Датчики постоянного и переменного тока (напряжения) с выходом RS485(MODBUS RTU/ASCII) серий ТП...X-.../RS485 (Платформа «айюми цифра МВ1Х»)

По результатам общения с посетителями выставки «Электро-2025» выявилась серьезная потребность в датчиках постоянного тока и напряжения. Практически 30% посетителей интересовались это проблемой, еще 50% заинтересованы в разъемных датчиках для быстрой модернизации уже смонтированных линий. Удивительно, но точность при этом не имела для потребителя существенного влияния.

В настоящее время на рынке представлены датчики Холла по весьма «кусачим» ценам с приличным потреблением или низкой точностью. Существуют определенные объективные проблемы при построении датчиков на основе эффекта Холла. Основная из них – сильная температурная зависимость. Типовая зависимость передаточной характеристики датчиков Холла от температуры приведена на рисунке.

Попытки производителей снизить влияние температуры на показания датчиков Холла приводят к использованию компенсационных схем, использующих ток подмагничивания в качестве измерительного сигнала и удержания магнитного потока в магнитопроводе на уровне 0 (см. рисунок). Основная проблема при этом – габариты и большие энергозатраты, при которых компенсационный ток во встроенной обмотке может превышать сотни мА.

Понятно, что аппаратная температурная коррекция характеристик практически достаточно сложна, а без этого точность получится совсем неприлично низкая. Обратите внимание — характеристика в области 0 практически линейна в диапазоне температур, что дает шанс, применив компенсационную схему, для работы в широком температурном диапазоне с хорошей точностью. Основной недостаток этого решения — создание противотока равного I*N, где N – количество витков компенсационной обмотки. Достаточно сложно сделать многовитковую обмотку, например 10 000 витков, но, при замере тока 3 000 А, необходимо направить в обмотку целых 300 мА от внешнего источника для компенсации магнитного потока. Для того, чтобы «прокачать» такой ток, нужно как минимум провод соответствующего диаметра (а это вес и габариты) и соответствующая мощность источника питания. В этом, пожалуй, самый главный недостаток компенсационной схемы.

Вторая выявленная проблема – желание применения разъемных трансформаторов. Как бы не хвастались производители высокой точностью, фактически реальная точность — «ниже плинтуса». Нами были проведены испытания разъемного трансформатора тока, из которых стало понятно – повторяемости результатов фактически нет. Натурным испытаниям подвергся разрезной магнитопровод ПЛ12 с обмоткой 1:2000в проводом 0,1 мм. При смыкании реальный коэффициент трансформации плавал от 1:2060 до 1:2800 витков с изменением угла фазового сдвига от 2,7 до 4 градусов на одном и том же токе (это важно). По сути – куда кривая выведет... Совершенно понятно, что в полевых условиях никто не будет тереть спиртом и наносить спец. смазку при сборке трансформатора.

Проанализировав указанные проблемы, нами была разработана платформа «айюми цифра МВ1Х» специально под применение датчиков Холла в широком температурном диапазоне. Применение цифровой обработки сигнала позволяет проводить температурную коррекцию получаемых данных и убрать температурную погрешность.

Учитывая высокую линейность преобразования датчика Холла (см. рисунок) можно применить только корректирующие температурные коэффициенты, вычисляемые при калибровке приборов в климатической камере.

Запас по измеряемому диапазону 1,4-1,8х позволяет сузить фактически измеряемую зону и обрезать концы около нелинейной зоны, что также повышает точность измерения.

Такое решение позволяет избавиться от недостатков схем прямого включения (низкая точность) и компенсационного включения (цена, габариты, потребляемая мощность).

Что касается разъемных датчиков – применение датчиков Холла практически нивелирует неплотное прилегание половинок магнитопровода по сравнению с электромагнитными трансформаторами, так как получаемый зазор в десятые доли мм — ничто по сравнению с фактическим зазором (например, для ТТП1212Х/2 это 6,5 мм). Это приводит к высокой повторяемости результатов при неоднократных манипуляциях со сборкой-разборкой трансформатора при монтаже. Кроме того, возможно сокрытие от погодных влияний магнитопровода (загрязнение, ржавление и т. д.) вовнутрь корпуса, как это сделано в ТТП1212Х/2-350А/RS485-00-З/0.

Датчики предназначены для контроля тока или напряжения в электрических цепях постоянного и переменного тока с номинальным напряжением до 1000 В и имеют малогабаритные размеры при весьма большом диаметре отверстия под контролируемый провод.

Для нормальной работы датчика требуется внешний источник постоянного напряжения 24в и линия связи стандарта RS-485. Допускается питание осуществлять источником постоянного напряжения 9-28 В. Потребляемая мощность от источника питания в режиме передачи не более 1,2В А, в режиме приема – 0,5 ВА

Датчики преобразовывают входной сигнал переменного или постоянного тока в цифровой выходной сигнал стандарта RS-485 с протоколом MODBUS/RTU и являются slave устройством.

Датчики могут устанавливаться в любом месте, включая скрытые и труднодоступные места и не обслуживаются. Датчики выпускаются как разъемными, так и неразъемными.

Для линий напряжением свыше 1000 В возможно использование датчиков тока с внешними трансформаторами тока и датчиков напряжения с внешними балластами (специально разработанные для таких целей резистивные балласты Р1-1-10 кВ). При этом класс изоляции определяется классом изоляции применяемого трансформатора (балласта). Для линий свыше 10кВ допускается использование каскадного включение резистивных балластов Р1-1-10 кВ.

Для управления внешними устройствами, изготавливается датчики со встроенным реле, которое управляется либо программно, либо по внутренним установкам – ток (напряжение) срабатывания, условия срабатывания. Такие датчики могут работать самостоятельно и в отсутствии связи по RS485.

Платформа «айюми цифра МВ1Х» является простейшим представителем этого класса устройств и содержит один вход для подключения первичного датчика, первичный конвертер входного сигнала, устройство математической обработки и устройство сопряжения-передачи RS485, а также устройство защиты по цепи питания.

Первичный конвертер с автоматическим аттенюатором позволяет расширить диапазон измерения и дает возможность работать с высокой эффективностью как с малыми, так и с большими сигналами. Реальный диапазон измерения не хуже 1:2000.

Устройство математической обработки содержит 16-битный АЦП и математические модули, позволяющие измерять мгновенный ток (напряжение), средний ток (напряжение), фиксировать максимальный ток (напряжение). Гибкие настройки позволяют менять адрес, скорость обмена, настраивать параметры измерения RMS, фиксировать измеренные значения по широковещательной команде синхронизации для последующей передаче зафиксированных значений.

Устройство защиты по цепи питания реагирует на увеличение питания более чем на 2 В и отключает встроенный ШИМ стабилизатор, препятствуя дальнейшему проникновению импульсных помех в цепь питания, а диод по входу защищает от переполюсовки при ошибочном подключении цепей питания.

Конструктивно платформа «айюми цифра МВ1Х» может быть интегрирована с любыми типоразмерами магнитопровода, а также может быть использована как самостоятельное устройство с подключением внешних датчиков.

Датчики устанавливаются на DIN рейку или шину, имеют клеммник для подключения питания 24 В и линии RS485 (А/В).

Устройство и принцип работы

Принципы работы ЭТ тока и напряжения идентичны. При протекании тока во внешней цепи, в магнитопроводе встроенного трансформатора образуется магнитный поток постоянного или переменного значения. Магнитный поток влияет на магниточувствительный элемент (датчик Холла), который трансформирует этот ток в напряжение с последующим усилением усилителем-преобразователем и далее сигнал оцифровывается 16-битным АЦП. Оцифрованный сигнал после математической обработки приводится к узнаваемому виду и передается по каналу RS485.

Для ЭТ напряжения, роль задания тока для входного трансформатора отведена резистивному балласту. Наличие многовитковой первичной обмотки позволяет снижать номинальный ток такого балласта до уровня 0,5-1 мА.

Питание платформы «айюми-цифра MB1» не имеет гальванической развязки от линии RS485 и 24 В, причем SG порта RS485 физически соединен с 0 (-24 В источника питания).

Изоляция от измеряемой линии обеспечивается встроенными или внешними первичными датчиками (трансформаторами). Встроенные трансформаторы обеспечивают развязку не хуже 3 кВ. Внешние преобразователи (трансформаторы, резисторы), выпускаемые нами, могут иметь класс напряжения до 10 кВ. Допустимый размах напряжения на выводах А/В относительно 0 не более +-7 В.

Интерфейс RS-485

Универсальная платформа имеет последовательный интерфейс RS-485 на базе чипа ST485, позволяющий объединить в единую сеть до 16 (32) устройств. Для защиты от перегрузок по входам А и В установлены последовательно резисторы 51ом. При наличии коротких линий рекомендуется не устанавливать терминаторы 120 Ом, особенно с 2-х сторон. Наличие таких терминаторов обусловлено исключительно согласованием линий на высоких скоростях при значительном удалении. В то же время, применение длинных линий требует снижения скорости обмена, при этом макс. скорость допустима при длинах связи до 1-3 м. Для увеличения длин связи с сохранением скорости следует ставить 1 или 2 терминатора. Целесообразность их установки можно определить экспериментально по количеству ошибочных принятых пакетов. Для повышения надежности связи следует уделить особое внимание выбору кабеля. Оптимальным является применение специальных экранированных кабелей для промышленного интерфейса RS485. Однако, в пределах одного шкафа, допускается прокладка линий обычным экранированным кабелем, предназначенным для построения компьютерных сетей.

Короткие линии, например на одной din рейке, при отсутствии сильных помех по измеряемым линиям, допускается вести не экранированным кабелем или отдельными проводами. При использовании экрана в качестве SG, необходимо подключить его к линии РЕ через газовый разрядник на напряжение 90 В для исключения возникновения высоковольтных плавающий потенциалов.

Датчик является ведомым (slave) устройством, отвечающим на команды с соответствующим адресом в пакете протокола. По последовательному интерфейсу поддерживается протокол верхнего уровня Modbus RTU/ASCII в полном соответствии с документом «Modbus over Serial Line Specification & Implementation guide V1.0». Поддерживаются скорости передачи от 4800 бит/с до 115200 бит/с.

Для Modbus RTU передача ведётся без контроля четности, 8 бит данных, 1 стоп-бит.

Для Modbus ASCII - 1 бит контроля чётности (чётный, нечётный), 7 бит данных, 1 стоп-бит.

Скорость соединения и сетевой адрес задаются пользователем при программировании контроллера спец. программой конфигуратором, расположенным в свободном доступе на сайте ООО ВП АИСТ.