Интернет журныл о промышленности в Украине

Датчик розтину корпусу електролічильника без герконів, магнітів і датчиків Холла

  1. Принцип роботи індуктивного датчика LDC0851
  2. Індуктивний датчик LDC0851 від Texas Instruments
  3. Опис системи захисту від розтину
  4. Тестування референсной схеми
  5. висновок
  6. література
  7. Про компанію Texas Instruments

При створенні лічильників витрачених ресурсів необхідно не тільки розробити надійну і точну вимірювальну систему, а й забезпечити захист від злому При створенні лічильників витрачених ресурсів необхідно не тільки розробити надійну і точну вимірювальну систему, а й забезпечити захист від злому. Першою перешкодою на шляху зловмисників має стати захист від розтину, яку традиційно будують на базі механічних вимикачів. Компанія Texas Instruments пропонує альтернативне рішення з використанням індуктивних датчиків LDC0851. Саме ці сенсори використовуються в референсной схемою TIDA-01377 від Texas Instruments.

Крадіжка електроенергії - одна з найболючіших проблем для постачальників електрики. За оцінками фахівців, в Росії рівень розкрадань становить мільярди рублів. Саме з цієї причини за подібні правопорушення передбачається покарання аж до кримінальної. При особливо великому розмірі крадіжки обмеження свободи може досягати 5 років.

У західних країнах ситуація не набагато краще, наприклад, в Греції в 2016 році зареєстровано 10600 випадків крадіжок електроенергії. У більш благополучних країнах Європи рівень розкрадань нижче (приблизно на 40%), але, тим не менш, є досить високим [1].

За статистикою в Росії велика частина вкраденої енергії припадає на приватних споживачів - до 51% [2]. При цьому основними способами крадіжки є:

  • застосування відмотувальних і уповільнюють обертання лічильного механізму пристроїв - 15%;
  • порушення пломбування - 30%;
  • порушення схеми обліку - 6%;
  • установка шунта - 3%;
  • механічне гальмування диска - 7%;
  • заземлення нульового проводу - 4%;
  • безоблікове підключення - 30%;
  • нахил лічильника - 3%;
  • інші види розкрадання - 2% [2].

Значна частина розкрадань так чи інакше пов'язана з розкриттям корпусу лічильника. Якщо забезпечити гарантоване виявлення таких порушень, то це дозволить стягнути з зловмисників компенсацію і мінімізувати збитки.

Існує кілька способів виявлення розтину корпусу, але частіше за все для цих цілей використовуються механічні вимикачі кнопкового типу. Коли кришка корпусу закрита - кнопку натиснуто. При відкритті кришки кнопка відключається, що і виявляється системою. На жаль, механічна система захисту має обмеження. По-перше, при довгому знаходженні в натиснутому стані кнопки можуть «прикипати», тобто переставати спрацьовувати. По-друге, кнопку все-таки можна обдурити. Компанія Texas Instruments пропонує альтернативне рішення на базі індуктивних датчиків LDC0851 , Вільний від зазначених недоліків.

У пропонованому референсном вирішенні TIDA-01377 виробництва компанії Texas Instruments розтин визначається з видалення металевих об'єктів (мішеней), вбудованих в кришку корпусу, від індуктивного датчика. При цьому система захисту включає такі основні елементи (рисунок 7):

  • мікросхему індуктивного датчика LDC0851;
  • опорну індуктивність LREF, реалізовану у вигляді друкованої індуктивності на платі;
  • одну або дві вимірювальних індуктивності LSENSE, також виконаних у вигляді друкованих индуктивностей на платі;
  • один або пару металевих об'єктів (мішеней), розташованих на кришці.

Датчик LDC0851 працює з диференціальної схемою і порівнює величину опорної індуктивності LREF і ефективну індуктивність вимірювальної котушки LSENSE, яка залежить від відстані до металевого об'єкта. Це дозволяє схемою виявляти розтин корпусу незалежно від таких зовнішніх умов як вологість, температура, старіння, забруднення та інші. Схема з індуктивними датчиками також несприйнятлива до впливу магнітних полів.

Мікросхема LDC0851 дозволяє реалізовувати відразу два датчика наближення. Для цього використовуються дві вимірювальні індуктивності LSENSE. У референсном вирішенні TIDA-01377 одна з них використовується для виявлення розтину основний кришки корпусу, а друга - для виявлення розтину блоку клем.

Ще однією особливістю референсной схеми TIDA-01377 є використання мікроконтролера MSP430F67791A з вбудованим таймером реального часу (RTC). Контролер керує датчиком LDC0851, включаючи і вимикаючи його для зниження споживання. При цьому вдається зменшити середній живить струм датчика до 2 мкА при частоті опитування 1 Гц. Крім того, мікроконтролер забезпечує мікросхему LDC0851 харчуванням.

Варто зазначити, що пропоноване рішення без проблем можна використовувати не тільки в лічильниках електроенергії, але і в приладах обліку газу, води, тепла.

Принцип роботи індуктивного датчика LDC0851

Мікросхема LDC0851 черзі генерує змінний сигнал на опорній котушці LREF і на чутливою котушці LSENSE. При протіканні змінного струму в індуктивності формується змінне магнітне поле (рисунок 1). Якщо поблизу котушки знаходиться металевий об'єкт (мішень), то під впливом цього магнітного поля на його поверхні виникають вихрові струми.

Якщо поблизу котушки знаходиться металевий об'єкт (мішень), то під впливом цього магнітного поля на його поверхні виникають вихрові струми

Мал. 1. Принцип роботи індуктивного датчика

Величина вихрових струмів залежить від відстані між котушкою і мішенню, геометричних розмірів друкованої котушки і матеріалу мішені. Вихрові струми також формують власне магнітне поле, вектор якого протилежний вектору вихідного магнітного поля. В результаті сумарне поле послаблюється, що рівноцінно зменшенню ефективної індуктивності LSENSE.

Використовувану вимірювальну схему можна привести до еквівалентного послідовного RLC-контуру (малюнок 2). В даному випадку складова R висловлює сумарне паразитное опір. Величина ефективної індуктивності L (d) в еквівалентній схемі залежить від відстані між вимірювальної котушкою і металевим об'єктом. Чим ближче металевий об'єкт, тим менше індуктивність.

Чим ближче металевий об'єкт, тим менше індуктивність

Мал. 2. Еквівалентна схема вимірювального контуру

Для визначення величини індуктивності використовується перетворення «індуктивність-частота». Резонансна частота контура визначається за формулою 1:

$$ f = \ frac {\ sqrt {2}} {2 \ pi \ sqrt {L \ times C}} \ qquad {\ mathrm {(}} {1} {\ mathrm {)}} $$

З формули 1 видно, що чим ближче мішень і чим менше індуктивність, тим вище резонансна частота (рисунок 3). Також малюнок показує, що величина частоти залежить від діаметра друкованої індуктивності.

Мал. 3. Залежність частоти від відстані до об'єкта

Тут варто відзначити, що пропонована схема нечутлива до зовнішніх магнітних полів. Це забезпечується високою добротністю. Навіть якщо припустити, що зловмисник зможе дуже точно підібрати частоту збудження і сформує сильне магнітне поле, то це все одно призведе до постійного перестрибування мікросхеми LDC0851, що буде розпізнано як розтин корпусу.

Розглянемо основні особливості і внутрішню структуру мікросхеми LDC0851.

Індуктивний датчик LDC0851 від Texas Instruments

LDC0851 - мікросхема індуктивного датчика з дискретним виходом. Структура LDC0851 включає п'ять ключових блоків: пара перетворювачів индуктивностей, схема підстроювання зміщення, система харчування, вихідний каскад (рисунок 4).

Структура LDC0851 включає п'ять ключових блоків: пара перетворювачів индуктивностей, схема підстроювання зміщення, система харчування, вихідний каскад (рисунок 4)

Мал. 4. Структурна схема індуктивного датчика з дискретним виходом LDC0851

Перетворювачі індуктивності виконують послідовну конвертацію «індуктивність-частота-напруга». Канал LREF необхідний для підключення опорної індуктивності. Канал LSENSE використовується для підключення вимірювальної індуктивності. Сигнали, одержувані від каналів LREF і LSENSE, оцифровуються і порівнюються, формуючи вихідний сигнал типу push-pull (вихід OUT). Для запобігання брязкоту LDC0851 має гістерезис.

Щоб змінити поріг спрацьовування (змістити точку перемикання), використовується схема зсуву, вбудована в LDC0851. Вона включає 4-бітний АЦП, вихідний сигнал якого віднімається з результату вимірювання LREF. Таким чином можливі 16 варіантів зміщення. Вони задаються за допомогою зовнішнього напруги на вході ADJ. У найпростішому випадку для цього буде достатньо додаткового резистивного подільника.

Одним з достоїнств LDC0851 є мале споживання і можливість гнучкого управління живленням. Мікросхема здатна працювати в двох режимах - в режимі сну (Shutdown Mode) і в активному режимі (Active Mode).

Режим сну активується при подачі малого напруги на вхід EN. У цьому стані споживання мікросхеми мінімально і становить всього 0,14 мкА (таблиця 1).

Таблиця 1. Характеристики індуктивного датчика з дискретним виходом LDC0851

параметр LDC0851 Максимальна частота опитування, виб. / З 4000 Діапазон живлячих напруг, В 1,71 ... 3,46 Статичний струм, мА 0,7 Динамічний струм (fsensor = 15 Мгц, Cparasitic = 22 пФ), мА 0,66 Струм датчика, мА 4,35 ... 6 Споживання в сплячому режимі (тип.), мкА 0,14 Діапазон индуктивностей, мкГн 1,8 ... 2,5 Діапазон робочих температур, ° C -40 ... 125 Корпус / габарити, мм WSON-8, 2х2

В активному стані струм споживання LDC0851 складається з трьох складових (таблиця 1):

  • статичного струму Istatic (Static current) - постійної складової споживання, що не залежить від частоти резонансу контуру. Типове значення Istatic становить 0,7 мА;
  • динамічного струму Idyn (Dynamic current), який залежить від частоти LC-контура і паразитної ємності плати. При частоті 15 МГц і ємності 22 пФ значення струму становить 0,66 мА;
  • струму датчика Isensor (Sensor current) - струму харчування LC-контура. Він залежить від частоти контуру і індуктивності котушки. Значення Isensor знаходиться в діапазоні 4,35 ... 6 мА.

Таким чином, при роботі з LDC0851 є два основних шляхи зниження споживання:

  • за рахунок використання як можна більш малого напруги харчування;
  • за рахунок імпульсної роботи датчика, при якій велику частину часу LDC0851 знаходиться в режимі сну з мінімальним годує струмом, і періодично пробуджується для швидкого виконання вимірювань.

Чим рідше виробляються активізація сенсора, тим менше споживання.

Навіть в активному режимі струм споживання LDC0851 досить малий, і його можна забезпечити за допомогою порту введення-виведення керуючого мікроконтролера. Ця особливість використовується в тому числі і в референсной схемою TIDA-01377 .

Важливо відзначити, що датчик LDC0851 є досить універсальним. Ось лише деякі його альтернативні цільові програми:

  • датчики розтину в приладах обліку (електрики, води, тепла, газу);
  • датчики потоку в приладах обліку (наприклад, води);
  • датчики розтину в системах безпеки (сигналізації);
  • датчики швидкості в офісної і побутової техніки (принтери, сканери та інше), в промислових верстатах і роботах;
  • датчики обертання в промисловій та побутовій техніці;
  • індуктивні кнопки в промисловій та побутовій техніці;
  • кінцеві датчики в промисловій та побутовій техніці;
  • і так далі.

Варто підкреслити, що в даній статті розглядається тільки конкретне референсне рішення. Для більш повного ознайомлення з характеристиками і особливостями окремих компонентів слід звернутися до інших статей журналу Новини електроніки (наприклад, [4, 5]).

Розглянемо конкретний приклад використання LDC0851 в референсной схемою датчика розтину TIDA-01377 виробництва Texas Instruments.

Опис системи захисту від розтину

У пропонованому рішенні TIDA-01377 мікросхема LDC0851 черзі вимірює і порівнює значення індуктивності котушки LSENSE, підключеної між висновками LSENSE і LCOM, і опорної котушки LREF, підключеної між висновками LREF і LCOM. Такий підхід дозволяє усунути вплив параметрів навколишнього середовища (температури, вологості, забруднень) і уникнути помилкових перемикань. Котушки виконані у вигляді друкованих индуктивностей.

Розглянутий вище принцип роботи може бути реалізований в двох варіантах: з одним датчиком (одна котушка LSENSE, малюнок 5) або з парою датчиків (дві послідовно включені котушки, малюнок 6).

Мал. 5. Схема виявлення злому з одним датчиком (з однією котушкою)

Схема виявлення злому з одним датчиком (з однією котушкою)

Мал. 6. Блок-схема реалізації системи захисту з двома датчиками

У першому варіанті з одним датчиком система захисту виявляє тільки розтин кришки клемного блоку. Металевий об'єкт розміщується на кришці лічильника прямо над друкованої котушкою LSENSE. При цьому в закритому стані ефективна індуктивність LSENSE виявляється значно менше опорної індуктивності LREF і на виході OUT присутній мале напруга. Коли кришка клемної колодки відкрита - відстань між металевим об'єктом і сенсорної котушкою збільшується, що призводить до зростання ефективної індуктивності. Як тільки індуктивність перевищує значення опорної індуктивності, відбувається перемикання. Керуючий контролер MSP430F67791A фіксує цю подію і робить відповідний запис із зазначенням часу у внутрішню пам'ять.

Другий варіант являє собою реалізацію з двома датчиками. При цьому система захисту виявляє розтин як кришки клемного блоку, так і основний кришки лічильника. На малюнку 6 показана блок-схема для такого варіанту.

У варіанті з двома датчиками використовується пара друкованих индуктивностей, включених послідовно між висновками LSENSE і LCOM. Самі котушки рознесені по різних кутах друкованої плати (малюнок 7). Для кожної з них на кришках корпусу передбачені індивідуальні металеві мішені (рисунок 8). Для отримання необхідної відстані між датчиками і мішенями використовувалися звичайні металеві стійки.

Мал. 7. Зовнішній вигляд друкованої плати лічильника з парою датчиків (котушок)

Принцип роботи такої системи ідентичний варіанту з однією котушкою. Коли обидві кришки - кришка клемного блоку і основна кришка лічильника - закриті, сумарна індуктивність виявляється значно менше опорної індуктивності LREF і на виході OUT присутній мале напруга. Якщо ж одна з кришок відкривається, то сумарна індуктивність зростає і перевищує опорне значення, а на виході OUT формується високий сигнал.

Мал. 8. Розміщення металевих мішеней на корпусі лічильника

Варто сказати пару слів про роботу керуючого мікроконтролера MSP430F67791A .Коли на виході OUT виникає високий сигнал, контролер реєструє дату і час розкриття, включає світлодіоди і формує символи на рідкокристалічному дисплеї (ЖК). Крім того, MSP430F67791A забезпечує харчування як для себе, так і для датчика LDC0851 з використанням вбудованого мультиплексируемость блоку живлення AUX. При відключенні електрики система переходить на живлення від акумулятора. Мікроконтролер також управляє датчиком за допомогою входу EN і вбудованим таймером. Це дозволяє знизити середнє споживання сенсора до 2 мкА за рахунок використання сплячого режиму.

Тестування референсной схеми

Тестування референсной схеми проводилося в три етапи:

  • перевірка функціональності;
  • перевірка стійкості до зовнішньому магнітних полів;
  • визначення рівня споживання.

Обидва варіанти системи захисту - з одним і двома датчиками - продемонстрували свою працездатність. Для схеми з однією котушкою розтин корпусу виявлялося вже при зміщенні кришки на 1 ... 2 мм від закритого стану. Для схеми з двома котушками розтин виявлялося при зміщенні кришки на 4 мм.

Для перевірки стійкості до зовнішніх полях використовувався постійний циліндричний магніт 1,3 Тл діаметром 63,5 мм і товщиною 25,4 мм. Як і очікувалося, випробування пройшли успішно і магніт не вплинув на працездатність схеми.

Тестування показало, що середній рівень споживання схеми з одним датчиком склав 1,83 мкА при частоті опитування 1 Гц. Для схеми з двома котушками споживання виявилося трохи вище, але все одно залишалося гранично малим - близько 2,01 мкА.

висновок

Проблема крадіжки електрики гостро стоїть як перед вітчизняними, так і перед зарубіжними постачальниками електроенергії. З цієї причини сучасні лічильники повинні мати високий ступінь захисту від злому. При цьому першим рубежем оборони стає система виявлення розтину корпусу.

Замість традиційних механічних датчиків розтину компанія Texas Instruments пропонує використовувати більш надійну і сучасну альтернативу у вигляді індуктивних сенсорів на базі мікросхем LDC0851.

Референсна схема TIDA-01377 від Texas Instruments є готовим рішенням на базі LDC0851:

  • з одним і двома датчиками розтину;
  • з відмінною стійкістю до зовнішніх магнітних полів;
  • з мінімальним споживанням на рівні 2 мкА.

література

  1. Греки не платять і крадуть електрику через зубожіння, Вести Економіка
  2. Пєшкова І.Ю. Розкрадання буде покарано. Електротехнічний ринок, №12 2017
  3. TIDA-01377. CaseTamperDetectionReferenceDesignUsing Inductive Sensing. Texas Instruments 2017
  4. Пазюк Олексій. Перетворювачі для індуктивних датчиків LDCxxx: вимірюємо лінійне переміщення і обертання. НЕ, №7, 2016
  5. Гавриков В'ячеслав. Мікроконтролери з FRAM від Texas Instruments - нова епоха для приладів обліку. НЕ, №8, 2015
  6. http://www.ti.com
Про компанію Texas Instruments

В середині 2001 р компанії Texas Instruments і КОМПЕЛ уклали офіційну дистриб'юторську угоду, яке стало результатом тривалої і успішної роботи КОМПЕЛ в якості офіційного дистриб'ютора фірми Burr-Brown В середині 2001 р компанії Texas Instruments і КОМПЕЛ уклали офіційну дистриб'юторську угоду, яке стало результатом тривалої і успішної роботи КОМПЕЛ в якості офіційного дистриб'ютора фірми Burr-Brown. (Як відомо, Burr-Brown увійшла до складу TI так само, як і компанії Unitrode, Power Trend і Klixon). З цього часу компанія КОМПЕЛ отримала доступ до постачання всієї номенклатури вироблених компанією TI компонентів, технологій та налагоджувальних засобів, а також ... читати далі