CN101915867A - 变化的强磁场环境下电流测量电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变化的强磁场环境下电流测量电路及方法，其电路包括有二个并排放置、霍尔法向相反的霍尔元件H1、H2和由二个运算放大器U1、U2组成的二级比较放大电路，在极向场产生的变化的强磁场环境下，二个霍尔元件H1、H2铁芯的线圈上通过被测电流I，二级比较放大电路的输出电压为Vo，通过一系列公式求得被测电流I的值。本发明为聚变装置环境下速调管管体电流的精确测量提供了可行性方法，在极向场的时变强磁场下，用单一的霍尔器件来测量小电流信号受到很大干扰；本发明提出双霍尔器件消除时变强磁场的影响，为准确测量电流，并为系统保护提供了可靠保障。

Description

变化的强磁场环境下电流测量电路及方法

技术领域

本发明涉及在核聚变装置TOKAMAK附近变化的强磁场环境下实现对小电流的精确测量领域，具体涉及一种变化的强磁场环境下电流测量电路及方法。

背景技术

低杂波是目前核聚变实验中进行电流驱动和加热的重要手段之一。低杂波系统是由多只高功率速调管组成的复杂系统，管体和主回路的过流保护是系统安全运行的重要保障。其中管体是10mA量级，主回路为10A量级，实现对管体电流的精确测量尤为关键。这种高压情况下的电流隔离测量一般采用霍尔器件，通过霍尔器件的电流测量信号来实现系统的保护。

目前系统采用单一的霍尔元件来测量速调管管体电流，由于系统在核聚变装置(EAST)附近，极向场电流产生的空间磁场较强，这种简单的单一霍尔器件测量小电流明显受到这个磁场的干扰，导致测量的误差，进而影响保护的可靠性。单一霍尔器件输出信号是管体电流磁场和空间极向场电流产生的磁场共同作用的结果。极向场电流是随时间变化的，其产生的空间磁场是时变磁场，并且这个磁场和管体电流的磁场是同一数量级的。

目前，单一霍尔器件不能消除空间电磁场对测量小电流的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种变化的强磁场环境下电流测量电路及方法，通过双霍尔元件来消除空间强磁场对小电流测量的影响。

本发明的技术方案如下：

一种变化的强磁场环境下电流测量电路，包括有二个并排放置的霍尔元件H1、H2，其特征在于：所述二个霍尔元件H1、H2的霍尔片相互平行且法向相反，所述二个霍尔元件H1、H2的铁芯上分别绕有通被测电流的线圈，二个霍尔元件H1、H2铁芯上的线圈首尾相连，被测电流在霍尔片处的磁场方向与各自霍尔片的法向相同；从霍尔元件H1的霍尔片的两个输出端分别引出第一、二路接线，从霍尔元件H2的霍尔片的两个输出端分别引出第三、四路接线，其中第二、三路接线共接地，第一、四路接线分别串联可调电阻R1、R2后接入由二个运算放大器U1、U2组成的二级比较放大电路的输入端，二级比较放大电路的输出端引出有接线。

一种变化的强磁场环境下电流测量方法，其特征在于：其具体包括以下步骤：

由于极向场电流产生的磁场在整个空间的分布是缓变的，霍尔元件H1、H2之间的距离远远小于霍尔元件到极向场电缆之间的距离，霍尔元件可以近似为一个点，因此极向场电流在霍尔元件H1、H2位置产生的磁场都可以看作是相等的，因此对霍尔元件H1、H2来说，这个空间磁场B只是时间t的函数，即B＝B(t)；

选取两个同样型号的霍尔元件H1、H2，先将霍尔元件H1、H2并排同向放置，然后固定霍尔元件H1，将霍尔元件H2绕轴旋转180°，使霍尔元件H1、H2的霍尔片平行但法向

与

相反，被测电流信号I同向穿过霍尔元件H1、H2，并且匝数相同，B1和B2是被测电流在霍尔片处产生的磁场，磁场大小B1＝B2＝MI，M是转换系数，方向与各自法向相同；Bp(t)是极向场电流产生的磁场在垂直于霍尔片法向的分量；

假设霍尔元件H1、H2对磁场的转换系数分别为K1和K2，则有：

VH1＝K1×(B1+Bp(t))    (1)

VH2＝K2×(B2-Bp(t))    (2)

$V_O=\frac{R_6}{R_5}(\frac{R_3}{R_1}{V}_{H1}+\frac{R_3}{R_2}{V}_{H2})---\left(3\right)$

把式(1)、(2)带入(3)可得：

$V_O=\frac{R_6}{R_5}(\frac{R_3}{R_1}{K}_1{B}_1+\frac{R_3}{R_2}{K}_2{B}_2+(\frac{R_3}{R_1}{K}_1-\frac{R_3}{R_2}{K}_2)B_P\left(t\right))---\left(4\right)$

显然，当时，空间磁场B对测量值不产生影响，由此可得到：

R1＝K1R2/K2            (5)

把式(5)和式B1＝B2＝MI代入式(4)可得：

$V_O=2\×\frac{R_6}{R_5}\×\frac{K_2{R}_3}{R_2}\mathrm{MI}---\left(6\right)$

实际应用中，存在有极向场电流产生的磁场Bp的干扰，先不对霍尔元件H1、H2通被测电流，即I＝0，调节可调电阻R1、R2阻值使得输出电压Vo的值为零，即消除极向场电流产生的磁场Bp的干扰；然后用恒流源定标的方法，即对霍尔元件H1、H2的被测电流线圈通恒定电流I，即可得到电流-电压转换系数A，即

且A为常数，最后得到：

Vo＝AI    (7)

当对霍尔元件H1、H2通被测电流I后，只需通过测量输出电压Vo的值，即可通过式(7)求得被测电流I的值。

本发明的有益效果：

本发明为聚变装置环境下速调管管体电流的精确测量提供了可行性方法，在极向场的时变强磁场下，用单一的霍尔器件来测量小电流信号受到很大干扰；本发明提出双霍尔器件消除时变强磁场的影响，为准确测量电流，并为系统保护提供了可靠保障。

附图说明

图1为本发明的电路结构原理图。

图2为在极向场产生的变化的强磁场环境下由单霍尔元件和双霍尔元件测量的波形，其中(a)为单霍尔元件测量的波形，(b)双霍尔元件测量的波形。

具体实施方式

参见图1，一种变化的强磁场环境下电流测量电路，包括有二个并排放置的霍尔元件H1、H2，其特征在于：所述二个霍尔元件H1、H2的霍尔片相互平行且法向相反，所述二个霍尔元件H1、H2的铁芯上分别绕有通被测电流的线圈，二个霍尔元件H1、H2铁芯上的线圈首尾相连，被测电流在霍尔片处的磁场方向与各自霍尔片的法向相同；从霍尔元件H1的霍尔片的两个输出端分别引出第一、二路接线，从霍尔元件H2的霍尔片的两个输出端分别引出第三、四路接线，其中第二、三路接线共接地，第一、四路接线分别串联可调电阻R1、R2后接入由二个运算放大器U1、U2组成的二级比较放大电路的输入端，二级比较放大电路的输出端引出有接线。

一种变化的强磁场环境下电流测量方法为：

由于极向场电流产生的磁场在整个空间的分布是缓变的，霍尔元件H1、H2之间的距离远远小于霍尔元件到极向场电缆之间的距离，霍尔元件可以近似为一个点，因此极向场电流在霍尔元件H1、H2位置产生的磁场都可以看作是相等的，因此对霍尔元件H1、H2来说，这个空间磁场B只是时间t的函数，即B＝B(t)；

选取两个同样型号的霍尔元件H1、H2，先将霍尔元件H1、H2并排同向放置，然后固定霍尔元件H1，将霍尔元件H2绕轴旋转180°，使霍尔元件H1、H2的霍尔片平行但法向

与

相反，被测电流信号I同向穿过霍尔元件H1、H2，并且匝数相同，B1和B2是被测电流在霍尔片处产生的磁场，磁场大小B1＝B2＝MI，M是转换系数，方向与各自法向相同；Bp(t)是极向场电流产生的磁场在垂直于霍尔片法向的分量；

假设霍尔元件H1、H2对磁场的转换系数分别为K1和K2，则有：

VH1＝K1×(B1+Bp(t))    (1)

VH2＝K2×(B2-Bp(t))    (2)

$V_O=\frac{R_6}{R_5}(\frac{R_3}{R_1}{V}_{H1}+\frac{R_3}{R_2}{V}_{H2})---\left(3\right)$

把式(1)、(2)带入(3)可得：

$V_O=\frac{R_6}{R_5}(\frac{R_3}{R_1}{K}_1{B}_1+\frac{R_3}{R_2}{K}_2{B}_2+(\frac{R_3}{R_1}{K}_1-\frac{R_3}{R_2}{K}_2)B_P\left(t\right))---\left(4\right)$

显然，当

时，空间磁场B对测量值不产生影响，由此可得到：

R1＝K₁R₂/K2            (5)

把式(5)和式B1＝B2＝MI代入式(4)可得：

$V_O=2\×\frac{R_6}{R_5}\×\frac{K_2{R}_3}{R_2}\mathrm{MI}---\left(6\right)$

实际应用中，存在有极向场电流产生的磁场Bp的干扰，先不对霍尔元件H1、H2通被测电流，即I＝0，调节可调电阻R1、R2阻值使得输出电压Vo的值为零，即消除极向场电流产生的磁场Bp的干扰；然后用恒流源定标的方法，即对霍尔元件H1、H2的被测电流线圈通恒定电流I，即可得到电流-电压转换系数A，即

且A为常数，最后得到：

Vo＝AI    (7)

当对霍尔元件H1、H2通被测电流I后，只需通过测量输出电压Vo的值，即可通过式(7)求得被测电流I的值。

以下结合具体实施例对本发明作进一步的说明：

参见图2，根据本发明提出的变化的强磁场环境下电流测量方法，搭建测量系统，并在实际的TOKAMAK放电过程中进行测量：

(a)图中给出是两个单霍尔元件电路输出的信号，分别对应图2中的VH1和VH2，这两个信号极性相反，幅度成线性关系，正比于极向场的磁场在霍尔元件法向的分量；(b)图给出的是某次放电中测量到的VH1信号和双霍尔元件电路输出Vo信号，由于霍尔元件灵敏度差异，通过调节可调电阻R1、R2的阻值，可以使输出电压Vo的值为零，从图中可以看出，双霍尔元件电路可以消除外界变化的强磁场对电流测量的影响。

Claims (2)

1.一种变化的强磁场环境下电流测量电路，包括有二个并排放置的霍尔元件H1、H2，其特征在于：所述二个霍尔元件H1、H2的霍尔片相互平行且法向相反，所述二个霍尔元件H1、H2的铁芯上分别绕有通被测电流的线圈，二个霍尔元件H1、H2铁芯上的线圈首尾相连，被测电流在霍尔片处的磁场方向与各自霍尔片的法向相同；从霍尔元件H1的霍尔片的两个输出端分别引出第一、二路接线，从霍尔元件H2的霍尔片的两个输出端分别引出第三、四路接线，其中第二、三路接线共接地，第一、四路接线分别串联可调电阻R1、R2后接入由二个运算放大器U1、U2组成的二级比较放大电路的输入端，二级比较放大电路的输出端引出有接线。

2.一种变化的强磁场环境下电流测量方法，其特征在于：其具体包括以下步骤：

由于极向场电流产生的磁场在整个空间的分布是缓变的，霍尔元件H1、H2之间的距离远远小于霍尔元件到极向场电缆之间的距离，霍尔元件可以近似为一个点，因此极向场电流在霍尔元件H1、H2位置产生的磁场都可以看作是相等的，因此对霍尔元件H1、H2来说，这个空间磁场B只是时间t的函数，即B＝B(t)；

选取两个同样型号的霍尔元件H1、H2，先将霍尔元件H1、H2并排同向放置，然后固定霍尔元件H1，将霍尔元件H2绕轴旋转180°，使霍尔元件H1、H2的霍尔片平行但法向

与

相反，被测电流信号I同向穿过霍尔元件H1、H2，并且匝数相同，B1和B2是被测电流在霍尔片处产生的磁场，磁场大小B1＝B2＝MI，M是转换系数，方向与各自法向相同；Bp(t)是极向场电流产生的磁场在垂直于霍尔片法向的分量；

假设霍尔元件H1、H2对磁场的转换系数分别为K1和K2，则有：

VH1＝K1×(B1+Bp(t))    (1)

VH2＝K2×(B2-Bp(t))    (2)

$V_O=\frac{R_6}{R_5}(\frac{R_3}{R_1}{V}_{H1}+\frac{R_3}{R_2}{V}_{H2})---\left(3\right)$

把式(1)、(2)带入(3)可得：

$V_O=\frac{R_6}{R_5}(\frac{R_3}{R_1}{K}_1{B}_1+\frac{R_3}{R_2}{K}_2{B}_2+(\frac{R_3}{R_1}{K}_1-\frac{R_3}{R_2}{K}_2)B_P\left(t\right))---\left(4\right)$

显然，当

时，空间磁场B对测量值不产生影响，由此可得到：

R1＝K1R2/K2    (5)

把式(5)和式B1＝B2＝MI代入式(4)可得：

$V_O=2\×\frac{R_6}{R_5}\×\frac{K_2{R}_3}{R_2}---\left(6\right)$

实际应用中，存在有极向场电流产生的磁场Bp的干扰，先不对霍尔元件H1、H2通被测电流，即I＝0，调节可调电阻R1、R2阻值使得输出电压Vo的值为零，即消除极向场电流产生的磁场Bp的干扰；然后用恒流源定标的方法，即对霍尔元件H1、H2的被测电流线圈通恒定电流I，即可得到电流-电压转换系数A，即

且A为常数，最后得到：

Vo＝AI         (7)

当对霍尔元件H1、H2通被测电流I后，只需通过测量输出电压Vo的值，即可通过式(7)求得被测电流I的值。

Images