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 ui = Blv … měření rychlosti (tachodynama, indukční průtokoměry)
Využití i v bezkontaktních senzorech proudu
20.2.2011
A3M38SEM přednáška 5
2
Opakování: Integrační zesilovač
IC C i1
R
i1 = u1
u2 t
du u1 = − iC = − C C dt R
u 2 = uC t
1 2 1 2 ∆Φ(t 2 − t1 ) = u2 (t 2 ) = ∫ iC (t ) dt + u2 (t1 ) = u1 (t ) dt + u2 (t1 ) ∫ C t1 RC t1 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
Hallova sonda r r r Fm = q(v × B)
Lorentzova síla
UH
RH IB UH = t
B I
t
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“ (Hall switch) • • • •
• •
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 Hallův senzor VD D
napájecí obvody
spínaná Hallova sonda
detekce úrovně napájení
teplotní komp.
ochranné obvody
oscilátor
A/D
DSP
D/A
EPROM
100 Ω
OUT
číslicový výstup
zámek
GND
Micronas HAL 800: 3 vývody analogový <> digitální mod 20.2.2011
Viz Ripka a kol.: Senzory a převodníky, str. 19
A3M38SEM přednáška 5
8
Magnetorezistory • feromagnetické: – AMR (anizotropní magnetorezistance) • cilivější než Hallův senzor • 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) HY
x … směr Mr 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
•
HY otáčí magnetizaci M → R se mění o 2%-3%
20.2.2011
A3M38SEM přednáška 5
Viz Ripka a kol.: Senzory a převodníky, str. 20 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 45o (Honeywell) Vhodnější pro menší pole (např. pro kompas) 20.2.2011
A3M38SEM přednáška 5
11
AMR můstkový senzor Philips KMZ Plný můstek z meandrových odporů s kovovými deflekčními proužky (barber poles)
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 ui = -dΦ/dt = d(NSµ0µr(t)H(t))/dt kde ui 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) µr(t) relativní permeabilita jádra senzoru (pro vzduchovou cívku µr(t) = 1) ui = NS µ0 µr dH(t)/dt + N µ0 µrH dS(t)/dt + NS µ0H d µr(t)/dt
Indukční cívka 20.2.2011
Rotující cívka A3M38SEM přednáška 5
Fluxgate senzor 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
RB → 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 20.2.2011
A3M38SEM přednáška 5
Viz Haasz, Sedláček: Elektrická měření, str. 189-192 24
Měřicí transformátor proudu (CT, ICT)
magnetovací proud I01 způsobuje chybu převodu a fáze ⇒ ⇒ požadavek: Z2 minimální, (je udávána max. hodnota |Z2| 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 Ix UB 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
n1 I1 = n2 I 2 ⇓ U2 I 1 = n2 R2 U2
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
LTS 25‐NP 25 A, 200 kHz error 0.02 % sensitivity TC: 50 ppm/K
1 A .. 1 kA sensors
LEM 20.2.2011
A3M38SEM přednáška 5
30
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 linearity sens. tempco typ. offset max. offset (-25 .. 850C)
20.2.2011
A3M38SEM přednáška 5
5 ... 50 A 0.1 % 50..100 ppm/K (250C) 15 mA 30 .. 50mA
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
