感測技術(shù)實現(xiàn)更智能化的節(jié)能
當(dāng)今世界，能量計量是資源保護和計費的關(guān)鍵。 在諸如歐盟《大型燃燒設(shè)施指令》等各種規(guī)范的倡議下，關(guān)閉火力電廠會迫使電網(wǎng)更多地依賴再生能源。 反過來，這會提升用電需求管理和鼓勵消費行為改變的重要性。 世界各國政府都在開始推廣智能電表，旨在為公用事業(yè)公司和用戶提供管理電力供應(yīng)和削減用電需求所需的信息，以確保在應(yīng)對氣候變化時保持電網(wǎng)穩(wěn)定。
用戶改用智能電表尚需要時間，但家用能源用量顯示設(shè)備（圖 1）早已投入使用。 這種設(shè)備可以向用戶實時顯示能源消耗數(shù)據(jù)，方便用戶找到節(jié)能機會。 電表柜中安裝的傳感器裝置會先采集電流測量數(shù)據(jù)，再通過無線傳輸將數(shù)據(jù)傳送到家中的接收器和顯示裝置，能量和功率計算便以此精確數(shù)據(jù)為依據(jù)。 電流傳感器必須便于安裝，對現(xiàn)有電表和接入家中的主供電電纜的干擾也要盡可能小。最理想的是將傳感器夾在供電電纜上即可，無需接入內(nèi)部電路。
圖 1：家用能源用量顯示器（含夾合式傳感器和信息顯示裝置）可顯示能源用量數(shù)據(jù)，無需全面升級智能電表。
設(shè)備管理和保護感測
除現(xiàn)在新興的智能能源應(yīng)用外，隔離式電流傳感器在工業(yè)自動化應(yīng)用中也有諸多作用，例如幫助確保設(shè)備高能效作業(yè)、即時檢測設(shè)備故障或協(xié)調(diào)安全聯(lián)鎖裝置。 可檢測電流范圍大，小到幾毫安，大到數(shù)十或數(shù)百安。 用量信息傳輸?shù)?PLC 后，系統(tǒng)會發(fā)出警報或采取校正措施（圖 2）。
圖 2：設(shè)備和外部電路的電流相依控制。
功率因數(shù)校正 (PFC) 廣泛用于提高能效，防止交流線路出現(xiàn)諧波污染。 除校正電容器組連接到輸入端的情況外，大型電機等高電感負載的功率因數(shù)通常較低。 功率因數(shù)最低時負載最重，所需電容也最高。 然而在負載較輕時，如果電容未減少，則可能發(fā)生過度校正。 根據(jù)監(jiān)測到的電機輸入電流，系統(tǒng)可檢測所加負載情況。 如負載減輕，電流動作開關(guān)就可以斷開 PFC 電容器，防止校正過度。
如自動化工廠設(shè)備發(fā)生故障，盡快檢測故障并采取補救措施十分重要。 例如工業(yè)爐的控制，或需要精確控制加熱溫度的藥品生產(chǎn)流程。 為避免生產(chǎn)效率下降，任何加熱器元件發(fā)生故障，都必須迅速對其進行檢測，但溫度監(jiān)測無法快速檢測故障。 如果直到溫度已發(fā)生顯著變化才采取措施，那么就會危及品質(zhì)并浪費寶貴的材料。 如果在元件故障時檢測到電流驟降，則會發(fā)出即時指示，繼而觸發(fā)及時響應(yīng)，例如啟用備用加熱器。
同理，通過感測電機的輸入電流，可立即檢測輸送帶堵塞等問題，電流測量數(shù)據(jù)會輸送到 PLC，從而促使電機快速停止，確保安全。
電流感測技術(shù)在工業(yè)設(shè)備中的另一應(yīng)用就是管理安全連鎖裝置。 安全聯(lián)鎖裝置可以設(shè)計用來保護操作人員的安全，防止在機器運轉(zhuǎn)時防護裝置被打開。 另一方面，聯(lián)鎖裝置還可防止設(shè)備受損，或促進協(xié)調(diào)生產(chǎn)流程，確保各驅(qū)動器和致動器僅按照正確的順序工作。 由于電流消耗情況可以可靠地顯示子系統(tǒng)的開關(guān)狀況，因此電流動作開關(guān)成為了協(xié)調(diào)這些聯(lián)鎖裝置的最佳方法。
最后，在積極采取舉措提升工業(yè)安全的同時，除了主斷路器常安裝的保護電路外，接地故障保護電路正成為每臺機器的標配。 使用接地故障傳感器來監(jiān)測設(shè)備供電電纜中的電流，可快速、安全地檢測出細微漏電流（接地電路故障征兆）。
電流傳感器的選擇
一款傳感器是否能用于電流動作開關(guān)、故障檢測器和電表電路，要考慮的重要屬性包括：電氣隔離以確保最佳安全性、對監(jiān)測電路而言的極低功耗，以及易用性和低成本。 根據(jù)應(yīng)用的不同，測量范圍、頻寬、耐惡劣環(huán)境的性能也是重要的標準。 霍爾傳感器、電流互感器和羅氏線圈是符合上述要求的三類重要傳感器。
霍爾傳感器
霍爾效應(yīng)電流傳感器會對載流導(dǎo)體周圍產(chǎn)生的磁場作出反應(yīng)，并產(chǎn)生與導(dǎo)體中電流成比例的輸出電壓。 典型的線性電流傳感器由磁芯和含有霍爾元件的 IC 組成，磁芯用于聚集霍爾效應(yīng) IC 上的磁通量。 IC 和磁芯位于塑料外殼中，這樣可確保兩個元件的精確相對定位。
Infineon TLI4970 霍爾傳感器內(nèi)含積分-差分霍爾元件，不需要集中器。 由于不需要集中器，也就消除了磁滯效應(yīng)；差動感測原理的使用也避免了外部磁場對當(dāng)前測量的干擾。 TLI4970 將霍爾傳感器集成于模擬和數(shù)字信號調(diào)節(jié)電路旁（圖 3），所占空間約為類似傳感器的 1/6。 它能測量高達 ±50 A 的交流和直流電流。盡管其他傳感器（例如，羅氏線圈和電流互感器）通常在測量范圍內(nèi)的線性度更具優(yōu)勢，但高電流測量能力依然是霍爾傳感器眾所周知的優(yōu)點。
圖 3：TLI4970 可消除磁滯效應(yīng)，節(jié)省 PCB 空間。
電流互感器
電流互感器一直以來用于開關(guān)模式電源等設(shè)備的控制、電路保護和監(jiān)測工作，同樣也用于在儀表應(yīng)用中執(zhí)行精確電流測量。 這些器件可測量交流電流，且可在初級繞組和次級繞組之間形成電氣隔離。
初級繞組的額定電流可有效控制測量范圍，高匝數(shù)比也就意味著高測量精度。 根據(jù)電流互感器和應(yīng)用的不同，匝數(shù)比可能在 1:20 至 1:1000 范圍之間。 匝數(shù)比過高會增強電流互感器中的電容和電感效應(yīng)，從而導(dǎo)致測量不準確。 另一方面，選擇的匝數(shù)比過低會因為輸出信號失真而導(dǎo)致測量不準確。
電流互感器的另一個缺點在于，適合測量大電流的設(shè)備尺寸也會很大。 另一方面，小型表面封裝電流互感器，例如 Murata 5300 系列適用于電機控制器、開關(guān)模式電源和電子照明鎮(zhèn)流器等設(shè)備，可測量最高約 10 A，最大頻寬 500 kHz 的電流。
典型電流互感器纏繞在環(huán)形金屬芯上，載流電纜須從中穿過。 或者，采用分離鐵心設(shè)計，將電流互感器夾在電纜上。 這樣令傳感器的安裝更加簡單，以家用數(shù)據(jù)顯示器為例。CR Magnetics CR4100 系列真 RMS AC 電流傳感器就能精確測量正弦或非正弦電流波形，訂購規(guī)格分為環(huán)形配置和分離鐵心配置。
羅氏線圈傳感器
相比于霍爾形傳感器或電流互感器，采用羅氏線圈原理的電流傳感器所占有的優(yōu)勢明顯。 這些優(yōu)勢包括：在未飽和時測量大電流、頻寬比其他傳感器要大、測量平均每微秒變化幅度高達數(shù)千 A 的電流。 此外，還可測量 DC 偏移較大的小 AC 電流。
羅氏線圈電流傳感器位于載流導(dǎo)體周圍，如圖 4 所示。 導(dǎo)體中的流動電流會在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，電壓大小與電流的變化速率成比例。 對此電壓積分運算后，即可計算出瞬態(tài)電流的大小。 集成電路不論是外置，還是內(nèi)置于傳感器中，都可在輸出端產(chǎn)生與電流成比例的電壓。 由于線圈沒有與載流電路建立電氣連接，這就暗示羅氏線圈電流傳感器具有電氣絕緣性。
圖 4：羅氏線圈位于要測量載流電纜的周圍。
羅氏線圈電流傳感器可測量的電流范圍廣泛，小到數(shù)百毫安，大到數(shù)百千安。Pulse Electronics 的傳感器不僅種類繁多，其中包括 PA320 系列，動態(tài)測量范圍為 0.1 A 至 1000 A,頻寬 500 kHz，還具有相當(dāng)高的測量精度，符合 ANSI C12.20 標準的 0.2 精度等級和 IEC 62053-21 標準的 1 類規(guī)格。 這使得該傳感器可用于智能電表的精確電流測量。
結(jié)論
不論是計量應(yīng)用中的高精度電流測量，還是利用高速電流監(jiān)測來協(xié)助管理工業(yè)機械和即時監(jiān)測重大故障，設(shè)計人員都可從霍爾效應(yīng)電流傳感器、電流互感器和羅氏線圈電流傳感器中靈活選擇，實現(xiàn)能夠滿足性能、可靠性和成本等重要目標的解決方案。
