05 noviembre 2012

Descripción de las técnicas disponibles para medir la corriente eléctrica (4ª PARTE)




Ilustración 3. Un cristal de semiconductores se coloca en el hueco de un núcleo magnético de concentración. La corriente bias en un eje del cristal produce un voltaje Hall en el otro



Los anchos de banda útiles de un sensor pueden ser de tres décadas. La impedancia de salida es alta y requiere el uso de voltímetros electrónicos. La disipación de potencia es baja, incluso para modelos de corriente muy altos. El voltaje de salida es bastante alto de forma que pueden usarse rectificadores de diodo simples para proporcionar salida dc para un procesado posterior. En muchos casos, tales sensores pueden ser usados sin ninguna electrónica especial excepto un voltímetro.



Sensores de efecto Hall

El efecto Hall como un sensor para campos magnéticos depende de un cristal semiconductor seleccionado por su alta movilidad del transportador y es colocado en un campo magnético. Una corriente se pasa a través del cristal a lo largo de la perpendicular del eje al campo. Los transportadores asumen una velocidad media que causa que actúen sobre el campo y se muevan hacia el otro eje perpendicular al campo. El resultado es una FEM en la cara del cristal que puede ser medido. La FEM es proporcional al campo, la tendencia de corriente y la movilidad.

En principio, tal sensor de campo puede ser colocado cerca de un conductor transportador de corriente y orientado para sentir el campo creado por la corriente, pero la sensibilidad es insuficiente y habría siempre campos interfiriendo de las corrientes en otros conductores cercanos. Un concentrador de flujo que parece como un CT con un gran hueco siempre es usado.

El dispositivo es sensible a la corriente directa y la polaridad es preservada. El voltaje Hall es de pocos milivoltios y siempre se requiere la amplificación. La deriva cero en los amplificadores debe ser apropiadamente compensada aunque no es tan importante para los servicios AC. La tendencia de la corriente debe ser cuidadosamente controlada y puede ser usada para proporcionar multiplicación analógica y midiendo potencia si se hace proporcional al voltaje del circuito.

La sensibilidad es mejor con el hueco más pequeño pero hay debe haber huecos para el cristal para que los huecos sean más grandes que en los sensores inductivos gapped. Bordeando el campo en el hueco más grande se reduce el apantallamiento natural del toroide desde campos magnéticos no deseados.

La exactitud y linealidad del sensor de efecto Hall puede mejorarse en modo de bucle cerrado. Un devanado de realimentación se añade al núcleo y es accionado por un amplificador servo. La FEM desde el dispositivo Hall se usa para impulsar el amplificador servo hasta que el campo es cero. La salida es luego la corriente de realimentación que es menor que la corriente detectada por el número de vueltas en el devanado de realimentación. La respuesta de frecuencia del sistema de bucle cerrado es sorprendentemente buena, cientos de kilohercios.

Sensores clamp-on

A menudo es deseable medir la corriente en un sistema existente sin quitar potencia en orden de instalar un dispositivo; así, la mayoría de los dispositivos magnéticos están disponibles en una configuración clamp-on.
La exactitud siempre se reduce en modo clamp-on debido a que la mordaza en sí misma constituye un hueco  que es incontrolable y sometida al desgaste. Algunos fabricantes proporcionan superficies altamente pulidas que se deslizan juntas.

Sensores magnetorresistivos

La mayoría de las características de un sensor de efecto Hall está disponible si el cristal Hall se sustituye por un dispositivo cuya resistencia cambia con el campo magnético. El descubrimiento de dispositivos magnetorresistivos han hecho recientemente esta idea atractiva.

Tales dispositivos aún muestran cambios de resistencia bastante pequeños y son sensibles a otros efectos tales como la temperatura, así que es imperativo que se usen en circuitos de puente de autocompensación a la manera de un medidor de tensión. También son insensibles a la polaridad del campo.

Amplificador magnético

La eficiencia de un transformador puede ser ajustado por una corriente DC o de baja frecuencia que mueve el punto de operación en una curva de histéresis. La excitación, una bomba, se requiere a altas frecuencias; pasa a través del transformador y luego síncronamente rectificado y filtrado en una representación de alta potencia de la señal de baja frecuencia. La configuración magnética debe ser diseñada de forma que la bomba no introduce potencia en el circuito de señal.



Como dispositivo de medición de corriente el amplificador magnético deja mucho que desear en linealidad y respuesta de frecuencia, pero proporciona aislamiento y está limitado en sensibilidad sólo por el número de vueltas situadas en el devanado central.

Fluxgates

En su forma más simple, el magnetómetro discriminador de flujo (fluxgate) usa una bobina para impulsar una varilla de alta permeabilidad a la saturación, primero en una dirección y luego en la otra. Un segundo devanado observa la tasa de cambio del campo B inductivamente. En ausencia de un campo magnético externo, la señal observada es simétrica; pero cuando un campo externo cambia el bucle de histéresis a la derecha o la izquierda, la simetría es perdida.

En principio, tal fluxgate puede ser usado para sentir el campo en el hueco de un concentrador de flujo como con el sensor de Hall, pero es demasiado grande y la linealidad sería inaceptable. Es mejor pensar una forma para impulsar todo el concentrador de flujo con una frecuencia de bombeo similar a la usada en un amplificador magnético.

Sensores ópticos

El efecto Faraday es una rotación del plano de polarización de la luz cuando pasa en un medio transparente paralelo al campo magnético. Fibras ópticas de polarización no aleatoria están disponibles con un coeficiente de Faraday pequeño. El devanado es de fibra y se instala alrededor del conductor de forma que la luz se propaga paralelo al campo producido por la corriente en el conductor, dando como resultado un sensor. Una rotación medible proporcional a la corriente es debida a la trayectoria óptica larga. Cuando se resuelven los problemas de preparación, el resultado es un sensor que parece externamente como un transformador de corriente pero sin hilos. Usando una anilla reflecting hecha de itrio-hierro-granate con un gran coeficiente de Faraday, NIST informa de sensibilidades de 220 nA.

Un análisis de polarización requiere una fuente de luz polarizada y un analizador de polarización en la otra. Una ventaja de tal sensor es que la fibra permite aislamiento de muy alto voltaje. 

Bibliografía:

  • Measurement Instrumentation Sensors Handbook. 1999, CRC Press 
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