About / Advertise
Det finns en rad olika sätt att mäta ström. För tillämpningar som kräver mycket hög noggrannhet, som effektanalysatorer, MRI-scanners och annan medicinsk utrustning, eller i strömförsörjning till partikelacceleratorer i stora forskningslaboratorier som Cern, är zero-flux tekniken, även kallad fluxgate, den erkänt bästa lösningen.
 Ladda ner artikeln här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert |
Låt oss först titta på de två tekniker som vanligtvis används för strömavkänning. Den första är baserad på Ohms Lag och utnyttjar ett precisionsmotstånd, en så kallad shunt, som sitter parallellt med mätaren. Metoden är relativt enkel, men ger inte särskilt hög grad av noggrannhet, och dras även med fel till följd av temperaturdrift.
Den andra metoden utnyttjar de magnetiska fält som genereras av strömflödet. Denna generella metod kan utnyttjas för att mäta endast AC, såsom med en strömtransformator, eller AC och DC. Zero-flux tekniken ingår i denna andra familj av testmetoder.
För att förklara principen för zero-flux teknik bör vi börja med några grundläggande fakta. Figur 1, visar en pickup-spole konstruerad med hjälp av en magnetisk stång omgärdad av en pickup-spole, se överst till vänster i figuren; överst till höger visas motsvarande elektriska krets med motstånd och en induktans. När en spänning läggs på visar den röda kurvan strömmen i kretsen. Strömmen ökar gradvis och följer lutningen i enlighet med induktansens värde, upp till den punkt där induktansen mättas. Motsvarande elektriska krets kan då betraktas som endast resistiv.
När en zero-flux strömgivare skapas har det magnetiska material som används för pickup-stången specifika magnetiska egenskaper, så strömmen visas av den blåa kurvan. Till att börja med ökar strömmen långsamt på grund av ett högt impedansvärde. Men när induktansen sedan plötsligt mättas ökar strömmen, som med en switch, mycket snabbt för att som tidigare uppnå slutpunkten.
Om vi nu lägger på en fyrkantspänning blir strömmens profil en följd av positiva och negativa mättnads- och avmättnadscykler. Om vi placerar en ledare nära fluxgate-elementet kommer strömflödet att skapa ett extra magnetfält som påverkar signalen genom att flytta nolläget (figur 2a – blå kurva). Slutligen, genom att använda en signalbehandlingsberäkning kallad sekundär överton är det möjligt att återskapa signalen för primärströmmen, som visas av den lila kurvan i figur 2a. Det är så som zero-flux principen fungerar.
För att förbättra tekniken ytterligare kombinerar givartillverkare ofta zero-flux teknik med principen för återkoppling, se figur 2b. Fluxgate-elementet är placerat i luftspalten och när det mäter magnetfältet förs utströmmen tillbaka genom sekundärlindningen som då genererar ett magnetfält i motsatt riktning. Metoden innebär att magnetfältet som fluxgaten ser alltid är noll, vilket utesluter problem med offset och linjäritet.
Det finns för närvarande fyra huvudsakliga zero-flux topologier på marknaden (figur 3). Den första (3a) är baserad på en magnetisk kärna med en luftspalt plus den sekundära lindningen. Den liknar en återkopplad halleffektbaserad strömgivare, där Hall-elementet i luftspalten har ersatts av fluxgaten. Den främsta fördelen är bra offset-avdrift. Den andra topologin (3b) är en enda kärna som tar rollen av fluxgate-element. Eftersom det inte finns någon luftspalt är en av de främsta fördelarna att den är EMC-robust och har hög upplösning. Men eftersom kärnan snabbt mättas är bandbredden begränsad till några få Hertz.
Den tredje topologin löser problemet genom addera en lindningskärna (3c) som endast mäter AC-signalen, som i en strömtransformator. Topologin ger samtliga fördelar. Ibland är dock prestanda fortfarande inte tillräcklig, så det finns ytterligare en topologi, kallad balanserad kärna (3c). Denna har två fluxgate-element placerade som i en Wheatstone-brygga. Därmed har den, oavsett externa miljöförhållanden – såsom EMC eller temperaturvariationer – en naturlig passiv kompensering mellan de båda avkänningselementen. Tack vare det är det möjligt att åstadkomma en mätnoggrannhet på 1 ppm, även i tuffa miljöer.
