大直流傳感器對(duì)電解工業(yè)的整流電源的計(jì)量準(zhǔn)確，穩(wěn)定可靠起到重要作用。該文所介紹的電流傳感器產(chǎn)品具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。目前它又能取代過(guò)去進(jìn)口的哈爾瑪公司的產(chǎn)品。

該傳感器的主要材料鐵芯和砷化鎵霍爾元件是從日本引進(jìn)，但經(jīng)過(guò)特殊的加工處理和電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中的元器件都選用國(guó)產(chǎn)軍工品。根據(jù)霍爾件在磁路間隙中所采集到的由電流及磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的電壓信號(hào)，運(yùn)用全電流定律和新技術(shù);新工藝手段研制成功。

直流電源計(jì)控在電解工業(yè)管理有著舉足輕重的地位，它是企業(yè)增效挖潛的主要技術(shù)考核指標(biāo)之一，也是保障整流電源平穩(wěn)運(yùn)行的調(diào)控信號(hào)源之一，因此，直流傳感器在整流電源系統(tǒng)中的計(jì)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠顯得尤為重要。

眾所周知，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)流行的直流電流傳感器分開(kāi)環(huán)和閉環(huán)二種形式(也就是常說(shuō)的直測(cè)式和檢零式)，且二種形式的傳感器在測(cè)量精度方面都有其理論根據(jù)，都是依據(jù)霍爾元件在磁路氣隙中采集由電流與磁場(chǎng)成正比轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的電壓信號(hào)，在全電流定律的理論框架下設(shè)計(jì)制作。

SDA系列直流大電流傳感器在電解工業(yè)領(lǐng)域針對(duì)不同行業(yè)、不同廠(chǎng)家的需求，可生產(chǎn)閉環(huán)式和開(kāi)環(huán)式二大類(lèi)型的多種產(chǎn)品?？蓪?duì)5KA~420KA直流大電流進(jìn)行在線(xiàn)計(jì)量檢測(cè)，具有精度高、可靠性及穩(wěn)定性好、反應(yīng)速度快、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)，產(chǎn)品曾先后列入湖北省“火炬計(jì)劃”、“科技攻關(guān)計(jì)劃”、“國(guó)家級(jí)新產(chǎn)品試制鑒定計(jì)劃”;并獲得湖北省“科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)”、國(guó)家科委“金橋獎(jiǎng)”和“國(guó)家級(jí)新產(chǎn)品證書(shū)”。

產(chǎn)品是在ISO9001-2000質(zhì)量管理體系下嚴(yán)格按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織生產(chǎn)的，依靠一支強(qiáng)勁的、經(jīng)驗(yàn)豐富的科技研發(fā)隊(duì)伍作后盾，運(yùn)用新技術(shù)，新材料，新工藝等手段，從而保證了我公司的產(chǎn)品在性能及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)上，與時(shí)俱進(jìn)地始終保持在時(shí)代的最前沿。

直流大電流傳感器是在全電流定律∫LHdL=I的基礎(chǔ)上研制的，全電流定律的核心是：磁場(chǎng)強(qiáng)度的閉合線(xiàn)積分只與閉合積分路徑相交鏈的電流(被測(cè)電流I)有關(guān)，它與電流的位置及與不交鏈電流(所產(chǎn)生的雜散磁場(chǎng))無(wú)關(guān)，當(dāng)穿過(guò)傳感器窗口的電流為零時(shí)，不管相鄰導(dǎo)排有無(wú)電流(相對(duì)外磁)，傳感器的輸出必須為零。我們知道被測(cè)電流I在鐵心中產(chǎn)生磁通Φ，用帶氣隙的均勻無(wú)分支磁路來(lái)完成待測(cè)電流I轉(zhuǎn)換成為氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度，根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)路定律H1d+H2d+……H2Nd+∫LHid1=I和霍爾元件的輸出電壓UH=KHIHB與靈敏度，控制電流和磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，將傳感器設(shè)計(jì)成一定鐵心面積和一定氣隙長(zhǎng)度，在磁路中按照中心對(duì)稱(chēng)及軸對(duì)稱(chēng)的原則將每個(gè)氣隙通道里的霍爾件由磁場(chǎng)強(qiáng)度感應(yīng)出的感應(yīng)電勢(shì)相加并放大N倍，即得出了與實(shí)際電流成正比的輸出電壓。假定霍爾檢測(cè)通道及對(duì)應(yīng)的氣隙通道為2N個(gè)(設(shè)計(jì)為偶數(shù),并在磁路中按中心及軸對(duì)稱(chēng)的原則排列),每個(gè)氣隙的寬度為d,設(shè)鐵芯的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)則有:

　　H1d+H2d+…+H2Nd+∫LHid1=Io ……………………..(1)

　　其中,Hi(i=1,2,…,2N)為氣隙通道中的磁場(chǎng)強(qiáng)度,H1為鐵芯中l(wèi)處的強(qiáng)度,Io為現(xiàn)場(chǎng)母排中的電流。

　　對(duì)于氣隙中，有Hi=Bi/μ0,而由中值定理,有

　　∫LH1d1=HLL=BLL/μrμ0

　　從而有:B1d+B2d+…+B2Nd+BLL/μr=μoIo

在上述關(guān)系式中,根據(jù)磁介質(zhì)的邊界條件,可知BL與Bi近似相等,且L/d在裝置設(shè)計(jì)中,其值范圍通常在10~30左右,而μr的值通常在四個(gè)數(shù)量級(jí)以上因而B(niǎo)L/μr在整個(gè)和式項(xiàng)中,其值很小，從而可令

　　BLL/μrμ0=βμ0I0 (且β<<1)進(jìn)而得出:

　　B1+B2+…+B2N=(1-β)μ0I0 /d……………………...(2)

　　另一方面也可以得出:

　　BL ≈μ0I0 /2Nd ………………………………….(3)

　　β≈L/2Ndμr…………………………………….(4)

在傳感器的調(diào)試中,可讓

　　SH1I1 Sinψ1= SH2I2 Sinψ2=…=SH2NI2N Sinψ2N =K

　　由VHi=SHiIiBiSinψ1代入(2)式有：

　　VH1+VH2+…+VH2N=K(1-β)μ0I0 /d

在電子線(xiàn)路中,我們將各個(gè)霍爾感應(yīng)電勢(shì)相加,并放大Q倍,作為該裝置的輸出信號(hào)Vo,即有:

　　Vo=Qk(1-β)μ0I0/d……………………………… (5)

該式即反映出檢測(cè)裝置輸出電壓Vo與一次檢測(cè)電流Io的量值對(duì)應(yīng)關(guān)系。

由以上理論分析，影響傳感器測(cè)量精度的因素很大程度上取決于選用鐵心和霍爾器件。因此我們花費(fèi)了很大的精力將各種鐵磁材料進(jìn)行大量試驗(yàn)，最終選用了日本日芝鐵公司生產(chǎn)的一種新型導(dǎo)磁材料，為盡可能地保證磁性材料的性能，在磁性材料成型前后對(duì)其進(jìn)行了特殊工藝結(jié)構(gòu)處理，這樣由我們?cè)瓉?lái)導(dǎo)磁材料的5000-8000高斯導(dǎo)磁率一下子提高到現(xiàn)在的17000-20000高斯的高導(dǎo)磁低矯頑力的理論要求上來(lái)，從而使我們的傳感器在線(xiàn)性度上得到了有效保證。

同樣在霍爾件方面,我們也是嚴(yán)格地按照理論計(jì)算精度要求,做了大量地試驗(yàn)和篩選工作，最終我們確定了日本尼賽拉公司生產(chǎn)的TO90A砷化鎵霍耳元件,它的最大優(yōu)點(diǎn)是其在恒流工作時(shí)溫度穩(wěn)定性的典型值為-300至-400PPm/℃,輸出線(xiàn)性好，其最大誤差只有0.8%,1mA1kGS的輸出電壓可達(dá)到65-170mV左右且具有很好的頻率特性,理論頻帶寬度在1M赫茲以上,只要其激勵(lì)電流不超過(guò)3.5mA ,使用壽命可達(dá)20萬(wàn)小時(shí)以上。

為了保證生產(chǎn)的傳感器在現(xiàn)場(chǎng)使用具有高可靠性，高穩(wěn)定性和高精度等要求，在采用新材料的基礎(chǔ)上，將原來(lái)的工業(yè)級(jí)元器件改成現(xiàn)在的軍品級(jí)的元器件，電路板由原來(lái)的敷銅板改為現(xiàn)在的雙面鍍金板，所有原來(lái)的電連接接插件改成現(xiàn)在的緊固件連接，保證了產(chǎn)品的高可靠性能;在制造工藝上我們采用了二級(jí)自動(dòng)溫度補(bǔ)償技術(shù)，在單個(gè)霍爾元件的補(bǔ)償工藝方面進(jìn)行了大量的研究實(shí)驗(yàn)工作，針對(duì)霍爾元件的物理特性和材料特性，采用一種新型霍爾補(bǔ)償工藝，使霍爾元件的補(bǔ)償精度及穩(wěn)定性較以前熱敏電阻補(bǔ)償工藝有很大改善，為了防止外界溫度對(duì)傳感器的影響將電子電路部分集中在一個(gè)可自控的恒溫盒里面，避免了因某個(gè)局部受溫度系數(shù)影響而導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生偏移量的變化，從而保證了產(chǎn)品的高穩(wěn)定性能;在電路結(jié)構(gòu)上我們將原來(lái)的一級(jí)差動(dòng)放大電路改成現(xiàn)在的三級(jí)差動(dòng)放大電路，消除了霍爾元件的輸出電阻大于運(yùn)算放大器的輸入電阻而產(chǎn)生的誤差。在傳感器的后級(jí)放大電路采用多級(jí)隔離放大輸出，輸出的信號(hào)互不干擾，使大電流直流計(jì)控系統(tǒng)的配接非常方便。多臺(tái)并聯(lián)整流器中，當(dāng)其中一臺(tái)停電時(shí)，直流網(wǎng)側(cè)短路產(chǎn)生的反向短路電流很大，傳感器逆流保護(hù)接點(diǎn)設(shè)定一限值，達(dá)到對(duì)整流機(jī)組的反向保護(hù)作用。

通過(guò)大量的理論研究和實(shí)踐探索，生產(chǎn)的大電流直流計(jì)控系統(tǒng)不斷完善和優(yōu)化，在市場(chǎng)上獲得了廣泛的好評(píng)。特別是在化工行業(yè)巴陵石化公司的5萬(wàn)噸離子膜燒堿直流電源系統(tǒng)應(yīng)用中(見(jiàn)下圖)