霍爾乘法器
霍爾乘法器的作用是將整機輸出的直流電流I調(diào)制成與流量信號相同的電壓ef，以實現(xiàn)征集閉環(huán)負反饋和進行除法運算，補償電源電壓、電源頻率波動的影響，并達到量程連續(xù)可調(diào)的目的。
霍爾乘法器是根據(jù)半導體霍爾效應原理制成的部件。鍺霍爾元件HZ-1型又兩對互相垂直的電極，它的形狀如圖4-12a所示。其中一對電極a、b為輸出電勢極，另一對電極c、d為控制電流極。如果把同游電流if的矩形半導體霍爾元件薄片至于磁回路氣隙為δ（0.5mm~0.6mm）的磁場中，此磁場的方向應與霍爾元件平面相垂直，如圖4-12b所示，則由于存在霍爾效應，在霍爾電勢極a、b兩端產(chǎn)生一個其大小正比于電流if和直流磁場Bf的乘積的霍爾電勢eH，所以稱為霍爾乘法器。
當if或Bf=0時，應有eH=0,而if≠0時，eH≠0. 產(chǎn)生不等位電勢的主要原因是由于兩個霍爾電勢極a、b在制作時不可能絕對對稱地焊在霍爾片兩側(cè)，如圖4-13a所示。因此，當控制電流if流過霍爾片時，a、b兩電極不處在同一等位面上，這時雖然 未加磁場，a、b之間存在電勢差V0，該電勢差就稱為不等位電勢。另外，元件材料的電阻率不均勻或霍爾片厚薄不均勻，控制電流極c、d的端面焊點接觸不良等，也是產(chǎn)生不等位電勢的原因之一。分析不等位電勢時，把霍爾元件等效成一個橋路（見圖4-13b）。不等位電勢V0相當于橋路不平衡時輸出量，這是不希望有的。為了克服不等位電勢帶來的影響，電路根據(jù)橋路平衡原理進行了補償，它的補償電路如圖4-14歲哦是。為消除不等位電勢，霍爾乘法器中的R1、R2、W1和霍爾元件HZ-1型組成橋式電路，調(diào)節(jié)W1的滑臂位置，可以是V0輸出為最小（一般在0~50μF左右）。但是補償不等位電勢的電阻溫度系數(shù)不等于霍爾元件電阻率的溫度系數(shù)，因此即使調(diào)平衡后，溫度變化仍會影響不等位電勢。如果采用具有相同溫度系數(shù)的電阻來補償，對霍爾元件雖然可以，但對整個乘法器部件來說卻并不一定合適，因為霍爾元件和磁路的溫度系數(shù)亦不相同，有正有負。其試驗數(shù)據(jù)如表4-1、4-2所示。一般來說，當環(huán)境溫度升高時，霍爾元件的不等位電勢V0下降，而部件的輸出電勢eH增大，在溫度超過45~50℃時，eH卡事下降，兩者有互相補償作用，但也要設計到磁體結(jié)構(gòu)的合理選擇、磁性材料的特性，在安裝和灌封霍爾元件時，必須對霍爾元件的性能進行挑選、老化和篩選。
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表4-1 溫度對不等位電勢的影響 |
t(℃) |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
V0(mV) |
0.323 |
0.311 |
0.292 |
0.25 |
0.236 |
0.21 |
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表4-2 溫度對霍爾部件的影響
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t(℃) |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
eH(mV) |
27.172 |
27.198 |
27.22 |
27.228 |
27.23 |
27.205 |
轉(zhuǎn)換器的輸入為交流毫伏信號，而輸出為直流電流I，因此轉(zhuǎn)換器的反饋電流必須具有將直流電流I成比例地變成交流的特性，霍爾乘法器就是具有這種特性的裝置。圖4-14電路中，霍爾元件的控制電流if取自電流互感器B1（見圖4-12），轉(zhuǎn)換器的輸出電流I就是霍爾乘法器的激磁電流。這里if可視為幅值不變的與流量信號同相的電流，所以霍爾乘法器輸出的交流電勢eH的幅值與I成正比，其相位與流量信號同相或反相（視磁場方向而定）。此電勢反饋至前置放大器的輸入端，從而實現(xiàn)整機閉環(huán)負反饋。
關(guān)于補償電源電壓、電源頻率波動的影響問題，已在轉(zhuǎn)換器的工作原理中作了分析，這里再簡要地說明它的補償作用。從4-9、4-10式可以看出，當電源電壓變化時，引起變送器激磁電流is的變化（即磁感應強度B的變化），因此流量信號e也發(fā)送變化，但由于is的變化引起霍爾乘法器控制電流if的變化，霍爾乘法器的輸出電勢eH也發(fā)送變化。又因為e與eH幾乎保持不變，故輸出電流I亦保持不變，得到了補償。電源頻率變化的影響與上述相同。
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