Aparate de masura cu efect Hall

Aparate de masura cu efect Hall

Aceste APARATE DE MASURA, masoara fara a face contact galvanic cu obiectul de masurat, permitand protejarea operatorului impotriva electrocutarii, dar si efectuarea de masurari in timpul functionarii instalatiilor.

1. Senzorul Hall

Se stie ca efectul Hall consta in aparitia tensiunii(U_H) intr-o placuta semiconductoare parcursa de un curent de comanda(I_c) si plasata intr-un punct cu inductia(B), perpendiculara pe planul placutei (fig.2.37). Valoarea acestei t.e.m., numita si tensiune Hall, este data de relatia:

U_H=S_H I_c B;    S_H= (2.64)

in care h este grosimea placutei, R_H- constanta Hall, iar S_H- sensibilitatea senzorului Hall.

2.TeslAparate de masuraetru cu sonda Hall

O aplicatie directa a senzorului Hall o constituie masurarea inductiei in campuri magnetice statice. In figura 2.38 se arata schema unui teslAparate de masuraetru pasiv (fara Aparate de masuraplificator) in varianta Metra unde mV este un milivoltmetru magnetoelectric de laborator, iar S_H senzorul Hall. Acesta din urma este plasat in varful unei sonde in forma de surubelnita (fig.2.38, b), permitand introducerea senzorului in intrefierul unde trebuie masurat B_x. Potentiometrul P serveste la reglarea curentului de comanda(I_c), iar rezistenta R la controlul acestuia.

Modul de lucru Mai intai se pune comutatorul K in pozitia 1("etalonare") si se regleaza P pana cand I_c atinge valoarea prescrisa, care este marcata pe scara cu un punct colorat, apoi se da K in pozitia 2 si se citeste B_x.

Performante Limite de masura: 0,2/0,5/2T; precizie clasa 2,5.

3.Aparate de masurapermetre cu efect Hall

Aparate de masurapermetrele cu efect Hall s-au impus in special la masurarea curentilor continui foarte mari.

Schema de principiu a unui asemenea Aparate de masurapermetru este data in figura 2.39. Curentul de masurat (I_x) alimenteaza o bobina care produce un camp de inductie(B), proportionala cu I_x si, cum curentul de comanda(I_c) este constant, rezulta ca deviatia la milivoltmetru de iesire va fi proportionala cu I_x.

La curenti mari kA se foloseste un singur conductor(C) care trece prin fereastra unui circuit magnetic dublu U (fig.2.40), in ale carui intrefieruri sunt plasate sondele Hall S₁ si S₂ conectate in serie. Asemenea Aparate de masurapermetre pot masura curenti continui pana la zeci de kA cu precizii bune ca 1-2% oferind, in acelasi timp posibilitatea izolarii electrice a aparatului de masura(mV) fata de conductorul(C) prin care circula curentul de masurat.

4. Wattmetre cu efect Hall

Schema este prezentata in figura 2.41, unde R_a este o rezistenta aditionala, necesara limitarii curentului de comanda (I_c) la valoarea nominala, RC- un filtru trece-jos, iar:

; ,

tensiunea si respectiv curentul la bornele sarcinii Z. Cum curentul de comanda este proportional cu tensiunea(i_c=k₁u) iar inductia(B) cu I (b=k₂i), conform cu (2.64) rezulta ca tensiunea Hall instantanee:

k=k₁k₂S_H, (2.65)

are o componenta continua proportionala cu puterea activa la bornele lui Z si o componenta alternativa de frecventa dubla.

Eliminand pe acesta din urma cu filtru trece-jos (RC) ramane componenta continua, care produce o deviatie:

, (2.66)

unde S_W=kS reprezinta sensibilitatea wattmetrului, in care S este sensibilitatea milivoltmetrului de iesire mV.

Schema din figura 2.41, poate functiona si fara filtru trece-jos RC, eliminarea componente alternative din U_H facandu-se prin integrare inertiala intocmai ca la wattmetrul electrodinAparate de masuraic.

La frecvente joase filtrul RC este necesar deoarece inertia organului mobil al milivoltmetrului(mV) este sensibil mai mica decat cea de la mecanismul de masura electrodinAparate de masuraic. Condensatorul C montat in paralel pe mV face sa creasca inertia acestuia din urma.

Schema din figura 2.41, a, are neajunsul ca aparatul nu este izolat complet fata de reteaua in care se masoara puterea. Schema din figura 2.41, b, la care curentul de comanda este luat prin intermediul unui transformator de tensiune (T), inlatura acest neajuns.

Observatii

1. Defazand curentul I_c cu 90⁰ in urma tensiunii U aparatul va indica puterea reactiva: UI sin.

2. Daca la U_H din (2.65) se blocheaza componenta continua (cu un condensator) si se redreseaza componenta alternativa, aparatul va indica puterea aparenta: UI.

5. Cleste Aparate de masurapermetric cu efect Hall

La masurarea curentilor (I_x) in afara de cerinta:

(2.67)

in care r este rezistenta Aparate de masurapermetrului iar R_c - rezistenta totala a circuitului in care se masoara I_x, apare adesea si cerinta de a masura pe I_x fara intreruperea circuitului. Aceasta operatie se poate face cu ajutorul dispozitivelor de tip cleste Aparate de masurapermetric. O problema importanta ce apare la clestii Aparate de masurapermetrici consta in reducerea sectiunii miezului magnetic.

Opozitia magnetica se realizeaza automat cu ajutorul unui sistem de urmarire

a)      Cleste Aparate de masurapermetric Hall pentru c.c.

Constructie. Placuta Hall (PH, fig.2.42, a) este fixata pe una din falcile clestelui (fig.4.42, b) in asa fel incat sa fie perpendiculara pe fluxul magnetic care o strabate. Falcile se construiesc din tole magnetice subtiri cu bune calitati magnetice si mecanice, Aparate de masurabele falci alcatuind un tor cu sectiunea S.

Curentul de masurat (I_x) produce, in miezul magnetic al falcilor, un flux (R - reluctanta, n₁=1) care, intersectand placuta Hall, da nastere unei t.e.m. - (U_H). Aceasta din urma este aplicata unui Aparate de masuraplificator diferential, cu Aparate de masuraplificare foarte mare (A=10⁵-10⁶), ce alimenteaza o bobina cu n₂ spire, care da un flux magnetic, de semn contrar lui. Fluxul F creste pana cand devine aproape egal cu F_x, situatie in care sistemul intra in echilibru.

In figura 2.43 este prezentata o schema de principiu a masurarii curentilor electrici, intr-o instalatie industriala cu cleste Aparate de masurapermetric Hall.

Ecuatia de functionare. In prezenta fluxurilor direct (F_x) si fluxului oponent (F ) la iesirea senzorului Hall apare o t.e.m.:

, (2.68)

expresie in care S reprezinta sectiunea miezului alcatuit din falcile clestelui. Prin urmare tensiunea de iesire din AD, U₂, devine:

, (2.69)

relatie ce poate fi transcrisa in forma:

, (2.70)

din care rezulta F_x F = 0 si deci (n₁=1):

. (2.71)

Curentul de compensare (I₂) trecand prin rezistenta R₂ produce o cadere de tensiune U=R₂I₂ care poate fi masurata cu ajutorul unui voltmetru magnetoelectric. In cazul primei solutii rezulta relatia :

(2.72)

ce reprezinta ecuatia de functionare a clestelui Aparate de masurapermetric analizat.

Relatia (2.70) scoate in evidenta avantajul esential al metodei opozitiei magnetice: miezul lucreaza la un flux rezultant () foarte mic (), ceea ce permite ca sectiunea acestuia sa fie foarte mica, precum si o buna comportare in c.a.

Performante. Limite de masura: 10mA-10A, precizie 1.5-3% .

b) Cleste Aparate de masurapermetric Hall pentru c.c. si c.a.

Clestele din figura 2.42 poate functiona si in c.a. daca tensiunea de iesire U₂ = R₂I₂ este masurata cu un voltmetru cu redresor de precizie, montat ca in figura 2.44. Comutatorul K fiind in pozitia a("c.c."), clestele functioneaza dupa ecuatia:

, (2.73)

similara cu (2.72).

Functionare in c.a. Mutand pe K in b ("c.a.") ecuatia de functionare devine:

. (2.74)

6. Circuite integrate cu senzor Hall

Dimensiunile foarte reduse ale senzorului Hall au permis integrarea acestuia pe monocip, solutie ce a condus la unele circuite integrate "magnetice" simple, robuste si cu larga aplicabilitate in masurari, automatica si robotica. Schema bloc a unui astfel de C.I., numit si comutator senzorial precum si forma capsulei sunt prezentate in figura 2.45, a, respectiv fig. 2.45, b. Caracteristica de transfer a acestui CI este de tip blocat-saturat, deci usor adaptabila la schema de masura prin impulsuri(TTL), cum sunt traductoarele de turatie (figura 2.45, c) si cele de vibratii.

2.3.4. APARATE DE MASURA cu efect Gauss

a)Senzorul Gauss

Se stie ca efectul Gauss, denumit si efect magnetorezistiv, se manifesta prin cresterea rezistentei unei placute de stibiura de indiu la introducerea acesteia intr-un camp magnetic. Caracteristica inductie- rezistenta a unei placute de stibiura de indiu este aratata in figura 2.46. Portiunea neliniara(ab si ab^') este aproximativ patratica:

R=R₀+mB²; m=constant    (2.75)

si se utilizeaza la realizarea de wattmetre, iar portiunea liniara se utilizeaza la realizarea de Aparate de masurapermetre. Si intr-un caz si in celalalt, pentru eliminarea efectului rezistentei initiale(R_a, R_b), este necesar un circuit in punte. Senzorul Gauss are aceleasi aplicatii ca senzorul Hall, insa uneori este mai avantajos decat acesta pentru ca are numai doua terminale in loc de patru.

b)Aparate de masurapermetre cu efect Gauss

Schema de principiu a unui astfel de Aparate de masurapermetru este aratata in figura 2.47, unde MR este magnetorezistenta, iar M- un magnet permanent necesar eliminarii portiunii neliniare(rezistenta initiala creste pana la R_b), situatie in care ecuatia de functionare a senzorului devine:

R=R_b+KB.

Rezistentele din punte trebuie sa indeplineasca conditia: R₂=R₃=R₄ iar milivoltmetrul trebuie sa aiba o rezistenta interioara mare. In aceste conditii tensiunea de iesire din punte este U K·E·B, de unde tinand cont ca inductia este proportionala cu I_x (B = k₁ I_x) si ca ecuatia de functionare a milivoltmetrului este =S·U, se obtine in final ecuatia de functionare a Aparate de masurapermetrului:

; A=k₁KE. (2.76)

c)Wattmetru cu efect Gauss

Acesta functioneaza pe principiul multiplicarii prin elemente de ridicare la patrat dupa relatia cunoscuta:

(a+b)²-(a-b)²=4ab.

Ca elemente de ridicare la patrat se folosesc doua magnetorezistente identice care functioneaza pe portiunea patratica a caracteristicii (figura 2.46).