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          霍爾電流電壓傳感器、變送器的基本原理與使用方法


          1  霍爾器件

          霍爾器件是一種采用半導體材料制成的磁電轉換器件。如果在輸入端通入控制電流IC,當有一磁場B穿過該器件感磁面,則在輸出端出現霍爾電勢VH。如圖11所示。

          原理及使用1.png

          霍爾電勢VH的大小與控制電流IC和磁通密度B的乘積成正比,即:VHKHICBsinΘ

          霍爾電流傳感器是按照安培定律原理做成,即在載流導體周圍產生一正比于該電流的磁場,而霍爾器件則用來測量這一磁場。因此,使電流的非接觸測量成為可能。

          通過測量霍爾電勢的大小間接測量載流導體電流的大小。因此,電流傳感器經過了電-磁-電的絕緣隔離轉換。

           

          2.  霍爾直流檢測原理

          如圖1-2所示。由于磁路與霍爾器件的輸出具有良好的線性關系,因此霍爾器件輸出的電壓訊號U0可以間接反映出被測電流I1的大小,即:I1∝B1∝U0

          原理及使用2.png

           我們把U0定標為當被測電流I1為額定值時,U0等于50mV或100mV。這就制成霍爾直接檢測(無放大)電流傳感器。

           

          3.  霍爾磁補償原理

          原邊主回路有一被測電流I1,將產生磁通Φ1,被副邊補償線圈通過的電流I2所產生的磁通Φ2進行補償后保持磁平衡狀態,霍爾器件則始終處于檢測零磁通的作用。所以稱為霍爾磁補償電流傳感器。這種先進的原理模式優于直檢原理模式,突出的優點是響應時間快和測量精度高,特別適用于弱小電流的檢測;魻柎叛a償原理如圖1-3所示。

          原理及使用3.png

          從圖1-3知道:Φ1=Φ2

                         I1N1I2N2

                         I2NI/N2·I1

          當補償電流I2流過測量電阻RM時,在RM兩端轉換成電壓。做為傳感器測量電壓U0即:U0I2RM

          按照霍爾磁補償原理制成了額定輸入從0.01A~500A系列規格的電流傳感器。

          由于磁補償式電流傳感器必須在磁環上繞成千上萬匝的補償線圈,因而成本增加;其次,工作電流消耗也相應增加;但它卻具有直檢式不可比擬的較高精度和快速響應等優點。

           

          4.  磁補償式電壓傳感器

          為了測量mA級的小電流,根據Φ1I1N1,增加N1的匝數,同樣可以獲得高磁通Φ1。采用這種方法制成的小電流傳感器不但可以測mA級電流,而且可以測電壓。

          與電流傳感器所不同的是在測量電壓時,電壓傳感器的原邊多匝繞組通過串聯一個限流電阻R1,然后并聯連接在被測電壓U1上,得到與被測電壓U1成比例的電流I1,如圖1-4所示。

          原理及使用4.png

          副邊原理同電流傳感器一樣。當補償電流I2流過測量電阻RM時,在RM兩端轉換成電壓作為傳感器的測量電壓U0,即 U0I2RM

           

          5.  電流傳感器的輸出

          直接檢測式(無放大)電流傳感器為高阻抗輸出電壓,在應用中,負載阻抗要大于10KΩ,通常都是將其±50mV或±100mV懸浮輸出電壓用差動輸入比例放大器放大到±4V或±5V。圖5-1是兩個實用電路,供參考。

           

           

          原理及使用5.png

          原理及使用6.png

          a)       圖可滿足一般精度要求;(b)圖性能較好,適用于精度要求高的場合。

          直檢放大式電流傳感器為高阻抗輸出電壓。在應用中,負載阻抗要大于2KΩ。

          磁補償式電流、電壓磁補償式電流、電壓傳感器均為電流輸出型。從圖1-3看出“M”端對電源“O”

          端為電流I2的通路。因此,傳感器從“M”端輸出的信號為電流信號。電流信號可以在一定范圍遠傳,并能保證精度,使用中,測量電阻RM只需設計在二次儀表輸入或終端控制板接口上。

          為了保證高精度測量要注意:①測量電阻的精度選擇,一般選金屬膜電阻,精度≤±0.5%,詳見表1-1,②二次儀表或終端控制板電路輸入阻抗應大于測量電阻100倍以上。

           

          6.  取樣電壓與測量電阻的計算

          從前面公式知道

          U0I2RM

          RMU0/I2

          式中:U0-測量電壓,又叫取樣電壓(V)。

                I2-副邊線圈補償電流(A)。

                RM-測量電阻(Ω)。

          計算時I2可以從磁補償式電流傳感器技術參數表中查出與被測電流(額定有效值)I1相對應的輸出電流(額定有效值)I2。假如要將I2變換成U05V,RM選擇詳見表1-1。

           

          7.  飽和點與最大被測電流的計算

          從圖1-3可知輸出電流I2的回路是:V+→末級功放管集射極→N2→RM→0,回路等效電阻如圖1-6。(V-0的回路相同,電流相反)

           

          原理及使用7.png

          當輸出電流I2最大值時,電流值不再跟著I1的增加而增加,我們稱為傳感器的飽和點。

          按下式計算

          I2maxV+-VCES/RN2+RM

          式中:V+-正電源(V)。

                VCES-功率管集射飽和電壓,(V)一般為0.5V。

                RN2-副邊線圈直流內阻(Ω),詳見表,1-2。

                RM-測量電阻(Ω)。

          從計算可知改變測量電阻RM,飽和點隨之也改變。當被測電阻RM確定后,也就有了確定的飽和點。根據下式計算出最大被測電流I1maxI1maxI1/I2·I2max

          在測量交流或脈沖時,當RM確定后,要計算出最大被測電流I1MAX,如果I1max值低于交流電流峰值或低于脈沖幅值,將會造成輸出波形削波或限幅現象,此種情況可將RM選小一些來解決。

           

          8.  計算舉例:

          舉例1

          以電流傳感器LT100-P為例:

          1)       要求測量

          額定電流:直流100A

          最大電流:直流200A(過載時間≤1分鐘/小時)

          2)       查表,知

          工作電壓:穩壓±15V,線圈內阻20Ω(詳見表1-2)

          輸出電流:0.1A(額定值)

          3)       要求取樣電壓:5V

          計算測量電流與取樣電壓是否合適

          RMU0/I25/0.1=50(Ω)

          I2maxV+VCES/RN2RM15-0.5/20+50=0.207(A)

          I1maxI1/I2·I2max100/0.1×0.207=207(A)

             從以上計算結果得知滿足(1)、(3)的要求。

           

          9.  磁補償式電壓傳感器說明與舉例

          LV50-P型電壓傳感器原邊與副邊抗電強度≥4000VRMS50Hz.1min),用以測量直流、交流、脈沖電壓。在測量電壓時,根據電壓額定值,在原邊+HT端串一限流電阻,即被測電壓通過電阻得到原邊電流

          U1/R1I1、R1U1/10mA(KΩ),電阻的功率要大于計算值2~4倍,電阻的精度≤±0.5%。R1精密線繞功率電阻,可由廠方代訂。

           

          10.  電流傳感器的接線方法

          1)       直檢式(無放大)電流傳感器接線圖如圖1-7所示。

           

          a)       圖是P型(印板插腳式)接發,(b)圖是C型(插座插頭式)接法,VN.、VN表示霍爾輸出電壓。

          2)       直檢放大式電流傳感器接線圖如圖1-8所示。

           

          a)       圖是P型接法,(b)圖是C型接法,圖中U0表示輸出電壓,RL表示負載電阻。

          (3)       磁補償式電流傳感器接線圖如圖1-9所示。

          a)       圖是P型接法,(b)圖是C型接法(注意四針插座第三針是空腳)

             以上三種傳感器的印板插腳式接法同實物的排列方法是一致的,插座插頭接法同實物的排列方法也是一致的,以免接線錯誤。

          在以上接線圖上,主回路被測電流I1在穿孔中有一箭頭示出了電流正方向,實物外殼上也標明了電流正方向,這是電流傳感器規定了被測電流I1的電流正方向與輸出電流I2是同極性的。這在三相交流或多路直流檢測量中是致關重要的。

           

          11.  電流電壓傳感器的工作電源

          電流傳感器是一種有源模塊,如霍爾器件、運放、末級功率管,都需要工作電源,并且還有功耗,圖1-10是實用的典型工作電源原理圖。

           

                 (1)輸出地端集中接大電解上以利降噪。

          2)電容位uF,二極管為1N4004。

          3)變壓器根據傳感器功耗而定。

          4)傳感器的工作電流。

          直檢式(無放大)耗電:最大5mA;直檢放大式耗電:最大±20mA;磁補償式耗電:20+輸出電流;最大消耗工作電流20+輸出電流的2倍。根據消耗工作電流可以計算出功耗。

           

          12.電流電壓傳感器使用注意事項

             1)電流傳感器必須根據被測電流的額定有效值適當選用不同的規格的產品。被測電流長時間超額,會損壞末極功放管(指磁補償式),一般情況下,2倍的過載電流持續時間不得超過1分鐘。

             2)電壓傳感器必須按產品說明在原邊串入一個限流電阻R1,以使原邊得到額定電流,在一般情況下,2倍的過壓持續時間不得超過1分鐘。

             3)電流電壓傳感器的最佳精度是在原邊額定值條件下得到的,所以當被測電流高于電流傳感器的額定值時,應選用相應大的傳感器;當被測電壓高于電壓傳感器的額定值時,應重新調整限流電阻。當被測電流低于額定值1/2以下時,為了得到最佳精度,可以使用多繞圈數的辦法。

             4)絕緣耐壓為3KV的傳感器可以長期正常工作在1KV及以下交流系統和1.5KV及以下直流系統中,6KV的傳感器可以長期正常工作在2KV及以下交流系統和2.5KV及以下直流系統中,注意不要超壓使用。

             5)在要求得到良好動態特性的裝置上使用時,最好用單根銅鋁母排并與孔徑吻合,以大代小或多繞圈數,均會影響動態特性。

             6)在大電流直流系統中使用時,因某種原因造成工作電源開路或故障,則鐵心產生較大剩磁,是值得注意的。剩磁影響精度。退磁的方法是不加工作電源,在原邊通一交流并逐漸減小其值。

             7)傳感器抗外磁場能力為:距離傳感器5~10cm一個超過傳感器原邊電流值2倍的電流,所產生的磁場干擾可以抵抗。三相大電流布線時,相間距離應大于5~10cm。

             8)為了使傳感器工作在最佳測量狀態,應使用圖1-10介紹的簡易典型穩壓電源。

             9)傳感器的磁飽和點和電路飽和點,使其有很強的過載能力,但過載能力是有時間限制的,試驗過載能力時,2倍以上的過載電流不得超過1分鐘。

             10)原邊電流母線溫度不得超過85℃,這是ABS工程塑料的特性決定的,用戶有特殊要求,可選高溫塑料做外殼。


          13.電流傳感器在使用中的優越性

            1)非接觸檢測。在進口設備的再改造中,以及老舊設備的技術改造中,顯示出非接觸測量的優越性;原有設備的電氣接線不用絲毫改動就可以測得電流的數值。

            2)使用分流器的弊端是不能電隔離,且還有插入損耗,電流越大,損耗越大,體積也越大,人們還發現分流器在檢測高頻大電流時帶有不可避免的電感性,不能真實傳遞被測電流波形,更不能真實傳遞非正弦波型。電流傳感器完全消除了分流器以上的種種弊端,且精度和輸出電壓值可以和分流器做的一樣,如精度0.5、1.0級,輸出電壓50、75mV和100mV均可。

            3)使用非常方便,取一只LT100-C型電流傳感器,在M端與電源零端串入一只100mA的模擬表頭或數字萬用表,接上工作電源,將傳感器套在電線回路上,即可準確顯示主回路0~100A電流值。 

            4)傳統的電流電壓互感器,雖然工作電流電壓等級多,在規定的正弦工作頻率下有較高的精度,但它能適合的頻帶非常窄,且不能傳遞直流。此外,工作時存在激磁電流,所以這是電感性器件,使它在響應時間上只能做到數十毫秒。眾所周知的電流互感器二次側一旦開路將產生高壓危害。在使用微機檢測中需信號的多路采集,人們正尋求能隔離又能采集信號的方法。電流電壓傳感器繼承了互感器原副邊可靠絕緣的優點,又解決了傳遞變送器價昂體積大還要配用互感器的缺陷,給微機檢測等自動化管理系統提供了模數轉換的機會。在使用中,傳感器輸出信號既可直接輸入到高阻抗模擬表頭或數字面板表,也可經二次處理,模擬信號送給自動化裝置,數字信號送給計算機接口。

              3KV以上的高壓系統,電流、電壓傳感器都能與傳統的高壓互感器配合,替代傳統的電量變送器,為模數轉換提供方便。

            5)傳統的檢測元件受規定頻率、規定波形,響應滯后等很多因素的限制,不能適應大功率變流技術的發展,應運而產生的新一代霍爾電流電壓傳感器,以及電流電壓傳感器與真有效枝AC/DC轉換器組合成為一體化的變送器,已成為人們熟知最佳檢測模塊。另外,電子電力裝置向高頻化、模塊化、組件化、智能化發展,使裝置設計者得心應手,這將是電子電力技術史上劃時代的根本性變革。


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