مقدمه
سنسورهای جریان به منظور اندازه گیری جریان‌های ثابت و متناوب در صنعت ریلی مورد استفاده قرار می‌گیرند. تکنولوژی‌های مختلفی برای اندازه‌گیری جریان استفاده می‌شوند که به دو دسته کلی ایزوله شده (isolated) و ایزوله نشده (non-isolated) تقسیم می‌شوند. معروف‌ترین سنسورهای اندازه‌گیری جریان به صورت ایزوله شده سنسورهای اثر هال، CT ها، کویل‌های Rogowski ، AMR ها و فلاکس‌گیت‌ها (Fluxgate) می‌باشند. سنسور جریان مورد بحث در این گزارش از روش فلاکس‌گیت برای اندازه‌گیری جریان استفاده میکند.
ویژگی‌های سنسور جریان
سنسورهای جریان با تکنولوژی‌های مختلف دارای ویژگی‌های متفاوتی هستند. با این وجود ویژگی‌های اصلی یک سنسور جریان مناسب به شرح زیر است:
- قرائت جریان با دقت بالا
- پهنای باند متناسب به منظور افزایش سرعت قرائت
- تغییر هر چه کمتر دقت اندازه گیری با تغییر دما
در ادامه نحوه عملکرد سنسور جریان فلاکس‌گیت توضیح داده خواهد شد.
عملکرد سنسور جریان فلاکس گیت
به منظور اندازه‌گیری جریان، سیم هادی (اولیه) از میان سوراخ تعبیه شده در سنسور عبور میکند. جریان عبوری از اولیه، شار مغناطیسی در اطراف خود ایجاد میکند. با توجه به اینکه یک هسته فرومغناطیس دور سوراخ سنسور قرار دارد، شار مغناطیسی ایجاد شده توسط اولیه در هسته مغناطیسی جاری خواهد شد. در تکنولوژی فلاکس‌گیت یک المان اندازه گیری جریان همراستا با شار ایجاد شده در هسته قرار می‌گیرد و نسبتی از شار هسته از آن عبور میکند. این المان یک سلف با هسته اشباع شونده است و با تغییر شار مغناطیسی هسته نفوذپذیری مغناطیسی هسته سلف تغییر میکند. این اتفاق منجر به تغییر اندازه سلف می‌شود. در این سنسور جریان، یک مدار الکتریکی به منظور اندازه گیری مقدار سلف (المان فلاکس‌گیت) قرار دارد. با اندازه‌گیری مقدار سلف میزان شار مغناطیسی عبوری از هسته مغناطیسی اصلی مشخص شده و در نتیجه مقدار جریان اولیه به دست خواهد آمد.
ورودی‌ها و خروجی‌های سنسور جریان
سنسور جریان فلاکس‌گیت یک سنسور اکتیو است و نیاز به تغذیه دارد. تغذیه اکثریت این سنسورها به صورت double-supply است. دلیل آن هم وجود تقویت کننده های ولتاژی و توانی و اسیلاتور در مدار الکترونیکی این سنسورها است که نیازمند این نوع از تغذیه هستند. همچنین با توجه به نوع خروجی این سنسورها که در ادامه در مورد آن بحث خواهد شد، سنسور جریان ممکن است نیازمند گراند یا زمین مدار باشد.
خروجی این سنسورهای جریان به صورت آنالوگ است و به طور معمول یک پین خروجی دارند. این خروجی میتواند به صورت ولتاژی یا جریانی باشد:
- خروجی ولتاژی: اگر خروجی به صورت ولتاژی باشد، باید در ورودی، گراند (زمین مدار) به سنسور وارد شود. در این حالت جریان قرائت شده به صورت ولتاژ خواهد بود و مقدار آن یک نسبت مشخص از جریان اولیه خواهد بود. مزیت این روش این است که خروجی سنسور میتواند مستقیم به واحد کنترل کننده متصل شده و نیازی به اضافه کردن المان دیگری نیست
- خروجی جریانی: اگر خروجی به صورت جریانی باشد، سنسور نیازی به گراند (زمین مدار) نخواهد داشت. در این حالت جریان قرائت شده به صورت جریان خواهد بود و مقدار آن یک نسبت مشخص از جریان اولیه خواهد بود. به منظور اتصال به واحد کنترل کننده، این جریان به مقاومتی با دقت بالا که یک سر آن به زمین مدار متصل شده، وارد می‌شود و ولتاژ این مقاومت به واحد کنترل ارجاع داده می‌شود. با توجه به اینکه مقدار مقاومت دلخواه است، مزیت این روش امکان تغییر نسبت ولتاژ مقاومت (مقدار قرائت شده جریان اولیه) به جریان اولیه است که موجب طراحی بهینه‌تر سیستم خواهد شد.
حلقه کنترلی
سنسور جریان فلاکس‌گیت حلقه باز: در این سنسورها، مدار الکتریکی پس از اندازه‌گیری مقدار سلف فلاکس‌گیت، ولتاژ خروجی را تقویت کرده و به خروجی متصل می‌شود. در این حالت، پس‌خوری بین خروجی و شار مغناطیسی ورودی وجود ندارد.
سنسور جریان فلاکس‌گیت حلقه باز معایبی دارد که به شرح زیر است:
- غیرخطی بودن: مقدار جریان اولیه از طریق شار مغناطیسی به وجود آمده توسط آن اندازه گیری می‌شود و این شار در یک هسته فرومغناطیس جاری می‌شود. منحنی B-H هسته فرو مغناطیس خطی نیست. در نتیجه شار به وجود آمده دچار اعوجاج شده که این امر موجب خطا در قرائت جریان خواهد شد
- دریفت ناشی از دما (Temperature drift) : به دلیل قرائت جریان به طور مستقیم و عدم وجود فیدبک، گرمای ایجاد شده در هسته باعث تغییر اندکی در مشخصات سلف فلاکس‌گیت و منحنی B-H هسته می‌شود که منجر به خطای اندازه‌گیری خواهد شد.
- نویزپذیری
- سرعت پاسخ نسبتا پایین: در مدار الکتریکی سنسور، فیلترهایی جهت کاهش نویز خروجی مدار وجود دارند که باعث می‌شود سرعت پاسخ خروجی کاهش یابد.
در کاربردهایی که نیاز به دقت اندازه گیری بالا وجود دارد از سنسورهای جریان حلقه بسته استفاده می‌کنند. وجود حلقه کنترلی باعث می‌شود که بسیاری از نقاط ضعف سنسور برطرف شوند.
سنسور جریان حلقه بسته فلاکس‌گیت: مدار الکتریکی این سنسورها بسیار شبیه به مدار سنسورهای حلقه باز است با این تفاوت که خروجی تقویت کننده به صورت سیم پیچی با تعداد دور مشخص (تعداد دور مشخص کننده نسبت تبدیل جریان اولیه به جریان خروجی است) به دور هسته مغناطیسی اصلی پیچیده می‌شود. این کار باعث می‌شود که جریان خروجی مدار الکتریکی، شار مغناطیسی‌ای برابر و در خلاف جهت شار مغناطیسی جریان اولیه در مدار ایجاد کند. در نتیجه شار مغناطیسی هسته به صفر میل میکند (فیدبک منفی). به کمک یک کنترل‌کننده PI می‌توان خطای جریان خروجی را نزدیک به صفر کرده و دقت اندازه‌گیری را افزایش داد.
نقص اصلی سنسورهای حلقه بسته، قیمت بالاتر آنها نسبت به سنسورهای حلقه باز است. نقص دیگر آنها مصرف انرژی بیشتر آنها نسبت به مدل‌های حلقه باز است.
مزایای سنسورهای حلقه بسته عبارتند از:
- سرعت پاسخ بالا: در فرکانس‌های پایین، مدار الکتریکی با دقت بالا عمل میکند. با افزایش فرکانس جریان اولیه، گین خروجی مدار الکتریکی کم می‌شود و به صفر میل میکند. در این حالت، مدار مغناطیسی همانند یک CT عمل میکند و جریان خروجی برابر با ضرب جریان اولیه در نسبت تعداد دور سیم‌پیچی اولیه به ثانویه خواهد شد و در نتیجه پهنای باند خروجی افزایش خواهد یافت.
- خطی بودن: با توجه به اینکه سیم پیچی ثانویه باعث می‌شود که شار مغناطیسی در هسته اصلی به صفر میل کند، نقطه کار سنسور در نقاط خطی منحنی B-H هسته قرار می‌گیرد و خروجی مدار به اصطلاح خطی‌تر خواهد بود.
- دریفت کم ناشی از تغییر دما: به دلیل وجود فیدبک و کنترل کننده PI، تغییر در مشخصات تقویت‌کننده‌ها و سلف فلاکس‌گیت (به دلیل تغییرات دما)، تاثیر بسیار کمی روی خروجی خواهد داشت.
- نویز کم: به دلیل وجود فیدبک مغناطیسی، خروجی سنسور حلقه بسته نسبت به نویز الکتریکی ایمن خواهد بود.