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霍尔电流传感器

 随着城市人口和建设规模的扩大,各种电气设备的增加、耗电量的增大、城市电气供应设备的过载运行、电气使用环境的恶化、电源的“试炼”日益严重。根据统计,每天有120次左右的各种电源问题暴露出电气设备,电气设备故障的60 %来自电源。因此,电力问题的重要性越来越高。当初,作为侧角,以少量的设备投资受到制造商和研究人员的重视,电源技术发展成了新技术。

 现在,在小型电源设备中嵌入了新技术。例如,开关电源、硬开关、软开关、参数调节器、线性反馈调节器、磁放大器技术、数字控制调压、PWM、SPWM、电磁互换等。实际需求直接推动电源技术的发展和进步,自动检测电流并显示,在发生过电流、过电压等危害情况时,具有自动保护功能和更高的智能控制,感应采样、感应保护的电源技术逐渐成为趋势。

  现代的电流传感器已经广泛应用于能源和交通产业,例如国家现在正在蓬勃发展的电力网的智能化、铁路机车的电车和风力发电等。


 一、电流传感器的工作原理

     从1879年美国物理学家Edwin Herbert Hall发现霍尔效应以来,霍尔技术一直被应用于工业控制的各个领域。随着部件工艺技术的发展,霍尔器件的应用开发出的霍尔电流、电压传感器的性能也大幅提高,特别是闭环电流、电压传感器的开发成功,该技术的应用领域大幅度扩大。现在的电流传感器可以测量从直流到数十千赫交流的各种电流,其基本动作原理是霍尔效应。

1.1霍尔效应及霍尔元件

  霍尔效应是霍尔技术应用的理论基础,如果将通过小电流的半导体晶片置于磁场中(图1 ),则半导体内的载流子因洛伦兹力而偏转,在半导体的两侧产生霍尔电压VH、VH与磁感应强度b及控制电流IC成正比的电位差,理论上是式。

 VH = ( RH/d )×b×Ic(1)

 式中,b表示磁感应强度,

 IC是控制电流,

 RH是霍尔系数,

 d是半导体厚度。

 在式(1)中,控制电流IC保持不变,通过在一定条件下测定霍尔电压,可以推定磁感应强度的大小,由此确立磁场与电压信号的关联。根据该关系式,开发了测定磁场用半导体装置,即霍尔元件。 

 

1.png

 图1霍尔效应原理


1. 2闭环电流传感器的工作原理

     闭环霍尔电流传感器是使用以霍尔元件为中心传感器元件来分离检测电流的模块部件,其动作原理是霍尔磁平衡式(或称霍尔磁补偿式、霍尔零磁通式)。当电流流过导线时,在导线周围产生磁场,其磁场的大小与导线中流过的电流的大小成正比,该磁场可以用软磁性材料聚焦并用霍尔元件检测,由于磁场的变化与霍尔元件的输出电压信号处于良好的线性关系,所以霍尔元件的输出电压信号处于良好的线性关系。

     I∣b∣VH (2)

 式中: I是通过导线的电流

       b是在导线中流过电流时产生的磁感应强度。

 选择适当的比例系数后,上述关系作为公式表示。

 关于霍尔输出电压信号VH处理,设计了许多电路,一般来说是开环(或称为直测式、直测式)的霍尔电流传感器,另外一个是闭环(或称为零磁通式、磁平衡式)的霍尔电流传感器。

     关于霍尔传感器的电路形式,最容易考虑通过运算放大器对霍尔元件的输出电压直接进行信号放大来获得所需的信号电压,从而根据电压值确定一次侧被测量电流的大小,但这种形式的霍尔传感器一般称为开路霍尔电流传感器。。 开放式霍尔传感器的优点是电路形式简单,成本较低。其缺点是精度、线性差、响应时间慢、温度漂移大。为了克服开环传感器的不足,1980年代末在海外出现了闭环电流传感器。

 闭环霍尔电流传感器的动作原理是由磁平衡式(图2 )、即一次侧电流( in )产生的磁场,通过一个二次侧线圈的电流( im )产生的磁场进行补偿,霍尔元件始终处于检测零磁通的动作状态。。 由1次侧的补偿电流产生的磁场在铁心内平衡时

     n 1×in = n 2×im (3)

 式中,n 1表示初级侧线圈的匝数,

       n 2是副边线圈的匝数。

     由式(3)可知,传感器一次侧和二次侧的线圈匝数是已知的,通过测定二次侧补偿电流im的大小,可以推定一次侧电流in的值,实现一次侧电流的隔离测定。

 

2.png

 图2闭环孔电流传感器的动作原理


1. 3闭环电流传感器的主要性能

     闭环电流传感器是近十年来出现的高技术模块产品,与开环电流传感器相比,性能大幅度优异,同时与以往的分流器和变流器的电流测量方法相比,具有更多优点。闭环电流传感器主要具有以下特点。 

      1 )可同时测量直流、交流、脉冲电流等任意波形电流。

     2 )二次侧测量电流和一次侧被测量电流之间完全电绝缘,绝缘电压一般为2 kv~12kv。 

     3 )电流测量范围广,可进行额定1 ma~50ma的电流测量。

     4 )追踪速度di/dt > 50 a /μs; 

     5 )直线性优于0.1 % in 

     6 )响应时间< 1μs; 

 7 )频率响应0~100 khz。 

1. 4闭环电流传感器的主要特性参数

 1 )标准额定IPN及额定输出电流isn

   IPN是电流传感器可测量的标准额定值,以有效值显示( A.r.m.s )、IPN的尺寸取决于传感器产品的型号。isn是电流传感器额定输出电流,一般为100~400 ma,可能因型号而异。

 2 )传感器供给电压va

   va是电流传感器的供给电压,应在传感器规定的范围内。 超过该范围时,传感器正常动作或可靠性降低,另外,传感器的供给电压va分为正极供给电压va +和负极供给电压va。

 3 )测量范围ipmax

   测量范围是电流传感器能够测量的最大电流值,测量范围一般高于标准额定IPN。 单相供电的传感器的供给电压vapmin为双相供电电压vapmin的2倍,因此请注意测量范围比双相供电的传感器大。

 4 )过载

   电流传感器的过载能力参照图2。发生电流过载时,即使在测量范围外,一次侧电流也会增加,有时过载电流的持续时间会缩短,但过载值有时会超过传感器的容许值,因此过载电流值传感器通常无法测量,但不会对传感器造成损伤。

 5 )精度

   霍尔效应传感器的精度依赖于标准额定电流IPN。

   需要考虑偏移电流、线性度、温度漂移的影响进行精度计算。

a.  偏移电流iso

   偏移电流也称为残留电流或残留电流,主要起因于霍尔元件或电子电路中运算放大器的动作状态的不稳定化。电流传感器在生产时、25℃、IP = 0时,调整为偏置电流最小,但传感器在离开生产线时产生一定大小的偏置电流。。。 产品技术手册中记载的精度,正在考虑偏置电流增加的影响。 

b.  线性度。

   线性度决定传感器输出信号(副边电流is )与输入信号(一次边电流IP )在测定范围内成比例的程度。

c.  温度漂移。

   偏置电流iso在25℃下计算,空穴电极周边的环境温度发生变化时iso会发生变化。因此,考虑偏置电流iso的最大变化是很重要的。

 

  (3)传感器的连接方法

   这种传感器一般在适用于大功率的情况下,电流信号的抗噪性与电压信号相比相当强,但是为了确保信号传输过程的可靠性,一般使用带屏蔽的3芯电缆进行连接。 另外,需要考虑产品的用途、形式、范围、设置环境等进行设置。 例如,希望尽量有利于散热地设置传感器时。


二、传感器型号、结构和安装方法。

  1、如图为都睿感控传感器RIHG1的原理图示:

   外形图.png

它的安装图如下:

 

接线图.png

2、RIHG1

一般传感器都有正极(+)、负极(-)、测量端(M)三个管脚,测量原边电流时要将导线穿过该内孔。 

(1)在测量交流电时,必须强制使用双极性供电电源。即传感器的正极(+)接供电电源“+VA”端,负极接电源的“-VA”端,这种接法叫双极性供电电源。同时测量端(M)通过电阻接电源“0V”端。

(2)在变流器系统里,一般采用一个可提供+-15V或者+-24V的电源给传感器供电。不同等级的电压传感器的功率以及测量范围也会有所不同,如下:

Measuring Resistance@                            TA=70℃             TA=85℃

                                                RMmin RMmax            RMmin RMmax

          With±15V             @±1000A         0   18              0  15       Ω

                               @±1200A         0   7               0  4        Ω

          With±24V             @±1000A         5   60.5           10  57.5     Ω

                                @±1500A         5   24              10  21     Ω

三、传感器和变送器的区别

 所谓传感器,是指规定的测量,按照一定的规则转换为输出信号的设备或装置的总称,通常由传感器和转换元件构成。传感器的输出为规定的标准信号时,称为变送器。

   变送器的概念是将非标准电气信号转换为标准电气信号的设备,传感器是将物理信号转换为电气信号的设备,以前经常使用物理信号,但现在也存在其他信号。一次仪表是指现场计量装置和据点控制表,二次仪表是指利用一次仪表信号实现其他功能(控制、显示等功能)的计量装置。

 传感器和变送器是热工仪表的概念。传感器将温度、压力、液位、物质、气体特性等电气物理量转换为电信号,或者将压力、液位等物理量直接发送到变送器。发送器放大由传感器取入的微弱电信号,传送或启动控制元件。将传感器输入的电力转换为电信号,同时放大以进行远程测量控制的信号源。根据需要将模拟量转换为数字量。传感器和变送器成为一体,构成自动控制的监视信号源。每个物理量都需要不同的传感器和对应的发送器。另一个变送器不是将物理量转换成电信号,而是象锅炉水位计的“差压变送器”那样,将液位传感器下部的水和上部的蒸汽的冷凝水经由计量仪器管送到变送器波纹管两侧,由波纹管两侧的差压机械放大装置用针指示水位的远方计。把电气的模拟量转换成数字量当然也可以称为变送器。 


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