طراحی اندازهگیریهای شنت جریان با حفظ دقت
راهنمایی کاربردی برای اندازهگیری با شنت جریان، شامل تعیین مقدار مقاومت، جانمایی در سمت بالایی و پایینی، حسکردن کلوین، بودجه خطا، اثرات حرارتی، حفاظت و آزمونهای راهاندازی.
شنت جریان، جریان مدار را به ولتاژ کوچکی تبدیل میکند که یک ابزار اندازهگیری میتواند آن را اندازهگیری کند. این اصل بر قانون اهم استوار است: عبور جریان از مقاومتی معلوم، افت ولتاژی متناسب ایجاد میکند. چالش طراحی، انتخاب مقاومتی است که برای اندازهگیری بهاندازه کافی بزرگ، اما برای جلوگیری از اتلاف، گرمایش و ایجاد اختلال بیش از حد در بار، بهاندازه کافی کوچک باشد.
با نیاز اندازهگیری شروع کنید
پیش از انتخاب تجهیزات، جریان حداقل، عادی و حداکثر را تعیین کنید. همچنین مشخص کنید جریان DC، AC یا موجی کلیدزنیشده است؛ جهت جریان اهمیت دارد یا نه؛ پهنایباند موردنیاز چقدر است؛ و خطای کل قابلقبول چه میزان است. شنتی که فقط برای جریان نامی انتخاب شده باشد، ممکن است هنگام راهاندازی، ترمزگیری یا بروز خطا بیش از حد داغ شود.
مشخص کنید نتیجه چگونه استفاده خواهد شد. پایش انرژی ممکن است پاسخ کندتری نسبت به کنترل موتور بپذیرد. مدار حفاظتی به زمان تشخیص معلوم و محدوده خطای مشخص نیاز دارد. تجهیزات آزمون ممکن است به اندازهگیری دوسویه و ایزولاسیون از مدار تحت آزمایش نیاز داشته باشند.
مقاومت را بر اساس سیگنال و اتلاف انتخاب کنید
ولتاژ شنت از رابطه V = I × R پیروی میکند. مقاومت بیشتر، سیگنال بزرگتری ایجاد میکند و تفکیک آن از آفست و نویز تقویتکننده را بهبود میدهد. اما همزمان ولتاژ بارِ تحمیلی و اتلاف توان را افزایش میدهد. توان تلفشده از رابطه P = I² × R بهدست میآید، بنابراین گرمایش با افزایش جریان بهسرعت بیشتر میشود.
افت ولتاژ و توان تلفشده را در بدترین حالتِ جریان پیوسته مجاز محاسبه کنید. سپس مدت اضافهبار و بازیابی حرارتی را ارزیابی کنید. مقدار نامی پیوسته، قابلیت تحمل پالس، ضریب دمایی و شرایط نصب مقاومت را بر اساس دیتاشیت آن تأیید کنید. صرفاً از روی درج توان بالا تصور نکنید که دقت اندازهگیری نیز تضمین شده است.
محل نصب سمتبالا یا سمتپایین را انتخاب کنید
شنت سمتپایین بین بار و مسیر برگشت سیستم قرار میگیرد. این روش میتواند الزامات حالت مشترک تقویتکننده را سادهتر کند، اما ولتاژ اضافهشده، مرجع بار نسبت به زمین را تغییر میدهد. این تغییر ممکن است سیگنالهای متصل دیگر را مختل کند یا برخی مسیرهای اتصال کوتاه به زمین را پنهان نگه دارد.
شنت سمتبالا بین منبع تغذیه و بار قرار میگیرد. این آرایش مرجع زمین بار را حفظ میکند و میتواند جریان واردشده به باری را که اتصال کوتاه شده است تشخیص دهد. مدار اندازهگیری باید ولتاژ حالت مشترک باس را تحمل کند. راهنمای Texas Instruments برای اندازهگیری سمتبالا بر انتخاب تقویتکنندهای تأکید میکند که محدوده ورودی و حفاظت آن با آن باس سازگار باشد.
در اندازهگیری فاز اینورتر، ولتاژ حالت مشترک کلیدزنیشده و گذراهای سریع، محل نصب را حساستر میکنند. از قطعات و چیدمانهایی استفاده کنید که برای توپولوژی موردنظر طراحی شدهاند. یک مدار آزمایشگاهی کمولتاژ را بدون بررسی، در یک درایو پرانرژی کپی نکنید.
از اتصالهای کلوین استفاده کنید
مقاومت سیم و مس ممکن است با مقاومت یک شنت کممقدار قابلمقایسه باشد. اندازهگیری چهارسیمه، یا کلوین، مسیر جریان را از مسیر حس ولتاژ جدا میکند. مسیرهای حس را مستقیماً از نقاط حس مشخصشده تا ورودی تفاضلی هدایت کنید. آنها را بهصورت یک جفت نزدیک به هم و دور از گرههای کلیدزنی قرار دهید.
ولتاژ حس را از نقاط دلخواه در امتداد شینه یا مسیر توان نگیرید. در غیر این صورت، مقاومت اتصال، لحیمکاریها و توزیع جریان بخشی از اندازهگیری خواهند شد. خطای حاصل ممکن است با دما، گشتاور یا فرسودگی تغییر کند.
بودجه خطا را تهیه کنید
تلرانس شنت، ضریب دمایی، خودگرمایی، آفست تقویتکننده، خطای بهره، اثرات جریان بایاس ورودی، خطای مرجع، تفکیکپذیری ADC و نویز را در نظر بگیرید. در جریان پایین، آفست اغلب عامل غالب است. در جریان بالا، گرمایش شنت و خطای بهره ممکن است غالب باشند. محدودیتهای پهنایباند میتوانند پالسهای کوتاه را تحریف کنند، حتی اگر قرائتهای پایدار دقیق باشند.
افزایش دمای شنت را در شرایط جریان هوای و محفظهای نماینده تخمین بزنید. مقاومت با دما تغییر میکند و منابع گرمایی مجاور میتوانند پیش از عبور جریان، خط مبنا را جابهجا کنند. در مواردی که دقت در گستره وسیعی اهمیت دارد، کالیبراسیون در یک نقطه ممکن است کافی نباشد.
از زنجیره اندازهگیری محافظت کنید
شنت و تقویتکننده ممکن است هنگام خطاهای سیمکشی، رخدادهای القایی و خطاهای الکتریکی با ولتاژهای غیرعادی روبهرو شوند. فیلتر و حفاظت ورودی توصیهشده برای تقویتکننده انتخابی را اعمال کنید، بدون آنکه پاسخ موردنیاز کاهش یابد. ولتاژ نامی مقاومتها را نیز در کنار توان نامی آنها بررسی کنید.
هنگامی که مدار اندازهگیریشده خطرناک است، نسبت به زمین کنترلر شناور است یا درون مبدل توان قرار دارد، ممکن است ایزولاسیون لازم باشد. راهکار ایزولاسیون باید سیگنال، توان، فاصله خزشی، فاصله هوایی و انرژی خطا را پوشش دهد. صرفاً داشتن ورودی تفاضلی، سد ایزولاسیون ایمنی ایجاد نمیکند.
راهاندازی را با آزمونهای کنترلشده انجام دهید
پیش از برقدار کردن، قطبیت، مسیرهای کلوین، فاصلهها و نصب شنت را بررسی کنید. در صورت امکان، کار را با منبع دارای محدودکننده جریان آغاز کنید. کانال شنت را در جریان صفر، پایین، عادی و بالا با یک ابزار مرجع مناسب مقایسه کنید. در سیستمهای دوسویه، هر دو جهت را آزمایش کنید.
اجازه دهید مجموعه به تعادل حرارتی برسد و اندازهگیریها را تکرار کنید. کانالی که در حالت سرد دقیق است، ممکن است پس از چند دقیقه دچار رانش شود. دمای محیط، دمای شنت، تجهیزات مرجع و عدمقطعیت را ثبت کنید. تأیید کنید که افت ولتاژ، بار را از محدوده عملکرد آن خارج نمیکند.
قرائتهای نادرست را بهصورت نظاممند عیبیابی کنید
خطای ثابت در جریان صفر نشاندهنده آفست، جریان بایاس، جابهجایی زمین یا کالیبراسیون است. خطایی که متناسب با جریان تغییر میکند، معمولاً نشاندهنده خطای مقاومت یا بهره است. رانش با گذشت زمان، گرمایش را مطرح میکند. نویزی که با نقاط کلیدزنی PWM همزمان است، به کوپلینگ حالت مشترک، چیدمان یا پهنایباند اشاره دارد. پرش ناگهانی پس از تعمیرات ممکن است ناشی از اتصال شل توان یا آسیبدیدگی اتصال حس باشد.
ولتاژ را در نقاط واقعی کلوین اندازه بگیرید و آن را با نتیجه دیجیتالیشده مقایسه کنید. این کار مشکلات شنت و مسیر توان را از مشکلات تقویتکننده، ADC و مقیاسبندی نرمافزار جدا میکند. خطای سختافزاری را با یک ضریب نرمافزاری نامشخص اصلاح نکنید.
اندازهگیری را بهعنوان یک حلقه ابزار دقیق مستندسازی کنید
مقدار شنت، تلرانس، رفتار دمایی، محدوده جریان، بهره تقویتکننده، معادله مقیاسبندی، تنظیمات فیلتر و نتایج کالیبراسیون را ثبت کنید. برای اتصالهای پیچومهرهای جریانبالا، فواصل بازرسی را تعیین کنید. هنگام تعویض شنت، الزامات الکتریکی و مکانیکی را همزمان رعایت کنید.
تجهیزات مرتبط اندازهگیری را میتوان در مجموعههای ترانسمیترهای فرایندی و سیستمهای کنترل DCS بررسی کرد. برای معادلات طراحی و ملاحظات انتخاب محل نصب، به راهنمای کاربردی اندازهگیری جریان سمتبالای Texas Instruments مراجعه کنید. یک کانال شنت مناسب، یک زنجیره کامل سیگنال است، نه صرفاً مقاومتی که به یک هادی اضافه شده باشد.