Sensor de corrente AC de pequena amplitude

[MartinBot]

Boa tarde, pessoal.

 

Estou trabalhando em uma pesquisa cujo um dos objetivos é estabelecer o sensoriamento da corrente de modo-comum (tipo AC) em aplicações utilizando o conjunto inversor-motor.

Como eu gostaria de algo não invasivo para o circuito inerente ao conjunto, cheguei em algumas alternativas de sensores existentes, tais como:

 

• TC de alta frequência;
• Bobina de Rogowski;
• Sensor de efeito Hall

 

A partir de algumas leituras sobre os sensores mencionados, percebi limitações a respeito da largura de banda (as quais poderiam ser corrigidas facilmente anexando outros circuitos na saída do sensor).

 

O problema é: muito pouco se fala sobre a amplitude de corrente que pode ser medida, que no meu caso, em termos absolutos, será de no máx 0.1A.  Portanto,

eu gostaria de saber se alguém poderia me ajudar ou guiar sobre como projetar um sensor que respeite tal restrição. Além disso, perfiro que seja com TC ou Rogowski. 

 

Um abraço!

 

[rjjj]

O problema do TC de alta frequência e da bobina de Rogowski é que costumam ser dispositivos de alta potência, tipicamente operando com correntes na casa de 100 A. Não é que não possam funcionar em uma aplicação de 100 mA (0,1 A), mas os valores nominais desviam tanto que as curvas reais de operação podem ficar estranhas .

 

 

 

Recomendo a alternativa moderna, que é um sensor de efeito Hall como o ACS714 o qual suporta de -30 A a +30 A de corrente bidirecional na entrada. Segue um exemplo com uma versão (Part Number) desse CI com sensibilidade otimizada para -5 A a +5 A, que eu acredito que seria a melhor opção para você:

 

 

 

https://www.pololu.com/file/0J196/ACS714.pdf

 

https://www.pololu.com/product/1185

 

 

 

Fora isso, seria fazer um condicionador após o sensor. Um amplificador operacional de precisão, com baixíssima tensão de offset, costuma ser base para circuitos desse tipo.

 

 

 

Espero ter ajudado .

[.if]

você quer projetar algo como um alicate amperímetro com data logger?

[MartinBot]

@rjjj Obrigado pela proposta, parece ser uma boa alternativa. Pesquisarei sobre sua utilização.

 

 

9 horas atrás, if. disse:

você quer projetar algo como um alicate amperímetro com data logger?

 

@if. No caso, eu gostaria apenas de utilizar e validar um sensor para a aplicação, que seria utilizado como um acessório e ficaria sempre operando. O projeto visa coletar e tratar (através de um stm32, provavelmente) esses dados e enviá-los para a nuvem posteriormente, gerando um histórico.

 

Assim, não seria um data logger para visualização local.

[.if]

7 minutos atrás, Martin Hermes Anschau disse:

O projeto visa coletar e tratar esses dados (através de um stm32, provavelmente) e enviá-los para a nuvem posteriormente, gerando um histórico

Ok... recomendo um esp32 que já nasceu para as nuvens. ops... teclei d+... você decide.

9 minutos atrás, Martin Hermes Anschau disse:

No caso, eu gostaria apenas de utilizar e validar um sensor para a aplicação

Vá de sensor do amigo @rjjj mesmo.

Mas se me permite uma visão externa, aqui fora o quesito custo sempre está em pauta. No caso como o seu de corrente mixaria, eu (eu) cogitaria até mesmo um simples shunt de fio cuprothal. A questão da invasão trataria de outra forma tipo ... teclei d+ já...

[MartinBot]

2 horas atrás, if. disse:

Ok... recomendo um esp32 que já nasceu para as nuvens. ops... teclei d+... você decide.

Vá de sensor do amigo @rjjj mesmo.

Mas se me permite uma visão externa, aqui fora o quesito custo sempre está em pauta. No caso como o seu de corrente mixaria, eu (eu) cogitaria até mesmo um simples shunt de fio cuprothal. A questão da invasão trataria de outra forma tipo ... teclei d+ já...

 

Valeu pelas informações. No caso da placa, aqui na empresa o time do hardware já montou uma com um STM32 embarcado. Acredito que uma esp seria interessante pra prototipagem e trabalhar diretamente com a nuvem, sem a adição de um gateway externo.

 

Sobre o shunt: não perguntei ao time, mas acredito que descartaram a possibilidade pra usá-lo como sensor.

[albert_emule]

Use sensor magnetorresistência gigante.

Só conheço o fenômeno. Não sei qual sensor comercial existe.

 

Mas sei que a coisa tem sensibilidade o suficiente para atender aos requisitos  

adicionado 5 minutos depois

https://www.directindustry.com/prod/shenzhen-socan-technologies-co-ltd/product-132598-1663054.html 

adicionado 13 minutos depois

Para corrente AC o TC pode ser feito em algum núcleo de ferrite.

Funciona bem para 0.1A

[MartinBot]

18 horas atrás, albert_emule disse:

Use sensor magnetorresistência gigante.

Só conheço o fenômeno. Não sei qual sensor comercial existe.

 

Mas sei que a coisa tem sensibilidade o suficiente para atender aos requisitos  

adicionado 5 minutos depois

https://www.directindustry.com/prod/shenzhen-socan-technologies-co-ltd/product-132598-1663054.html 

 

@albert_emule Parece algo promissor para o projeto também. Vou me aprofundar. Muito obrigado!

[albert_emule]

4 horas atrás, MartinBot disse:

 

@albert_emule Parece algo promissor para o projeto também. Vou me aprofundar. Muito obrigado!

 

Acabei lembrando que qualquer TC com núcleo de ferrite tem capacidade para ler a corrente que você precisa mensurar.

Mas a frequência não pode mudar.

O transformador não parece ser muito linear. Daí acredito também que deve corrigir a escala no micro controlador 

 

[alexandre.mbm]

@albert_emule "TC", o que é?

[albert_emule]

2 minutos atrás, alexandre.mbm disse:

@albert_emule "TC", o que é?

 

É esse anel amarelo no anuncio: 

https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-803537936-medidor-de-consumo-voltimetro-wattimetro-digital-4x1-_JM?searchVariation=52879698414#searchVariation=52879698414&position=9&type=item&tracking_id=4b250c7d-268b-433c-bf47-1fc7412e53c4

 

É um transformador de corrente. 

 

Eu tenho um destes. Ele mede correntes muito baixas. 

[rjjj]

@albert_emule

 

 

Os transformadores são usualmente feitos para serem lineares, vide a Lei de Hopkinson .

 

 

 

O problema que eu vejo é a resposta em frequência do dispositivo. As harmônicas poderiam sofrer perdas além da relação de transformação padrão, filtrando o sinal que seria recebido pelo microcontrolador. Os sensores de efeito Hall disponibilizam ajuste de banda de frequência externo ao CI, o que é bem interessante.

 

 

 

Espero ter ajudado .

[albert_emule]

Até fiz um teste aqui no wattímetro que tenho que é igual ao do anúncio que postei.

Alimentei com 126V um resistor de 358 Ohms. O wattímetro mostrou 0,35A

 

Ao que parece está certo. Pois 126V divido por 358 Ohms, dará   0,351A

[MartinBot]

1 hora atrás, albert_emule disse:

Até fiz um teste aqui no wattímetro que tenho que é igual ao do anúncio que postei.

Alimentei com 126V um resistor de 358 Ohms. O wattímetro mostrou 0,35A

 

Ao que parece está certo. Pois 126V divido por 358 Ohms, dará   0,351A

 

@albert_emule Cara, valeu pelo empenho. Bom saber dos resultados. Me parece ser um TC padrão e fácil de projetar.

 

 

No mais, eu estou me aprofundando em alguns artigos que encontrei, além da ajuda de vocês, a qual sou grato.

 

Abs.

[MOR_AL]

Em 21/09/2020 às 13:48, MartinBot disse:

O problema é: muito pouco se fala sobre a amplitude de corrente que pode ser medida, que no meu caso, em termos absolutos, será de no máx 0.1A.  Portanto,

eu gostaria de saber se alguém poderia me ajudar ou guiar sobre como projetar um sensor que respeite tal restrição. Além disso, perfiro que seja com TC ou Rogowski. 

Bom.

Eu começaria a lhe ajudar da seguinte forma...

Eu não achei suas especificações, para a medição da corrente, tais como:

1 - Faixa de frequências de medição.

2 - Faixa de temperatura ambiente de operação.

3 - Taxa máxima de medição da corrente.

4 - Erro percentual máximo admissível da leitura.

5 - Considerando que o sensor de corrente fornecerá uma tensão proporcional a corrente medida em sua saída, qual seria o equipamento usado para medição?

 O valor máximo da corrente a ser medida foi informado.

Com estas informações, desde que coerentes com a tecnologia existente e com a capacidade técnica do calculista, é possível se obter um sensor que possa vir a ser útil para esta medição.

MOR_AL

[MartinBot]

16 horas atrás, MOR disse:

Bom.

Eu começaria a lhe ajudar da seguinte forma...

Eu não achei suas especificações, para a medição da corrente, tais como:

1 - Faixa de frequências de medição.

2 - Faixa de temperatura ambiente de operação.

3 - Taxa máxima de medição da corrente.

4 - Erro percentual máximo admissível da leitura.

@MOR Respondendo:

 

• A frequência de chaveamento do inversor é de 10khz, porém a fuga pro terra (corrente de interesse) é um "spike" de frequência mais elevada, ou seja >10kHz;
• A temperatura seria baixa, por exemplo no máximo 60ºC, que seria a temperatura que o inversor estará exposto trabalhando;
• Erro não teria muita preocupação, porque vou detectar o aumento dessa corrente ao longo dos anos, e não o valor em si instantâneo, assim, acredito que até 10% seja aceitável.

Ademais, a quinta pergunta já respondi anteriormente no tópico. Vou medir por um microcontrolador baseado em STM32. Muito provavelmente vou adicionar um amplificador e integrador na saída do sensor. Fora isso, vou usar o amperímetro para comparar resultados.

 

Abs.

[MOR_AL]

10 horas atrás, MartinBot disse:

@MOR Respondendo:

 

• A frequência de chaveamento do inversor é de 10khz, porém a fuga pro terra (corrente de interesse) é um "spike" de frequência mais elevada, ou seja >10kHz;
• Esse spike possui muitas frequências. Você teria uma estimativa da maior frequência de interesse para a medição? É importante saber até que frequência seu medidor teria que medir? O tal spike teria no máximo 0,1A, é isso? Você já observou esse spike de corrente em um osciloscópio, para ter uma noção de sua composição? Ele tem a repetição na frequência do inversor, né?
• A temperatura seria baixa, por exemplo no máximo 60ºC, que seria a temperatura que o inversor estará exposto trabalhando;
• Será que você não estaria se confundindo? Se quer medir a fuga pro terra, então essa medição é no ambiente, externa ao equipamento. Não seria a temperatura máxima no ambiente da medida? A temperatura máxima seria a que o equipamento de medição estaria exposto, muito útil para o cálculo da precisão da medição. 
• Erro não teria muita preocupação, porque vou detectar o aumento dessa corrente ao longo dos anos, e não o valor em si instantâneo, assim, acredito que até 10% seja aceitável.
• Ok!

Ademais, a quinta pergunta já respondi anteriormente no tópico. Vou medir por um microcontrolador baseado em STM32. Muito provavelmente vou adicionar um amplificador e integrador na saída do sensor. Fora isso, vou usar o amperímetro para comparar resultados.

Abs.

 

Bom.

Vejo que o seu maior problema é a medição em frequência elevada.

Tem a ponta de prova da HP, que hoje já deve ter outro fabricante. Há muito tempo eu media a corrente em circuitos de chaveamento com essa ponteira, mas ela não é barata e possuía uma caixa contendo o circuito condicionador de sinal, que fornecia uma tensão proporcional à corrente. 

Um circuito condicionador do sinal deve fornecer um nível de sinal, normalmente de tensão, que contenha uma faixa tal que o seu microcontrolador possa medir. Seria algo como de zero a 0,1A fornecendo de zero a 5 volts.

Certamente haveria um amplificador de tensão, mas um integrador para medir um spike, tenderia a atenuar as altas frequências do spike. 

Seria interessante se você pudesse obter uma foto da forma de onda da corrente, primeiramente aplicada a um resistor de, digamos um ohm, só para se ter uma ideia da forma de onda e da repetibilidade desta corrente. Isso te forneceria informações muito úteis para seu equipamento de medição. 

 

Prevejo que um razoável sensor seria um trafo de corrente com núcleo de ferrite para altas frequências. Um núcleo toroidal seria o ideal, mas haveria o problema de ter que interromper o fio para poder inserir o núcleo. Talvez um par de núcleos "C" também funcionasse. O detalhe é; o que seria interessante na medição do spike? Seu valor de pico?

MOR_AL