6

7 Vlastnosti snímačů proudu a napětí pro VPM Výstupní signál proudového a napěťového čidla Proudový výstup vyšší imunita proti rušení, vyšší vzdálenost mezi snímačem na řídicím systémem. Napěťový výstup 5 V logika; menší odolnost proti rušení; měřicí čidlo umístěno v těsné blízkosti řídicího systému (do cca 30cm). Vlastnosti snímačů proudu a napětí pro VPM LA 55-P SP1 LV definice, stupnice Definice teploty: Fyzikální veličina vyjadřující míru tepelného stavu tělesa Teplotní stupnice Termodynamická (Kelvinova) stupnice je určena dvěma pevnými body: absolutní nula (ustává termický pohyb elementárních částic) 0 K trojný bod vody (rovnovážný stav mezi skupenstvími) 273,16K Mezinárodní teplotní stupnice ITS-90 (International Temperatur Scale) vznik v roce 1927 (Celsiova), postupně upravována (naposledy 1990) Vzájemná souvislost teplotních stupnic: T = + 273,15 [K], [ C] 7

8 rozdělení snímačů Snímače pro kontaktní měření elektrické odporové kovové odporové polovodičové termoelektrické polovodičové s PN přechodem (diodové, tranzistorové) dilatační tlakové speciální Snímače pro bezkontaktní měření monochromatické pyrometry pásmové pyrometry radiační pyrometry Odporové snímače princip Změna elektrického odporu kovu v závislosti na teplotě: Pt = 0,0039, Ni = 0,0062, Cu = 0,00426 Odpor při teplotě : Odporové snímače princip Materiály odporových čidel: platina nikl měď 8

9 Odporové snímače provedení Čidla vinutá spirálově stočený odporový drátek = 0,01 až 0,05 mm provedení vinutí uloženo v kapilárách válcových keramických nosných tělísek navinuto na povrchu tělísek a přeskleno keramickým smaltem vyrábí se s odporem R 0 = 100 a 500W Čidla vrstvová vinutí nahrazeno odporovou vrstvou z Pt, Ni nanesenou na nosné destičce (substrátu) z korundové keramiky tlustovrstvá technologie nanášení Pt vrstvy ve formě pasty na substrát sítotiskem tepelná stabilizace vrstvy laserově nastavení požadované hodnoty R 0 rozřezání na jednotlivá čidla a připevnění vývodů tenkovrstvá technologie Pt vrstva se nanáší naprašováním nebo napařovaním ve vakuu široký sortiment hodnot R 0 = 100/200/500/1000/2000 vyrábí se také pro technologii SMT Odporové snímače - pt100, pt1000 Polovodičové snímače princip, rozdělení Změna odporu je způsobena teplotní závislostí koncentrace nosičů náboje. Rozdělení: termistory negastory (termistor NTC - Negative Temperature Coefficient) posistory (termistor PTC - Positive Temperatur Coefficient) monokrystalické Si snímače (KTYxx) 9

10 Termistory Přehled charakteristik snímačů teploty Dilatační snímače teploty - termostaty princip, rozdělení Změna délky nebo objemu látky v reakci na měřenou teplotu Rozdělení kovové tyčové bimetalový kapalinové 10

11 termostaty teplotní snímače pro kapalinové chladiče Snímače průtoku ve VPM Turbínkové průtokoměry Jejich základem je volně otočný rotor s lopatkami. Rotor se vlivem proudění tekutiny otáčí, kdy otáčky jsou úměrné rychlosti proudění tekutiny. Otáčky bývají snímány bezdotykovým indukčním snímačem, kdy výstupem jsou napěťové impulsy, které se dále zpracovávají a vyhodnocují. Nevýhodou je, že je nelze použít u tekutin, které při proudění v potrubí víří, a nejsou doporučovány ani pro tekutiny s velkou viskozitou. Protože turbínkové průtokoměry obsahují pohyblivé části, jsou náchylné na opotřebování a na usazování nečistot. 11

12 Hlídače izolačního stavu ve VPM Hlídače izolačního stavu sledují odpor izolované sítě IT při ochrannému vodiči PE. Pokud poklesne izolační odpor pod nastavenou hodnotu, reaguje tento přístroj přepnutím výstupu a optickou signalizací. Reference Wintrich, A.: Application Manual Power Semiconductors, SEMIKRON International GmbH 2010 Snímače elektrického proudu s Hallovou sondou Current Sensing, ABB Current and Voltage Sensors, cd988/$file/Elektronische_Strom_Spannungswandler.pdf Čidla napětí a proudu, Closed Loop Hall Effect Voltage Transducers, děkuji za pozornost Konstrukce polovodičových měničů 12