霍爾傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用

電參量的測(cè)量方法

1電壓、電流信號(hào)的測(cè)量

電流的測(cè)量可采用磁平衡式霍爾電流傳感器(亦稱為零磁通式霍爾傳感器)如圖3所示。

當(dāng)被測(cè)電流IIN流過(guò)原邊回路時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)HIN這個(gè)磁場(chǎng)被聚磁環(huán)*，并感應(yīng)給霍爾器件，使其有一個(gè)信號(hào)UH輸出;這一信號(hào)經(jīng)放大器A放大，輸人到功率放大器中Q1，Q2中，這時(shí)相應(yīng)的功率管導(dǎo)通，從而獲得一個(gè)補(bǔ)償電流IO;由于此電流通過(guò)多匝繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)HO與原邊回路電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)HIN相反;因而補(bǔ)償了原來(lái)的磁場(chǎng)，使霍爾器件的輸出電壓UH逐漸減小，最后當(dāng)IO與匝數(shù)相乘N2IO所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與原邊N1IIN所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相等時(shí)，IO不再增加，這時(shí)霍爾器件就達(dá)到零磁通檢測(cè)作用。

這一平衡所建立的時(shí)間在1μs之內(nèi)，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，即原邊回路電流IIN的任何變化均會(huì)破壞這一平衡的磁場(chǎng)，一旦磁場(chǎng)失去平衡，就有信號(hào)輸出，經(jīng)過(guò)放大后，立即有相應(yīng)的電流流過(guò)副邊線圈進(jìn)行補(bǔ)償。因此從宏觀上看副邊補(bǔ)償電流的安匝數(shù)在任何時(shí)間都與原邊電流的安匝數(shù)保持相等，即N1IIN=N2IO，所以IIN=N2I2/N1(IIN為被測(cè)電流，即磁芯中初級(jí)繞組中的電流，N1為初級(jí)繞組的匝數(shù);IO為補(bǔ)償繞組中的電流;N2為補(bǔ)償繞組的匝數(shù))。

由原、副邊匝數(shù)可知，只要測(cè)得補(bǔ)償線圈的電流IO，即可知道原邊電流IIN，如原邊為導(dǎo)線穿心式，則N1=l，IIN=N2IO。利用同樣的原理可進(jìn)行電壓測(cè)量，只需在原邊線圈回路中串聯(lián)一個(gè)電阻R1，將原邊電流IIN轉(zhuǎn)換成被測(cè)電壓UIN。即UIN=(R1+RIN)IIN=(R1+RIN)N2IO/N1，RIN為原邊繞阻的內(nèi)阻(一般很小不計(jì))。對(duì)特高壓交流電壓的測(cè)量，先經(jīng)隔離變壓器降壓后，對(duì)降壓后的電壓進(jìn)行測(cè)量，然后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)乘以倍數(shù)，即可得被測(cè)電壓的大小。

該測(cè)量輸出信號(hào)為電流形式IO。若在霍爾電流傳感器的輸出電路與電源零點(diǎn)之間串接恰當(dāng)?shù)碾娮鑂0，并在該電阻上取電壓，就構(gòu)成了電壓形式的輸出。輸出電壓經(jīng)電壓調(diào)整電路、線性放大電路、不等位補(bǔ)償電路、射集跟隨等獲得所需的電壓，便于測(cè)量與顯示。

2功率及功率因數(shù)、頻率等電參數(shù)的測(cè)量

由正弦交流電有功功率的定義P=UIcosψ可知，只要準(zhǔn)確測(cè)量出U，I及電流與電壓相位差ψ，就可算出P與cosψ。采用傳統(tǒng)的電磁式電壓、電流互感器進(jìn)行測(cè)量，由于互感器的非理想性，除存在變比誤差外，更主要的是存在較大的相位誤差，這就使測(cè)得的ψ值不能真實(shí)地反映負(fù)載的性質(zhì)。若采用霍爾電壓、電流傳感器及真有效值轉(zhuǎn)換器(如AD637)等，可以使功率及功率因數(shù)的測(cè)量精度大大提高。

此外，霍爾傳感器還可以測(cè)量從直流到100kHz的任意波形的交流量，從而克服了電磁式互感器有特定的額定頻率的弊端。真有效值轉(zhuǎn)換器可以將正弦波形或任意波形的交流量轉(zhuǎn)換為直流量，輸出直流的大小正比于交流量的有效值，且轉(zhuǎn)換精度高，因而測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確。

測(cè)量原理如圖4所示，交直流電壓、電流經(jīng)霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器隔離、轉(zhuǎn)換后，得到與之對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，再經(jīng)真有效值轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為直流(直流電不需轉(zhuǎn)換)，其大小正比于交流電的有效值，直流(或轉(zhuǎn)換后的直流)電壓經(jīng)A/D變換后送入單片機(jī)，這就采集到了U，I的大小。

另外將傳感器副邊輸出的電信號(hào)U1，U2分別經(jīng)過(guò)零電平比較器1和2，當(dāng)信號(hào)由負(fù)變正，通過(guò)零點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，加到門控電路輸入端。設(shè)U1超前于U2，則前者作開啟信號(hào)，后者作關(guān)閉信號(hào)。門控電路產(chǎn)生一個(gè)脈沖寬度對(duì)應(yīng)于兩個(gè)信號(hào)相位差的矩形脈沖，該脈沖一路送單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1口，單片機(jī)測(cè)出相鄰兩個(gè)矩形脈沖前沿之間的時(shí)間間隔t，即為被測(cè)信號(hào)的周期Tx(頻率fx=1/Tx)。

另一路送至與門電路，打開計(jì)數(shù)與門，在此期間，時(shí)標(biāo)信號(hào)Ts經(jīng)由與門至單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器TO口計(jì)數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)值為N，則U1與U2相位差為△ψ=Ts/TxN×360°。經(jīng)單片機(jī)計(jì)算出功率因數(shù)cosψ，進(jìn)一步計(jì)算出有功功率P=UIcosψ，并將測(cè)得參數(shù)U，I，P，cosψ，ψx等送顯示電路顯示。如要測(cè)三相電路的總功率，則分別測(cè)得每一相的功率，然后三相功率相加即可。此外，該系統(tǒng)也可測(cè)量無(wú)功功率和視在功率等電參數(shù)。

基于霍爾傳感器的電參量檢測(cè)系統(tǒng)具有很好的線性度、精確度和良好的反應(yīng)時(shí)間。溫度漂移小，霍爾元件在-40～+45℃的溫度范圍內(nèi)，霍爾電壓的溫度系數(shù)僅為0.03%～O.04%。

這里所介紹的測(cè)量方法達(dá)到了對(duì)電參量進(jìn)行高精度的隔離傳輸和精確檢測(cè)的目的，特別適合高電壓、大電流電參量的測(cè)量。這為研制一種新的電參量測(cè)量?jī)x器打下了一個(gè)良好的基礎(chǔ)，在工程上具有一定的應(yīng)用價(jià)值。不足之處，霍爾元件存在不等位的電勢(shì)的影響，需加補(bǔ)償電路修正。