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            0~2A直流小电流数字钳形表的研究

            02A直流小电流数字钳形表的研究*

            卢文科
            (西安矿业学院自动化系 西安 710054)

            0 引  言

            目前日本已有020A直流小电流数字钳形表,如日置电机株式会社生产的3164数字钳形表,它采用了霍尔直接检测原理(即开环系统)。但02A直流小电流数字钳形表目前是国内外正在研究的课题。在02A直流小电流数字钳形表的研究中,存在钳子铁芯剩磁、大地磁场的影响和位置误差等三个难解决的问题;还存在霍尔元件受温度的影响、霍尔元件恒流源的稳定度和霍尔元件的不等位电势等影响钳形表性能的三个问题。
            本文针对此仪表存在的几个问题进行研究和探讨,并且提出了解决的方法。

            1 测 量 原 理

            此钳形表采用了霍尔检零原理(即闭环系统),如图1所示。

                                            

                                                          图1 霍尔检零原理

            1.1 霍尔检零原理

            从图1知道被测直流小电流I1在铁芯中产生磁通Φ1,此Φ1通过霍尔元件H,产生出霍尔电压VH,而VH通过放大器、功率放大器后,在功率放大器的输出端产生电流I2,此电流I2通过线圈n2,在铁芯中产生Φ2,此Φ2去抵消Φ1,即

            Φ2Φ1
            I2n2I1n1
            I2n1I1/n2
            因此 VR(Rn1/n2)I1 (1)

            从式(1)知道:R、n2、n1均为常数,则将电压VR送入3(1)/(2)数字电压表中达到了测量直流小电流I1的目的。

            2 方框图

            1.2 霍尔检零系统的稳态误差的分析

            在图2中,令K1*K2*K3*K4G(S)
            (1/K1)K5K6H(S)
            所以,误差 e(t)I1(t)n2I2(t)
            E(S)I1(S)n2I2(S)
            我们知道I1(t)I1,I1(S)I1/S
            霍尔检零系统稳态误差(指系统对单位阶跃输入的稳态误差,即I1(t)I11)eSS
             (2)

            (2)中,K2、K4、K5、K6是常数,K3是放大器的放大倍数,所以K3越大,误差越小。

            2 存在的问题及其解决方法

            2.1 钳子铁芯的剩磁问题
            由于铁芯中存在剩磁,此剩磁通过霍尔元件,会对测量带来误差。
            解决此问题的方法是采用剩磁小的高导磁材料。目前国际上已经研制出了剩磁接近于零的高导磁材料。

            2.2 大地磁场(或其它外磁场)的影响问题

            如果大地磁场穿过霍尔元件,那么霍尔元件输出电压VH中有大地磁场所产生的分量VHd,这将使得当载流体中无电流时,数字钳形表不为零,而产生附加误差。

            如果改变钳子放置位置,使大地磁场不穿过霍尔元件,则由于大地磁场引起的霍尔输出电压VHd0,此时,大地磁场对钳形表没有影响。

                                                


            3 消除大地磁场的影响

            从上面两种情况看钳子放置的方向不同,大地磁场对钳形表的影响程度也不同。

            为了解决大地磁场对测量的影响,我们在设计时,采用了如下措施:
            (1)采用一对灵敏度KH相同的霍尔元件
            两个霍尔元件按图3位置放置,随着被测载流体电流I1的增加,磁场以A方向上增加,两霍尔元件输出电压分别为VH1、VH2;大地磁场在两霍尔元件产生霍尔输出电压分别为VHd1、VHd2,这里由于两霍尔元件H1H2灵敏度相同,并且控制电流也相同,故VHd2-VHd1。
            这样一来,在霍尔元件H1的输出端产生的总电压为VH1-VHd1,而在霍尔元件H2的输出端产生的总电压为VH2+VHd2,所以在运算放大器A3的输出端产生的电压
            VHVH1+VH2  (3)

            上述情况是大地磁场N极与S极连线垂直于两霍尔元件的连线。从式(3)可以看出放大器A3的输出电压VH中没有大地磁场所产生的分量,从而消除了大地磁场的影响。
            如果大地磁场N极与S极连线不垂直于两霍尔元件的连线时,运算放大器A3的输出电压中有大地磁场所产生的分量,所以对测量会产生误差,但与用一只霍尔元件的情况相比抗大地磁场的影响好多了。
            (2)采用屏蔽法

            在钳子外壳包一层导磁材料。注意内侧不包,因为还要感应被测电流的磁场。这样一来,大地磁场被融离在屏蔽层上,因而不进入铁芯,不通过霍尔元件,消除了大地磁场的影响。

                                                                                  

                                                         

                                                               图4 消除位置误差

            上面两种方法相结合使用效果更好。

            2.3 位置误差问题
            当被测载流体放在钳子内不同位置,钳形表有不同的显示值。
            可以采用成对霍尔元件,霍尔元件对数越多,位置误差越小,但霍尔元件对数越多,成本相应增加,可靠性也相应降低。
            在此钳形表中采用了两对灵敏度相同的霍尔元件,如图4。
            2.4 霍尔元件的恒流源
            我们知道霍尔元件的输出电压
            VHKHIH (4)

            (4)中,KH为霍尔元件的灵敏度;IH为霍尔元件的控制电流;B为穿过霍尔元件的磁感应强度。

                                                   


            5 霍尔元件的恒流源

            从式(4)知道霍尔元件的输出电压与控制电流IH成正比,所以这里需要设计一个高稳定度的恒流源,其电路如图5所示。
            从图5知道通过霍尔元件的恒定电流
            IHVj/R  (5)

            (5)中,VjF1403的输出电压,其大小为2.5V(在标准条件下,4小时内,Vj的稳定度为0.002%)。
            恒流源受温度和时间变化的主要原因这里略谈,请见参考文献[2]。
            2.5 霍尔元件的温度补偿
            霍尔元件的灵敏度、输入电阻及输出电阻受温度的影响比较大,所以必须对霍尔元件进行温度补偿,其补偿原理请见参考文献[1]。
            2.6 霍尔元件的不等位电势的补偿
            当穿过霍尔元件的磁感应强度B为零时,霍尔元件的输出电压VH不为零,此电压就是不等位电势,会给测量产生误差,所以需要对不等位电势进行补偿。补偿的方法有许多种,已在许多资料上有详细介绍,所以这里略谈。

            3 实  验

            实验步骤如下:
            3.1 如果钳子东西放置与南北放置时,钳形表所显示的数值不同,那么就说明有大地磁场的干扰,这时如果把钳子放在一个磁屏蔽壳内,此现象就不会存在,其解决的方法见本文2.2条。
            3.2 如果被测电流I102A变化时钳形表显示值与电流I120A变化时钳形表显示值不相同时,说明钳子铁芯材料剩磁较大,其解决的方法见本文2.1条。
            3.3 如果被测电流I1的载流体放置在钳子内不同位置时,钳形表显示不同数值,说明有位置误差,其解决的方法见本文2.3条。
            3.4 如果钳形表出现跳字现象,说明所选择的元器件的噪声过大,所以要选用低噪声的元器件?;舳∮玫驮肷?、高灵敏度的霍尔元件;放大器选用低噪声、低漂移、高增益的放大器(F7650、OP07、F5027)。
            通过上面四步实验后,得到此钳形表的精度为:
            ±(1%读数+4个字)

            *本文于19966月收到。

            参考文献

            1Lu Wen-Ke,Electronic engineering, February 1992,2426
            2] 卢文科,仪表技术,1989,3,43


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