0～2A直流小電流數字鉗形表的研究^*

盧文科
(西安礦業(yè)學(xué)院自動(dòng)化系　西安 710054)

0　引　　言

目前日本已有0～20A直流小電流數字鉗形表，如日置電機株式會(huì )社生產(chǎn)的3164數字鉗形表，它采用了霍爾直接檢測原理(即開(kāi)環(huán)系統)。但0～2A直流小電流數字鉗形表目前是國內外正在研究的課題。在0～2A直流小電流數字鉗形表的研究中，存在鉗子鐵芯剩磁、大地磁場(chǎng)的影響和位置誤差等三個(gè)難解決的問(wèn)題；還存在霍爾元件受溫度的影響、霍爾元件恒流源的穩定度和霍爾元件的不等位電勢等影響鉗形表性能的三個(gè)問(wèn)題。
本文針對此儀表存在的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行研究和探討，并且提出了解決的方法。

1　測　量　原　理

此鉗形表采用了霍爾檢零原理(即閉環(huán)系統)，如圖1所示。

                                              圖1 霍爾檢零原理

1.1 霍爾檢零原理

從圖1知道被測直流小電流I₁在鐵芯中產(chǎn)生磁通Φ₁，此Φ₁通過(guò)霍爾元件H，產(chǎn)生出霍爾電壓V_H，而V_H通過(guò)放大器、功率放大器后，在功率放大器的輸出端產(chǎn)生電流I₂，此電流I₂通過(guò)線(xiàn)圈n₂，在鐵芯中產(chǎn)生Φ₂，此Φ₂去抵消Φ₁，即

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

從式(1)知道：R、n₂、n₁均為常數，則將電壓V_R送入3(1)/(2)數字電壓表中達到了測量直流小電流I₁的目的。

圖2 方框圖

1.2 霍爾檢零系統的穩態(tài)誤差的分析

在圖2中，令K_1*K_2*K_3*K₄＝G(S)
(1/K₁)K₅K₆＝H(S)
所以，誤差 e(t)＝I₁(t)－n₂I₂(t)
或 E(S)＝I₁(S)－n₂I₂(S)
我們知道I₁(t)＝I₁，I₁(S)＝I₁/S
霍爾檢零系統穩態(tài)誤差(指系統對單位階躍輸入的穩態(tài)誤差，即I₁(t)＝I₁＝1)： e_SS＝
 (2)

式(2)中，K₂、K₄、K₅、K₆是常數，K₃是放大器的放大倍數，所以K₃越大，誤差越小。

2　存在的問(wèn)題及其解決方法

2.1 鉗子鐵芯的剩磁問(wèn)題
由于鐵芯中存在剩磁，此剩磁通過(guò)霍爾元件，會(huì )對測量帶來(lái)誤差。
解決此問(wèn)題的方法是采用剩磁小的高導磁材料。目前國際上已經(jīng)研制出了剩磁接近于零的高導磁材料。

2.2 大地磁場(chǎng)(或其它外磁場(chǎng))的影響問(wèn)題

如果改變鉗子放置位置，使大地磁場(chǎng)不穿過(guò)霍爾元件，則由于大地磁場(chǎng)引起的霍爾輸出電壓V_Hd＝0，此時(shí)，大地磁場(chǎng)對鉗形表沒(méi)有影響。

圖3 消除大地磁場(chǎng)的影響

從上面兩種情況看鉗子放置的方向不同，大地磁場(chǎng)對鉗形表的影響程度也不同。

為了解決大地磁場(chǎng)對測量的影響，我們在設計時(shí)，采用了如下措施：
(1)采用一對靈敏度K_H相同的霍爾元件
兩個(gè)霍爾元件按圖3位置放置，隨著(zhù)被測載流體電流I₁的增加，磁場(chǎng)以A方向上增加，兩霍爾元件輸出電壓分別為V_H1、V_H2；大地磁場(chǎng)在兩霍爾元件產(chǎn)生霍爾輸出電壓分別為V_Hd1、V_Hd2，這里由于兩霍爾元件H₁和H₂靈敏度相同，并且控制電流也相同，故V_Hd2＝-V_Hd1。
這樣一來(lái)，在霍爾元件H₁的輸出端產(chǎn)生的總電壓為V_H1-V_Hd1，而在霍爾元件H₂的輸出端產(chǎn)生的總電壓為V_H2+V_Hd2，所以在運算放大器A₃的輸出端產(chǎn)生的電壓
V_H＝V_H1+V_H2  (3)

在鉗子外殼包一層導磁材料。注意內側不包，因為還要感應被測電流的磁場(chǎng)。這樣一來(lái)，大地磁場(chǎng)被融離在屏蔽層上，因而不進(jìn)入鐵芯，不通過(guò)霍爾元件，消除了大地磁場(chǎng)的影響。

                                                   圖4 消除位置誤差

上面兩種方法相結合使用效果更好。

2.3 位置誤差問(wèn)題
當被測載流體放在鉗子內不同位置，鉗形表有不同的顯示值。
可以采用成對霍爾元件，霍爾元件對數越多，位置誤差越小，但霍爾元件對數越多，成本相應增加，可靠性也相應降低。
在此鉗形表中采用了兩對靈敏度相同的霍爾元件，如圖4。
2.4 霍爾元件的恒流源
我們知道霍爾元件的輸出電壓
V_H＝K_HI_HB  (4)

圖5 霍爾元件的恒流源

從式(4)知道霍爾元件的輸出電壓與控制電流I_H成正比，所以這里需要設計一個(gè)高穩定度的恒流源，其電路如圖5所示。
從圖5知道通過(guò)霍爾元件的恒定電流
I_H＝V_j/R  (5)

式(5)中，V_j為F1403的輸出電壓，其大小為2.5V(在標準條件下，4小時(shí)內，V_j的穩定度為0.002%)。
恒流源受溫度和時(shí)間變化的主要原因這里略談，請見(jiàn)參考文獻［2］。
2.5 霍爾元件的溫度補償
霍爾元件的靈敏度、輸入電阻及輸出電阻受溫度的影響比較大，所以必須對霍爾元件進(jìn)行溫度補償，其補償原理請見(jiàn)參考文獻［1］。
2.6 霍爾元件的不等位電勢的補償
當穿過(guò)霍爾元件的磁感應強度B為零時(shí)，霍爾元件的輸出電壓V_H不為零，此電壓就是不等位電勢，會(huì )給測量產(chǎn)生誤差，所以需要對不等位電勢進(jìn)行補償。補償的方法有許多種，已在許多資料上有詳細介紹，所以這里略談。

3　實(shí)　　驗

實(shí)驗步驟如下：
3.1 如果鉗子東西放置與南北放置時(shí)，鉗形表所顯示的數值不同，那么就說(shuō)明有大地磁場(chǎng)的干擾，這時(shí)如果把鉗子放在一個(gè)磁屏蔽殼內，此現象就不會(huì )存在，其解決的方法見(jiàn)本文2.2條。
3.2 如果被測電流I₁從0～2A變化時(shí)鉗形表顯示值與電流I₁從2～0A變化時(shí)鉗形表顯示值不相同時(shí)，說(shuō)明鉗子鐵芯材料剩磁較大，其解決的方法見(jiàn)本文2.1條。
3.3 如果被測電流I₁的載流體放置在鉗子內不同位置時(shí)，鉗形表顯示不同數值，說(shuō)明有位置誤差，其解決的方法見(jiàn)本文2.3條。
3.4 如果鉗形表出現跳字現象，說(shuō)明所選擇的元器件的噪聲過(guò)大，所以要選用低噪聲的元器件?；魻栐x用低噪聲、高靈敏度的霍爾元件；放大器選用低噪聲、低漂移、高增益的放大器(如F7650、OP07、F5027等)。
通過(guò)上面四步實(shí)驗后，得到此鉗形表的精度為：
±(1%讀數+4個(gè)字)

*本文于1996年6月收到。

參考文獻

［1］ Lu Wen-Ke,Electronic engineering, February 1992,24～26
［2］　盧文科，儀表技術(shù)，1989，3，43