感測技術實現更智能化的節能

當今世界，能量計量是資源保護和計費的關鍵。 在諸如歐盟《大型燃燒設施指令》等各種規范的倡議下，關閉火力電廠會迫使電網更多地依賴再生能源。 反過來，這會提升用電需求管理和鼓勵消費行為改變的重要性。 世界各國政府都在開始推廣智能電表，旨在為公用事業公司和用戶提供管理電力供應和削減用電需求所需的信息，以確保在應對氣候變化時保持電網穩定。

用戶改用智能電表尚需要時間，但家用能源用量顯示設備（圖 1）早已投入使用。 這種設備可以向用戶實時顯示能源消耗數據，方便用戶找到節能機會。 電表柜中安裝的傳感器裝置會先采集電流測量數據，再通過無線傳輸將數據傳送到家中的接收器和顯示裝置，能量和功率計算便以此精確數據為依據。 電流傳感器必須便于安裝，對現有電表和接入家中的主供電電纜的干擾也要盡可能小。最理想的是將傳感器夾在供電電纜上即可，無需接入內部電路。

圖 1：家用能源用量顯示器（含夾合式傳感器和信息顯示裝置）可顯示能源用量數據，無需全面升級智能電表。

設備管理和保護感測

除現在新興的智能能源應用外，隔離式電流傳感器在工業自動化應用中也有諸多作用，例如幫助確保設備高能效作業、即時檢測設備故障或協調安全聯鎖裝置。 可檢測電流范圍大，小到幾毫安，大到數十或數百安。 用量信息傳輸到 PLC 后，系統會發出警報或采取校正措施（圖 2）。

圖 2：設備和外部電路的電流相依控制。

功率因數校正 (PFC) 廣泛用于提高能效，防止交流線路出現諧波污染。 除校正電容器組連接到輸入端的情況外，大型電機等高電感負載的功率因數通常較低。 功率因數最低時負載最重，所需電容也最高。 然而在負載較輕時，如果電容未減少，則可能發生過度校正。 根據監測到的電機輸入電流，系統可檢測所加負載情況。 如負載減輕，電流動作開關就可以斷開 PFC 電容器，防止校正過度。

如自動化工廠設備發生故障，盡快檢測故障并采取補救措施十分重要。 例如工業爐的控制，或需要精確控制加熱溫度的藥品生產流程。 為避免生產效率下降，任何加熱器元件發生故障，都必須迅速對其進行檢測，但溫度監測無法快速檢測故障。 如果直到溫度已發生顯著變化才采取措施，那么就會危及品質并浪費寶貴的材料。 如果在元件故障時檢測到電流驟降，則會發出即時指示，繼而觸發及時響應，例如啟用備用加熱器。

同理，通過感測電機的輸入電流，可立即檢測輸送帶堵塞等問題，電流測量數據會輸送到 PLC，從而促使電機快速停止，確保安全。

電流感測技術在工業設備中的另一應用就是管理安全連鎖裝置。 安全聯鎖裝置可以設計用來保護操作人員的安全，防止在機器運轉時防護裝置被打開。 另一方面，聯鎖裝置還可防止設備受損，或促進協調生產流程，確保各驅動器和致動器僅按照正確的順序工作。 由于電流消耗情況可以可靠地顯示子系統的開關狀況，因此電流動作開關成為了協調這些聯鎖裝置的最佳方法。

最后，在積極采取舉措提升工業安全的同時，除了主斷路器常安裝的保護電路外，接地故障保護電路正成為每臺機器的標配。 使用接地故障傳感器來監測設備供電電纜中的電流，可快速、安全地檢測出細微漏電流（接地電路故障征兆）。

電流傳感器的選擇

一款傳感器是否能用于電流動作開關、故障檢測器和電表電路，要考慮的重要屬性包括：電氣隔離以確保最佳安全性、對監測電路而言的極低功耗，以及易用性和低成本。 根據應用的不同，測量范圍、頻寬、耐惡劣環境的性能也是重要的標準。 霍爾傳感器、電流互感器和羅氏線圈是符合上述要求的三類重要傳感器。

霍爾傳感器

霍爾效應電流傳感器會對載流導體周圍產生的磁場作出反應，并產生與導體中電流成比例的輸出電壓。 典型的線性電流傳感器由磁芯和含有霍爾元件的 IC 組成，磁芯用于聚集霍爾效應 IC 上的磁通量。 IC 和磁芯位于塑料外殼中，這樣可確保兩個元件的精確相對定位。

Infineon TLI4970 霍爾傳感器內含積分-差分霍爾元件，不需要集中器。 由于不需要集中器，也就消除了磁滯效應；差動感測原理的使用也避免了外部磁場對當前測量的干擾。 TLI4970 將霍爾傳感器集成于模擬和數字信號調節電路旁（圖 3），所占空間約為類似傳感器的 1/6。 它能測量高達 ±50 A 的交流和直流電流。盡管其他傳感器（例如，羅氏線圈和電流互感器）通常在測量范圍內的線性度更具優勢，但高電流測量能力依然是霍爾傳感器眾所周知的優點。

圖 3：TLI4970 可消除磁滯效應，節省 PCB 空間。

電流互感器

電流互感器一直以來用于開關模式電源等設備的控制、電路保護和監測工作，同樣也用于在儀表應用中執行精確電流測量。 這些器件可測量交流電流，且可在初級繞組和次級繞組之間形成電氣隔離。

初級繞組的額定電流可有效控制測量范圍，高匝數比也就意味著高測量精度。 根據電流互感器和應用的不同，匝數比可能在 1:20 至 1:1000 范圍之間。 匝數比過高會增強電流互感器中的電容和電感效應，從而導致測量不準確。 另一方面，選擇的匝數比過低會因為輸出信號失真而導致測量不準確。

電流互感器的另一個缺點在于，適合測量大電流的設備尺寸也會很大。 另一方面，小型表面封裝電流互感器，例如 Murata 5300 系列適用于電機控制器、開關模式電源和電子照明鎮流器等設備，可測量最高約 10 A，最大頻寬 500 kHz 的電流。

典型電流互感器纏繞在環形金屬芯上，載流電纜須從中穿過。 或者，采用分離鐵心設計，將電流互感器夾在電纜上。 這樣令傳感器的安裝更加簡單，以家用數據顯示器為例。CR Magnetics CR4100 系列真 RMS AC 電流傳感器就能精確測量正弦或非正弦電流波形，訂購規格分為環形配置和分離鐵心配置。

羅氏線圈傳感器

相比于霍爾形傳感器或電流互感器，采用羅氏線圈原理的電流傳感器所占有的優勢明顯。 這些優勢包括：在未飽和時測量大電流、頻寬比其他傳感器要大、測量平均每微秒變化幅度高達數千 A 的電流。 此外，還可測量 DC 偏移較大的小 AC 電流。

羅氏線圈電流傳感器位于載流導體周圍，如圖 4 所示。 導體中的流動電流會在線圈中產生感應電壓，電壓大小與電流的變化速率成比例。 對此電壓積分運算后，即可計算出瞬態電流的大小。 集成電路不論是外置，還是內置于傳感器中，都可在輸出端產生與電流成比例的電壓。 由于線圈沒有與載流電路建立電氣連接，這就暗示羅氏線圈電流傳感器具有電氣絕緣性。

圖 4：羅氏線圈位于要測量載流電纜的周圍。

羅氏線圈電流傳感器可測量的電流范圍廣泛，小到數百毫安，大到數百千安。Pulse Electronics 的傳感器不僅種類繁多，其中包括 PA320 系列，動態測量范圍為 0.1 A 至 1000 A,頻寬 500 kHz，還具有相當高的測量精度，符合 ANSI C12.20 標準的 0.2 精度等級和 IEC 62053-21 標準的 1 類規格。 這使得該傳感器可用于智能電表的精確電流測量。

結論

不論是計量應用中的高精度電流測量，還是利用高速電流監測來協助管理工業機械和即時監測重大故障，設計人員都可從霍爾效應電流傳感器、電流互感器和羅氏線圈電流傳感器中靈活選擇，實現能夠滿足性能、可靠性和成本等重要目標的解決方案。