Nové možnosti snímání proudu s technologií fluxgate

Využití technologie fluxgate není ve snímačích pro přesné měření proudu ničím neobvyklým. Další zlepšování parametrů stávajících prvků proto vyžaduje nové nápady. Článek začíná krátkým přehledem proudových snímačů založených na technologii fluxgate a následně ukazuje, jak inovace v této oblasti umožnily vývoj nové rodiny snímačů proudu. Bylo nutné provést několik opatření, jejichž výsledkem bude kompaktní řešení, které si udržuje přesnost v širším rozmezí teplot a vyznačuje se i sníženou úrovní rušení. Předmětem článku je rovněž popis dosažených vlastností včetně vybraných klíčových parametrů.

Snímače proudu s technologií fluxgate

Proudové snímače popisované v tomto článku jsou zařízení pracující v uzavřené smyčce, ve kterých se pole vytvářené v magnetickém obvodu měřeným nebo primárním proudem IP vzájemně vyruší sekundárním nebo kompenzačním proudem Icomp, který prochází vinutím s Ncomp závity stejného magnetického obvodu. V případě, kdy primární proud prochází vinutím s Np závity, je IP dán vztahem:

IP = Icomp × Ncomp / Np

Podmínku nulového pole detekuje prvek technologie fluxgate, který tvoří cívka navinutá okolo feromagnetického jádra, u kterého dochází v důsledku působení magnetického pole k nasycení. Indukčnost cívky se při saturaci jádra snižuje. Pokud je tedy na cívku prvku fluxgate přivedeno budicí obdélníkové napětí, zvýší se při nasycení strmost jeho proudu, nicméně tvar zůstane symetrický. Pokud navíc zapůsobí magnetické pole vzniklé v důsledku primárního proudu, stane se průběh proudu v rámci periody nesymetrickým.

Názorně to vidíme na obr. 1. Průběh (a) zobrazuje obdélníkový tvar přiváděného napětí a vykazuje pouze liché harmonické výchozího kmitočtu. Průběh proudu (b) je symetrický a odpovídá tomu, že vnější magnetické pole bude nulové; má také jen liché harmonické. V případě (c) se již bude jednat o asymetrický průběh, pokud vnější pole není nulové. Obsahuje sudé harmonické a také stejnosměrnou složku.

Zapojení proudového snímače využívajícího právě popsaný princip vidíme na obr. 2. Obdélníkové napětí zde na prvek fluxgate přivádíme přes H-můstek. Napěťový signál z proudu získáváme pomocí rezistoru R a symetrii pak vyhodnocujeme zpracováním signálu spolu s detekcí druhé harmonické. Smyčka se uzavře v důsledku průchodu kompenzačního proudu zesilovačem třídy AB tak, aby tato druhá harmonická byla nulová. Icomp se pro účely dalšího zpracování změní na napětí pomocí Rm.

Musíme si však uvědomit, že technologie fluxgate pokrývá oblast stejnosměrného primárního proudu a také jeho nízké frekvence. U vyšších kmitočtů se uplatňuje přímá vazba, stejně jako techniky popsané dále.

Výhody a omezení

Fluxgate je pasivní prvek, který budíme symetricky. Spolu s použitím druhé harmonické k detekci nulového pole vytváří systém, jehož offset – a co je ještě důležitější, jeho „ujíždění“ – bude nízké a v zásadě omezeno elektronikou systému zpětné vazby. Poměr závitů Ncomp / Np je přesně znám, takže snímač bude velmi přesný a také stabilní. Za předpokladu, že máme zesílení smyčky dostatečně vysoké, pracuje při nulovém magnetickém poli, což ve výsledku znamená systém s vynikající linearitou. Efekt přímé vazby umožňuje dobrou reakci na vysokých kmitočtech. Na rozdíl od snímačů založených na Hallově sondě zde není žádný snímací prvek s vysokým odporem, takže je nízký i bílý šum.

Existují však některá omezení. Budicí napětí, které zajišťuje funkci prvku fluxgate, se může navázat do sekundárního proudu a generovat přitom nežádoucí signál nebo zvlnění s kmitočtem budicího napětí. Lze to však řešit buzením kompenzačního prvku fluxgate v opačné fázi, než je tomu ve smyčce měření. Účinnost takového opatření však bude omezena souhrou prvků fluxgate.

Smyčka fluxgate nebude obecně pracovat až do frekvence, při níž se začne uplatňovat přímá vazba. Tuto mezeru na kmitočtové ose potřebujeme vyplnit, např. snímací cívkou, jejíž výstupní napětí odpovídá rychlosti změn primárního proudu. Po integraci se takový signál sečte s výstupem detektoru druhé harmonické a použije k buzení sekundárního proudu.

Na obr. 3 vidíme zdokonalenou verzi snímače z obr. 2, a to včetně prvků, které původní dvě omezení překonávají. Musíme si však uvědomit, že elektronika v řídicí smyčce je poměrně složitá, a pokud se implementuje v analogové podobě, vzniká řada překážek, které mohou přispívat k offsetu, rušení od napájecích zdrojů apod. V některých případech je proto elektronika od magnetických prvků jádra systému fyzicky oddělena – viz obr. 4.

Za určitých okolností, např. když IP překročí měřicí rozsah, může pokaždé docházet k nasycení fluxgate, což vytváří podmínky pro vznik „falešné nulové druhé harmonické“. Smyčka, která generovala Icomp, pak nemá žádné zesílení, protože změnou Icomp nedojde ke změně v měření druhé harmonické. Zmíněnou podmínku je proto nutné detekovat a také korigovat.

Cestou inovací

V novém proudovém snímači IN 2000 od společnosti LEM bylo dosaženo lepších vlastností díky vyšší úrovni integrace, maximálnímu možnému zpracování signálu v digitální formě a také novému přístupu při potlačování zvlnění v důsledku budicí frekvence prvku fluxgate. Výhoda v podobě spojení všech tří inovací je tak mnohem větší než jen pouhý součet dílčích výhod:

• Integrace a číslicové zpracování Klíčovým prvkem snímače IN 2000 bude výkonný digitální signálový procesor DSP ve smyčce zpětné vazby, což umožňuje zpracování signálu v digitální podobě a reálném čase. Dále to znamená, že po A/D převodu dostáváme při zpracování naprostou odolnost vůči teplotním vlivům, rušení a také změnám napájecího napětí. Zlepšují se zvláště parametry, jako je offset spolu s jeho driftem. Procesor DSP rovněž obsahuje paměť typu Flash, což umožňuje ukládání některých kalibračních parametrů, jejichž hodnotu lze upravit pro každý jednotlivý snímač. Kromě toho jsou zmíněné funkce ve snímači zapracovány bez nutnosti jakkoli zvětšovat rozměry jeho elektronické části.
• Architektura Procesor DSP přispívá ke snížení rušení způsobeného zvlněním od budicího signálu prvku fluxgate na pevném kmitočtu 16 kHz dvěma způsoby. Místo prostého přepínání napětí fluxgate mezi kladnou a zápornou úrovní dle obr. 1 (a) je průběh budicího napětí tvarován tak, aby se snížily harmonické vyšších řádů. Zbývající rušení se odstraní buzením „cívky pro kompenzaci zvlnění“, jejíž amplituda a fáze se upravují během kalibrace jednotlivých snímačů. Nezbytná kompenzace zvlnění se udržuje za všech provozních podmínek na stejné úrovni pomocí samostatné smyčky, která nutí zdroj rušivého signálu, tedy buzení fluxgate, zůstávat beze změny, takže kompenzační signál bude účinný v celém rozsahu měření. Některé snímače starších generací umožňují změnu kmitočtu budicího signálu fluxgate tak, aby jeho proudová amplituda zůstala konstantní. Takové změny frekvence však mohou v systému znamenat nepředvídatelné výsledky. Obecně se tedy preferuje pevný kmitočet modelu IN 2000.

Na obr. 5 vidíme kompletní systém IN 2000 včetně nových vylepšení. Jejich kombinace vedla k vytvoření snímače s velmi vysokou přesností a nízkým rušením napříč širokým rozsahem teplot. Po kalibraci zůstává zvlnění špička-špička v poměru k plnému výstupnímu signálu snímače a v celém rozsahu provozních teplot od –40 °C až do +85 °C menší než 50 ppm. V tomto článku uvažujeme snímač pro 2000 A, nicméně půjde jen o jeden typ z rodiny pokrývající řadu různých vstupních proudů.

Obr. 6 porovnává zvlnění na budicí frekvenci prvku fluxgate ve výstupním signálu snímače. Na dvou stopách je zřetelný rozdíl mezi snímačem IN 2000 a verzí pro 2000 A předchozí generace. U modelu IN 2000 bude zvlnění zahrnuto v teplotním šumu.

Trvalé nasycení prvku fluxgate mohou způsobit dvě podmínky: nenulový primární proud při aktivaci napájení a vstupní proud, který přesahuje měřicí rozsah snímače o více než 10 %. Pokud je detekován stav přetížení, Icomp se neustále pohybuje mezi krajními hodnotami svého rozsahu. Když se pak IP dostává znovu do povolených mezí, musí dojít k desaturaci fluxgate a obnovení běžné činnost smyčky zpětné vazby, při níž se nastaví nulové magnetické pole. Nasycení prvku fluxgate se dá vysledovat přes zvýšení jeho proudu.

Kromě reakce na výše popsanou podmínku přetížení se model IN 2000 sám chrání pomocí softwarového algoritmu, který kontroluje vnější i vnitřní napájecí napětí. Je-li detekována chyba, IN 2000 poskytne stavový výstup na speciálním pinu konektoru. Uživatel tedy dostává informaci, že je potřeba podniknout opatření pro návrat k podmínkám zaručujícím přesnost měření. K dispozici je také testovací vinutí s 200 závity, kterým lze v systémech s obtížným přístupem zkontrolovat bez narušení instalace funkci snímače pomocným proudem 1 A.

Důležitou vlastností modelu IN 2000 je schopnost pracovat v širokém rozsahu teplot. Z tohoto důvodu byly provedeny teplotní simulace pro ověření, že zde nehrozí výskyt problematických míst. Příklad vidíme na obr. 7. Na obr. 8 pak máme zobrazen kompletní snímač. Kryt je kovový, aby bylo zajištěno co nejlepší odstínění vnějších zdrojů rušení. Odolnost z hlediska EMC je dále vylepšena umístěním prvku fluxgate uvnitř primárního magnetického obvodu.

Vybrané stěžejní parametry modelu IN 2000 shrnuje tabulka 1. Byla rovněž provedena rozsáhlá analýza vlastností v celém teplotním rozsahu. Přesnost pro teploty –40 °C a +85 °C ukazuje např. obr. 9.

Závěr

Ověření přístrojů a zařízení se obecně provádí v certifikovaných laboratořích s využitím špičkového vybavení a stejně tak i měřicích systémů, které obsahují precizní snímače proudu. Také proto si musí udržet přesnost v celém teplotním rozsahu zkoumaného zařízení, např. v automobilovém průmyslu. Vlastnosti potřebné k testování zařízení jsou požadovány i pro tradiční průmyslové systémy, které mají při využití v náročných podmínkách stále vyšší nároky – např. v medicíně (zařízení pro magnetickou rezonanci, protonovou terapii apod.), u přesného řízení motorů a také měření.

V oblasti měření velkých proudů zaznamenaly snímače IN 2000 další pokrok, kterého lze díky technologii fluxgate dosáhnout. Jejich vysoká přesnost ve spojení s nízkou úrovní šumu, které jsou udržitelné v širokém rozsahu teplot, přispívají spolu s kompaktním provedením celého prvku k rozšíření počtu aplikací, pro něž bude zmíněný typ proudového snímače správnou volbou.