Stroomsensoren zonder flux: net als in „Back to the Future“?
De „fluxcompensator“ uit deze klassieker is natuurlijk pure fictie – maar de term klinkt wel degelijk wetenschappelijk – en best wel cool. De „Zero-Flux“ in de „Zero-Flux-stroomsensoren“ van HIOKI is daarentegen noch een fantasieproduct, noch een pakkende term die het Japanse marketingteam van HIOKI heeft bedacht.
Wat betekent „Zero-Flux“?
Om te begrijpen wat 'Zero Flux' betekent, kijken we eerst naar de term 'Flux': De term „Flux“ (stroom) wordt in verschillende wetenschappelijke en technische domeinen gebruikt en heeft, afhankelijk van de context, een specifieke betekenis. Het basisprincipe blijft echter hetzelfde: het gaat altijd om de stroom van een bepaalde fysische grootheid door een gedefinieerd oppervlak.
Aangezien het in dit geval om stroomsensoren gaat, is de magnetische flux van belang. Deze beschrijft de totale hoeveelheid van het magnetische veld die door een bepaald oppervlak gaat – gedefinieerd door de sterkte van het veld en de ruimtelijke uitstrekking ervan. De magnetische flux staat dus voor de aanwezigheid, de intensiteit en de richting van een magnetisch veld over een bepaald oppervlak.
Allereerst de vraag: hoe werkt een klassieke stroomtransformator?
Waarom houden we ons eerst bezig met deze technologie? Omdat de magnetische flux ook hier een centrale rol speelt – je zou kunnen zeggen dat het in zekere zin het ‘voorspel’ is voor een zero-flux-stroomsensor.
Stroomsensoren die op dit klassieke transformatorprincipe zijn gebaseerd, zijn alleen geschikt voor wisselstroom (AC). Ze behoren niet tot de meest nauwkeurige stroomsensoren, maar zijn wel relatief eenvoudig te vervaardigen. Een typisch voorbeeld van zo’n sensor is een stroomtang, die door onderhoudstechnici in elektrische installaties wordt gebruikt.
Werking van een klassieke wisselstroomtransformator (CT)
Een conventionele wisselstroomtransformator werkt op dezelfde manier als een transformator, met dit verschil dat de primaire wikkeling slechts één winding heeft. 1. De te meten stroom wekt een magnetische flux (Φ) op in de kern van de stroomsensor. 2. Deze flux wekt een secundaire stroom op in de spoel (N), die door een shuntweerstand (r) vloeit. 3. De secundaire stroom wekt een tegengestelde magnetische flux (Φ') op, die in het ideale geval de oorspronkelijke magnetische flux (Φ) compenseert. Dit negatieve terugkoppelingsmechanisme voorkomt verzadiging van de magnetische kern en waarborgt de nauwkeurigheid van de sensor. Als deze compensatie perfect zou werken, zou de sensor al een zero-flux-stroomsensor zijn – de magnetische flux zou dan volledig gecompenseerd zijn. Helaas werkt dit alleen bij hogere frequenties – bij lage frequenties blijft er een restflux bestaan.
Zero-Flux-stroomsensoren
Bij hoge frequenties compenseren klassieke stroomtransformatoren de magnetische flux zeer goed. Voor lage frequenties of gelijkstroom (DC) volstaatdit principe echter niet, omdat het – net als bij een transformator – wisselstroom vereist. Om ervoor te zorgen dat een stroomsensor ook bij lage frequenties of gelijkstroom nauwkeurig werkt, moet er een extra mechanisme worden geïntegreerd om de magnetische flux volledig te compenseren. Dat is precies wat er gebeurt in Zero-Flux-stroomsensoren.
Welke mechanismen zijn kenmerkend voor zero-flux-stroomsensoren?
Een stroomtransformator kan via een van de volgende drie methoden worden uitgebreid tot een zero-flux-stroomsensor:
- 1. Meetspoel (niet geschikt voor gelijkstroom)
- 2. Hall-element
- 3. Fluxgate-technologie
Aangezien het principe van de meetspoel het dichtst bij het klassieke transformatorprincipe ligt, gebruiken we dit hier als voorbeeld voor een zero-flux-stroomsensor. Hoewel dit principe niet geschikt is voor gelijkstroom, omdat het gebaseerd is op een extra spoel, maakt het voor wisselstroomsensoren zero-flux mogelijk over een zeer groot frequentiebereik.
Hoe werkt een zero-flux-stroomsensor met meetspoel?
Bij hoge frequenties werkt de Zero-Flux-sensor volgens hetzelfde principe als een klassieke stroomtransformator: de secundaire stroom zorgt via de terugkoppelingsspoel voor een compensatie van de magnetische flux.
Bij lage frequenties gebeurt het volgende: de resterende magnetische flux (Φ - Φ') wekt een spanning op in de meetspoel. Een versterkerschakeling genereert vervolgens een extra negatieve terugkoppelstroom, die naar de terugkoppelingsspoel wordt geleid, waardoor de magnetische flux nu ook bij lage frequenties volledig wordt gecompenseerd – Zero-Flux wordt bereikt.
Conclusie: tijdreizen of uiterst nauwkeurige meettechniek?
Ook al klinkt „Zero-Flux“ als sciencefiction, deze technologie heeft niets met tijdreizen te maken. Ze maakt echter uiterstnauwkeurige stroommetingen mogelijk, van gelijkstroom via lage frequenties tot hoge frequenties.
Overigens: HIOKI ontwikkelt al sinds 1971 stroomsensoren. Neem eens een kijkje in de geschiedenis van HIOKI’s stroommeettechniek!
