0～2A直流小電流數(shù)字鉗形表的研究^*

盧文科
(西安礦業(yè)學(xué)院自動化系　西安 710054)

0　引　　言

目前日本已有0～20A直流小電流數(shù)字鉗形表，如日置電機株式會社生產(chǎn)的3164數(shù)字鉗形表，它采用了霍爾直接檢測原理(即開環(huán)系統(tǒng))。但0～2A直流小電流數(shù)字鉗形表目前是國內(nèi)外正在研究的課題。在0～2A直流小電流數(shù)字鉗形表的研究中，存在鉗子鐵芯剩磁、大地磁場的影響和位置誤差等三個難解決的問題；還存在霍爾元件受溫度的影響、霍爾元件恒流源的穩(wěn)定度和霍爾元件的不等位電勢等影響鉗形表性能的三個問題。
本文針對此儀表存在的幾個問題進(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(tǒng))，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通過霍爾元件H，產(chǎn)生出霍爾電壓V_H，而V_H通過放大器、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通過線圈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(shù)，則將電壓V_R送入3(1)/(2)數(shù)字電壓表中達(dá)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(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差(指系統(tǒng)對單位階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差，即I₁(t)＝I₁＝1)： e_SS＝
 (2)

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

2　存在的問題及其解決方法

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

2.2 大地磁場(或其它外磁場)的影響問題

如果改變鉗子放置位置，使大地磁場不穿過霍爾元件，則由于大地磁場引起的霍爾輸出電壓V_Hd＝0，此時，大地磁場對鉗形表沒有影響。

圖3 消除大地磁場的影響

從上面兩種情況看鉗子放置的方向不同，大地磁場對鉗形表的影響程度也不同。

為了解決大地磁場對測量的影響，我們在設(shè)計時，采用了如下措施：
(1)采用一對靈敏度K_H相同的霍爾元件
兩個霍爾元件按圖3位置放置，隨著被測載流體電流I₁的增加，磁場以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，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(dǎo)磁材料。注意內(nèi)側(cè)不包，因為還要感應(yīng)被測電流的磁場。這樣一來，大地磁場被融離在屏蔽層上，因而不進(jìn)入鐵芯，不通過霍爾元件，消除了大地磁場的影響。

                                                   圖4 消除位置誤差

上面兩種方法相結(jié)合使用效果更好。

2.3 位置誤差問題
當(dāng)被測載流體放在鉗子內(nèi)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(shù)越多，位置誤差越小，但霍爾元件對數(shù)越多，成本相應(yīng)增加，可靠性也相應(yīng)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(shè)計一個高穩(wěn)定度的恒流源，其電路如圖5所示。
從圖5知道通過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(biāo)準(zhǔn)條件下，4小時內(nèi)，V_j的穩(wěn)定度為0.002%)。
恒流源受溫度和時間變化的主要原因這里略談，請見參考文獻(xiàn)［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，其補償原理請見參考文獻(xiàn)［1］。
2.6 霍爾元件的不等位電勢的補償
當(dāng)穿過霍爾元件的磁感應(yīng)強度B為零時，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?shù)姆椒ㄓ性S多種，已在許多資料上有詳細(xì)介紹，所以這里略談。

3　實　　驗

實驗步驟如下：
3.1 如果鉗子?xùn)|西放置與南北放置時，鉗形表所顯示的數(shù)值不同，那么就說明有大地磁場的干擾，這時如果把鉗子放在一個磁屏蔽殼內(nèi)，此現(xiàn)象就不會存在，其解決的方法見本文2.2條。
3.2 如果被測電流I₁從0～2A變化時鉗形表顯示值與電流I₁從2～0A變化時鉗形表顯示值不相同時，說明鉗子鐵芯材料剩磁較大，其解決的方法見本文2.1條。
3.3 如果被測電流I₁的載流體放置在鉗子內(nèi)不同位置時，鉗形表顯示不同數(shù)值，說明有位置誤差，其解決的方法見本文2.3條。
3.4 如果鉗形表出現(xiàn)跳字現(xiàn)象，說明所選擇的元器件的噪聲過大，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)。
通過上面四步實驗后，得到此鉗形表的精度為：
±(1%讀數(shù)+4個字)

*本文于1996年6月收到。

參考文獻(xiàn)

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