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穿心多匝真的可以提高霍尔电流传感器的小电流测量精度吗?

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  • 发布时间:2013/11/20 11:21:56
  • 作者:AnyWay中国

前言

  霍尔电流传感器穿心几次相当于一次电流扩大至几倍,依此原理,当被测电流远远小于霍尔电流传感器额定电流时,穿心多次可以提高霍尔电流传感器的测量精度。上述观点几乎成了电测量工程师和用户的常识。事实真的是这样吗?

直检式霍尔电流传感器多匝穿心利弊分析

  直检式霍尔电流传感器也称:开环式霍尔电流传感器直放式霍尔电流传感器等。
直检式霍尔电流传感器工作原理
图1 直检式霍尔电流传感器工作原理图
  图1为直检式霍尔电流传感器的原理图,直检式霍尔电流传感器由磁芯(下称铁芯)、霍尔元件和放大电路构成。铁芯有一开口气隙,霍尔元件放置于气隙出。当原边导体流过电流时,在导体周围产生磁场强度与电流大小成正比的磁场,铁芯将磁力线集聚至气隙处,霍尔元件输出与气隙处磁感应强度成正比的电压信号,放大电路将该信号放大输出。
  直检式霍尔电流传感器铁芯中磁通与初级绕组安匝数成正比,相同匝数时,电流越小,磁通越小。
  由于铁芯是非线性的,决定了直检式霍尔电流传感器输出与被测电流的关系是非线性的。
  又由于具有磁滞效应,相同电流对应的磁通及磁感应强度还与电流是处于上升过程还是下降过程有关,这种现象称为升降变差,非线性区升降变差变大。
  因此,对于直检式霍尔电流传感器而言,当被测信号远远小于额定电流时,可适当增加初级穿心匝数,使铁芯工作在线性区,可以有效提高传感器的测量精度。

闭环霍尔电流传感器多匝穿心利弊分析

  闭环霍尔电流传感器也称:零磁通霍尔电流传感器磁平衡式霍尔电流传感器等。闭环霍尔电流传感器的详细工作原理请参见“开环式及闭环式霍尔电流传感器工作原理及磁饱和问题
闭环霍尔电流传感器工作原理
图2 闭环霍尔电流传感器工作原理图
  闭环霍尔电流传感器正常工作时,在铁芯气隙的霍尔元件处,初级绕组产生的磁通与次级补偿绕组产生的磁通互相抵消,处于磁平衡状态。由于铁芯中的磁通为零,因此,不存在开环式霍尔电流传感器的非线性误差比升降变差,具有较高的线性度。由于闭环霍尔电流传感器本身线性度较高,在较宽的测试范围内,均可达到较高的测试精度,多匝穿心的主要目的是提高传感器的信噪比和匹配二次仪表量程,相比直检式霍尔电流传感器,多匝穿心的必要性大大降低。
  那么,多匝穿心是否能够进一步提升测试精度呢?
  这要从霍尔电流传感器的另外一个角度进行分析。
  霍尔电流传感器初级绕组产生的磁通包括穿过铁芯的主磁通和不穿过铁芯的漏磁通。
  磁路中的磁通有如电路中的电流,磁动势(就是安匝数)相当于电路中的电压(电动势),磁阻相当于电路中的电阻。磁导率越大,磁阻越小。
  如果铁芯为闭合,那么,因为铁芯的磁导率远远大于周围介质(空气)的磁导率,漏磁通远远小于主磁通,霍尔元件输出电压正比于初级绕组的安匝数。
  然而,为了安装霍尔元件,霍尔电流传感器的铁芯为非闭合铁芯,开口处(气隙)安装霍尔元件,霍尔元件检测的是穿过铁芯的主磁通的磁感应强度。气隙介质与环境介质相同,磁导率亦相同,当载流导体与铁芯的距离及气隙的距离为同一数量级时,漏磁不能忽略!
  注:上述问题在直检式霍尔电流传感器中同样存在。
  换言之,漏磁通及主磁通都与载流导体与气隙及铁芯的相对位置有关。正因为如此,测量用霍尔电流互感器安装规范中一般会有如下要求:
  1、穿心导体应充满孔径,根据霍尔电流传感器的孔径,可选择铜排、铜棒等。
  2、穿心导体必然形成闭合回路,为了避免铁芯外围的电流对传感器造成影响,穿心导体应在远离传感器处进行闭合。
  3、霍尔电流传感器附近,不宜有强磁场。包括变压器及流过大电流导体等。在三相测试中,相间传感器应保持一定的距离。
  显然,为了满足上述要求,霍尔电流传感器多匝穿心在实际工程应用中很难实现。
  为了提高霍尔电流传感器的实际测量精度,部分厂家的高精度霍尔电流传感器采用铜排接入方式,回避了穿心导体位置及尺寸对测量精度的影响。

  注:电磁式电流互感器的铁芯为闭合铁芯,设计合理的电磁式电流互感器,漏磁影响一般可忽略。

结语

  结合直检式霍尔电流传感器及闭环霍尔电流传感器多匝穿芯的利弊分析,可得出如下结论:

  1、对于电磁式电流互感器,多匝穿心有利无弊,可提高小电流测试精度;

  2、对于直检式霍尔电流传感器而言,多匝穿心利大于弊,注意穿心方式,可在一定程度上提高小电流测试精度;

  3、对于闭环霍尔电流传感器尤其是高精度闭环霍尔电流传感器而言,多匝穿心弊大于利,不适宜采用。