استشعار التيار

يعتمد محول التيار على مبدأ المحول الكهربائي، حيث يحول تيارًا ابتدائيًا عاليًا إلى تيار ثانوي منخفض، وهو شائع الاستخدام في أنظمة قياس التيار المتردد العالي. ولأنه جهاز سلبي، فلا حاجة إلى دوائر تشغيل إضافية. ومن مزاياه الرئيسية الأخرى قدرته على قياس تيارات عالية جدًا باستهلاك طاقة منخفض. أما عيوبه، فتتمثل في أن التيار الابتدائي العالي جدًا أو وجود مكون تيار مستمر كبير فيه قد يؤدي إلى تشبع مادة الفريت المستخدمة في القلب، مما يُشوه الإشارة. كما أن مغنطة القلب تُسبب تخلفًا مغناطيسيًا ، مما يؤدي إلى انخفاض دقة القياس ما لم تتم إزالة المغنطة.

يعتمد ملف روغوفسكي على قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي، ويتم تحديد جهد الخرج V _من ملف روغوفسكي عن طريق تكامل التيار I_{_c} المراد قياسه. ويُعطى بالعلاقة التالية:

${\displaystyle V_{\rm {out}}=-k{\frac {NA\mu _{0}}{2\pi r}}I_{\rm {c}}+v_{\rm {out}}(0)}$

حيث A هي مساحة المقطع العرضي للملف وN هو عدد اللفات. يتميز ملف روغوفسكي بحساسية منخفضة لعدم وجود قلب مغناطيسي ذي نفاذية عالية يمكن لمحول التيار الاستفادة منه. مع ذلك، يمكن تعويض ذلك بزيادة عدد لفات ملف روغوفسكي أو باستخدام مُكامل ذي كسب أعلى k. زيادة عدد اللفات تزيد من السعة الذاتية والحث الذاتي ، بينما يعني كسب المُكامل الأعلى مُضخمًا ذو حاصل ضرب كسب وعرض نطاق ترددي كبير. وكما هو الحال دائمًا في الهندسة، يجب إجراء مفاضلات بناءً على التطبيقات المحددة.

مستشعرات تأثير هول هي أجهزة تعتمد على تأثير هول، الذي اكتشفه إدوين هول عام 1879 استنادًا إلى المبدأ الفيزيائي لقوة لورنتز. يتم تنشيطها بواسطة مجال مغناطيسي خارجي. في هذا الجهاز، يستشعر مستشعر هول المجال المغناطيسي الناتج عن النظام المغناطيسي. يستجيب هذا النظام للكمية المراد استشعارها (التيار، درجة الحرارة، الموضع، السرعة، إلخ) عبر واجهة الإدخال. عنصر هول هو مستشعر المجال المغناطيسي الأساسي. يتطلب معالجة الإشارة لجعل الخرج قابلاً للاستخدام في معظم التطبيقات. تشمل إلكترونيات معالجة الإشارة مرحلة تضخيم وتعويض درجة الحرارة. يلزم تنظيم الجهد عند التشغيل من مصدر غير منظم. إذا تم قياس جهد هول في غياب المجال المغناطيسي، يجب أن يكون الخرج صفرًا. مع ذلك، إذا تم قياس الجهد عند كل طرف من أطراف الخرج بالنسبة للأرض، فسيظهر جهد غير صفري. هذا هو جهد الوضع المشترك (CMV)، وهو نفسه عند كل طرف من أطراف الخرج. تقوم واجهة الخرج بعد ذلك بتحويل الإشارة الكهربائية من مستشعر هول؛ جهد هول: وهي إشارة مهمة لسياق التطبيق. جهد هول هو إشارة منخفضة المستوى في حدود 30 ميكروفولت في وجود مجال مغناطيسي بقوة غاوس واحد. يتطلب هذا الخرج المنخفض مضخمًا يتميز بضوضاء منخفضة، ومقاومة دخل عالية، وكسب متوسط. يمكن دمج مضخم تفاضلي بهذه الخصائص بسهولة مع عنصر هول باستخدام تقنية الترانزستور ثنائي القطب القياسية. كما يمكن دمج تعويض درجة الحرارة بسهولة أيضًا.

تعتمد هذه المجموعة من أجهزة استشعار التيار على مبدأ أنه عند مرور تيار كهربائي في موصل، يتولد مجال مغناطيسي حول الموصل تتناسب شدته طرديًا مع مقدار التيار المار. ويُستخدم مستشعر المجال المغناطيسي ذو تأثير هول لقياس التيار المستحث، حيث يكون خرجه متناسبًا طرديًا مع مقدار التيار المار.

في أبسط تكوين، يمكن وضع مستشعر المجال المغناطيسي بتقنية هول بجوار الموصل وقياس خرجه، ولكن توجد بعض القيود. فعند مستويات تيار أقل من 10 أمبير تقريبًا، يكون المجال المغناطيسي الناتج ضعيفًا جدًا، ولا يتجاوز قوة المجال المغناطيسي للأرض. كما أن جهد هول الناتج سيكون ضئيلاً للغاية، مما يستلزم تضخيمًا عاليًا جدًا، وما يصاحبه من عدم استقرار حراري ومشاكل ضوضاء.

تعمل مستشعرات التدفق المغناطيسي أو مستشعرات التيار ذات المحث المشبع وفقًا لمبدأ القياس نفسه الذي تعتمد عليه مستشعرات التيار القائمة على تأثير هول: حيث يتم الكشف عن المجال المغناطيسي الناتج عن التيار الأولي المراد قياسه بواسطة عنصر استشعار محدد. ويتشابه تصميم مستشعر التيار ذي المحث المشبع مع تصميم مستشعر التيار ذي تأثير هول ذي الحلقة المغلقة؛ والفرق الوحيد هو أن هذه الطريقة تستخدم المحث المشبع بدلًا من مستشعر تأثير هول في الفجوة الهوائية.

يعتمد مستشعر التيار ذو المحث المشبع على كشف تغير الحث . يتكون المحث المشبع من قلب مغناطيسي صغير ورقيق ملفوف بملف. يعمل المحث المشبع ضمن منطقة التشبع الخاصة به. وقد صُمم بحيث يؤثر كل من كثافة التدفق المغناطيسي الخارجي والداخلي على مستوى تشبعه. يؤدي تغير مستوى تشبع المحث المشبع إلى تغيير نفاذية القلب المغناطيسي ، وبالتالي تغيير حثه (L). تكون قيمة الحث المشبع (L) عالية عند التيارات المنخفضة (بناءً على نفاذية القلب المغناطيسي) ومنخفضة عند التيارات العالية (حيث تصبح نفاذية القلب المغناطيسي مساوية للواحد عند التشبع). عند تفسير بيانات كاشفات بوابة التدفق، يجب مراعاة خاصية العديد من المواد المغناطيسية التي تُظهر علاقة غير خطية بين شدة المجال المغناطيسي (H) وكثافة التدفق المغناطيسي (B). ^{[ 6 ]}

في هذه التقنية، يُحقق أداء الترددات العالية باستخدام نواتين دون وجود فجوات هوائية. تُستخدم إحدى النواتين الرئيسيتين لإنشاء محث قابل للتشبع، بينما تُستخدم الأخرى لإنشاء تأثير محول عالي التردد. في نهج آخر، يمكن استخدام ثلاث نوى دون وجود فجوات هوائية. تُستخدم اثنتان من النوى الثلاث لإنشاء محث قابل للتشبع، بينما تُستخدم النواة الثالثة لإنشاء تأثير محول عالي التردد. تشمل مزايا مستشعرات المحث القابل للتشبع الدقة العالية، والضبط الدقيق، وانخفاض الانحراف في الإشارة والكسب، وعرض نطاق ترددي واسع (يصل إلى 500  كيلوهرتز). أما عيوب تقنيات المحث القابل للتشبع فتشمل عرض نطاق ترددي محدود لتصميم أبسط، واستهلاك طاقة ثانوي مرتفع نسبيًا، وخطر حقن ضوضاء التيار أو الجهد في الموصل الرئيسي.

يُعد محول التيار المستمر (DCCT)، المعروف أيضًا باسم محول التيار المستمر ذو التدفق الصفري، أحد التطبيقات الشائعة لتقنية بوابة التدفق لقياس التيار بدقة عالية . وقد طُرح هذا المبدأ لأول مرة في مركز سيرن في ستينيات القرن الماضي، ويُعتبر اليوم أحدث الطرق وأكثرها تطورًا لاستشعار التيار بدقة عالية. ^{[ 7 ]}

المقاومة المغناطيسية (MR) هي جهاز ثنائي الأطراف تتغير مقاومته بشكل مكافئ مع تغير المجال المغناطيسي المطبق. يُعرف هذا التغير في مقاومة المقاومة المغناطيسية بفعل المجال المغناطيسي بتأثير المقاومة المغناطيسية . من الممكن بناء هياكل تتغير فيها المقاومة الكهربائية كدالة للمجال المغناطيسي المطبق، ويمكن استخدام هذه الهياكل كمستشعرات مغناطيسية. عادةً ما تُجمع هذه المقاومات في تكوين جسري لتعويض الانحراف الحراري. ^{[ 8 ]} من المستشعرات الشائعة القائمة على المقاومة المغناطيسية: المقاومة المغناطيسية المتباينة الخواص (AMR)، والمقاومة المغناطيسية العملاقة (GMR)، والمعاوقة المغناطيسية العملاقة (GMI)، والمقاومة المغناطيسية النفقية (TMR). تتميز جميع هذه المستشعرات القائمة على المقاومة المغناطيسية بحساسية أعلى مقارنةً بمستشعرات تأثير هول. مع ذلك، لا تزال هذه المستشعرات (GMR وCMR وTMR) أغلى ثمناً من أجهزة تأثير هول، ولها عيوب خطيرة تتعلق بالسلوك غير الخطي، والانحراف الحراري الواضح، كما أن المجال الخارجي القوي جدًا قد يُغير سلوك المستشعر بشكل دائم (GMR). تُعد مستشعرات GMI و TMR أكثر حساسية من المستشعرات القائمة على GMR، وهي الآن قيد الإنتاج بكميات كبيرة لدى عدد قليل من الشركات المصنعة. (TDK، Crocus، Sensitec، MDT) ^{[ 9 ]}