实现大直流电流的精确测量

2014-11-17 09:51:40来源: ednchina 关键字:直流电流  电流传感器  霍尔效应  磁阻效应  精密电阻
虽然有许多仪器可以精确地测量小的直流电流(最大3A),但很少有仪器可以精确地(好于1%)测量50A以上的直流电流。这么大的电流范围是电动汽车(EV)、电网能量存储和光伏(光电)可再生能源装置等的负载典型值。另外,这些系统需要精确地预测相关能量存储电池的电荷状态(SOC)。对电荷状态的估计可以根据电流和电荷(库伦计数)测量实现,而精确的测量数据对于精确的电荷状态估计来说是必要条件。

一般来说,用于电流或电荷测量的任何系统都设计包含有内置数据采集部件,如合适的放大器滤波器、模数转换器(ADC)等。电流传感器用于检测电流。电流传感器的输出需要通过一个电路转换成可用的形式(即电压)。接着对信号进行滤波,以减少电磁和射频干扰。然后进行放大和数字化。再将每个电流数据样本乘以合适的时间间隔,(通过数字化计算)累加算出电荷值。

另一方面,如果以恒定不变的频率进行数字化,那么首先累积的电流样本,然后当累积电荷值被读出或以某种方式利用时才乘以合适的时间间隔。同时需要考虑选择合适的最小奈奎斯特采样率,并在模数转换器之前使用足够窄的抗混叠滤波器。

图1:典型的现代电流测量系统中的信号链。
图1:典型的现代电流测量系统中的信号链

用于大电流测量的实用性传感器技术

在用于测量大电流的技术中,有两种传感器技术最常见。第一种技术是检测承载电流的导体周围的磁场。第二种技术是测量承载待测电流(和电荷)的电阻(经常称之为分流器)上的压降。这个压降遵循欧姆定律(V = I × R)。

用于大电流测量的器件通常称为霍尔效应电流传感器。这种传感器内置有一个载流元件。当电流和外部磁场施加于该元件上时,元件两侧会呈现一个垂直于电流方向并垂直于外部磁场方向的压差。普通金属中的霍尔效应压差值很小。值得注意的是,并不是所有测量载流导体周围磁场的直流电流传感器都是基于霍尔效应。下面会简要介绍它们之间的区别。

大电流霍尔效应传感器

为了做成一个带霍尔效应器件的电流传感器,需要用一个磁芯将导体电流周围的磁场集中起来,同时这个磁芯中要开一个槽,用于容纳实际的霍尔元件。尺寸相对较小的槽(相对于整个磁路长度而言)会形成一个接近均匀且垂直于霍尔元件平面的磁场。当霍尔元件获得电流能量时,将产生一个正比于励磁电流和磁芯磁场的电压。这个霍尔电压经放大后从电流传感器的输出端输出。

图2:导体周围磁场、线性开环霍尔效应传感器和闭环传感器示意图。
图2:导体周围磁场、线性开环霍尔效应传感器和闭环传感器示意图。

由于载流导体和磁芯之间没有电气上的连接(耦合的只是磁场),传感器实际上是与待测电路隔离的。载流导体可能有很高的电压,而霍尔效应电流传感器的输出可以安全地连接到接地电路,或连接到相对载流导体任意电位的电路,因此提供满足最严格安全标准的间隙与爬电值也相对比较容易。

然而,这种线性传感器也存在一些缺点。其中最不重要的缺点也许是霍尔效应传感器要求恒定励磁电流这个事实。另外,处理来自霍尔效应传感器的信号的放大和调节电路通常要消耗显著的能量。当然,这个能耗也许不那么显著,要看具体的应用。尽管如此,用于连续测量电流霍尔传感器能耗也不能小至毫瓦级。

霍尔效应传感器:漂移大,可用工作温度范围小

因为典型的线性传感器输出是按比例量测的(不仅取决于被测的磁场强度,而且取决于励磁电流值),励磁电流的稳定性将极大地影响待测电流幅度以及没有电流流动时的零偏移。一般来说,后两者都取决于供电电压的稳定和温度变化(因为影响励磁电流和霍尔电压本身的霍尔传感元件电阻取决于工作温度)。

测量励磁电流并在输出中考虑该因素的传感器变种是可能的。但它要求精密的外部元件和较大的处理电路。而且霍尔电压是待测磁场的非线性函数,这进一步增加了传感器的误差

因为在不同条件下会产生不同的误差,大多数线性霍尔效应器件制造商会将总的误差分解成许多单独的分量。有时很难计算总的合成误差。

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关键字:直流电流  电流传感器  霍尔效应  磁阻效应  精密电阻

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/1117/article_10080.html
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