Jak działa amperomierz zasilany z pomiaru (self-powered) i jakie korzyści niesie ze sobą ta innowacyjna technologia w dziedzinie pomiary prądu oraz monitorowania parametrów elektrycznych.
Budowa i zasada działania
Amperomierz samozasilany to urządzenie, które do poprawnego działania wykorzystuje energię wygenerowaną bezpośrednio w układzie pomiarowym. W klasycznych przyrządach pomiarowych konieczne jest rozwiązanie zewnętrznego zasilania lub baterii, podczas gdy w urządzeniach self-powered energia pobierana jest z mierzonego obwodu. Najczęściej realizuje się to za pomocą shunta (rezystora wzorcowego) o bardzo niskiej rezystancji, który generuje niewielkie napięcie przy przepływie prądu.
Elementy pomiarowe
- Shunt – precyzyjny rezystor o niskiej wartości, na którym powstaje napięcie proporcjonalne do natężenia prądu.
- Sekwencyjny wzmacniacz niskoszumowy – podbija mierzone napięcie shunta do poziomu umożliwiającego konwersję analogowo-cyfrową.
- Przetwornik A/C – zamienia sygnał analogowy na cyfrowy, umożliwiając transmisję danych.
- Moduł komunikacyjny – zapewnia interfejsy takie jak RS-485, Modbus lub protokoły bezprzewodowe.
Źródło zasilania z pomiaru
W układzie samozasilanym kluczowym elementem jest blok zasilania wykorzystujący napięcie z shunta lub prostownik czerpiący niewielką moc bez wprowadzania znaczących strat w głównym obwodzie. Zastosowanie układów przetwarzania energii o wysokiej energooszczędności pozwala na efektywne wykorzystanie ułamków miliwatów, co gwarantuje, że przyrząd nie będzie wpływał na prawidłowość pomiarów i stabilność obwodu.
Rodzaje amperomierzy samozasilanych
Ze względu na różnorodność zastosowań dostępne są urządzenia o różnych zasadach działania i dokładnościach. Poniżej przedstawiono kilka najczęściej spotykanych typów:
- Amperomierze indukcyjne – wykorzystują zjawisko indukcji elektromagnetycznej, generując napięcie pomocnicze w cewce pomiarowej.
- Amperomierze tensometryczne – bazują na deformacji strun tensometrycznych umieszczonych przy shuncie, co pozwala na uzyskanie sygnału pomiarowego.
- Amperomierze termiczne – stosują elementy o zmiennej rezystancji w zależności od wydzielanego ciepła, proporcjonalnego do prądu.
- Amperomierze cyfrowe z modułem DC-DC – łączą technikę przetwornic podwyższających napięcie ze ścisłą kompensacją strat.
Dokładność i klasy
Dokładność pomiaru w amperomierzach samozasilanych jest ściśle związana z jakością elementu shunt, stabilnością wzmacniacza i precyzją przetwornika analogowo-cyfrowego. Standardowe klasy dokładności to 0,5% i 0,2%, jednak w aplikacjach przemysłowych często wymaga się nawet 0,1%. Kluczowe czynniki wpływające na precyzję to temperatura otoczenia, dryft rezystancji shunta i zakłócenia elektromagnetyczne. Dlatego nowoczesne modele wyposażane są w kompensację temperaturową oraz ekranowanie chroniące przed wpływem zakłóceń zewnętrznych.
Zalety i zastosowania
Amperomierze self-powered zyskują na popularności zwłaszcza tam, gdzie instalacja dodatkowego zasilania jest kosztowna lub niemożliwa. Do najważniejszych zalet należą:
- Brak konieczności prowadzenia osobnego okablowania zasilającego, co zmniejsza koszty instalacji.
- Minimalny wpływ na mierzony obwód dzięki niskim spadkom napięcia na shuncie.
- Wysoka mobilność – możliwość montażu w trudno dostępnych miejscach.
- Bezpieczeństwo eksploatacji wynikające z izolacji galwanicznej od sieci zasilającej.
- Łatwa integracja z systemami automatyki przemysłowej i IoT.
Przykładowe aplikacje:
- Monitorowanie zużycia prądu w rozproszonych sieciach energetycznych.
- Nadzór nad silnikami elektrycznymi i falownikami, gdzie wymagana jest ciągła kontrola prądu.
- Sensory prądu w inteligentnych licznikach energii.
- Systemy zasilania awaryjnego (UPS) – wbudowany pomiar prądu ładowania i rozładowania baterii.
Wyzwania i perspektywy rozwoju
Pomimo licznych korzyści, amperomierze samozasilane stoją przed pewnymi wyzwaniami:
- Ograniczona moc dostępna z obwodu, co wymusza stosowanie ultra-niskomocowych komponentów.
- Potrzeba skutecznej kompensacji temperaturowej, zwłaszcza w warunkach przemysłowych o szerokim zakresie temperatur.
- Problemy z tłumieniem zakłóceń elektromagnetycznych w silnie zaszumionych środowiskach.
W nadchodzących latach można spodziewać się dalszej miniaturyzacji układów pomiarowych, wprowadzenia nowych materiałów o lepszych właściwościach temperaturowych oraz implementacji zaawansowanych algorytmów cyfrowej filtracji. Ponadto rozwój technologii bezprzewodowych i sieci mesh otwiera drogę do szerokiej integracji amperomierzy self-powered w ekosystemach inteligentnych budynków oraz industry 4.0.
