الحساسات الحالية: الأنواع، المعلمات الرئيسية، مقارنات الأداء، والتطبيقات الشائعة

مقدمة

تعد حساسات التيار مكونات حيوية في مختلف الأنظمة الكهربائية والإلكترونية، مما يضمن التشغيل الآمن والفعال للمعدات والتركيبات. في هذا المقال، سنستعرض الحساسات الحالية، بما في ذلك أنواعها، والمتغيرات التي يجب أخذها في الاعتبار عند اختيار مستشعر حالي، ومقارنات الأداء، والتطبيقات.

أنواعالحساسات الحالية ومزاياها وعيوبها

يمكننا تصنيف الحساسات الحالية بناء على المفاهيم الفيزيائية الأساسية التي تشكلها. تشمل هذه المفاهيم قانون أوم، وقانون فاراداي للحث، والحقول المغناطيسية، والاستشعار البصري. باستخدام هذا الإطار، سنقدم الآن عدة أنواع شائعة من حساسات التيار.

استشعار التياراستنادا إلى قانون فاراداي للاستقراء

ينص قانون فاراداي للحث على أن القوة الدافعة الكهربائية الكلية (emf) الناتجة عن دائرة مغلقة تتناسب مع معدل تغير التدفق المغناطيسي الكلي عبر الدائرة عبر الزمن. يطبق هذا المبدأ على نطاق واسع في أجهزة استشعار التيار. جهازان للاستشعار المشترك يستندان إلى قانون فاراداي همامحولات التيار (CTs)ولفائف روغوسكي. عندما تكون العزل الكهربائي مطلوبا لأسباب تتعلق بالسلامة، توفر هذه الحساسات تلقائيا الفصل اللازم بين التيار المقاس وإشارة الخرج. وهذا يجعلها ذات قيمة عالية لمعدات الكشف الحالية.

محولات التيار (CT):

يتكون ال CT من ملف أولي (عادة حلقة واحدة)، ونواة، ولف ثانوي. يعمل كحساس فعال لقياس التيارات المتناوبة العالية. وبالتالي، يمكن تحويل التيارات الأولية الكبيرة إلى تيارات ثانوية أصغر. هذا الجهاز لا يحتاج إلى دوائر قيادة إضافية لأنه بطبيعته سلبي. ميزة رئيسية أخرى هي قدرته على مراقبة التيارات العالية جدا مع استهلاك طاقة قليل. ومع ذلك، قد تتشبع مادة الفريت المستخدمة في النواة تحت تيارات أولية عالية جدا أو تيارات تحتوي على مكونات تيار مستمر كبيرة، مما يؤدي إلى تشويه الإشارة. مشكلة أخرى هي أنه بمجرد المغنطة، يطور اللب الهيستريس، مما يقلل الدقة ما لم يتم إزالة المغنطة مرة أخرى. علاوة على ذلك، وبما أن مبدأهم الأساسي يعتمد على اكتشاف التغيرات في التدفق المغناطيسي الذي يتناسب مع تغيرات التيار، فلا يمكنهم اكتشاف التيارات المستمرة بطريقة قياسية.

الشكل 1: البنية الأساسية لأشعة مقطعية

يوضح الشكل 1 مبدأ التشغيل لCT. استنادا إلى نسبة الانعطاف، تنعكس التغيرات في Ip التيار الأساسي على الجانب الثانوي، والتي يمكن استخدامها للاستشعار. يمكن استخدام مقاومة تحويلة تولد جهد خرج يتناسب مع التيار الأساسي لمراقبة تيار الخارج. يوفر هذا عزلا، وخسائر بسيطة، ومبدأ تشغيل بسيط، وخرج جهد مناسب لحساسات التيار دون الحاجة إلى تضخيم إضافي. قد يكون محول التناظري إلى الرقمي (ADC) قادرا على أخذ عينات مباشرة من جهد الخرج.

يتم التعبير عن نسبة تقليل التيار الأولية بنسبة التيار المقطعي المحوض. يتم قياس دقة محول التيار بواسطة فئة دقة التيار (التي تسمى أحيانا تصنيف CT أو درجة CT). استنادا إلى فئة الدقة الخاصة بهم، تنقسم CTs إلى فئتين:دقة القياس CTودقة الحماية CTs. تم تصميم أجهزة CT دقة القياس لتكون دقيقة جدا عند جميع تصنيفات التيار، حتى عند التيارات المنخفضة جدا. يتم تقييمها لأحمال شائعة محددة. نظرا لدقتها العالية، تستخدم شركات المرافق هذه المؤشرات عادة لتقييم الاستخدام لأغراض الفوترة. دقة الحمايةCTsدقتها أقل من CTs في دقة القياس. تم تصميمها لتعمل بأقل مستوى دقة مطلوب لحماية المعدات.

تستخدم محولات التيار بشكل متكرر في تطبيقات تحويل الطاقة بسبب تكلفتها المنخفضة وقدرتها على توليد إشارات خرج متوافقة مباشرة مع محولات التناظرية إلى الرقمية. كما تلعب دورا حيويا في شبكات توزيع الطاقة التي تعمل بترددات خطوط 50/60 هرتز.

روغوفسكي كويلز:

هذه الملفات المجوفة مرنة وملتفة حول الموصلات. التغيرات في المجال المغناطيسي الناتجة عن تدفق تيار Ip عبر الموصل تولد جهدا يتناسب مع معدل تغير التيار. تستخدم ملفات روغوفسكي بشكل أساسي لقياس التيار المتردد، خاصة في التطبيقات عالية التردد.

الشكل 2: المخطط التخطيطي لمبدأ ملف روغوفسكي

يوضح الشكل 2 مخططا تخطيطيا لمبدأ لفائف روغوفسكي. مشتقة التيار الأساسي تحدد الجهد المولد. لتحقيق الاستشعار المطلوب للتيار المطلوب،المدمجمطلوب عند المخرج.

تنخفض حساسية ملف روغوفسكي لأن محولات التيار لا يمكنها استخدام أنوية ذات نفاذية مغناطيسية عالية. الميزة الرئيسية لملف روغوفسكي هي خطيته المتأصلة وغياب التشبع. يمكن استخدام ملفات روغوسكي لاكتشاف التيارات في أنظمة توزيع الطاقة، وأنظمة اختبار الدائرة القصيرة، والباعثات الكهرومغناطيسية، ومحركات الحث ذات الحلقة الانزلاقية، ومرافق اختبار الصواعق. الأسعار مشابهة لمحولات التيار.

حساسات التيار القائمة على المجال المغناطيسي

من الصعب اكتشاف التيار الذي يولد الحقول المغناطيسية الساكنة باستخدام قانون فاراداي للحث. وعلى العكس، يمكن لحساسات المجال المغناطيسي تحديد الحقول المغناطيسية الساكنة والمتحركة. تعمل كبديل مثالي لاستشعار التيار.

حساسات التيار ذات الحلقة المفتوحة من تأثير هول:

تعمل هذه المستشعرات على مبدأ تأثير هول، الذي ينص على أن فرق الجهد يتشكل عبر الموصل عندما يطبق مجال مغناطيسي بشكل عمودي على مقطعه. يمكن تحديد اتجاه القوة الكهربائية الدافعة المستحثة (EMF) العمودية على كل من التيار والمجال المغناطيسي باستخدام قاعدة اليد اليمنى. مقدار هذا الجهد الكهرومغناطيسي والزاوية النسبية بين التيار والمجال المغناطيسي يحددان جهد المتجه المركب، والذي يتناسب مع ثابت هول. يتم توليد المجال المغناطيسي بواسطة التيار الذي يتم قياسه، مما ينتج جهدا قابلا للتحليل.

يتطلب الأمر تكييف الإشارة لجعل المخرج قابلا للاستخدام في معظم التطبيقات. عادة ما تتطلب إلكترونيات تكييف الإشارة مراحل المضخم وتعويض درجة الحرارة. يمكن دمج المضخمات التفاضلية التي تحمل هذه الخصائص بسهولة مع عناصر هول باستخدام تقنية الترانزستور ثنائي القطب القياسية. تعويض درجة الحرارة ممكن أيضا بسهولة. يوضح الشكل 3 تصميما نموذجيا لحساس تيار تأثير هول.

الشكل 3: التطبيقات النموذجية لحساسات تيار قاعة مفتوحة الحلقة

تستخدم حساسات تأثير الهول على نطاق واسع في تطبيقات متعددة، بما في ذلك أنظمة تحويل الطاقة، معدات اللحام، محركات الدفع، معدات الرادار، وصناعة التحليل الكهربائي.

حساسات تأثير التيار ذات الحلقة المغلقة:

تستخدم هذه المستشعرات المعتمدة على المجال المغناطيسي على نطاق واسع في تطبيقات الحلقة المغلقة والمفتوحة على حد سواء.

الشكل 4: التطبيق النموذجي لحساس تيار قاعة الحلقة المغلقة

يتم موازنة التدفق المغناطيسي الناتج عن تيار IP الأساسي بواسطة تدفق مغناطيسي مكمل ينتج عن تيار الدفع في الملف الثانوي. عنصر هول والدوائر الإلكترونية المرتبطة به يولد تيارا ثانويا (تعويضيا) يتوافق تماما مع التيار الأساسي.

حساس تيار فلوكسغيت:

يستخدم حساس التدفق الأساسي العلاقة غير الخطية بين المجال المغناطيسي H وكثافة التدفق المغناطيسي B في المواد المغناطيسية، مما يسبب تغييرا في نفاذية المادة المغناطيسية.

الشكل 5: المخطط الأساسي لحساس تيار فلوكسجيت

يوضح الشكل 5 تصميما بسيطا لحساس فلوكسجيت يستخدم لاستشعار تيار IP (Ip). يتم تركيب لفتين على النواة المغناطيسية: ملف إثارة ولف بيك أب. يرتبط ملف الإثارة بمصدر تيار جيبي يولد المجال المغناطيسي للإثارة. وبالتالي، يتم توليد جهد كهربائي في ملف الالتقاط يمكن استخدامه بعد ذلك للاستشعار. نظرا لأن المجال المغناطيسي الخارجي صغير بالنسبة لمجال الإثارة، فإن ذروة جهد الخرج تتناسب مع المجال الخارجي ويمكن استخدامها لقياسه.

نظرا لتكلفتها العالية ومساحتها المحدودة، فإن حساسات الفلوكشغيت المعزولة تحتفظ بقيمة تجارية بشكل أساسي في التطبيقات عالية الدقة. نظرا لدقتها العالية، تستخدم حساسات فلوكسغيت في أنظمة المعايرة، وأنظمة التشخيص، ومعدات المختبر، والأنظمة الطبية.

معايير اختيار أجهزة الاستشعار الحالية

عند اختيار مستشعر تيار لتطبيق أو مشروع معين، يجب أخذ عدة عوامل في الاعتبار لضمان الأداء الأمثل والتوافق. تشمل المتغيرات الرئيسية التي يجب تقييمها:

• • النوع الحالي: حدد ما إذا كنت بحاجة لقياس التيار المتردد (AC)، أو التيار المستمر (DC)، أو كليهما. بعض الحساسات (مثل محولات التيار وملفات روغوفسكي) متخصصة لقياس تيار التيار المتردد، بينما يمكن لأخرى (مثل حساسات تأثير هول ومقاومات التحويلة) قياس كل من التيارات المتناوب والتيار المستمر.

• • النطاق الحالي: اعتبر مستويات التيار الدنيا والقصوى التي سيتم قياسها. اختر حساسا بنطاق قياس مناسب ليتناسب مع متطلباتك. تجنب تشبع المستشعرات وضمان قراءات دقيقة عبر النطاق بأكمله أمر بالغ الأهمية.

• • الدقة: افحص متطلبات الدقة لطلبك. توفر الحساسات المختلفة مستويات مختلفة من الدقة. توفر مقاومات التحويلة الدقيقة، وحساسات التيار البصري، وحساسات التدفق دقة ممتازة، بينما قد تقدم حساسات أخرى (مثل حساسات تأثير هول) دقة أقل في سيناريوهات محددة.

• • الحساسية: تأمل أصغر التغيرات الحالية التي تتطلب انتباها. بعض الحساسات توفر حساسية أعلى لاكتشاف تقلبات التيار الدقيقة، بينما قد لا تكون أخرى مناسبة للتطبيقات التي تتطلب دقة عالية.

• • عرض النطاق الترددي: اعتمادا على تطبيقك، قد تحتاج إلى قياس التيار عبر كامل نطاق التردد أو عند ترددات محددة. إذا كنت تتعامل مع تيارات عالية التردد، على وجه الخصوص، اختر مستشعرا باستجابة ترددية تلبي متطلباتك.

• • العوامل البيئية: ضع في اعتبارك نطاق درجة حرارة تشغيل المستشعر، والرطوبة، وعوامل خارجية أخرى قد تؤثر على أدائه. اختيار حساس يعمل بشكل موثوق وفقا لمتطلبات تطبيقك الخاصة أمر بالغ الأهمية، حيث أن بعض الحساسات أكثر مقاومة للتأثيرات الخارجية من غيرها.

• • الحجم وعامل الشكل: مع مراعاة القيود الفيزيائية للمشروع، مثل خيارات التركيب والمساحات المتاحة. مقاومات التحويلة مثال جيد على الحساسات المدمجة وسهلة التركيب. وعلى العكس، قد تكون محولات التيار أكبر وتشغل مساحة أكبر.

• • عزل: إذا كان هناك حاجة للعزل الكهربائي بين التيار المقاس ومخرج المستشعر، فكر في حساسات مثل محولات التيار، أو حساسات التيار البصري، أو حساسات تأثير هول المعزولة بالتيار. من المهم أيضا النظر فيما إذا كان جهد العزل الذي يوفره المستشعر يفي بمتطلبات التطبيق.

• • متطلبات الطاقة: تأكد من أن تطبيقك قادر على تلبية متطلبات طاقة المستشعر. النظر إلى أقصى جهد تشغيل للحساس أمر بالغ الأهمية. تقييم تبديد الطاقة الناتج عن الحساس بسبب مقاومته للحمل أمر حيوي، حيث قد تتطلب بعض التطبيقات طاقة محددة.

• • الدرجةقد تكون هناك حاجة إلى حساسات احترافية لتطبيقات معينة، مثل السيارات.

• • التكلفة والتوافر: ضع في اعتبارك سعر المستشعر وأين يمكن شراؤه. بينما قد تقدم بعض الحساسات أداء متفوقا، إلا أنها قد تكون أغلى أو أصعب في الحصول عليها.

مقارنة الأداء بين الحساسات المختلفة

يوضح الجدول 1 مؤشرات الأداء الرئيسية لمختلف الحساسات.

تطبيقات أجهزة الاستشعار التيار

المجالات الرئيسية للتطبيق لأجهزة الاستشعار الحالية

• • • نظام الطاقة ومراقبة الشبكة:في شبكات نقل وتوزيع الطاقة، تستخدم حساسات التيار لمراقبة الحالة الحالية للمعدات الرئيسية مثل خطوط النقل، المحولات، وقواطع الدائرة في الوقت الحقيقي، لضمان استقرار وسلامة وكفاءة الطاقة لتشغيل شبكة الطاقة.

   

  • • حماية التيار الزائد واكتشاف الأعطال:تدمج حساسات التيار في قواطع الدوائر والفيوزات وأجهزة حماية المرحلات لاكتشاف التيارات غير الطبيعية مثل التحميل الزائد والدوائر القصيرة بسرعة، وتفعيل آليات الحماية بسرعة لمنع تلف المعدات وضمان سلامة الأفراد.

   

  • • إدارة الطاقة والقياس الذكي:في السيناريوهات السكنية والتجارية والصناعية، تعتمد العدادات الذكية وأنظمة مراقبة الطاقة على أجهزة الاستشعار الحالية لقياس استهلاك الكهرباء بدقة، مما يدعم إدارة جانب الطلب، وتحليل كفاءة الطاقة، وتحسين توفير الطاقة.

   

  • • نظام التحكم في المحرك والدفع:في محولات التردد، وأنظمة السيرفو، ومحركات المحركات، تستخدم حساسات التيار لتوفير تغذية راجعة فورية على تيار الطور للمحرك، مما يحقق تحكما مغلقا عالي الدقة في السرعة والعزم والموضع.

   

  • • نظام الطاقة المتجددة:في معدات الطاقة الجديدة مثل أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية ومولدات توربينات الرياح، تستخدم حساسات التيار لمراقبة تيار توليد الطاقة، وتحسين كفاءة تحويل الطاقة، ومنع تلف النظام الناتج عن التيار الزائد أو الدائرة القصيرة.

   

  • • نظام إدارة البطاريات (BMS):في المركبات الكهربائية، وأنظمة تخزين الطاقة، والأجهزة المحمولة، تقيس حساسات التيار بدقة تيارات الشحن والتفريغ للبطاريات، والتي تستخدم لتقدير الطاقة (SOC)، ومراقبة الحالة الصحية (SOH)، وإدارة الحرارة، مما يطيل عمر البطارية ويعزز السلامة.

   

  • • مراقبة وإدارة إمدادات الطاقة:في معدات تزويد الطاقة مثل مزودات الطاقة التحويلية، وUPS، ومحولات التيار المستمر إلى التيار المستمر، تستخدم حساسات التيار لتنظيم تيار الخارج، مما يضمن التشغيل المستقر والفعال لمزود الطاقة، ويحقق حماية من التيار الزائد وإدارة الأحمال.

   

  • • الأتمتة الصناعية والتحكم في العمليات:في الروبوتات، خطوط الإنتاج المؤتمتة، وأنظمة التحكم الصناعية، تستخدم حساسات التيار لمراقبة تيار التشغيل للمعدات مثل المحركات والمشغلات، مما يحقق تشخيص الأعطال، وتحليل الأحمال، وتحسين النظام.

   

  • • أدوات الاختبار والقياستستخدم أجهزة المذبذبات، وأجهزة قياس القياس الرقمية، ومحللات الطاقة، وغيرها من معدات الاختبار على نطاق واسع حساسات التيار (مثل مجسات التيار) لقياس التيار غير التسللي أو عالي الدقة وتحليل الإشارات.

   

  • • الإلكترونيات الاستهلاكية:في منتجات مثل شواحن الهواتف الذكية، ومحولات الطاقة للأجهزة المحمولة، وأجهزة المنزل الذكي، تستخدم حساسات التيار لمراقبة استهلاك الطاقة، وإدارة الشحن، وحماية من التحميل الزائد، مما يعزز كفاءة الطاقة وسلامة الاستخدام.

   

هذه مجرد بعض تطبيقات حساسات التيار. نظرا لقدرتها على التكيف وأهميتها في التحكم في التيار، فهي مكونات رئيسية في تطبيقات مختلفة عبر العديد من الصناعات.

الخاتمة

تلعب حساسات التيار دورا حيويا في مختلف الأنظمة الكهربائية والإلكترونية، وبالتالي فهي مكون مهم في العديد من التطبيقات في العديد من الصناعات. تقدم هذه الصفحة الجوانب المفيدة والبارزة للأجهزة الاستشعار الحالية، مثل الأنواع، ومعايير الاختيار، ومقارنات الأداء، والتطبيقات الشائعة.