穿心多匝真的可以提高霍爾電流傳感器的小電流測(cè)量精度嗎？
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- 發(fā)布時(shí)間：2013/11/20 11:21:56
- 作者：AnyWay中國
一前言
霍爾電流傳感器穿心幾次相當(dāng)于一次電流擴(kuò)大至幾倍，依此原理，當(dāng)被測(cè)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于
霍爾電流傳感器額定電流時(shí)，穿心多次可以提高霍爾電流傳感器的測(cè)量精度。上述觀點(diǎn)幾乎成了電測(cè)量工程師和用戶的常識(shí)。事實(shí)真的是這樣嗎？
二直檢式霍爾電流傳感器多匝穿心利弊分析
直檢式霍爾電流傳感器也稱：開環(huán)式霍爾電流傳感器、直放式霍爾電流傳感器等。
圖1 直檢式霍爾電流傳感器工作原理圖
圖1為直檢式霍爾電流傳感器的原理圖，直檢式霍爾電流傳感器由磁芯（下稱鐵芯）、霍爾元件和放大電路構(gòu)成。鐵芯有一開口氣隙，霍爾元件放置于氣隙出。當(dāng)原邊導(dǎo)體流過電流時(shí)，在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流大小成正比的磁場(chǎng)，鐵芯將磁力線集聚至氣隙處，霍爾元件輸出與氣隙處磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的電壓信號(hào)，放大電路將該信號(hào)放大輸出。
直檢式霍爾電流傳感器鐵芯中磁通與初級(jí)繞組安匝數(shù)成正比，相同匝數(shù)時(shí)，電流越小，磁通越小。
由于鐵芯是非線性的，決定了直檢式霍爾電流傳感器輸出與被測(cè)電流的關(guān)系是非線性的。
又由于具有磁滯效應(yīng)，相同電流對(duì)應(yīng)的磁通及磁感應(yīng)強(qiáng)度還與電流是處于上升過程還是下降過程有關(guān)，這種現(xiàn)象稱為升降變差，非線性區(qū)升降變差變大。
因此，對(duì)于直檢式霍爾電流傳感器而言，當(dāng)被測(cè)信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定電流時(shí)，可適當(dāng)增加初級(jí)穿心匝數(shù)，使鐵芯工作在線性區(qū)，可以有效提高傳感器的測(cè)量精度。
三閉環(huán)霍爾電流傳感器多匝穿心利弊分析
圖2 閉環(huán)霍爾電流傳感器工作原理圖
閉環(huán)霍爾電流傳感器正常工作時(shí)，在鐵芯氣隙的霍爾元件處，初級(jí)繞組產(chǎn)生的磁通與次級(jí)補(bǔ)償繞組產(chǎn)生的磁通互相抵消，處于磁平衡狀態(tài)。由于鐵芯中的磁通為零，因此，不存在開環(huán)式霍爾電流傳感器的非線性誤差比升降變差，具有較高的線性度。由于閉環(huán)霍爾電流傳感器本身線性度較高，在較寬的測(cè)試范圍內(nèi)，均可達(dá)到較高的測(cè)試精度，多匝穿心的主要目的是提高傳感器的信噪比和匹配二次儀表量程，相比直檢式霍爾電流傳感器，多匝穿心的必要性大大降低。
那么，多匝穿心是否能夠進(jìn)一步提升測(cè)試精度呢？
這要從霍爾電流傳感器的另外一個(gè)角度進(jìn)行分析。
霍爾電流傳感器初級(jí)繞組產(chǎn)生的磁通包括穿過鐵芯的主磁通和不穿過鐵芯的漏磁通。
磁路中的磁通有如電路中的電流，磁動(dòng)勢(shì)（就是安匝數(shù)）相當(dāng)于電路中的電壓（電動(dòng)勢(shì)），磁阻相當(dāng)于電路中的電阻。磁導(dǎo)率越大，磁阻越小。
如果鐵芯為閉合，那么，因?yàn)殍F芯的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于周圍介質(zhì)（空氣）的磁導(dǎo)率，漏磁通遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主磁通，霍爾元件輸出電壓正比于初級(jí)繞組的安匝數(shù)。
然而，為了安裝霍爾元件，霍爾電流傳感器的鐵芯為非閉合鐵芯，開口處（氣隙）安裝霍爾元件，霍爾元件檢測(cè)的是穿過鐵芯的主磁通的磁感應(yīng)強(qiáng)度。氣隙介質(zhì)與環(huán)境介質(zhì)相同，磁導(dǎo)率亦相同，當(dāng)載流導(dǎo)體與鐵芯的距離及氣隙的距離為同一數(shù)量級(jí)時(shí)，漏磁不能忽略！
注：上述問題在直檢式霍爾電流傳感器中同樣存在。
換言之，漏磁通及主磁通都與載流導(dǎo)體與氣隙及鐵芯的相對(duì)位置有關(guān)。正因?yàn)槿绱耍瑴y(cè)量用霍爾電流互感器安裝規(guī)范中一般會(huì)有如下要求：
1、穿心導(dǎo)體應(yīng)充滿孔徑，根據(jù)霍爾電流傳感器的孔徑，可選擇銅排、銅棒等。
2、穿心導(dǎo)體必然形成閉合回路，為了避免鐵芯外圍的電流對(duì)傳感器造成影響，穿心導(dǎo)體應(yīng)在遠(yuǎn)離傳感器處進(jìn)行閉合。
3、霍爾電流傳感器附近，不宜有強(qiáng)磁場(chǎng)。包括變壓器及流過大電流導(dǎo)體等。在三相測(cè)試中，相間傳感器應(yīng)保持一定的距離。
顯然，為了滿足上述要求，霍爾電流傳感器多匝穿心在實(shí)際工程應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。
為了提高霍爾電流傳感器的實(shí)際測(cè)量精度，部分廠家的高精度霍爾電流傳感器采用銅排接入方式，回避了穿心導(dǎo)體位置及尺寸對(duì)測(cè)量精度的影響。
注：電磁式電流互感器的鐵芯為閉合鐵芯，設(shè)計(jì)合理的電磁式電流互感器，漏磁影響一般可忽略。
四結(jié)語
結(jié)合直檢式霍爾電流傳感器及閉環(huán)霍爾電流傳感器多匝穿芯的利弊分析，可得出如下結(jié)論：
1、對(duì)于電磁式電流互感器，多匝穿心有利無弊，可提高小電流測(cè)試精度；
2、對(duì)于直檢式霍爾電流傳感器而言，多匝穿心利大于弊，注意穿心方式，可在一定程度上提高小電流測(cè)試精度；
3、對(duì)于閉環(huán)霍爾電流傳感器尤其是高精度閉環(huán)霍爾電流傳感器而言，多匝穿心弊大于利，不適宜采用。
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