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
Ver 3ª PARTE
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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