穿心多匝真的可以提高霍爾電流傳感器的小電流測量精度嗎？
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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于一次電流擴大至幾倍，依此原理，當被測電流遠遠小于
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量精度。上述觀(guān)點(diǎn)幾乎成了電測量工程師和用戶(hù)的常識。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(chēng)：開(kāi)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(chēng)鐵芯）、霍爾元件和放大電路構成。鐵芯有一開(kāi)口氣隙，霍爾元件放置于氣隙出。當原邊導體流過(guò)電流時(shí)，在導體周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)強度與電流大小成正比的磁場(chǎng)，鐵芯將磁力線(xiàn)集聚至氣隙處，霍爾元件輸出與氣隙處磁感應強度成正比的電壓信號，放大電路將該信號放大輸出。
直檢式霍爾電流傳感器鐵芯中磁通與初級繞組安匝數成正比，相同匝數時(shí)，電流越小，磁通越小。
由于鐵芯是非線(xiàn)性的，決定了直檢式霍爾電流傳感器輸出與被測電流的關(guān)系是非線(xiàn)性的。
又由于具有磁滯效應，相同電流對應的磁通及磁感應強度還與電流是處于上升過(guò)程還是下降過(guò)程有關(guān)，這種現象稱(chēng)為升降變差，非線(xiàn)性區升降變差變大。
因此，對于直檢式霍爾電流傳感器而言，當被測信號遠遠小于額定電流時(shí)，可適當增加初級穿心匝數，使鐵芯工作在線(xiàn)性區，可以有效提高傳感器的測量精度。
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，初級繞組產(chǎn)生的磁通與次級補償繞組產(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(kāi)環(huán)式霍爾電流傳感器的非線(xiàn)性誤差比升降變差，具有較高的線(xiàn)性度。由于閉環(huán)霍爾電流傳感器本身線(xiàn)性度較高，在較寬的測試范圍內，均可達到較高的測試精度，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繞組產(chǎn)生的磁通包括穿過(guò)鐵芯的主磁通和不穿過(guò)鐵芯的漏磁通。
磁路中的磁通有如電路中的電流，磁動(dòng)勢（就是安匝數）相當于電路中的電壓（電動(dòng)勢），磁阻相當于電路中的電阻。磁導率越大，磁阻越小。
如果鐵芯為閉合，那么，因為鐵芯的磁導率遠遠大于周?chē)橘|(zhì)（空氣）的磁導率，漏磁通遠遠小于主磁通，霍爾元件輸出電壓正比于初級繞組的安匝數。
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(kāi)口處（氣隙）安裝霍爾元件，霍爾元件檢測的是穿過(guò)鐵芯的主磁通的磁感應強度。氣隙介質(zhì)與環(huán)境介質(zhì)相同，磁導率亦相同，當載流導體與鐵芯的距離及氣隙的距離為同一數量級時(shí)，漏磁不能忽略！
注：上述問(wèn)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體與氣隙及鐵芯的相對位置有關(guān)。正因為如此，測量用霍爾電流互感器安裝規范中一般會(huì )有如下要求：
1、穿心導體應充滿(mǎn)孔徑，根據霍爾電流傳感器的孔徑，可選擇銅排、銅棒等。
2、穿心導體必然形成閉合回路，為了避免鐵芯外圍的電流對傳感器造成影響，穿心導體應在遠離傳感器處進(jìn)行閉合。
3、霍爾電流傳感器附近，不宜有強磁場(chǎng)。包括變壓器及流過(guò)大電流導體等。在三相測試中，相間傳感器應保持一定的距離。
顯然，為了滿(mǎn)足上述要求，霍爾電流傳感器多匝穿心在實(shí)際工程應用中很難實(shí)現。
為了提高霍爾電流傳感器的實(shí)際測量精度，部分廠(chǎng)家的高精度霍爾電流傳感器采用銅排接入方式，回避了穿心導體位置及尺寸對測量精度的影響。
注：電磁式電流互感器的鐵芯為閉合鐵芯，設計合理的電磁式電流互感器，漏磁影響一般可忽略。
四結語(yǔ)
結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，可得出如下結論：
1、對于電磁式電流互感器，多匝穿心有利無(wú)弊，可提高小電流測試精度；
2、對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試精度；
3、對于閉環(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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