變化的強磁場環境下電流測量電路及方法

2023-05-22 09:30:01

專利名稱：變化的強磁場環境下電流測量電路及方法
技術領域：
本發明涉及在核聚變裝置Τ0ΚΑΜΑΚ附近變化的強磁場環境下實現對小電流的精 確測量領域，具體涉及一種變化的強磁場環境下電流測量電路及方法。
背景技術：
低雜波是目前核聚變實驗中進行電流驅動和加熱的重要手段之一。低雜波系統是 由多隻高功率速調管組成的複雜系統，管體和主迴路的過流保護是系統安全運行的重要保 障。其中管體是IOmA量級，主迴路為IOA量級，實現對管體電流的精確測量尤為關鍵。這 種高壓情況下的電流隔離測量一般採用霍爾器件，通過霍爾器件的電流測量信號來實現系 統的保護。目前系統採用單一的霍爾元件來測量速調管管體電流，由於系統在核聚變裝置 (EAST)附近，極向場電流產生的空間磁場較強，這種簡單的單一霍爾器件測量小電流明顯 受到這個磁場的幹擾，導致測量的誤差，進而影響保護的可靠性。單一霍爾器件輸出信號 是管體電流磁場和空間極向場電流產生的磁場共同作用的結果。極向場電流是隨時間變化 的，其產生的空間磁場是時變磁場，並且這個磁場和管體電流的磁場是同一數量級的。目前，單一霍爾器件不能消除空間電磁場對測量小電流的影響。

發明內容
本發明的目的是提供一種變化的強磁場環境下電流測量電路及方法，通過雙霍爾 元件來消除空間強磁場對小電流測量的影響。本發明的技術方案如下—種變化的強磁場環境下電流測量電路，包括有二個並排放置的霍爾元件H1、H2， 其特徵在於所述二個霍爾元件HI、H2的霍爾片相互平行且法向相反，所述二個霍爾元件 H1、H2的鐵芯上分別繞有通被測電流的線圈，二個霍爾元件H1、H2鐵芯上的線圈首尾相連， 被測電流在霍爾片處的磁場方向與各自霍爾片的法向相同；從霍爾元件Hl的霍爾片的兩 個輸出端分別引出第一、二路接線，從霍爾元件H2的霍爾片的兩個輸出端分別引出第三、 四路接線，其中第二、三路接線共接地，第一、四路接線分別串聯可調電阻Rl、R2後接入由 二個運算放大器Ul、U2組成的二級比較放大電路的輸入端，二級比較放大電路的輸出端引 出有接線。一種變化的強磁場環境下電流測量方法，其特徵在於其具體包括以下步驟由於極向場電流產生的磁場在整個空間的分布是緩變的，霍爾元件HI、H2之間的 距離遠遠小於霍爾元件到極向場電纜之間的距離，霍爾元件可以近似為一個點，因此極向 場電流在霍爾元件HI、H2位置產生的磁場都可以看作是相等的，因此對霍爾元件HI、H2來 說，這個空間磁場B只是時間t的函數，即B = B(t)；選取兩個同樣型號的霍爾元件H1、H2，先將霍爾元件H1、H2並排同向放置，然後固 定霍爾元件Hl，將霍爾元件H2繞軸旋轉180°，使霍爾元件H1、H2的霍爾片平行但法向Hm
4與、2相反，被測電流信號I同向穿過霍爾元件H1、H2，並且匝數相同，Bl和B2是被測電流在 霍爾片處產生的磁場，磁場大小Bl =B2 =MI，M是轉換係數，方向與各自法向相同；Bp(t) 是極向場電流產生的磁場在垂直於霍爾片法向的分量；假設霍爾元件HI、H2對磁場的轉換係數分別為Kl和K2，則有VHl = KlX (Bl+Bp(t)) (1)VH2 = K2 X (B2_Bp (t)) (2)(3)
KS KlK2把式(1)、(2)帶入(3)可得
D DDDDV0K2 )BP (0)⑷
Λ5 K1K2K1 K2顯然，當夂2=0時，空間磁場B對測量值不產生影響，由此可得到
Kl K2Rl = K1R2/K2(5)把式(5)和式Bl = B2 = MI代入式(4)可得
Κ5 K2(6)實際應用中，存在有極向場電流產生的磁場Bp的幹擾，先不對霍爾元件HI、H2通 被測電流，即I = 0，調節可調電阻R1、R2阻值使得輸出電壓Vo的值為零，即消除極向場電 流產生的磁場Bp的幹擾；然後用恆流源定標的方法，即對霍爾元件HI、H2的被測電流線圈
i K R
通恆定電流I，即可得到電流-電壓轉換係數A，即A=2 χ X -jZ^MI，且A為常數，最後
K5 Κ2
得到Vo = AI (7)當對霍爾元件HI、H2通被測電流I後，只需通過測量輸出電壓Vo的值，即可通過 式⑵求得被測電流I的值。本發明的有益效果本發明為聚變裝置環境下速調管管體電流的精確測量提供了可行性方法，在極向 場的時變強磁場下，用單一的霍爾器件來測量小電流信號受到很大幹擾；本發明提出雙霍 爾器件消除時變強磁場的影響，為準確測量電流，並為系統保護提供了可靠保障。


圖1為本發明的電路結構原理圖。圖2為在極向場產生的變化的強磁場環境下由單霍爾元件和雙霍爾元件測量的 波形，其中(a)為單霍爾元件測量的波形，(b)雙霍爾元件測量的波形。
具體實施例方式參見圖1，一種變化的強磁場環境下電流測量電路，包括有二個並排放置的霍爾元 件H1、H2，其特徵在於所述二個霍爾元件HI、H2的霍爾片相互平行且法向相反，所述二個霍爾元件H1、H2的鐵芯上分別繞有通被測電流的線圈，二個霍爾元件H1、H2鐵芯上的線圈 首尾相連，被測電流在霍爾片處的磁場方向與各自霍爾片的法向相同；從霍爾元件Hl的霍 爾片的兩個輸出端分別引出第一、二路接線，從霍爾元件H2的霍爾片的兩個輸出端分別引 出第三、四路接線，其中第二、三路接線共接地，第一、四路接線分別串聯可調電阻R1、R2後 接入由二個運算放大器U1、U2組成的二級比較放大電路的輸入端，二級比較放大電路的輸 出端引出有接線。一種變化的強磁場環境下電流測量方法為由於極向場電流產生的磁場在整個空間的分布是緩變的，霍爾元件HI、H2之間的 距離遠遠小於霍爾元件到極向場電纜之間的距離，霍爾元件可以近似為一個點，因此極向 場電流在霍爾元件HI、H2位置產生的磁場都可以看作是相等的，因此對霍爾元件HI、H2來 說，這個空間磁場B只是時間t的函數，即B = B(t)；選取兩個同樣型號的霍爾元件HI、H2，先將霍爾元件HI、H2並排同向放置，然後 固定霍爾元件H1，將霍爾元件H2繞軸旋轉180°，使霍爾元件HI、H2的霍爾片平行但法向
與^z2相反，被測電流信號I同向穿過霍爾元件HI、H2，並且匝數相同，Bl和B2是被測 電流在霍爾片處產生的磁場，磁場大小Bl =B2 = MI，M是轉換係數，方向與各自法向相同； Bp (t)是極向場電流產生的磁場在垂直於霍爾片法向的分量；假設霍爾元件Hl、H2對磁場的轉換係數分別為Kl和K2，則有VHl = KlX (Bl+Bp(t)) (1)VH2 = K2X (B2_Bp (t)) (2)
D DDV0=^(-^Vm+^VH2)(3)
K5 K1K2把式(1)、⑵帶入(3)可得K =J^iJ-KlBi K2B2+(^-K1 ~^-K2)BP(t))(4)
J R顯然，當-^1A=O時，空間磁場B對測量值不產生影響，由此可得到
Kl K2Rl = H/K2(5)把式(5)和式Bl = B2 = MI代入式(4)可得
D τζ D
及5 R2(6)實際應用中，存在有極向場電流產生的磁場Bp的幹擾，先不對霍爾元件HI、H2通 被測電流，即I = 0，調節可調電阻R1、R2阻值使得輸出電壓Vo的值為零，即消除極向場電 流產生的磁場Bp的幹擾；然後用恆流源定標的方法，即對霍爾元件HI、H2的被測電流線圈
R KR
通恆定電流I，即可得到電流-電壓轉換係數A，即A= 2 X^ X ^^M/，且A為常數，最後
K5 K2
得到Vo = AI (7)當對霍爾元件HI、H2通被測電流I後，只需通過測量輸出電壓Vo的值，即可通過
6式⑵求得被測電流I的值。以下結合具體實施例對本發明作進一步的說明參見圖2，根據本發明提出的變化的強磁場環境下電流測量方法，搭建測量系統， 並在實際的Τ0ΚΑΜΑΚ放電過程中進行測量(a)圖中給出是兩個單霍爾元件電路輸出的信號，分別對應圖2中的VHl和VH2， 這兩個信號極性相反，幅度成線性關係，正比於極向場的磁場在霍爾元件法向的分量；(b) 圖給出的是某次放電中測量到的VHl信號和雙霍爾元件電路輸出Vo信號，由於霍爾元件靈 敏度差異，通過調節可調電阻R1、R2的阻值，可以使輸出電壓Vo的值為零，從圖中可以看 出，雙霍爾元件電路可以消除外界變化的強磁場對電流測量的影響。
權利要求
一種變化的強磁場環境下電流測量電路，包括有二個並排放置的霍爾元件H1、H2，其特徵在於所述二個霍爾元件H1、H2的霍爾片相互平行且法向相反，所述二個霍爾元件H1、H2的鐵芯上分別繞有通被測電流的線圈，二個霍爾元件H1、H2鐵芯上的線圈首尾相連，被測電流在霍爾片處的磁場方向與各自霍爾片的法向相同；從霍爾元件H1的霍爾片的兩個輸出端分別引出第一、二路接線，從霍爾元件H2的霍爾片的兩個輸出端分別引出第三、四路接線，其中第二、三路接線共接地，第一、四路接線分別串聯可調電阻R1、R2後接入由二個運算放大器U1、U2組成的二級比較放大電路的輸入端，二級比較放大電路的輸出端引出有接線。
2.一種變化的強磁場環境下電流測量方法，其特徵在於其具體包括以下步驟由於極向場電流產生的磁場在整個空間的分布是緩變的，霍爾元件HI、H2之間的距離 遠遠小於霍爾元件到極向場電纜之間的距離，霍爾元件可以近似為一個點，因此極向場電 流在霍爾元件H1、H2位置產生的磁場都可以看作是相等的，因此對霍爾元件H1、H2來說，這 個空間磁場B只是時間t的函數，即B = B(t)；選取兩個同樣型號的霍爾元件H1、H2，先將霍爾元件H1、H2並排同向放置，然後固定霍 爾元件Hl，將霍爾元件H2繞軸旋轉180°，使霍爾元件HI、H2的霍爾片平行但法向^il與 ^2相反，被測電流信號I同向穿過霍爾元件H1、H2，並且匝數相同，Bl和B2是被測電流在 霍爾片處產生的磁場，磁場大小Bl =B2 =MI，M是轉換係數，方向與各自法向相同；Bp(t) 是極向場電流產生的磁場在垂直於霍爾片法向的分量；假設霍爾元件HI、H2對磁場的轉換係數分別為Kl和K2，則有VHl = KlX (Bl+Bp(t)) (1)VH2 = K2X (B2-Bp (t)) (2) 把式⑴、⑵帶入⑶可得 顯然，當 時，空間磁場B對測量值不產生影響，由此可得到Rl = K1R2/K2 (5)把式(5)和式Bl = B2 = MI代入式(4)可得 實際應用中，存在有極向場電流產生的磁場Bp的幹擾，先不對霍爾元件HI、H2通被測 電流，即I = 0，調節可調電阻R1、R2阻值使得輸出電壓Vo的值為零，即消除極向場電流產 生的磁場Bp的幹擾；然後用恆流源定標的方法，即對霍爾元件HI、H2的被測電流線圈通恆定電流I，即可得到電流_電壓轉換係數A， ，且A為常數，最後得到Vo = AI(7)當對霍爾元件H1、H2通被測電流I後，只需通過測量輸出電壓Vo的值，即可通過式(7) 求得被測電流I的值。
全文摘要
本發明公開了一種變化的強磁場環境下電流測量電路及方法，其電路包括有二個並排放置、霍爾法向相反的霍爾元件H1、H2和由二個運算放大器U1、U2組成的二級比較放大電路，在極向場產生的變化的強磁場環境下，二個霍爾元件H1、H2鐵芯的線圈上通過被測電流I，二級比較放大電路的輸出電壓為Vo，通過一系列公式求得被測電流I的值。本發明為聚變裝置環境下速調管管體電流的精確測量提供了可行性方法，在極向場的時變強磁場下，用單一的霍爾器件來測量小電流信號受到很大幹擾；本發明提出雙霍爾器件消除時變強磁場的影響，為準確測量電流，並為系統保護提供了可靠保障。
文檔編號G01R19/00GK101915867SQ20101024301
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月27日 優先權日2010年7月27日
發明者馮建強, 王茂 申請人:中國科學院等離子體物理研究所