基于霍爾傳感器電參量測量系統(tǒng)的設計

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。

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(huán)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，輸人到功率放大器中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，最后當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1 μs之內，這是一個動態(tài)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=l，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(lián)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=UIcosψ可知，只要準確測量出U，I及電流與電壓相位差ψ，就可算出P與cosψ。采用傳統(tǒng)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，更主要的是存在較大的相位誤差，這就使測得的ψ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100 kHz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。