Дифференциальный измеритель постоянного тока

Полезная модель относится к измерительной технике и, в частности к измерителям тока с использованием эффекта Холла.
Известен измеритель постоянного тока (измеритель тока с элементом Холла фирмы Chen Yang, http://www.cy-sensors.com, http://chenyang-gmbh.com), содержащий элемент Холла, магнитопровод, имеющий зазор, в котором установлен элемент Холла, и охватывающий проводник с измеряемым током, усилитель, подключенный к выходу элемента Холла и стабилизированный источник питания, подключенный к входу элемента Холла и к клеммам питания усилителя.
Недостатком этого измерителя является сравнительно низкая температурная стабильность измерений, которая для элементов Холла CYL3503, CY-P15 фирмы Chen Yang составляет ±0,1%/°С и чувствительность измерителя к внешним магнитным полям, в частности, к магнитному полю Земли, которая особенно заметна при измерении небольших постоянных токов (порядка долей и единиц ампер).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является измеритель постоянного тока (патент на полезную модель RU 114788, МПК G01R 1/44 (2006.01) от 25.10.11 г.) содержащий магнитопровод, охватывающий проводник с измеряемым током, микросхемы с чувствительными элементами Холла, установленные в зазорах магнитопровода. При этом магниточувствительные входы микросхем с чувствительными элементами Холла установлены в магнитопровод противофазно. Выходы микросхем подключены к инвертирующему и неинвертирующему входам дифференциального усилителя, выход которого подключен к индикатору.
За счет дифференциального включения однотипных микросхем с элементами Холла данный измеритель имеет более высокую температурную стабильность (порядка ±0,01%/°С) и не чувствителен к магнитному полю Земли и другим внешним паразитным магнитным полям. Однако, за счет увеличения магнитного зазора вдвое, его чувствительность к полезному магнитному полю, создаваемому измеряемым постоянным током, остается равной чувствительности одноканального измерителя.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при использовании полезной модели, является повышение чувствительности измерителя.
Ожидаемый технический результат достигается тем, что в дифференциальный измеритель постоянного тока, содержащий первый элемент Холла, дифференциальный усилитель, стабилизированный источник питания и магнитопровод, имеющий зазор, в котором установлен первый элемент Холла, и охватывающий провод с измеряемым током, введены второй однотипный элемент Холла, установленный вместе с первым элементом Холла в зазоре магнитопровода, при этом, первый и второй элементы Холла расположены на общей конструктивной подложке с одной ее стороны, их потенциальные выводы подключены к входам дифференциального усилителя, а токовые выводы - к выходу стабилизированного источника питания, причем магниточувствительные входы первого и второго элементов Холла, установлены на конструктивной подложке противофазно.
На фиг. 1 приведена функциональная схема дифференциального измерителя постоянного тока, а на фиг. 2 показана конструкция одного из возможных вариантов исполнения дифференциального элементов Холла.
Измеритель постоянного тока содержит магнитопровод 1, охватывающий проводник с измеряемым током 2, однотипные элементы Холла 3 и 4, установленные в зазоре 5 магнитопровода 1 на общей конструктивной подложке 6. При этом магниточувствительные входы элементов Холла 3 и 4 установлены на конструктивной подложке 6 противофазно. Потенциальные выводы элементов Холла 3 и 4 подключены к соответствующим входам дифференциального усилителя 7, выход которого подключен к индикатору 8. Токовые выводы элементов Холла 3 и 4 подключены к выходу стабилизированного источника питания 9.
При отсутствии тока в проводнике 2 на элементы Холла 3 и 4 не воздействует магнитное поле, и на их потенциальных выходах вырабатываются одинаковые исходные напряжения смещения, которые поступают на инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя 7. Поэтому на выходе дифференциального усилителя 7 вырабатывается разностное напряжение Uвых=Uo3-Uo4=0, которое фиксируется индикатором 8.
При протекании постоянного тока по проводнику 2 вокруг него создается постоянное магнитное поле, которое концентрируется магнитопроводом 2 в зазоре 5, а следовательно, оно воздействует и на дифференциально включенные элементы Холла 3 и 4. На потенциальных выводах элементов Холла 3 и 4 вырабатываются приращения сигналов ΔU3 и ΔU4, прямо пропорциональные величине магнитного поля и измеряемому току в проводнике 2, но противоположные по направлению. Поэтому на выходе дифференциального усилителя 7 они складываются между собой ΔU3+ΔU4, в то время как постоянные напряжения смещения Uo3, Uo4 вычитаются. В результате, на выходе дифференциального усилителя 7 вырабатывается разностное напряжение ΔUвых = Uo3 - Uo4 + ΔU3 + ΔU4 = ΔU3 + ΔU4 = 2 ΔU3 = 2 ΔU4, которое прямо пропорционально величине тока, протекающего в проводнике 2, и индицируется на индикаторе 8.
Когда на измеритель тока воздействует внешнее магнитное поле (например, магнитного поля Земли), то оно заставляет вырабатывать дифференциально включенные элементы Холла 3 и 4 одинаковые приращения сигналов ΔU3пом. и ΔU4пом. по величине и направлению, поэтому на выходе дифференциального усилителя 7, они компенсируются.
Соединение токовых и потенциальных выводов элементов Холла 3 и 4 по схеме, показанной на фиг. 2, позволяет получить дифференциальный датчик Холла, который можно изготовить в виде отдельной микросхемы.
Установление второго однотипного элемента Холла на конструктивной подложке с одной ее стороны с первым элементом Холла позволяет изготовлять оба элемента Холла в едином технологическом процессе, то есть получить дифференциальный датчик Холла, что, в свою очередь, позволяет увеличить температурную стабильность измерений.
Введение и расположение второго однотипного элемента Холла, установленного на общей конструктивной подложке с первым элементом Холла с одной ее стороны и соответствующее соединение их в схеме позволяет уменьшить в 2 раза величину воздушного зазора в магнитопроводе и тем самым увеличить вдвое чувствительность измерителя.
Литература.
1. Измеритель тока с элементом Холла CYL3503 фирмы Chen Yang, http://www.cy-sensors.com, http://chenyang-gmbh.com.
2. Патент на полезную модель №114788 по кл. G01R 1/44 от 25.10.11 г.