0～2A直流小电流数字钳形表的研究

0～2A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0～20A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0～2A直流小电流数字钳形表目前是国内外正在研究的课题。在0～2A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V_H，而V_H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

Φ₂＝Φ₁
I₂n₂＝I₁n₁
I₂＝n₁I₁/n₂
因此 V_R＝(Rn₁/n₂)I₁ (1)

从式(1)知道：R、n₂、n₁均为常数，则将电压V_R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。

图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K_1*K_2*K_3*K₄＝G(S)
(1/K₁)K₅K₆＝H(S)
所以，误差 e(t)＝I₁(t)－n₂I₂(t)
或 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)＝I₁＝1)： e_SS＝
 (2)

式(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V_Hd＝0，此时，大地磁场对钳形表没有影响。

图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K_H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V_H1、V_H2；大地磁场在两霍尔元件产生霍尔输出电压分别为V_Hd1、V_Hd2，这里由于两霍尔元件H₁和H₂灵敏度相同，并且控制电流也相同，故V_Hd2＝-V_Hd1。
这样一来，在霍尔元件H₁的输出端产生的总电压为V_H1-V_Hd1，而在霍尔元件H₂的输出端产生的总电压为V_H2+V_Hd2，所以在运算放大器A₃的输出端产生的电压
V_H＝V_H1+V_H2  (3)

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
V_H＝K_HI_HB  (4)

图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I_H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
I_H＝V_j/R  (5)

式(5)中，V_j为F1403的输出电压，其大小为2.5V(在标准条件下，4小时内，V_j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V_H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I₁从0～2A变化时钳形表显示值与电流I₁从2～0A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。霍尔元件选用低噪声、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(如F7650、OP07、F5027等)。
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1996年6月收到。

参考文献

［1］ Lu Wen-Ke,Electronic engineering, February 1992,24～26
［2］　卢文科，仪表技术，1989，3，43