Датчик тока преобразует силу тока в проводнике в сигнал, который понимает контроллер. В промышленной автоматике это чаще всего унифицированный токовый выход 4…20 мА: по нему АСУ ТП видит нагрузку двигателя, отличает работающий механизм от остановленного и замечает перегрузку до того, как сработает защита. Ниже — как устроены датчики тока разных типов, чем они отличаются на практике и как подобрать исполнение под свою задачу.
IPT-01Бесконтактный датчик измерения переменного тока с выходом 4…20 мА. Измеряет действующее значение (RMS) силы переменного тока промышленной частоты 50 Гц и преобразует его в стандартный унифицированный сигнал. Шесть исполнений на предельный ток от 5 до 300 А.
Все исполнения ИПТ-01 отличаются только диапазоном измерения: выход, точность, развязка, габариты и способ монтажа у них одинаковые.
| Исполнение | Предельный ток | Типовая нагрузка | Выход | Цена |
|---|---|---|---|---|
| ИПТ-01-5А | 5 А | Цепи управления, малые приводы, нагреватели | 4…20 мА | 2 928 ₽ |
| ИПТ-01-30А | 30 А | Вентиляторы, небольшие насосы, шнеки | 4…20 мА | 2 928 ₽ |
| ИПТ-01-50А | 50 А | Нории, транспортёры, аспирация | 4…20 мА | 2 928 ₽ |
| ИПТ-01-100А | 100 А | Дробилки, вальцовые станки | 4…20 мА | 2 928 ₽ |
| ИПТ-01-200А | 200 А | Мощные приводы, групповые линии | 4…20 мА | 2 928 ₽ |
| ИПТ-01-300А | 300 А | Вводные линии, главные распределительные щиты | 4…20 мА | 2 928 ₽ |
Выбирайте исполнение так, чтобы номинальный рабочий ток устройства был равен примерно 75 процентам от максимального измеряемого датчиком значения.
Задача датчика тока — превратить величину, которую нельзя подать на вход контроллера напрямую, в стандартный сигнал. Ток в силовой линии измеряется десятками и сотнями ампер, а модуль аналогового ввода принимает 4…20 мА или 0…10 В. Между ними и стоит измерительный преобразователь.
Второе, не менее важное назначение — развязка. Силовая цепь и цепь управления не должны иметь электрической связи: пробой в силовой части не должен доходить до контроллера. Поэтому у промышленных датчиков тока нормируется напряжение гальванической развязки, и это один из основных параметров при выборе.
В АСУ ТП датчик тока решает три типовые задачи. Первая — контроль факта работы: по току видно, крутится двигатель или только включён пускатель. Вторая — контроль загрузки: ток пропорционален моменту на валу, а значит показывает, насколько заполнен транспортёр или нория. Третья — защита: рост тока выше уставки означает заклинивание или завал, и остановить привод нужно раньше, чем сработает тепловая защита.
Способов измерить ток несколько, и они заметно отличаются по точности, диапазону и удобству монтажа.
Большинство недорогих бесконтактных датчиков тока построены на эффекте Холла. У этого решения два практических недостатка. Характеристика элемента Холла зависит от температуры, поэтому датчик, откалиброванный в цеху при +20 °C, зимой на неотапливаемом объекте показывает иначе. И элемент реагирует на любое магнитное поле, а в шкафу рядом идут другие силовые линии.
Пояс Роговского лишён обеих проблем. Сердечника нет — насыщаться нечему, линейность держится от нижней границы диапазона до предельного тока. Конструкция замкнутой катушки сама по себе подавляет влияние внешних полей: поле от постороннего проводника наводит в противоположных участках витка равные и противоположные ЭДС.
Практический итог — стабильные показания в диапазоне от −45 до +60 °C, класс точности 0,5 и погрешность не более 0,5 %. Именно на этом принципе построен наш датчик ИПТ-01.
Обычно за пояс Роговского приходится доплачивать: на рынке приборы на этом принципе заметно дороже датчиков на эффекте Холла, и выбор между точностью и бюджетом делается в пользу второго. ИПТ-01 снимает этот выбор — он стоит как рядовой датчик на эффекте Холла, оставаясь датчиком на поясе Роговского со всеми его свойствами. Сравните цену в таблице подбора выше с тем, что вы обычно платите за прибор такого класса.
У датчиков на встроенном трансформаторе тока перегрузка измеряемой линии — отдельный риск, и производители его не скрывают. В паспортах таких приборов прямо оговаривается предел: входной ток не должен превышать полуторакратного значения максимального номинального тока для этого типа датчика. Выше — под угрозой и сам датчик, и приёмное оборудование, к которому он подключён.
На практике это ограничение задевает ровно те линии, где датчик и нужен. Пусковой ток асинхронного двигателя в пять-семь раз выше номинального, заклинивание дробилки или завал нории тоже даёт кратный бросок. Полуторакратного запаса на такие режимы не хватает.
У ИПТ-01 такого ограничения нет. Сердечника, который можно ввести в насыщение, в конструкции не существует, а вторичная цепь пояса Роговского при перегрузке не оказывается под опасным напряжением. При токе выше предельного выходной сигнал просто упирается в верхнюю границу диапазона: измерение в этот момент недостоверно, но ни датчик, ни подключённый к нему модуль ввода не страдают. После возвращения тока в диапазон прибор продолжает измерять как ни в чём не бывало.
Токовая петля 4…20 мА остаётся основным аналоговым интерфейсом в промышленности по трём причинам. Ток не теряется на сопротивлении провода — в отличие от напряжения, сигнал не зависит от длины линии, и датчик можно унести от шкафа на сотни метров.
Нижняя граница выбрана не нулевой намеренно. Исправный датчик в состоянии «ноль» отдаёт 4 мА, а обрыв линии даёт 0 мА — контроллер отличает отсутствие тока в измеряемой цепи от отказа самого канала измерения. С сигналом 0…20 мА такое разделение невозможно.
И третье: 4…20 мА принимает любой модуль аналогового ввода любого производителя. Датчик с таким выходом встраивается в существующую АСУ ТП без переходников и дополнительных модулей.
Начинать нужно с номинального тока нагрузки, а не с пускового. Правило простое: номинальный рабочий ток устройства должен быть равен примерно 75 процентам от максимального измеряемого датчиком значения. Тогда используется почти вся шкала, а сверху остаётся запас на перегруз. Датчик на 300 А, поставленный на линию с током 8 А, формально работает, но разрешающая способность в этой точке будет никакой.
Дальше проверяется сопротивление нагрузки токовой петли. Для ИПТ-01 это 100…330 Ом — сюда входит входное сопротивление модуля аналогового ввода и сопротивление проводов. Если петля длинная, суммарное сопротивление нужно посчитать.
Третье — диаметр окна под проводник. У ИПТ-01 это 25 мм: через окно должен пройти кабель вместе с изоляцией, и на больших сечениях это ограничение проявляется раньше, чем предел по току.
И условия монтажа: место на DIN-рейке, температура в шкафу, наличие рядом других силовых линий.
На предприятиях хранения и переработки зерна датчики тока ставят на приводы норий, транспортёров, шнеков, дробилок и вальцовых станков. Ток привода — самый дешёвый способ увидеть загрузку механизма: расходомер на зерновом потоке стоит несоизмеримо дороже, а ток даёт ту же картину с точностью, достаточной для управления.
Отдельная типовая задача — контроль забивания. Нория, которая начинает захлёбываться, набирает ток задолго до срабатывания защиты, и АСУ ТП успевает снизить подачу вместо аварийной остановки с разгрузкой башмака вручную.
За пределами отрасли те же датчики работают в насосных и вентиляционных установках, в системах учёта энергопотребления по цехам, в контроле нагревательных элементов и в схемах защиты от обрыва фазы.
Отдельное направление — системы электрообогрева. По току греющего кабеля видно, цел ли он: обрыв секции обогрева трубопровода или резервуара проявляется падением тока задолго до того, как замёрзнет содержимое. Ту же задачу датчик решает на очистных сооружениях, где греющий кабель защищает трубопроводы от промерзания. ИПТ-01 разработан в том числе для применения в системах автоматического управления электрообогревом, а рабочий диапазон до −45 °C позволяет ставить его в уличных шкафах рядом с обогреваемым объектом.
Подходит датчик и для контроля приводов в других отраслях: механические решётки и дробилки на очистных сооружениях, оборудование и приводы целлюлозно-бумажных производств, загрузка дробилок и конвейеров на производстве инертных материалов, регулирование подачи в центрифуги и сепараторы на пищевых и рыбоперерабатывающих линиях. Задача везде одна — по току привода понять, работает механизм вхолостую, под нормальной нагрузкой или уже перегружен.
Трансформаторные датчики — самый распространённый класс приборов с выходом 4…20 мА, и чаще всего выбор идёт между ними и ИПТ-01. Ниже параметры из руководства по эксплуатации серийного датчика этого класса рядом с нашими.
| Параметр | ИПТ-01 | Датчик на трансформаторе тока |
|---|---|---|
| Принцип измерения | Пояс Роговского без ферромагнитного сердечника | Встроенный трансформатор тока с интегрирующей цепью |
| Погрешность измерения | не более 0,5 %, класс точности 0,5 | не хуже 2 % (1 % при заводской калибровке) |
| Гальваническая развязка | не менее 10 кВ | не хуже 4 кВ |
| Предел по входному току | не ограничен: сигнал упирается в верх диапазона, датчик цел | не более 1,5 номинала — выше есть риск повреждения датчика и приёмного оборудования |
| Время измерения | 100 мс | постоянная времени интегрирования 0,2…0,4 с |
| Напряжение питания | 12…36 В | 24 В |
Данные по трансформаторному датчику приведены из руководства по эксплуатации серийного прибора этого класса. Характеристики конкретной модели уточняйте в её паспорте: линейка широкая, и параметры у разных производителей различаются.
Нет. ИПТ-01 рассчитан на переменный ток промышленной частоты 50 Гц и измеряет его действующее значение (RMS).
Нет, измерение бесконтактное. Проводник продевается через окно диаметром 25 мм, силовая цепь остаётся целой.
Длина проводов питания — до 400 м. Токовая петля 4…20 мА к длине линии нечувствительна, ограничение идёт по сопротивлению нагрузки 100…330 Ом.
Выходной сигнал ограничится верхним значением диапазона. Датчик при этом не повреждается.
Да, рабочий диапазон −45…+60 °C. Отсутствие ферромагнитного сердечника означает, что показания не уходят по температуре в отличие от датчиков на эффекте Холла.
Пришлите номинальный ток привода, длину линии до шкафа и сечение кабеля — подскажем исполнение и проверим, пройдёт ли проводник в окно датчика.