AKIM SENSÖRLERİ

MANYETİK ALAN

Manyetik alan, manyetik bir şeyin içindeki ve etrafındaki boşlukta manyetik kuvvetin nasıl dağıldığını tarif etmek için kullandığımız bir araçtır. Bu nedenle hareket eden elektrik yüklü parçacıklar manyetik kuvvete yol açarlar.

Manyetik alan genelde iki yolla gösterilir;
● Manyetik alan matematiksel olarak vektör alanı olarak tarif edilir. Her vektör pusulanın gösterdiği yönü işaret eder ve uzunluğu manyetik kuvvetin büyüklüğüne bağlıdır.
● Bir vektör alanının içerdiği bilgiyi göstermenin alternatif yolu alan çizgilerini kullanmaktır.

Manyetik Alan ve Manyetik Akı

● İçinden elektrik akımı geçen bir iletkenin çevresinde manyetik alan (H) oluşur.
● Bu manyetik alanın içine manyetiklik özelliğine sahip bir malzeme (mıknatıs) konacak olursa manyetik alan şiddeti daha da artar ve kuvvet çizgileri sıklaşır.
● Malzeme varlığından doğan ek manyetik alan artımına manyetik akı yoğunluğu (B) denir.

Uygulanan Manyetik Alan

Bobinden geçen akımın oluşturduğu manyetik alan

Manyetik Geçirgenlik(μ)

Boşlukta manyetik alan içine demir konulursa alan çizgileri birbirine yaklaşır; böylece birim alandan geçen manyetik akı artar.

Mıknatıs özelliği olmayan bir madde konulursa alan çizgileri bu maddeden geçerken birbirinden uzaklaşır; birim alandan geçen akı azalır.

Boşluk için manyetik geçirgenlik, μ0 = 4π.10-7 Wb/A.m

B: Manyetik akı yoğunluğu H alanına maruz kalmış bir maddede oluşan iç alan kuvvetinin büyüklüğü; tesla, T (Wb/m2 ). H ve B alan vektörleridir. Sadece büyüklükleri ile değil aynı zamanda yönleri ile tanımlanırlar.

Manyetik alan kuvveti ve akı yoğunluğu ilişkisi B=μ.H

Nüveye uygulanan H manyetik alanı bir B manyetik akısı indükler. B’nin fazla artışı ile malzeme doyuma gider yani manyetik akı daha fazla artmaz. Başka bir ifade ile doyumdaki geçirgenliği aşırı dereceğe düşük olur.

HALL ETKİSİ İLE ELEKTRİK AKIMININ ÖLÇÜLMESİ

Şekilde görüldüğü gibi böyle bir aygıt hava boşluğundaki bir Hall levhası ile manyetik nüveden oluşmaktadır. Ölçülecek akım iletken boyunca geçer. Akım tarafından oluşturulan manyetik alan Hall levhasının düzlemine dik manyetik alan meydana getiren demir nüveyi manyetik hale getirir. Böyle bir aygıtın en büyük bir avantajı akım genliğinin ölçülebilmesi için devrenin kesilmesine gerek kalmadığıdır. 1A-1000A arasındaki ölçüm için uygundur. Bir iletken yerine sargı kullanılması durumunda daha küçük akımların ölçülebilmesi için hava aralığının uygun hale gelmesi gerekmektedir.

Bu durumda ölçülebilecek maksimum akım manyetik malzemenin gösterdiği doyum etkisine bağlıdır. Bu ölçümün akım transformatörlü olanlardan farklı AC’ek olarak DC yi ölçebilmesidir.

Akım Trafoları İle AC Akım Ölçümü

Bildiğimiz trafolardan farksızdır yalnızca çıkışları gerilim kaynağı olarak değil akım kaynağı olarak görülmektedir.

Ip primer ana akımı taşıyan kablodur genelde bir turdur. Is sekonder kısmı ise 1000-2000 gibi yüksek rakamlı turlardan oluşur. Trafoların denklemi Np/Ns=Is/Ip akım değeri sekonderin turu oranında azalır.

1:2000 oranlı akım trafosunun primerinden 2000A geçtiğinde sekonderinde 1A çıkış sağlayacaktır. Biz bu akımı 1r direnç üzerine yönlendirirsek 1V elde edip 1W kayıp ile -2000A ile 2000A arasında akım ölçebiliriz. Akım trafosuyla ölçeceğimiz akım mutlaka AC olmak zorundadır.

Bu tür akım sensorlerin doğrulukları yüksek olabildiği ölçüde gerçeğe yaklaşır. Bu nedenle Türkiye’de ve dünyada en çok tercih edilen akım sensörlerinin başında LEM gelmektedir.

DC ölçümler trafolarla değil genelde hall effect ölçüm teknikleri ile akım ölçümü yapılmaktadır.

Hall Effect ile DC Akım Ölçümü

DC akım trafolarının AC akım trafolarındaki gibi akım/akım dönüşümünden değil akımın oluşturduğu manyetik akının yoğunluğundan yola çıkarak ölçülmektedir. Bunun içinde en yaygın araç manyetik akıyı ölçen Hall Effect Sensörleri’dir. Ip ile gösterilen akım manyetik malzemden üretilmiş nüve üzerinde manyetik akı oluşturur. Bu akının yoğunluğu Ip ile gösterilen akım ile doğru orantılıdır.Bu hall effect sensörleri ile ölçülen akı yoğunluğu istediğimiz gerilim aralığına indirgenerek ölçüm işlemi tamamlanmış olur.

Yalnız hall effect gibi ölçüm gibi methodlarda doğruluk sapmaları meydana gelmektedir. Bunun nedenlerinin biri de manyetik alanlar çizgilerinin hepsi Hall Effect Sensörü’nün üzerinden geçmemektedir. Bunun yanı sıra sıcklığı bağlı olarak değişen nüve karakteristliği, buna bağlı olarak uygulanan akım frekansına göre sensör çıktılarının değişmesi. Bu sorunların ortadan kalkması için değişik methotlar mevcut.

Open Loop Akım Trafoları

Manyetik akı şiddeti Hall Effect Sensörleri ile ölçülüp daha sonra bir bufferdan geçirilerek akım veya gerilim çıkışlı olabilmektedir. Tek vey çift kaynaktan beslenebildiği gibi 0.5A-10kA aralığında olabilir. Open Loop sistemlerinde geri besleme olmadığı için akım kesilmesine rağmen içerisinde indüklenme devam edeceği için sanki akım geçiyormuş gibi davranır bu da çok tercih edilmemesine neden olmaktadır.

Close Loop Akım Trafoları

Hall Effect Sensörü ve trafoya sarılmış bir ek sargı oluşmaktadır. Open Loop’tan farklı olarak sürekli sıfır akı oluşacak şekilde primer akımı yönüne ters sekonder sargısından akıtılarak denge kurulmaya çalışılmış.
Bunun için Hall Effect Sensörü sıfıra yakın manyetik akıyı ölçek şekilde tasarlanır ve fark yükseltici ile çıkış akıma dönüştürürek ek sargıdan geçirilir. Bu ölçüne akım düşük direnç üzeriden geçirilerekte gerilim ölçücü olarak da kullanılabilir.

Burdaki en önemli nokta çalışma bölgesindeki B / H eğrisi 0 noktasındadır. Kalıcı mıknatıslanma veya sıcklık kayması gibi durumlar en aza indirgenerek hassas ölçüm yapılmış olur.