專利名稱：變化的強(qiáng)磁場環(huán)境下電流測量電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在核聚變裝置Τ0ΚΑΜΑΚ附近變化的強(qiáng)磁場環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)小電流的精 確測量領(lǐng)域，具體涉及一種變化的強(qiáng)磁場環(huán)境下電流測量電路及方法。
背景技術(shù)：
低雜波是目前核聚變實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行電流驅(qū)動(dòng)和加熱的重要手段之一。低雜波系統(tǒng)是 由多只高功率速調(diào)管組成的復(fù)雜系統(tǒng)，管體和主回路的過流保護(hù)是系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保 障。其中管體是IOmA量級(jí)，主回路為IOA量級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)管體電流的精確測量尤為關(guān)鍵。這 種高壓情況下的電流隔離測量一般采用霍爾器件，通過霍爾器件的電流測量信號(hào)來實(shí)現(xiàn)系 統(tǒng)的保護(hù)。目前系統(tǒng)采用單一的霍爾元件來測量速調(diào)管管體電流，由于系統(tǒng)在核聚變裝置 (EAST)附近，極向場電流產(chǎn)生的空間磁場較強(qiáng)，這種簡單的單一霍爾器件測量小電流明顯 受到這個(gè)磁場的干擾，導(dǎo)致測量的誤差，進(jìn)而影響保護(hù)的可靠性。單一霍爾器件輸出信號(hào) 是管體電流磁場和空間極向場電流產(chǎn)生的磁場共同作用的結(jié)果。極向場電流是隨時(shí)間變化 的，其產(chǎn)生的空間磁場是時(shí)變磁場，并且這個(gè)磁場和管體電流的磁場是同一數(shù)量級(jí)的。目前，單一霍爾器件不能消除空間電磁場對(duì)測量小電流的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種變化的強(qiáng)磁場環(huán)境下電流測量電路及方法，通過雙霍爾 元件來消除空間強(qiáng)磁場對(duì)小電流測量的影響。本發(fā)明的技術(shù)方案如下—種變化的強(qiáng)磁場環(huán)境下電流測量電路，包括有二個(gè)并排放置的霍爾元件H1、H2， 其特征在于所述二個(gè)霍爾元件HI、H2的霍爾片相互平行且法向相反，所述二個(gè)霍爾元件 H1、H2的鐵芯上分別繞有通被測電流的線圈，二個(gè)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(gè)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(gè)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(lián)可調(diào)電阻Rl、R2后接入由 二個(gè)運(yùn)算放大器Ul、U2組成的二級(jí)比較放大電路的輸入端，二級(jí)比較放大電路的輸出端引 出有接線。一種變化的強(qiáng)磁場環(huán)境下電流測量方法，其特征在于其具體包括以下步驟由于極向場電流產(chǎn)生的磁場在整個(gè)空間的分布是緩變的，霍爾元件HI、H2之間的 距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于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(gè)點(diǎn)，因此極向 場電流在霍爾元件HI、H2位置產(chǎn)生的磁場都可以看作是相等的，因此對(duì)霍爾元件HI、H2來 說，這個(gè)空間磁場B只是時(shí)間t的函數(shù)，即B = B(t)；選取兩個(gè)同樣型號(hào)的霍爾元件H1、H2，先將霍爾元件H1、H2并排同向放置，然后固 定霍爾元件Hl，將霍爾元件H2繞軸旋轉(zhuǎn)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(hào)I同向穿過霍爾元件H1、H2，并且匝數(shù)相同，Bl和B2是被測電流在 霍爾片處產(chǎn)生的磁場，磁場大小Bl =B2 =MI，M是轉(zhuǎn)換系數(shù)，方向與各自法向相同；Bp(t) 是極向場電流產(chǎn)生的磁場在垂直于霍爾片法向的分量；假設(shè)霍爾元件HI、H2對(duì)磁場的轉(zhuǎn)換系數(shù)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(dāng)夂2=0時(shí)，空間磁場B對(duì)測量值不產(chǎn)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(shí)際應(yīng)用中，存在有極向場電流產(chǎn)生的磁場Bp的干擾，先不對(duì)霍爾元件HI、H2通 被測電流，即I = 0，調(diào)節(jié)可調(diào)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(chǎn)生的磁場Bp的干擾；然后用恒流源定標(biāo)的方法，即對(duì)霍爾元件HI、H2的被測電流線圈
i K R
通恒定電流I，即可得到電流-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)A，即A=2 χ X -jZ^MI，且A為常數(shù)，最后
K5 Κ2
得到Vo = AI (7)當(dāng)對(duì)霍爾元件HI、H2通被測電流I后，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(fā)明的有益效果本發(fā)明為聚變裝置環(huán)境下速調(diào)管管體電流的精確測量提供了可行性方法，在極向 場的時(shí)變強(qiáng)磁場下，用單一的霍爾器件來測量小電流信號(hào)受到很大干擾；本發(fā)明提出雙霍 爾器件消除時(shí)變強(qiáng)磁場的影響，為準(zhǔn)確測量電流，并為系統(tǒng)保護(hù)提供了可靠保障。


圖1為本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)原理圖。圖2為在極向場產(chǎn)生的變化的強(qiáng)磁場環(huán)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(shí)施例方式參見圖1，一種變化的強(qiáng)磁場環(huán)境下電流測量電路，包括有二個(gè)并排放置的霍爾元 件H1、H2，其特征在于所述二個(gè)霍爾元件HI、H2的霍爾片相互平行且法向相反，所述二個(gè)霍爾元件H1、H2的鐵芯上分別繞有通被測電流的線圈，二個(gè)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(gè)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(gè)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(lián)可調(diào)電阻R1、R2后 接入由二個(gè)運(yùn)算放大器U1、U2組成的二級(jí)比較放大電路的輸入端，二級(jí)比較放大電路的輸 出端引出有接線。一種變化的強(qiáng)磁場環(huán)境下電流測量方法為由于極向場電流產(chǎn)生的磁場在整個(gè)空間的分布是緩變的，霍爾元件HI、H2之間的 距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于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(gè)點(diǎn)，因此極向 場電流在霍爾元件HI、H2位置產(chǎn)生的磁場都可以看作是相等的，因此對(duì)霍爾元件HI、H2來 說，這個(gè)空間磁場B只是時(shí)間t的函數(shù)，即B = B(t)；選取兩個(gè)同樣型號(hào)的霍爾元件HI、H2，先將霍爾元件HI、H2并排同向放置，然后 固定霍爾元件H1，將霍爾元件H2繞軸旋轉(zhuǎn)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(hào)I同向穿過霍爾元件HI、H2，并且匝數(shù)相同，Bl和B2是被測 電流在霍爾片處產(chǎn)生的磁場，磁場大小Bl =B2 = MI，M是轉(zhuǎn)換系數(shù)，方向與各自法向相同； Bp (t)是極向場電流產(chǎn)生的磁場在垂直于霍爾片法向的分量；假設(shè)霍爾元件Hl、H2對(duì)磁場的轉(zhuǎn)換系數(shù)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(dāng)-^1A=O時(shí)，空間磁場B對(duì)測量值不產(chǎn)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(shí)際應(yīng)用中，存在有極向場電流產(chǎn)生的磁場Bp的干擾，先不對(duì)霍爾元件HI、H2通 被測電流，即I = 0，調(diào)節(jié)可調(diào)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(chǎn)生的磁場Bp的干擾；然后用恒流源定標(biāo)的方法，即對(duì)霍爾元件HI、H2的被測電流線圈
R KR
通恒定電流I，即可得到電流-電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)A，即A= 2 X^ X ^^M/，且A為常數(shù)，最后
K5 K2
得到Vo = AI (7)當(dāng)對(duì)霍爾元件HI、H2通被測電流I后，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(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明參見圖2，根據(jù)本發(fā)明提出的變化的強(qiáng)磁場環(huán)境下電流測量方法，搭建測量系統(tǒng)， 并在實(shí)際的Τ0ΚΑΜΑΚ放電過程中進(jìn)行測量(a)圖中給出是兩個(gè)單霍爾元件電路輸出的信號(hào)，分別對(duì)應(yīng)圖2中的VHl和VH2， 這兩個(gè)信號(hào)極性相反，幅度成線性關(guān)系，正比于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(hào)和雙霍爾元件電路輸出Vo信號(hào)，由于霍爾元件靈 敏度差異，通過調(diào)節(jié)可調(diào)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(qiáng)磁場對(duì)電流測量的影響。
權(quán)利要求
一種變化的強(qiáng)磁場環(huán)境下電流測量電路，包括有二個(gè)并排放置的霍爾元件H1、H2，其特征在于所述二個(gè)霍爾元件H1、H2的霍爾片相互平行且法向相反，所述二個(gè)霍爾元件H1、H2的鐵芯上分別繞有通被測電流的線圈，二個(gè)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(gè)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(gè)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(lián)可調(diào)電阻R1、R2后接入由二個(gè)運(yùn)算放大器U1、U2組成的二級(jí)比較放大電路的輸入端，二級(jí)比較放大電路的輸出端引出有接線。
2.一種變化的強(qiáng)磁場環(huán)境下電流測量方法，其特征在于其具體包括以下步驟由于極向場電流產(chǎn)生的磁場在整個(gè)空間的分布是緩變的，霍爾元件HI、H2之間的距離 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于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(gè)點(diǎn)，因此極向場電 流在霍爾元件H1、H2位置產(chǎn)生的磁場都可以看作是相等的，因此對(duì)霍爾元件H1、H2來說，這 個(gè)空間磁場B只是時(shí)間t的函數(shù)，即B = B(t)；選取兩個(gè)同樣型號(hào)的霍爾元件H1、H2，先將霍爾元件H1、H2并排同向放置，然后固定霍 爾元件Hl，將霍爾元件H2繞軸旋轉(zhuǎn)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(hào)I同向穿過霍爾元件H1、H2，并且匝數(shù)相同，Bl和B2是被測電流在 霍爾片處產(chǎn)生的磁場，磁場大小Bl =B2 =MI，M是轉(zhuǎn)換系數(shù)，方向與各自法向相同；Bp(t) 是極向場電流產(chǎn)生的磁場在垂直于霍爾片法向的分量；假設(shè)霍爾元件HI、H2對(duì)磁場的轉(zhuǎn)換系數(shù)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(dāng) 時(shí)，空間磁場B對(duì)測量值不產(chǎn)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(shí)際應(yīng)用中，存在有極向場電流產(chǎn)生的磁場Bp的干擾，先不對(duì)霍爾元件HI、H2通被測 電流，即I = 0，調(diào)節(jié)可調(diào)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(chǎn) 生的磁場Bp的干擾；然后用恒流源定標(biāo)的方法，即對(duì)霍爾元件HI、H2的被測電流線圈通恒定電流I，即可得到電流_電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)A， ，且A為常數(shù)，最后得到Vo = AI(7)當(dāng)對(duì)霍爾元件H1、H2通被測電流I后，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(fā)明公開了一種變化的強(qiáng)磁場環(huán)境下電流測量電路及方法，其電路包括有二個(gè)并排放置、霍爾法向相反的霍爾元件H1、H2和由二個(gè)運(yùn)算放大器U1、U2組成的二級(jí)比較放大電路，在極向場產(chǎn)生的變化的強(qiáng)磁場環(huán)境下，二個(gè)霍爾元件H1、H2鐵芯的線圈上通過被測電流I，二級(jí)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(fā)明為聚變裝置環(huán)境下速調(diào)管管體電流的精確測量提供了可行性方法，在極向場的時(shí)變強(qiáng)磁場下，用單一的霍爾器件來測量小電流信號(hào)受到很大干擾；本發(fā)明提出雙霍爾器件消除時(shí)變強(qiáng)磁場的影響，為準(zhǔn)確測量電流，并為系統(tǒng)保護(hù)提供了可靠保障。
文檔編號(hào)G01R19/00GK101915867SQ20101024301
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月27日
發(fā)明者馮建強(qiáng), 王茂 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所