5. Magnetické senzory Magnetická měření Napěťový a proudový transformátor Bezkontaktní senzory el. proudu přednášky A3B38SME Senzory a měření zdroje převzatých obrázků: pokud není uvedeno jinak, zdrojem je monografie Haasz, Sedláček: Elektrická měření a skripta Ripka, Ďaďo, Kreidl, Novák: Senzory P. Ripka, 20. 2. 2011 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 1
Hlavní magnetické zákony užívané v měření Z toho lze odvodit u i = Blv měření rychlosti (tachodynama, indukční průtokoměry) Využití i v bezkontaktních senzorech proudu 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 2
Opakování: Integrační zesilovač u 2 R I C C u 1 i 1 t u C i R u i C d d C 1 1 = = = u C u = 2 ( ) ( ) 1 2 1 1 2 C 2 2 1 2 2 1 2 1 d ) ( 1 - d ) ( 1 ) ( ) ( t u t t u RC t u t t i C t u t t t t t t + = + = = Φ Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 77-80 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 3
Magnetické senzory Hallova sonda Magnetorezistory Indukční cívka Fluxgate senzor nestihneme: Magnetooptické senzory SQUID NMR 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 4
r F m r r q( v B) = Lorentzova síla Hallova sonda U H = R t H IB I t U H B Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 250 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 5
Použití Hallovy sondy a magnetorezistorů Měření magnetického pole Bezkontaktní měření elektrických proudů S permanentním magnetem: měření polohy magnet je součástí senzoru magnet je na pohyblivé části 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 6
Hallův spínač (Hallswitch) nejrozšířenější senzor polohy často CMOS min. 3 vývody různé spínací charakteristiky vymezená frekv. oblast (dynamický typ = st) polarita a hystereze i diferenční provedení i ve smart provedení Viz Ripka a kol.: Senzory a převodníky, str. 19 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 7
Inteligentní Hallůvsenzor V DD napájecí obvody teplotní komp. oscilátor ochranné obvody spínaná Hallova sonda A/D DSP D/A 100 Ω OUT detekce úrovně napájení EPROM zámek číslicový výstup GND Micronas HAL 800: 3 vývody analogový <> digitální mod Viz Ripka a kol.: Senzory a převodníky, str. 19 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 8
Magnetorezistory feromagnetické: AMR (anizotropní magnetorezistance) cilivější než Hallůvsenzor citlivé v rovině chipu výr. Philips, Honeywell,... příp. GMR, TMR Pro B od 1 µt do 10 mt polovodičové: kvadratická charakteristika, pro vyšší B (cca 100 mt až 2 T) výr. Murata 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 9
AMR (anizotropní magnetorezistor) H Y x směr M r AMR efekt: elektrický odpor ve směru magnetizace je vyšší než ve směru kolmém. Tenká vrstva permalloye (slitina FeNi) je nanesena na křemíkový substrát. Senzor tvoří jednu magnetickou doménu. Remanentní magnetizace leží ve směru x H Y otáčí magnetizaci M R se mění o 2%-3% Viz Ripka a kol.: Senzory a převodníky, str. 20 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 10
AMR: linearizace Posuv pracovního bodu do lineární oblasti Používané pro vyšší pole např. u senzorů polohy s permanentním magnetem Proužková struktura (Barber pole) odkloní směr proudu o 45 o (Honeywell) Vhodnější pro menší pole (např. pro kompas) 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 11
Philips KMZ Plný můstek z meandrových odporů s kovovými deflekčními proužky (barber poles) AMR můstkový senzor 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 12
AMR kompas: vývoj FEL pro firmu Brownline Jednoduchý AMR kompas 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 13
Indukční senzory u i = -dφ/dt = d(nsµ 0 µ r (t)h(t))/dt kde u i je indukované napětí do cívky s N závity (okamžitá hodnota) Φ Magnetický cívkový tok Φ = NBS S plocha cívky ( = přibližně průřezu magnetického jádra) H magnetické pole v jádru senzoru (přibližně rovné mag. H ve vzduchu) µ r (t) relativní permeabilita jádra senzoru (pro vzduchovou cívku µ r (t)= 1) u i = NS µ 0 µ r dh(t)/dt + N µ 0 µ r H ds(t)/dt + NS µ 0 H d µ r (t)/dt Indukční cívka Rotující cívka Fluxgate senzor 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 14
Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 252-254 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 15
Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 250-251 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 16
Přesné fluxgate magnetometry pro družice 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 17
Fluxgate object locator DIMADS Schiebel Austria, sensors from Czech Technical University 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 18
Měření charakteristik feromagnetických materiálů Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 256-257 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 19
Měření charakteristik feromagnetických materiálů Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 258 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 20
Měření charakteristik feromagnetických materiálů Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 259-261 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 21
Měření dynamické hysterezní smyčky R B 0, tzv. napěťové magnetování sin. průběh B (vyžadováno v normě) Plocha smyčky je úměrná ztrátám ve feromagnetickém materiálu Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 262 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 22
Transformátor náhradní schema (vázaný induktor viz přednášky prof. Zemánka) Zjednodušené náhradní schéma měřicího transformátoru (přepočteno na převod 1 : 1) Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 189-192 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 23
Měřicí transformátor napětí Použití: měření VN, galvanické oddělení Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 189-192 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 24
Měřicí transformátor proudu (CT, ICT) magnetovací proud I 01 způsobuje chybu převodu a fáze požadavek: Z 2 minimální, (je udávána max. hodnota Z 2 nebo max. zdánlivý výkon ve VA) Upozornění: Sekundární obvod měřicího transformátoru proudu se za provozu nesmí rozpojit!! Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 189-192 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 25
Senzory pro měření el. proudu Proudový transformátor měří jen střídavé proudy bočník do cca 1000 A Převodník I/U jen pro velmi malé proudy (do 1 ma) Hallův proudový senzor AMR proudový senzor Magnetooptický proudový senzor SS transformátor Rogowského cívka měří jen střídavé nebo pulsní proudy 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 26
Bočník Žádné galvanické oddělení Ztráty - hřeje Měřený obvod se musí rozpojit trubka a čela z vodivého materiálu I x U B keramická trubka vrstva z odporového materiálu Pro ss proudy Pro střídavé proudy (bezindukční např. koaxiální bočník) Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 188-189 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 27
Stacionární senzory el. proudu se jhem přímé a kompenzované 2 1 2 2 U 2 n I 1 I 1 = = n n 2 I U R 2 Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 184 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 28
Stejnosměrné proudové kleště Hall 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 29
Zpětnovazební proudové senzory a Hallovou sondou 1 A.. 1 ka sensors LTS 25 NP 25 A, 200 khz error 0.02 % sensitivity TC: 50 ppm/k 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 30 LEM
Stacionární senzory el. proudu se jhem kompenzované LEM 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 31
Nekompenzované Hallovy proudové senzory 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 32
Proudový AMR senzor range 5... 50 A linearity 0.1 % sens. tempco 50..100 ppm/k typ. offset (25 0 C) 15 ma max. offset 30.. 50mA (-25.. 85 0 C) 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 33
Další proudové senzory Magnetooptické (vč. optických vláknových) Jen pro velké proudy, využívají Kerrova jevu (natáčení polarizační roviny světla v magnetickém poli) Modulační DC transformátory (na principu fluxgate ) Rogowského cívky (di/dt senzory) Používají se i v elektroměrech, vyžadují integrátor, měří jen střídavé nebo pulsní proudy nebo změny ss proudu 20.2.2011 A3M38SEM přednáška 5 34