Датчик тока на эффекте Холла

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ДАТЧИК ТОКА НА ЭФФЕКТЕ ХОЛЛА(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич Драпезо Александр Петрович Потапов Александр Львович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) 1. Датчик тока на эффекте Холла, содержащий магнитопровод, выполненный в виде кольца или тора из материала с высокой магнитной проницаемостью, охватывающий проводник с током, и полупроводниковый преобразователь Холла, отличающийся тем, что в магнитопроводе выполнен тонкий паз, имеющий П-образную форму, при этом толщина стенкимагнитопровода в радиальном направлении в месте расположения паза выбрана из соотношения/3,2 2 где(2 -1 )/ 2 - внешний радиус магнитопровода 1 - внутренний радиус магнитопровода- ширина паза- магнитная проницаемость материала магнитопровода,а преобразователь Холла расположен в пазу на минимально возможном расстоянии от внутреннего радиуса магнитопровода. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен из феррита.(56)6019377 4, 1994. Яковлев Н.И. Бесконтактные электроизмерительные приборы для диагностирования электронной аппаратуры. - Л. Энергоатомиздат, 1990. - С. 43.1824603 1, 1993.898331, , 1982.0783110, 1, 1997.336749 , 1972.2081497 1, 1997.1651345 1, 1991. Изобретение относится к приборостроению, автоматизации производства, может использоваться для бесконтактного измерения силы тока в проводах и шинах с поперечными сечениями различной формы. Известен датчик для измерения силы тока, содержащий замкнутый магнитопровод,охватывающий проводник с током и магниточувствительный элемент, функционирующий на планарном эффекте Холла 1. Магниточувствительный элемент выполнен тонкопленочным из материала с низкой коэрцитивной силой и является частью магнитопровода. Однако такой датчик рассчитан на измерение только слабых токов в единицы миллиампер и не обладает достаточной точностью в диапазоне токов, превышающих 0,1 А. Это обусловлено значительным снижением чувствительности к магнитному полю, вызываемому протекающим через проводник током, а следовательно, и к измеряемому току вследствие значительной нелинейности выходного сигнала с ростом тока. Кроме того, в отсутствие тока возможно появление паразитного сигнала, постоянного по величине, вследствие существования остаточной намагниченности магнитопровода, особенно при воздействии токов с большой амплитудой. Широко известны технические решения, в которых полупроводниковые преобразователи Холла помещаются в воздушные зазоры магнитопровода, охватывающего проводник с током 2-4. Причем преобразователей Холла, как и воздушных зазоров, может быть один или несколько. Эти датчики имеют один и тот же принцип работы и практически одинаковые недостатки(невысокую точность), обусловленные расположением магниточувствительного элемента в воздушном зазоре магнитопровода. Наиболее близким по технической реализации к предлагаемому решению является датчик (сигнализатор) тока, приведенный в 4 (прототип). Датчик тока 4 содержит магнитопровод с воздушным зазором. В зазоре размещен магниточувствительный элемент, вырабатывающий напряжение (ЭДС), пропорциональное величине тока, проходящего по проводу сквозь магнитопровод. Причем магнитопровод выполнен из аморфного сплава с 70 атомарным содержанием железа. Этот датчик характеризуется невысокой точностью определения величины тока по следующим основным причинам. Величина выходного сигнала неконтролируемым образом зависит от места расположения провода с током в магнитопроводе. Т.е. смещение провода от центра симметрии может вызвать значительные отклонения фиксируемой величины от истинного значения. Причем самые существенные погрешности возникают при приближении провода к зазору магнитопровода. Другой причиной, влияющей на точностные характеристики датчика, является невысокая чувствительность к магнитному полю, а значит, и к току, вследствие существования ограничения на толщину зазора. Применение в магнитопроводе аморфного сплава на основе железа не изменяет чувствительности датчика к току, по сравнению с традиционными материалами, например с ферритом. Это обусловлено тем, что индукция магнитного поля в зазоре магнитопровода, выполненного из любого современного материала с высо 2 5116 1 кой магнитной проницаемостью, определяется в основном только проницаемостью формы магнитопровода 3, т.е. по формуле 0 /,где В - магнитная индукция в зазоре магнитопровода- толщина немагнитного (воздушного) зазора- ток, охватываемый магнитопроводом 0 - 410-7 Гн/м - магнитная постоянная. Поэтому конструкция, содержащая магнитопровод со сплошным зазором, обуславливает достаточно низкую чувствительность к измеряемому току. Увеличить чувствительность уменьшениемнельзя вследствие технологических причин из-за конечной толщины магниточувствительного элемента. Обычно 0,2 мм. Выбором материала магнитопровода и его размеров можно в некоторой степени влиять только на нелинейность выходной ЭДС,проявляемую при больших токах, а также на температурные и частотные характеристики,чем и обусловлен выбор в 4 аморфного магнитного материала. Дополнительную неточность при измерениях тока в таком датчике могут вносить проводники с током, имеющие поперечные сечения не в виде круга, например прямоугольные и асимметричные, что часто возникает на практике. Это обусловлено асимметрией магнитопровода (т.е. наличием немагнитного участка). Фактически ферромагнитный интегрирующий контур не является замкнутым. Несимметричное распределение тока и внешние магнитные помехи также снижают точность определения тока. Таким образом, поскольку точность бесконтактного измерения тока, протекающего по проводнику, зависит от многих факторов, главным из которых является чувствительность датчика к току, линейность его характеристики, отсутствие влияния, как геометрического сечения провода, так и его пространственного расположения относительно центра магнитопровода, то видно, что в предложенных ранее технических решениях эта точность была недостаточна. Задачей настоящего изобретения является повышение точности бесконтактного измерения силы тока в проводнике с произвольным поперечным сечением и в условиях несимметричного пространственного распределения тока. Названный технический результат достигается тем, что одновременно с увеличением чувствительности и улучшением линейности выходной характеристики (ЭДС) датчика тока значительно уменьшается влияние на выходной сигнал геометрического сечения проводника с током и его пространственного расположения. Данные эффекты обуславливаются специфической геометрией магнитопровода и рассчитанным расположением преобразователя Холла в нем. Предлагаемый датчик тока на эффекте Холла содержит магнитопровод, выполненный в виде кольца или тора из материала с высокой магнитной проницаемостью, охватывающий проводник с током, и полупроводниковый преобразователь Холла, отличающийся тем, что в магнитопроводе выполнен тонкий паз, имеющий П-образную форму, при этом толщина стенкимагнитопровода в радиальном направлении в месте расположения паза выбрана из соотношения /3, где(22-12)/, где 2 - внешний радиус магнитопровода 1 - внутренний радиус магнитопровода- ширина паза- максимальная магнитная проницаемость материала магнитопровода, а преобразователь Холла расположен в пазу на минимально возможном расстоянии от внутреннего радиуса магнитопровода. Датчик, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен из феррита. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое техническое решение обладает новизной в отношении признака выполнения зазора в магнитопроводе,а именно зазор выполнен не сплошным, а в виде тонкого паза, имеющего П-образную форму, не пересекающего внутренний радиус магнитопровода, так что толщина стенкимагнитопровода в радиальном направлении в месте расположения паза не превышает величины , равной (22 12)/, ноне менее 1/3 величины . Причем новым является размещение преобразователя Холла не вообще в зазоре, а в конкретной точке зазора, т.е. 3 5116 1 около его стенки на минимально возможном расстоянии от внутреннего радиуса. Дополнительно новым является выполнение магнитопровода указанной выше формы из феррита. Сопоставительный анализ с ранее известными техническими решениями показывает,что предлагаемая совокупность отличительных признаков является существенной. Так,выполнение зазора в магнитопроводе не сплошным, а в виде паза, имеющего П-образную форму определенной глубины (интервалкак функция 2, 1,иуказан), позволяет улучшить следующие характеристики датчика тока. Во-первых, увеличивается величина индукции магнитного поля в зазоре в непосредственной близости от стенки магнитопровода, т.е. в месте расположения преобразователя Холла. Это эквивалентно увеличению чувствительности всего датчика к току при фиксированной толщине зазора . Этот эффект обусловлен перераспределением магнитного потока, протекающего в магнитопроводе, и его концентрацией (повышением) вблизи тонкой стенки магнитопровода по сравнению с другим краем зазора, что и вызывает увеличение компонента магнитной индукции, воздействующей на преобразователь Холла. Во-вторых, магнитопровод выполнен сплошным,без магнитных разрывов. Это способствует тому, что он в полной мере выполняет роль замкнутого интегрирующего контура, и поэтому значительно уменьшает погрешности от несимметричности распределения тока в охватываемой области в соответствии с первым уравнением Максвелла в интегральной форме где- ток, пронизывающий замкнутый контур ,- напряженность магнитного поля. Это приводит к отсутствию зависимости выходного сигнала как от геометрии расположения провода внутри магнитопровода, так и от поперечного сечения проводника с током. Совокупность приведенных эффектов, обусловленных конструкцией магнитопровода и расположением преобразователя Холла, неизвестно ни в прототипе, ни в аналогах, позволяет решать задачу повышения точности. Поэтому отличительные признаки данного технического решения соответствуют критерию существенные отличия. На фиг. 1 изображена конструкция датчика на фиг. 2 - пространственное расположение преобразователя Холла в зазоре магнитопровода на фиг. 3 - зависимости индукции магнитного поля В в зазоре магнитопровода от координаты(радиуса) расположения чувствительной области миниатюрного преобразователя Холла в зазоре толщиной(кривая 1 для случая(22-12)/, кривая 2 - для случая сплошного зазора 0). Датчик содержит магнитопровод 1, выполненный в виде кольца или тора и изготовленный из материала с высокой магнитной проницаемостью , например из феррита, охватывающий проводник с током 2. В магнитопроводе предусмотрен зазор 3, выполненный в виде тонкого паза, толщиной , имеющий П-образную форму. Преобразователь Холла 4 размещен в пазу 3 на минимально возможном расстоянии от внутреннего радиуса магнитопровода. Датчик работает следующим образом. Ток , проходящий по проводнику 2, вызывает появление соответствующего магнитного потока в магнитопроводе 1. Введение воздушного зазора 3 увеличивает сопротивление магнитному потоку в области зазора. Поэтому часть магнитного потока проходит по магнитопроводу через узкую стенку около внутреннего радиуса магнитопровода, а часть через зазор 3. Преобразователь Холла 4 вырабатывает напряжение (ЭДС), пропорциональное величине магнитного поля В в месте расположения чувствительной области преобразователя. В современных преобразователях Холла чувствительная область имеет размеры почти точечные, т.е. не превышающие 1001005 мкм. А поскольку В в зазоре пропорционально величине тока , то и ЭДС преобразователя Холла пропорциональна величине измеряемого тока . Для сплошного зазора, пересекающего все поперечное сечение магнитопровода, т.е. величина индукции в зазоре слабо зависит от места расположения преобразователя Холла, что представлено на фиг. 3 (кривая 2),и эта величина может быть вычислена из выражения 0/. Если 0, то происходит 4 5116 1 концентрация магнитного потока у стенки магнитопровода, примыкающей к его внутреннему радиусу. Величина индукции магнитного поля В в зазоре оказывается функцией координаты , что и представлено на фиг. 3 (кривая 1). Причем максимальное значение В соответствует области с координатой(1), т.е. при условии расположения преобразователя Холла на минимально возможном расстоянии от внутреннего радиуса 1. При этом величина выходного сигнала может в несколько раз превышать значение, полученное при 0. Тем самым наличие сплошного магнитопровода с тонким П-образным зазором приводит к увеличению чувствительности датчика по току при фиксированном зазоре толщиной . Фактическое увеличение чувствительности датчика обусловлено увеличением эквивалентной магнитной проницаемости э магнитопровода с зазором э/,где- проницаемость формы магнитопровода с зазором. Для сплошного зазора, т.е. когда 0 имеем(12)/ если 0, то (12)/, и при условииВ 0 э /2, т.е. В линейно зависит от величины проходящего тока. Магнитопровод выполнен сплошным, без магнитных разрывов. Это способствует тому, что он в полной мере выполняет роль замкнутого интегрирующего контура на участке толщиной от 1 до (1), и поэтому значительно уменьшает погрешность от несимметричности распределения тока в охватываемой области в соответствии с первым уравнением Максвелла в интегральной форме,где- ток, пронизывающий замкнутый контур ,- напряженность магнитного поля. Это приводит к отсутствию зависимости выходного сигнала как от геометрии расположения провода внутри магнитопровода, так и от поперечного сечения проводника с током. Так как точность бесконтактного измерения тока зависит от многих факторов, то ее можно увеличить, повысив чувствительность датчика к току и линейность его характеристики и одновременно обеспечив отсутствие влияния на выходной сигнал как геометрического сечения провода, так и его пространственного расположения в магнитопроводе. Все эти влияния на точность зависят от величины стенки магнитопровода 8, которая является функцией 1, 2,и . Причем некоторые параметры улучшаются при росте , например обеспечивается отсутствие влияния на выходной сигнал геометрии сечения провода и его пространственного расположения, но при этом уменьшается чувствительность датчика к току (при 2-1 практически весь магнитный поток проходит по магнитопроводу). Поэтому существует определенный интервал значений , при котором обеспечивается увеличение точности определенияпо сумме всех параметров. Как показали проведенные экспериментальные исследования, критерием выбораявляются соизмеримость или приближенное равенство магнитных проводимостей узкого участка магнитопровода и всего зазора. Это обеспечивает эффективное перераспределение магнитного потока по двум ветвям магнитопроводу и зазору. С учетом вышеизложенного наиболее предпочтительнымявляется интервал значений, при котором /3, и(22-12)/,где 2 - внешний радиус магнитопровода 1 - внутренний радиус магнитопроводаширина паза- максимальная магнитная проницаемость материала магнитопровода. Для экспериментальной проверки были изготовлены датчики тока со следующими параметрами (таблица). При этом использовались тонкопленочные преобразователи Холла из с чувствительностью к магнитному полю 0,5 мВ/мТл с размерами чувствительной холловской области, не превышающей 50505 мкм, а общие геометрические размеры не превышали 0,50,50,15 мм. Регистрировалась ЭДС Холла как функция тока ,протекающего по проводнику, т.е. . Величина / припредставляет собой чувствительность датчика к току. Относительная погрешность датчика Р вследствие изменения одного из параметровпри фиксированных всех остальных параметрах рассчитывалась в процентах, как изменение ЭДС выходного сигнала, вызванного этим па 5 5116 1 раметром , т.е. Р(/)100 , где- например, изменение поперечного сечения проводника с током, или смещение проводника с током относительно центра магнитопровода. В таблице приведены значения Р при самых неблагоприятных случаях смещения проводника с током от центра по направлению к зазору для датчиков тока со сплошным зазором Р 0 и когда стенкаимеет толщину в интервале от /3 до . Дополнительно,предлагаемое техническое решение увеличивает линейность выходной характеристики по току, т.е. расширяет диапазон измеряемых токов с меньшей погрешностью. Кроме того,значительно увеличивается прочность ферритового кольца, вследствие отсутствия сплошного зазора. Как видно из таблицы, наблюдается увеличение чувствительности датчика к измеряемому току, уменьшается погрешность от несимметричного распределения тока,что обуславливает повышение точности измерения тока, т.е. решение поставленной задачи. Таким образом, выполнение зазора в магнитопроводе не сплошным, а в виде тонкого паза, имеющего П-образную форму, не пересекающего внутренний радиус магнитопровода, так что толщина стенки магнитопроводав радиальном направлении в месте расположения паза заключается в пределах от /3 до , где(22-12)/, и размещение преобразователя Холла в пазу на минимально возможном расстоянии от внутреннего радиуса увеличивает чувствительность датчика к измеряемому току, снижает погрешность измерения из-за несимметричности распределения тока в охватывающем магнитопроводе,улучшает линейность выходной характеристики преобразователя Холла, что обуславливает по сумме эффектов повышение точности бесконтактного измерения тока в проводниках произвольного сечения, в том числе и с неконтролируемым смещением проводника внутри магнитопровода. Р,ИнтервалЧувстви- / при Р,при при от /3 до , тельность 0, от /3 до 5116 1 Источники информации 1. А.с. СССР 1824603, МПК 01 33/06, 1993. 2. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин Методы измерений. Л. Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1987. - С. 55. 3. Яковлев Н.И. Бесконтактные электроизмерительные приборы для диагностирования электронной аппаратуры. - Л. Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1990. - С. 43. 4.6019377 В 4, МПК 01 15/02, 1996. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.