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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- 發布時間：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，穿心多次可以提高霍爾電流傳感器的測量精度。上述觀點幾乎成了電測量工程師和用戶的常識。事實真的是這樣嗎？
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成。鐵芯有一開口氣隙，霍爾元件放置于氣隙出。當原邊導體流過電流時，在導體周圍產生磁場強度與電流大小成正比的磁場，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，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電流的關系是非線性的。
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程還是下降過程有關，這種現象稱為升降變差，非線性區升降變差變大。
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，可適當增加初級穿心匝數，使鐵芯工作在線性區，可以有效提高傳感器的測量精度。
三閉環霍爾電流傳感器多匝穿心利弊分析
圖2 閉環霍爾電流傳感器工作原理圖
閉環霍爾電流傳感器正常工作時，在鐵芯氣隙的霍爾元件處，初級繞組產生的磁通與次級補償繞組產生的磁通互相抵消，處于磁平衡狀態。由于鐵芯中的磁通為零，因此，不存在開環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。由于閉環霍爾電流傳感器本身線性度較高，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一步提升測試精度呢？
這要從霍爾電流傳感器的另外一個角度進行分析。
霍爾電流傳感器初級繞組產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，磁動勢（就是安匝數）相當于電路中的電壓（電動勢），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圍介質（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，開口處（氣隙）安裝霍爾元件，霍爾元件檢測的是穿過鐵芯的主磁通的磁感應強度。氣隙介質與環境介質相同，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，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體與氣隙及鐵芯的相對位置有關。正因為如此，測量用霍爾電流互感器安裝規范中一般會有如下要求：
1、穿心導體應充滿孔徑，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行閉合。
3、霍爾電流傳感器附近，不宜有強磁場。包括變壓器及流過大電流導體等。在三相測試中，相間傳感器應保持一定的距離。
顯然，為了滿足上述要求，霍爾電流傳感器多匝穿心在實際工程應用中很難實現。
為了提高霍爾電流傳感器的實際測量精度，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
結合直檢式霍爾電流傳感器及閉環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、對于閉環霍爾電流傳感器尤其是高精度閉環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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