е) возможность измерения в широком интервале частоты при точной передаче сигнала в виде кривой напряжения;

ж) ВЫХОДНОЙ сигнал может быть любым, т. е. постоянным три постоянном и синусоидальном токах; переменным и импульсным с произвольной формой импульса при измеряемом постоянном или переменном токе;

з) возможность применения в установках с высоким напряжением ввиду простоты изолирования датчика Холла, например, заливкой его в эпоксидную смолу.

Теперь рассмотрим основные зависимости для преобразователя больших значений постоянного тока. Напряжение Холла для датчика Холла, показанного на рис. 16-1, составляет

и„=ыв.

(16-1)

Поддерживая 7 = const п предполагая линейную зависимость между измеряемым током 1т и индукцией В в воздушном зазоре, получим линейную зависимость напряжения Холла Uh от измеряемого тока 1т-

С целью уменьшения влияния внешних магнитных полей, возникающих от обратного провода, ферромагнитных масс и т. п., а также для упрощения монтажа применяется сердечник, разделенный на несколько частей, чаще на две части с двумя зазорами и двумя датчиками Холла. Напряжение Холла, вызванное измеряемым током в обоих датчиках Холла, суммируется, а напряжения, происходящие от паразитных полей, взаимно компенсируются.

В § 11-2-2 уже обсуждались условия получения линейной зависимости индукции в зазоре магнитной цепи от намагничивающего поля. Ниже этот вопрос будет рассмотрен несколько иначе.

Известно, что сумма магнитных напряжений вдоль замкнутой магнитной цепи равняется н. с. F. Для ферромагнитного сердечника, имеющего п равномерных зазоров, получаем:

(Я.. + Яз. -f... -f Яз„) h + 1, F, (16-2)

где Hsi, ..., Hsn - напряженность поля в соответствующем зазоре, /s -длина зазора, Яре -напряженность поля в сердечнике, /уе -средняя длина линии поля в сердечнике. 242

Сумма индукций Bsi+ ... +Bsn в зазорах сердечника равняется

Bs. -f -f . . . -f Ban = (f - Яр, lJ, (16-3)

где цо - проницаемость воздуха.

С целью получения линейной зависимости между суммой индукции в зазорах сердечника и н. с. необходимо стремиться к получению

(16-4)

Следовательно, сердечник должен быть изготовлен из материала с узкой петлей гистерезиса и большим значением индукции насыщения, так как тогда можно будет получить большое значение индукции в воздушном зазоре. Этим требованиям лучше всего отвечает холоднокатаная тонколистовая электротехническая сталь.

Пользуясь неравенством (16-4), получаем:

(16-5)

Линейная зависимость в формуле (16-5) справедлива только до определенного предельного значения н. с. fnp, зависящего от индукции насыщения сердечника и рассеяния в зазорах {Л. 282].

Фирма «Сименс» изготовила на основе датчиков Холла преобразователи постоянного тока (Л. 48, 282, 309] на диапазоны 10, 15, 30, 60, 100 и 150 ка с точностью 0,2% в интервале температур 10-40°С.

Сердечник из двух частей (для диапазонов 100 и 150 ка -из четырех частей) выполнен из холоднокатаной электротехнической стали. Длина зазоров установлена очень точно с помощью специальных вкладышей. В каждом из зазоров находится по одному датчику Холла, питаемому постоянным током 500 ма от стабилизатора (точность стабилизации ±0,01%). Выводы датчиков Холла соединяются последовательно, а каждый из датчиков имеет сменную нагрузку- милливольтметр класса 0,2, счетчик ампер-часов и т. п.

Преобразователи были отградуированы с помощью измерителя напряженности поля, основанного на методе ядерного резонанса, с точностью порядка тысячных долей процента.

16* 243

Влияние колебаний измеряемого тока в пределах О-105% от значения номинального тока, влияние приближения обратного провода с 1,5 л до 0,2 м от внешнего края ярм,а, а также влияние приближения ферромагнитной массы с высотой и сечением этой массы, близкими к высоте и сечению сердечника, с расстояния 100 см до непосредственного соприкосновения с сердечником вблизи зазора-пренебрежимо малы. При перегрузке на 60% преобразователя на 20 ка яе появляется эффект магнитного запаздывания.

Наследов и Зотова [Л. 640] описали конструкцию и измерительную схему преобразователя постоянного тока на 40 ка, аналогичного килоамперметру фирмы «Сименс».

Боркман [Л. 45] описал килоамперметр постоянного тока на основе датчиков Холла с пределом до 16 ка с ярмом из холоднокатаной тонколистовой электротехнической стали с двумя зазорами и двумя датчиками Холла. Датчики Холла типа EZS2g (ГДР) питаются от мультивибратора управляющим током в виде импульсов прямоугольной формы с частотой 2 кгц. Суммарное напряжение Холла усиливается и выпрямляется. Электронный измерительный прибор позволяет измерять ток

-в интервале 1,6-100 ка. Токи величиной выше номинального значения 16 ка можно измерять, изменяя размеры ярма и зазоров. С помощью потенциометра для каждого значения измеряемого тока можно установить выходное напряжение в пределах О-12 в. Электронный прибор питается от сети через стабилизатор. Точность показаний в диапазоне температур О-45° С и при колебаниях питающего напряжения -20-н + 10% не пре-

, вышает ± 1 %.

Первые польские конструкции килоамперметров иа основе датчиков Хол.па постоянного тока (рис. 16-2) разработала Осуховская [Л. 362], получив на пределе 1 000 а точность ±2% (ярмо тороидальное из электротехнической стали с одним зазором и датчиком Холла типа FA23), а также ±1,5% (ярмо из сплава Н79М5 с одним зазором и германиевым датчиком Холла).

На заводе им. Г. Димитрова изготовлен преобразователь на 1 500 а с точностью ±2 7о, предпазпаченнын для электрической тяги на номинальное напряжение изоляции 3 000 в. Германиевый датчик Холла питается от сети через ферромагнитный стабилизатор и выпрямитель. Сердечник из листовой стали tran-сотАб, имеющий следующие размеры: внутренни11 диаметр 60 мм, наружный диаметр 90 мм. высота 20 мм, обернут несколько раз хлопчатобумажной тесьмой и залит эпоксидной смолой «Зпидиан 2F». Первичной обмоткой является медный стержень диаметром 35 мм. Этот 244

ип преобразователя предназначен, следовательно, длй встройки в данную измерительную цепь. Показывающим прибором является магнитоэлектрический щитовой прибор.

На заводе им. Г. Димитрова изготовлен также уникальный прибор для измерения постоянного тока без прерывания измерительной цепи -измерительные клещи на датчике Холла по образцу клеще1 Дитца, применяемых для измерения переменного тока.

Диапазон измерений этого прибора 50-400 а, точность ±5%, номинальное напряжение изоляции 500 в, вес 1,6 кг, питание от батареи ртутных элементов. Точность амперметра можно значительно повысить (даже до ±1,5%), применяя два датчика Холла, изготовленных нз InAs (вместо одного из InSb).

Серков {Л. 662] использовал для измерения больших токов клещи специальной конструкции. В разомкнутом магнитном сердечнике сделано 100 зазоров длиной 0,125 мм каждый. Зависимость индукции в зазорах от напряженности магнитного поля является линейной с точностью до 0,5%. iB зазорах сердечника помещены через равные интервалы пять германиевых датчиков Холла" с соединенными параллельно выходным-и цепями. (Внутренний диаметр клещей составляет 15 см, что позао-, ляет охватывать шину на, ток до 10 ка. Точность прибора 2,5%1. Такое решение позволяет сконструировать переносное устройство для измерения токов порядка 105-106 а.

Осциллографирова ни е больших переменных токов связано с большими трудностями. Измерительные трансформаторы тока с ферромагнитным сердечником при измерении токов короткого замыкания дают очень большие погрешности по амплитуде и фазе по причине нелинейной характеристики сердечника. Особенно большие погрешности имеют место при измерении апериодической составляющей тока копоткого замыкания. Воздушные измерительные трансформаторы тока дают иа выходе напряжение, пропорциональное производной тока по времени, и требуют поэтому последующего интегрирования выходного сигнала. Шунты для измерения переменных токов должны быть безындукционными; к тому же они потребляют большую мощность.

Вышеописанные трудности можно преодолеть с помощью датчиков Холла. Болотин [Л. 559] применял датчики Холла для измерения больших переменных токов при лабораторных испытаниях коммутационной аппаратуры. Так как большой ток создаст сильное магнитное поле, можно было не применять ни сердечника, ни концентраторов поля, что при переменном токе было бы неудобно ввиду возникновения вихревых токов. Достоинством датчика Холла

Рис. 16-2. Преобразователь сильных постоянных токов на датчиках Холла.

является, между прочим, -возможность помещения его в такие места, в которых напряженность поля находится в фазе с возбуждающим его и одновременно измеряемым током. Маленькие размеры датчика Холла (6 = 4 мм) способствуют тому, что погрешность от усреднения поля пренебрежимо мала. При переменном токе в цепях управляющего тока и выходного напряжения датчика Холла индуктируются паразитные э. д. с. Их влияние в токовой цепи уменьшают при- j менением обычного резистора с большим активным сопротивлением, в связи с чем" приходится использовать источник питания с соот- ветственно большим напряжением; в цепи выходного напряжения включен компенсационный виток, площадь которого равна площади петли, образованной холловскими выводами, а напряжение, индуктированное в витке, имеет противоположную фазу. Болотин измерял ток до 150 ка с помощью пленочного датчика Холла из HgSe и до 30 ка с помощью германиевого датчика Холла; точность измерений приблизительно 1%.

В табл. 16-1 представлены важнейшие свойства некоторых измерительных преобразователей тока на датчиках Холла.

В определенных случаях для измерения тока можно использовать свойства датчика Холла как квадратичного детекто1*а. В этом случае измеряемый переменный синусоидальный ток /х течет как через датчик Холла, так и через катушку, возбуждающую магнитное поле, действующее на датчик Холла.

Напряжение Холла будет равно:

= kll + kll cos 2ш/,

(16-6)

где k - коэффициент пропорииона.чьности.

Постоянную составляющую A/ можно измерять с помощью мзгни-

тоэлектрического милливольтметра. Если сй = 0, то мы имеем дело с постоянным током. Достоинством такого решения является возможность использования схем для -измерения тока в широком диапазоне иапряженностей и частот. Недостатком же является квадратичная зависимость выходного напряжения от измеряемого тока.

Мазуров и Прудников (Л. 630] описали свойства амперметра на датчике Холла, работающем -в -качестве квадратичного детектора. Диапазон измерений 2,5; 5 и 10 а (квадратичная шкала), основная погрешность 3,5%, интервал частот 0-100 кгц, температурная погрешность в диапазоне 10-40С не выше 1%. В приборе использованы ферритовый сердечник с двумя зазорами и двумя германиевыми датчиками Холла, а также схе.ма частотной коррекции.

Уитлок и Хилсум [Л. 5(Ю] использовали датчик Холла для измерения силы тока в ионных и электронных пучках. Из стержня из мю-металла диаметром 1,3 см сделан тороид с одним зазором длиной 0,4 мм, в котором помещен датчик Холла из InSb толщиной 0,25 мм. Тороид охватывает канал, через который проникает поток ионов и электронов, возбуждающих магнитное поле. На тороид навита обмотка, через которую течет ток, компенсирующий поле, создаваемое потоком ионов и электронов. Это приспособление позволяет улавливать токи порядка 5 мка.

Датчики Холла также нашли применение для измерения токов короткого замыкания в сетях высокого напряжения [Л. 204]. Ведь датчики Холла имеют лучшие частотные характеристики, че.м шунты 246

и трансформаторы тока, и могут быть использованы для измерения тока в цепях, изолированных относительно земли.

Датчик Холла также можно использовать при испытаниях предохранителей, когда обычные квадраторы непригодны по причине инерционности и неспособности выдерживать большие перегрузки.

Подводя итог, следует заключить, что измерения больших постоянных токов с помощью датчиков Холла выполняются уже в промышленном масштабе. Кроме того, ряд других измерений силы тока с помощью датчиков Холла бывает весьма удобным в лабораторных условиях.

16-2. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ

Из-мерения мощности, так же как и измерения силы тока, встречаются -во всех отраслях электротехники и в связи с этим разработано уже много методов, приборов и измерительных схем. Несмотря на это, продолжаются дальнейшие исследования, имеющие своей целью расширение диапазона частоты измеряемых сигналов, увеличение чувствительности и точности измерений, упрощение измерений и т. п.

Датчики Холла также нашли применение для измерения мощности. Их действие заключается в умножении двух величин. Они позволяют производить:

а) непосредственное измерение мощности, например, с помощью магнитоэлектрического прибора;

б) измерение мощности от частоты, равной нулю (или от постоянного тока), до частоты порядка гигагерц;

в) осциллографирование мощности при переходных процессах;

г) суммирование мощности нескольких объектов, дистанционные измерения, регистрацию и регулирование мощности;

д) измерение активной и реактивной мощности при помощи одной измерительной схемы.

Достоинствами их являются: малое собственное потребление мощности, большая чувствительность, простота конструкции и независимость действия.

14 1-1. ИЗМЕРЕНИЕ МОЩНОСТИ В ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Измерение мощности опирается, как уже упоминалось, на умножающие свойства датчика Холла.

Если управляющий ток равен или пропорционален измеряемому постоянному току 1т (рис. 16-3,аК