CC BY
18
УДК 621.317.311
ДАТЧИК ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Л. А. Самотик, Н. В. Штабель Научный руководитель - Е. А. Мизрах
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: antikodona@gmail.com
Представлена схема феррозондового датчика малых токов, реализованного на микроконтроллере. Исследованы характеристика и погрешность измерения опытного образца.
Ключевые слова: феррозонд, датчик тока, сопротивление изоляции.
DIRECT CURRENT SENSOR FOR SPACECRAFT POWER SUPPLY SYSTEM INSULATION RESISTANCE MEASUREMENT SYSTEM
L. A. Samotik, N. V. Shtabel Scientific Supervisor - E. A. Mizrakh
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: antikodona@gmail.com
A fluxgate small magnitude direct current sensor circuit using microcontroller is proposed. Sensor characteristics such as nonlinearity and measurement error studied and analyzed.
Keywords: fluxgate, current sensor, insulation resistance.
Для измерения дифференциального тока в устройстве контроля сопротивления изоляции [1] датчик тока должен обладать следующими характеристиками: гальваническая развязка между измеряемым током и измерительным оборудованием, возможность измерения малых токов (порядка десятков мкА), возможность измерять постоянный ток, низкий температурный дрейф и смещение нуля. Величина погрешности также имеет немаловажное значение, поскольку сама методика измерения сопротивлении изоляции вносит дополнительную погрешность. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет феррозондовый датчик тока [2].
Основой для феррозондового датчика тока являются феррозондовый магнитометр. Как и датчики тока на основе элементов Холла, феррозондовые датчики тока могут быть выполнены как с разомкнутым, так и с замкнутым контуром. Но по сравнению с датчиками тока на основе элементов Холла феррозонды имеют большую стабильность нуля и меньшую чувствительность к внешним магнитным полям, что особенно важно для измерения малых токов [3].
Схема предложенного феррозондового датчика тока представлена на рис. 1. Структурно датчик состоит из обмотки с сердечником, измерительного сопротивления и сопротивления обратной связи, схемы возбуждения с напряжением смещения и фильтра нижних частот. Во время работы датчика происходит перемагничивание сердечника током Is до предельной петли гистерезиса. При отсутствии измеряемого тока Ip форма тока Is симметрична, в случае появления тока Ip в токе Is появляется постоянная составляющая и появляется асимметричность относительно оси абсцисс. В датчике используется фильтр нижних частот для выделения постоянной составляющей, которая пропорциональна измеряемому току Ip.
Секция «Автоматика и электроника»
Отдельного внимания заслуживает выбор материала сердечника датчика, поскольку его параметры напрямую влияют на его характеристики. Материал сердечника должен обладать следующими характеристиками: низкая коэрцитивная сила, высокая магнитная проницаемость, низкая индукция насыщения (для измерения токов малой величины) [4]. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют аморфные и нанокристаллические магнитомягкие сплавы, в опытном образце датчика использован сердечник из ленты 84КЗХСР [5].
1з
Рис. 1. Схема феррозондового датчика тока с олнополярным питанием: 1р - измеряемый ток; ФНЧ - фильтр нижних частот; Цсм - напряжение смещения; Цвых - выходное напряжение датчика
Рис. 2. Передаточная характеристика опытного образца: Ца^ - выходное напряжение датчика; измеренное АЦП датчика; ишш - выходное напряжение датчика, измеренное прецизионным мультиметром; ка^-х, кшш-х - аппроксимирующие прямые
На рис. 2 представлена передаточная харакетристика опытного образца феррозондового датчика. Диапазон измерения датчика составляет 10 мА. Видно, что за пределами диапазона характеристика отклоняется от линейной.
На рис. 3 представлена зависимость приведенной погрешности от измеряемого тока. В диапазоне измерения она не превышает 0,55 %. Частотные характеристики датчика, главным образом, определяются параметрами фильтра нижних частот (в текущей реализации частота среза равна 10 Гц), а собственная частота работы датчика составляет 1500 Гц.
0 61
0.4--
0-61-0.6
о : 10.4
Измеряемый ток, мА
X X Выходное напряжение измеренное АЦП О О Выгодно е напряжение измер енно е пр ещшюнным ММ
Рис. 3. График зависимости приведенной погрешноси от измеряемого тока
Разработанный датчик отличает простота конструкции, возможность измерения токов любой полярности при однополярном питании, защита от влияния внешних магнитных полей. Следующим этапом развития является уменьшение погрешности схемы, расширение диапазона измерения в области малых токов до единиц мкА.
Библиографические ссылки
1. Штабель Н. В., Самотик Л. А., Мизрах Е. А. Метод повышения точности контроля сопротивления изоляции при испытаниях системы электропитания космического аппарата // Сиб. журн. науки и технологий. 2017. Т. 18, № 3. С. 628-632.
2. Ziegler S., Woodwart R.C. Current Sensing techniques // A Review IEEE Sensors Journal, 2009. Vol. 9, No. 4. P. 354-376.
3. Ponjavic M. M., Duric R. M. Nonlinear Modeling of the Self-Oscillating // Fluxgate Current Sensor IEEE Sensors Journal. 2007. Vol. 7, No. 11. P. 1546-1553.
4. Ripka P. Review of fluxgate sensors Sensors and Actuators. 1992. Vol. 33. P. 129-141.
5. Лента быстрозакаленная из магнитомягких аморфных сплавов и магнитомягкого композиционного материала (нанокристаллического сплава). Технические условия [Электронный ресурс]. URL: http://www.amet.ru/upload/main/TU%2014-123-149-2009.pdf (дата обращения: 01.04.2018).
© Самотик Л. А., Штабель Н. В., 2018
