Experimental characterization of magnetic sensors for current measurement applications

CURRENT MEASUREMENT is a fundamental practice in the electricity sector. Today it is common practice to measure large currents in many applications (power measurements, protection, etc.): therefore, the current transducer must operate with current values that reach several thousand hundreds of amperes, exhibit good linearity in a wide range temperature (typically -25 ⁰ C to +100 ⁰ C) and currents, ensure adequate accuracy, and, last but not least, a good noise rejection. According to the principle of operation, can be substantially identified four techniques of measurement of an electric current, which can be classified as follows: Ohm's Law, the law of Faraday, the Faraday’s effect and the detection of the magnetic field. It is natural that there are limitations and disadvantages to each of these principles; both from a technical and an economical point of view and thus each solution is a compromise between different requirements. In this view, an attractive approach to current measurement is represented by the array of magnetic sensors, in which the measure of the current is reduced to the measurement of a magnetic field produced by it. Due to the linearity between the magnetic field and current that produces it, the latter can be reconstructed, by means of specific algorithms, starting from the values collected by a suitable array of magnetic sensors placed in proximity of the conductor in which circulates the current to be measured. A magnetic field sensor which is very popular and widely used in these arrays is the Hall effect sensor. This sensor is relatively inexpensive, which allows the use of arrays even with a high number of sensors, very sensitive and characterized by good linearity. Currently there are several companies that produce the Hall effect sensors, which, as officially declared, exhibit excellent linearity in a wide range of temperatures and currents. The objective of this thesis is to verify experimentally the real characteristics of products from different manufacturers, in order to get a complete and comparative view of the performance of these sensors, specifically evaluated under the conditions provided for use in arrays for current measurement. The following chapters provide a report of all the tests that were performed to study the performance of these sensors on a temperature range between -20 ⁰ C and +100 ⁰ C, and with variations in current from 50A up to 2500A. Finally we have also carried out tests on a different transducer, but certainly of great and renewed interest: a Rogowski coil with a non-circular geometry. This type of current transducer has a very good performance in terms of linearity, crosstalk rejection, bandwidth, and is not subject to saturation phenomena. This last feature makes the Rogowski coil the ideal transducer even for measuring short-circuit currents. Several comparative tests between the two new types of Rogowski coils are reported in this thesis.

LA MISURA DI CORRENTE è una pratica fondamentale nel settore elettrico. Oggi è pratica comune la misura di correnti elevate in molte applicazioni (misure di potenza, di protezione, ecc): quindi il trasduttore di corrente deve operare con valori di corrente che raggiungono diverse migliaia centinaia di ampere, esibire una buona linearità in una vasta gamma di temperature (tipicamente, -25 ⁰ C a +100 ⁰ C) e correnti, garantire una adeguata accuratezza, e, non ultima, una buona reiezione ai disturbi. In base al principio di funzionamento, si possono sostanzialmente individuare quattro tecniche di misura di una corrente elettrica, che possono essere classificate come segue: la legge di Ohm, la legge di Faraday, l’effetto di Faraday e il rilevamento del campo magnetico. È naturale che esistano limitazioni e svantaggi per ciascuno di questi principi, sia dal punto di vista tecnico sia economico e che quindi ogni soluzione rappresenti un compromesso tra diverse esigenze. In quest’ottica, un interessante approccio per la misura della corrente è rappresentata dall’impiego di array di sensori magnetici, in cui la misura della corrente è ricondotta alla misura di un campo magnetico da essa prodotto. Grazie alla linearità tra campo magnetico e corrente che lo produce, la corrente può essere ricostruita, per mezzo di algoritmi specifici, partendo dai valori raccolti da un’opportuna schiera di sensori magnetici (array) posti in prossimità del conduttore in cui circola la corrente da misurare. Un sensore di campo magnetico che è molto diffuso e ampiamente utilizzato in questi array è il sensore ad effetto Hall. Questo sensore è relativamente economico, cosa che permette l’impiego di array con numero di sensori anche elevato, molto sensibile e caratterizzato da buona linearità. Attualmente esistono varie aziende che producono sensori ad effetto Hall, che, per quanto ufficialmente dichiarato, esibiscono eccellenti linearità in una vasta gamma di temperature e correnti. L'obiettivo di questa tesi è proprio quello di verificare sperimentalmente le reali caratteristiche di prodotti di diversi produttori, al fine di avere una visione completa e comparativa delle prestazioni di questi sensori, espressamente valutati nelle condizioni previste per applicazioni in array per la misura della corrente. I capitoli seguenti forniranno un resoconto di tutte le prove che sono state eseguite per studiare le prestazioni di questi sensori su un campo di temperatura compreso tra -20 ⁰ C e +100 ⁰ C, e su con variazioni di corrente da 50A fino a 2500A. Infine si sono effettuate prove anche su un trasduttore diverso, ma certamente di grande e rinnovato interesse: una bobina di Rogowski con geometria non circolare. Questo tipo trasduttore di corrente ha una performance molto buona in termini di linearità, crosstalk rejection, larghezza di banda, e non è soggetto a fenomeni di saturazione. Quest'ultima caratteristica rende la bobina di Rogowski il trasduttore ideale anche per misure di correnti di cortocircuito. Nella tesi sono stati svolti diversi test comparativi tra due nuove tipologie di bobine di Rogowski.