Проектиране на измервания с токов шунт, които остават точни

Шунтът за ток преобразува тока във веригата в малко напрежение, което даден измервателен уред може да измери. Принципът е законът на Ом: токът през известно съпротивление създава пропорционален пад на напрежение. Предизвикателството при проектирането е да се избере достатъчно голямо съпротивление за надеждно измерване, но достатъчно малко, за да се избегнат прекомерни загуби, нагряване и смущаване на товара.

Започнете с изискванията за измерване

Определете минималния, нормалния и максималния ток, преди да изберете хардуера. Определете също дали токът е постоянен, променлив или превключван сигнал; дали посоката има значение; каква е необходимата честотна лента; и каква е приемливата обща грешка. Шунт, оразмерен само за номиналния ток, може да прегрее при стартиране, спиране или аварийни състояния.

Решете как ще се използва резултатът. Мониторингът на енергията може да допуска по-бавна реакция от управлението на двигател. Защитата изисква известно време за откриване и диапазон на аварийните токове. Изпитвателното оборудване може да се нуждае от двупосочно измерване и изолация от изпитваната верига.

Изберете съпротивлението според сигнала и загубите

Напрежението върху шунта се определя от V = I × R. По-голямото съпротивление създава по-силен сигнал и подобрява разграничаването му от отместването и шума на усилвателя. То обаче увеличава падането на напрежение и загубите на мощност. Разсейваната мощност се определя от P = I² × R, така че нагряването нараства бързо с тока.

Изчислете пада на напрежение и разсейваната мощност при най-неблагоприятния допустим непрекъснат ток. След това оценете продължителността на претоварването и топлинното възстановяване. Проверете в техническата документация номиналната непрекъсната мощност, импулсната устойчивост, температурния коефициент и условията за монтаж на резистора. Не приемайте, че само означението за висока мощност определя точността на измерването.

Изберете разположение от високата или ниската страна

Шунтът от ниската страна се намира между товара и общия обратен проводник на системата. Това може да опрости изискванията към общорежимното напрежение на усилвателя, но добавеното напрежение променя потенциала на товара спрямо маса. Така могат да се смутят други свързани сигнали или да останат неоткрити някои пътища на късо съединение към маса.

Шунтът от високата страна се намира между захранването и товара. Той запазва заземяването на товара и може да открива ток, който протича към натоварване с късо съединение. Измервателната схема трябва да издържа общорежимното напрежение на шината. Насоките на Texas Instruments за измерване от високата страна подчертават избора на усилвател, чийто входен диапазон и защита са подходящи за тази шина.

При измерване на фазите на инвертор превключваното общорежимно напрежение и бързите преходни процеси правят разположението по-взискателно. Използвайте компоненти и монтаж, предназначени за съответната топология. Не копирайте лабораторна схема за ниско напрежение в силово задвижване с висока енергия.

Използвайте келвински връзки

Съпротивлението на проводниците и медните шини може да бъде сравнимо с това на шунт с ниско съпротивление. Четирипроводното, или келвинско, измерване отделя силовия токов път от пътя за измерване на напрежението. Прокарайте измервателните писти директно от указаните точки за измерване към диференциалния вход. Дръжте ги като близка двойка и далеч от превключващите възли.

Не извеждайте измерваното напрежение от произволни точки по токова шина или силова писта. В противен случай контактното съпротивление, спойките и разпределението на тока могат да станат част от измерването. Получената грешка може да се променя с температурата, момента на затягане или стареенето.

Съставете бюджет на грешките

Включете допуските на шунта, температурния коефициент, саморазгряването, отместването на усилвателя, грешката на усилването, влиянието на входния ток на отклонение, грешката на опорното напрежение, разделителната способност на ADC и шума. При нисък ток често доминира отместването. При висок ток могат да доминират нагряването на шунта и грешката на усилването. Ограниченията на честотната лента могат да изкривят кратките импулси, дори когато установените показания са точни.

Оценете повишаването на температурата на шунта при представителен въздушен поток и условия в корпуса. Съпротивлението се променя с температурата, а близките източници на топлина могат да изместят базовото ниво още преди протичането на ток. Когато точността е важна в широк диапазон, калибрирането в една точка може да не е достатъчно.

Защитете измервателната верига

Шунтът и усилвателят могат да бъдат подложени на необичайно напрежение при грешки в окабеляването, индуктивни събития и аварии. Използвайте входни филтри и защита, препоръчани за избрания усилвател, без да намалявате необходимата бързодействие. Проверете номиналните напрежения на резистора, както и номиналните му мощности.

Може да е необходима изолация, когато измерваната верига е опасна, има значително различен потенциал спрямо масата на контролера или се намира в силов преобразувател. Стратегията за изолация трябва да обхваща сигнала, захранването, пътищата на утечка, изолационните разстояния и енергията при авария. Самият диференциален вход не създава безопасна изолационна преграда.

Въведете системата в експлоатация с контролирани изпитвания

Преди включване проверете полярността, келвинското окабеляване, изолационните разстояния и монтажа на шунта. Когато е възможно, започнете с източник с ограничение на тока. Сравнете канала на шунта с подходящ еталонен измервателен уред при нулев, нисък, нормален и висок ток. При двупосочни системи изпитайте и двете посоки.

Оставете модула да достигне топлинно равновесие и повторете измерванията. Канал, който е точен в студено състояние, може да се отклони след няколко минути. Запишете температурата на околната среда, температурата на шунта, еталонното оборудване и неопределеността. Уверете се, че падът на напрежение не извежда товара извън работния му диапазон.

Диагностицирайте неточните показания систематично

Постоянна грешка при нулев ток насочва към отместване, ток на отклонение, изместване на масата или калибриране. Грешка, пропорционална на тока, насочва към грешка в съпротивлението или усилването. Отклонение с течение на времето насочва към нагряване. Шум, синхронизиран с превключването на PWM, насочва към общорежимно свързване, проблеми в монтажа или честотната лента. Внезапна стъпка след техническо обслужване може да означава разхлабена силова връзка или повредена измервателна връзка.

Измерете напрежението между действителните келвински точки и сравнете това напрежение с цифровизираната стойност. Така ще разграничите проблемите в шунта и силовия път от проблемите в усилвателя, ADC и софтуерното мащабиране. Не компенсирайте хардуерна повреда с необяснен софтуерен коефициент.

Документирайте измерването като измервателен контур

Запишете стойността на шунта, допуска, температурното поведение, диапазона на тока, усилването на усилвателя, уравнението за мащабиране, настройките на филтъра и резултатите от калибрирането. Определете интервали за проверка на болтовите връзки за висок ток. При замяна на шунт съобразете както електрическите, така и механичните изисквания.

Свързаното измервателно оборудване може да бъде разгледано в колекциите Промишлени предаватели и DCS и системи за управление. За уравнения за проектиране и компромиси при разположението вижте краткото приложение на Texas Instruments за измерване на ток от високата страна. Добре проектираният шунтов канал е цялостна сигнална верига, а не просто резистор, добавен към проводник.