摘要：采用霍爾傳感器設計一種以AT89C51單片機為核心的電參量檢測系統。介紹應用霍爾效應的磁平衡原理實現對電流、電壓的準確測量,在此基礎上,利用真有效值變換器、多路轉換開關及相位差測量電路等實現對交流電功率因素、有功功率、頻率等參數的測量。研究結果表明該方法與傳統基于電磁原理的互感器測量方法相比,具有線性度好,準確度高,電氣高度隔離。其電氣隔離性與光耦相比,溫度漂移小,故其隔離傳送精度遠遠于光耦。這為研制一種新型多電參量測量打下了良好的基礎。

關鍵詞：霍爾傳感器;電參量;檢測;單片機

0引言

在自動測控系統中,常需要測量和顯示有關電參量。目大多數測量系統仍采用變壓器式電壓、電流互感器,由于互感器的非理想性,使得變比和相位測量都存在較大的誤差,常需要采用硬件或軟件的方法補償,從而增加了系統的復雜性。采用霍爾檢測技術,可以克服互感器這些缺點,能測量從直流到上百千赫茲的各種形狀的交流信號,并且達到原副邊不失真傳遞,同時又能實現主電路回路和電子控制電路的隔離,霍爾傳感器的輸出可直接與單片機接口。因此霍爾傳感器已廣泛應用于微機測控系統及智能儀表中,是替代互感器的新一代產品。在此提出了利用霍爾傳感器對電參量特別是對高電壓、大電流的參數的測量。

1測量原理

1.1霍爾效應原理

如圖1所示,一個N型半導體薄片,長度為L,寬度為S,厚度為d,在垂直于該半導體薄片平面的方向上,施加磁感應強度為B的磁場,若在長度方向通以電流IC,則運動電荷受到洛倫茲力的作用,正負電荷將分別沿垂直于磁場和電流的方向向導體兩端移動,并聚集在導體兩端形成一個穩定的電動勢UH,這就是霍爾電動勢(或稱之為霍爾電壓),這種現象稱為霍爾效應?；魻栯妷旱拇笮H=RIB/d=KHICB,其中R為霍爾常數;KH為霍爾元件的乘積靈敏度。

圖1霍爾效應原理

1.2用霍爾傳感器測量電參量的原理

由霍爾電壓公式可知:對于一個成型的霍爾傳感器,乘積靈敏度KH是一恒定值,則UH∝ICB,只要通過測量電路測出UH的大小,在B和IC兩個參數中,已知一個,就可求出另一個,因而任何可轉換成B或I的未知量均可利用霍爾元件來測量,任何轉換成B和I乘積的未知量亦可進行測量。電參量的測量就是根據這一原理實現的。若控制電流IC為常數,磁感應強度B與被測電流成正比,就可以做成霍爾電流傳感器測電流,若磁感應強度B為常數,IC與被測電壓成正比,可制成電壓傳感器測電壓,利用霍爾電壓、電流傳感器可測交流電的功率因數、電功率和交流電的頻率。

由UH=KHICB可知:若IC為直流,產生磁場B的電流I為交流時,UH為交流;若IO亦為直流,則輸出也為直流。當IC為交流,IO亦為直流時,輸出與IC同頻率的交流且其幅值與被測直流IO大小成正比,改變被測電流IO的方向,輸出電壓UH隨之改變。故利用霍爾傳感器,既可對直流量進行測量,亦可對交流量進行測量。

2系統結構簡圖

檢測系統構成如圖2,被測量經霍爾傳感器轉換為電壓信號,經信號調理電路和多路轉換開關選擇,通過A/D轉換器送給單片機,單片機采用89C51,是該系統的主控器,鍵盤選用2×4鍵盤,用于選擇被測量的種類,采用數碼管或液晶顯示被測量的大小。 

圖2檢測系統構成

3電參量的測量方法

3.1電壓、電流信號的測量

電流的測量可采用磁平衡式霍爾電流傳感器(亦稱為零磁通式霍爾傳感器)如圖3所示。

圖3磁平衡式霍爾電流傳感器

當被測電流IIN流過原邊回路時,在導線周圍產生磁場HIN,這個磁場被聚磁環聚集,并感應給霍爾器件,使其有一個信號UH輸出;這一信號經放大器A放大,輸入到功率放大器中Q1,Q2中,這時相應的功率管導通,從而獲得一個補償電流IO;由于此電流通過多匝繞組所產生的磁場HO與原邊回路電流所產生的磁場HIN相反;因而補償了原來的磁場,使霍爾器件的輸出電壓UH逐漸減小,當IO與匝數相乘N2IO所產生的磁場與原邊N1IIN所產生的磁場相等時,IO不再增加,這時霍爾器件就達到零磁通檢測作用。這一平衡所建立的時間在1μs之內,這是一個動態平衡過程,即原邊回路電流IIN的任何變化均會破壞這一平衡的磁場,一旦磁場失去平衡,霍爾元件就有信號輸出,經過放大后,立即有相應的電流流過副邊線圈進行補償。因此從宏觀上看副邊補償電流的安匝數在任何時間都與原邊電流的安匝數保持相等,即N1IIN=N2IO,所以IIN=N2I2/N1(IIN為被測電流,即磁芯中初級繞組中的電流,N1為初級繞組的匝數;IO為補償繞組中的電流;N2為補償繞組的匝數)。由原、副邊匝數可知,只要測得補償線圈的電流IO,即可知道原邊電流IIN,如原邊為導線穿心式,則N1=1,IIN=N2IO。利用同樣的原理可進行電壓測量,只需在原邊線圈回路中串聯一個電阻R1,將原邊電流IIN轉換成被測電壓UIN。即UIN=(R1+RIN)IIN=(R1+RIN)N2IO/N1,RIN為原邊繞阻的內阻(一般很小不計)。對特高壓交流電壓的測量,需先經隔離變壓器降壓后,對降壓后的電壓進行測量,然后對測量數據乘以降壓倍數,即可得被測電壓的大小。該測量輸出信號為電流形式IO。若在霍爾電流傳感器的輸出電路與電源零點之間串接恰當的電阻R0,并在該電阻上取電壓,就構成了電壓形式的輸出。輸出電壓經電壓調整電路、線性放大電路、不等位補償電路、射集跟隨等獲得所需的電壓,便于測量與顯示。

3.2功率及功率因數、頻率等電參數的測量

由正弦交流電有功功率的定義P=UIcosФ可知,只要準確測量出U,I及電流與電壓相位差Ф,就可算出P與cosФ。采用傳統的電磁式電壓、電流互感器進行測量,由于互感器的非理想性,除存在變比誤差外,主要的是存在較大的相位誤差,這就使測得的Ф值不能真實地反映負載的性質。若采用霍爾電壓、電流傳感器及真有效值轉換器(如AD637)等,可以使功率及功率因數的測量精度大大提高。此外,霍爾傳感器還可以測量從直流到100kHz的任意波形的交流量,從而克服了電磁式互感器有特定的額定頻率的弊端。真有效值轉換器可以將正弦波形或任意波形的交流量轉換為直流量,輸出直流的大小正比于交流量的有效值,且轉換精度高,因而測量相對準確。

測量原理如圖4所示,交直流電壓、電流經霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器隔離、轉換后,得到與之對應的電壓信號,再經真有效值轉換器轉換為直流(直流電不需轉換),其大小正比于交流電的有效值,直流(或轉換后的直流)電壓經A/D變換后送入單片機,這就采集到了U,I的大小。

圖4

另外將傳感器副邊輸出的電信號U1,U2分別經過零電平比較器1和2,當信號由負變正,通過零點時產生一個脈沖,加到門控電路輸入端。設U1超于U2,則者作開啟信號,后者作關閉信號。門控電路產生一個脈沖寬度對應于兩個信號相位差的矩形脈沖,該脈沖一路送單片機的定時/計數器T1口,單片機測出相鄰兩個矩形脈沖沿之間的時間間隔t,即為被測信號的周期Tx(頻率fx=1/Tx)。另一路送至與門電路,打開計數與門,在此期間,時標信號TS經由與門至單片機的定時/計數器TO口計數,設計數值為N,則U1與U2相位差為ΔФ=TS/TxN×360°。經單片機計算出功率因數cosΦ,進一步計算出有功功率P=UIcosФ,并將測得參數U,I,P,cosФ,φx等送顯示電路顯示。如要測三相電路的總功率,則分別測得每一相的功率,然后三相功率相加即可。此外,該系統也可測量無功功率和視在功率等電參數。

4安科瑞霍爾傳感器產品選型

4.1產品介紹

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復雜信號的隔離轉換，通過霍爾效應原理使變換后的信號能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受，響應時間快，電流測量范圍寬精度高，過載能力強，線性好，抗干擾能力強。適用于電流監控及電池應用、逆變電源及太陽能電源管理系統、直流屏及直流馬達驅動、電鍍、焊接應用、變頻器，UPS伺服控制等系統電流信號采集和反饋控制。

4.2產品選型

4.2.1開口式開環霍爾電流傳感器

表1

4.2.2閉口式開環霍爾電流傳感器

表2

4.2.3閉環霍爾電流傳感器

表3

4.2.4直流漏電流傳感器

表4

5結束語

基于霍爾傳感器的電參量檢測系統具有很好的線性度、準確度和良好的反應時間。溫度漂移小,霍爾元件在-40～+45℃的溫度范圍內,霍爾電壓的溫度系數僅為0.03%～0.04%。這里所介紹的測量方法達到了對電參量進行的隔離傳輸和準確檢測的目的,特別適合高電壓、大電流電參量的測量。這為研制一種新的電參量測量儀器打下了一個良好的基礎,在工程上具有一定的應用價值。不足之處,霍爾元件存在不等位的電勢的影響,需加補償電路修正。

【參考文獻】

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[3] 安科瑞企業微電網設計與應用手冊2020.06版