整理霍尔效应及其应用实验报告Word文档格式.docx
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电极两侧就开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场---霍尔电场。
电场的指向取决于试样的导电类型。
对N型试样，霍尔电场逆Y方向，P型试样则沿Y方向，其一般关系可表示为
显然，该霍尔电场是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力eEH与洛伦兹力F相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，此时有E
F=eE
（2）EH
其中E为霍尔电场强度，是载流子在电流方向上的平均漂移速率。
H
设试样的宽度为b，厚度为d，载流子浓度为n，则
（3）Is,nevbd
由
（2）、（3）两式可得
IBIB1SSVb,E,,RHHHd（4）nedd
在产生霍尔效应的同时，因伴随着多种副效应，以致实验测得的A、A′两电极之间的电压并
不等于真实的V值，而是包含着各种副效应引起的附加电压，因此必须设法消除。
根据副效应产H
生的机理可知，采用电流和磁场换向的对称测量法，基本上能够把副效应的影响从测量的结果中消除，具体的做法是Is和B的大小不变，并在设定电流和磁场的正、反方向后，依次测量由下列四组不同方向的Is和B组合的两点之间的电压V、V、V、和V，即+Is，+B，V12341
+Is，-B，V2
-Is，-B，V3
-Is，+B，V4
然后求上述四组数据V、V、V和V的代数平均值，可得:
12341,2，3,4VVVVVH,（mV）（5）4通过对称测量法求得的V，虽然还存在个别无法消除的副效应，但其引入的误差甚小，可以略而H
不计。
由式（4）可知霍尔电压VH（A、A?
电极之间的电压）与IsB乘积成正比，与试样厚度d成反比。
比例系数称为霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数。
只要测出V（V）H
1以及知道Is（A）、B（T）和d（m）可按下式计算R霍尔系数HH,Rne
VdH（6）R,HIBS
根据R可进一步确定以下参数:
（1）由R的符号（或霍尔电压的正、负）判断试样的导电类型。
判断的方法是按图
（1）所示H
的Is和B的方向，若测得的V,V,0，（即点A的电位低于点A?
的电位）则R为负，样品HAA,H属N型，反之则为P型。
1n,
（2）求载流子浓度。
由可求出载流子浓度。
应该指出，这个关系式是假定所有的载流ReH
子都具有相同的漂移速率得到的，如果考虑载流子的漂移速率服从统计分布规律，需引入修正因子3π/8。
（3）结合电导率的测量，求载流子的迁移率μ。
电导率σ可以通过图（a）所示的A、C电极进行测量。
设A、C间的距离L=3.00mm,样品的横截面积为S=bd,流经样品的电流为Is，在零磁场下，若测得A、C间的电位差为Vσ，可由下式求得σ，
ILs,,（7）VS,
电导率σ与载流子浓度n以及迁移率μ之间有如下关系:
σ,neμ（8）
即μ,|R|σ，通过实验测出σ值即可求出μ。
根据上述可知，要得到大的霍尔电压，关键是要选择霍尔系数大（即迁移率μ高、电阻率ρ亦较高）的材料。
因|R|,μρ，就金属导体而言，μ和ρ均很低，而不良导体ρ虽高，但μ极小，H
因而上述两种材料的霍尔系数都很小，不能用来制造霍尔器件。
半导体μ高，ρ适中，是制造霍尔器件较理想的材料，由于电子的迁移率比空穴的迁移率大，所以霍尔器件都采用N型材料，又由于霍尔电压的大小与材料的厚度成反比，因此，薄膜型的霍尔器件的输出电压较片状要高得多。
就霍尔元件而言，其厚度是一定的，所以实用上采用
1H,Kned（9）来表示霍尔元件的灵敏度，K称为霍尔元件灵敏度。
单位为mV/（mA?
T）或mV/（mA?
kGs）H
（10）电导率σ的测量，σ可以通过图2-21所示的A、C间的距离为l，样品的横截面积为S=bd，流经样品的电流为Is，在零磁场下，若测得A、
C（A′、C′）间的电位差为Vσ（Vac）,可由下式求得σ
σ=Isl/VσS
实验步骤
按图
（2）连接测试仪和实验仪之间相应的Is、V和I各组连线，Is及I换向开关投向上方，表HMM明Is及I均为正值（即Is沿X方向，B沿Z方向），反之为负值。
V、V切换开关投向上方测MHσV，投向下方测V（样品各电极及线包引线与对应的双刀开关之间连线已由制造厂家连接好）。
Hσ
图
（2）霍尔效应实验仪示意图
接线时严禁将测试仪的励磁电源“I输出”误接到实验仪的“Is输入”或“V、V输出”处，MHσ否则一旦通电，霍尔元件即遭损坏～
（2）对测试仪进行调零。
将测试仪的“Is调节”和“I调节”旋钮均置零位，待开机数分M
钟后若V显示不为零，可通过面板左下方小孔的“调零”电位器实现调零，即“0.00”。
（3）测绘V,Is曲线。
将实验仪的“V、V”切换开关投向V侧，测试仪的“功能切换”置HHσHV。
保持I值不变（取I,0.6A），测绘V,Is曲线。
HMMH
（4）测绘V,Is曲线。
实验仪及测试仪各开关位置同上。
保持Is值不变，（取Is,3.00mA），H
测绘V,Is曲线。
（5）测量V值。
将“V、V”切换开关投向V侧，测试仪的“功能切换”置在零磁场下，取δHσδ
Is,2.00mA，测量V。
注意:
Is取值不要过大，以免V太大，毫伏表超量程（此时首位数码显示δσ
为1，后三位数码熄灭）。
（6）确定样品的导电类型。
将实验仪三组双刀开关均投向上方，即Is沿X方向，B沿Z方向，毫伏表测量电压为V。
取Is,2mA，I,0.6A，测量V大小及极性，判断样品导电类型。
AA?
MH
（7）求样品的R、n、σ和µ
值。
实验数据与结果
（1）测绘V,I曲线，数据记录如下Hs
V1（mV）V2（mV）V3（mV）V4（mV）1,2，3,4VVVVIsVH,（mV）（mA）+Is）+B+Is）-B-Is）-B-Is、+B4
1.003.21-3.012.80-3.4214.11
1.504.88-4.474.26-5.0920.36
2.006.54-5.935.72-6.7526.57
2.508.17-7.367.15-8.3832.74
3.009.85-8.838.62-10.0640.68
4.0013.17-11.7411.52-13.3836.43其中电流范围:
I,0.6A;
Is取值:
1.00-4.00mA。
M
图形如下（横坐标为I/mA,纵坐标为V/mV）SH
（2）绘测V,I曲线，数据记录如下HM
V1（mV）V2（mV）V3（mV）V4（mV）IM
（A）+Is）+B+Is）-B-Is）-B-Is、+B
0.3005.19-4.153.94-5.414.6725
0.4006（75-5.725.50-6.976（235
0.5008.30-7.287.07-8.537.795
0.6009.87-8.858.64-10.089.36
0.70011.40-10.4010（18-11.6310.902
0.80012.95-11.9511.73-13.1612.44
其中电流范围:
Is,3.00mA;
I取值:
0.300-0.800A。
图形如下（横坐标为I/mA,纵坐标为V/mV）MH
（3）确定样品的导电类型.将实验仪三组双刀均投向上方,即延X方向,B延Z
方向,毫伏表测量电压为Vaa.
取Is=2mA,Im=0.6A,测量Vh大小及极性,判断样品导电类型.解:
Vh=6.54mA,所以导电类型为P型.
（4）求样品的Rh,n,σ和μ值.
解:
1ILsVd18Hn,,,R由代入数据算的R=5.713，由代入数据算的n=1.09×
10，由代入,HHVS,ReIBHS
数据算的σ=21.05S/m,由μ,|R|σ代入数据的μ=120.26。
实验结果分析
1、如何精确测量霍尔电压,本实验采用什么办法消除各种附加电压,
答:
多次测量取平均值。
本实验通过对称测量法求的霍尔电压。
2、磁场不恰好与霍尔片的法线一致，对测量效果有什么影响,
磁场与霍尔片的法线不一致，会造成有效磁场变小，则对应测得霍尔系数变大。
3、能否用霍尔片元件测量交变磁场,若能，怎么测量,
可以，因为霍尔效应建立的时间极短,使用交流磁场时,所得的霍尔电压也是交变的,此时
的I和V应理解为有效值，上下板交替累积载流子无稳定的电势差。
MH
4、如何根据I、B和V的方向，判断所测样品为N型半导体还是P型半导体,H
由错误～未找到引用源。
可得。
5、请根据欧姆定律推导出错误～未找到引用源。
（电导率δ为电阻率ρ的倒数）。
和错误～未找到引用源。
可得
。
6、本实验的主要误差有哪些，这些误差对实验有何影响,
产生霍尔效应的同时，伴随着多种副效应，以导致实验测得的A、A’两级之间的电压并
不等于真实的V值，而是包含了各种副效应引起的附加电压。
本实验采取了对称测量法，基H
本上能够把副效应的影响从测量的结果中消除。
虽然还存在个别无法消除的副效应，但其引
入的误差甚小，可忽略不计。
教师评语
电厂分散控制系统故障分析与处理
作者:
单位:
摘要:
归纳、分析了电厂DCS系统出现的故障原因，对故障处理的过程及注意事项进行了说明。
为提高分散控制系统可靠性，从管理角度提出了一些预防措施建议，供参考。
关键词:
DCS故障统计分析预防措施
随着机组增多、容量增加和老机组自动化化改造的完成，分散控制系统以其系统和网络结构的先进性、控制软件功能的灵活性、人机接口系统的直观性、工程设计和维护的方便性以及通讯系统的开放性等特点，在电力生产过程中得到了广泛应用，其功能在DAS、MCS、BMS、SCS、DEH系统成功应用的基础上，正逐步向MEH、BPC、ETS和ECS方向扩展。
但与此同时，分散控制系统对机组安全经济运行的影响也在逐渐增加;
因此如何提高分散控制系统的可靠性和故障后迅速判断原因的能力，对机组的安全经济运行至关重要。
本文通过对浙江电网机组分散控制系统运行中发生的几个比较典型故障案例的分析处理，归纳出提高分散系统的可靠性的几点建议，供同行参考。
1考核故障统计
浙江省电力行业所属机组，目前在线运行的分散控制系统，有TELEPERM-ME、MOD300，INFI-90，NETWORK-6000，MACS?
和MACS-?
，XDPS-400，A/I。
DEH有TOSAMAP-GS/C800，DEH-IIIA等系统。
笔者根据各电厂安全简报记载，将近几年因分散控制系统异常而引起的机组故障次数及定性统计于表1
表1热工考核故障定性统计
2热工考核故障原因分析与处理
根据表1统计，结合笔者参加现场事故原因分析查找过程了解到的情况，下面将分散控制系统异常（浙江省电力行业范围内）而引起上述机组设备二类及以上故障中的典型案例分类浅析如下:
2.1测量模件故障典型案例分析
测量模件“异常”引起的机组跳炉、跳机故障占故障比例较高，但相对来讲故障原因的分析查找和处理比较容易，根据故障现象、故障首出信号和SOE记录，通过分析判断和试验，通常能较快的查出“异常”模件。
这种“异常”模件有硬性故障和软性故障二种，硬性故障只能通过更换有问题模件，才能恢复该系统正常运行;
而软性故障通过对模件复位或初始化，系统一般能恢复正常。
比较典型的案例有三种:
（1）未冗余配置的输入/输出信号模件异常引起机组故障。
如有台130MW机组正常运行中突然跳机，故障首出信号为“轴向位移大?
”，经现场检查，跳机前后有关参数均无异常，轴向位移实际运行中未达到报警值保护动作值，本特利装置也未发讯，但LPC模件却有报警且发出了跳机指令。
因此分析判断跳机原因为DEH主保护中的LPC模件故障引起，更换LPC模件后没有再发生类似故障。
另一台600MW机组，运行中汽机备用盘上“汽机轴承振动高”、“汽机跳闸”报警，同时汽机高、中压主汽门和调门关闭，发电机逆功率保护动作跳闸;
随即高低压旁路快开，磨煤机B跳闸，锅炉因“汽包水位低低”MFT。
经查原因系,1高压调门因阀位变送器和控制模件异常，使调门出现大幅度晃动直至故障全关，过程中引起,1轴承振动高高保护动作跳机。
更换,1高压调门阀位控制卡和阀位变送器后，机组启动并网，恢复正常运行。
（2）冗余输入信号未分模件配置，当模件故障时引起机组跳闸:
如有一台600MW机组运行中汽机跳闸，随即高低压旁路快开，磨煤机B和D相继跳闸，锅炉因“炉膛压力低低”MFT。
当时因系统负荷紧张，根据SOE及DEH内部故障记录，初步判断的跳闸原因而强制汽机应力保护后恢复机组运行。
二日后机组再次跳闸，全面查找分析后，确认2次机组跳闸原因均系DEH系统三路“安全油压力低”信号共用一模件，当该模件异常时导致汽轮机跳闸，更换故障模件后机组并网恢复运行。
另一台200MW机组运行中，汽包水位高?
值，?
值相继报警后MFT保护动作停炉。
查看CRT上汽包水位，2点显示300MM，另1点与电接点水位计显示都正常。
进一步检查显示300MM的2点汽包水位信号共用的模件故障，更换模件后系统恢复正常。
针对此类故障，事后热工所采取的主要反事故措施，是在检修中有针对性地对冗余的输入信号的布置进行检查，尽可能地进行分模件处理。
（3）一块I/O模件损坏，引起其它I/O模件及对应的主模件故障:
如有台机组“CCS控制模件故障"
及“一次风压高低”报警的同时，CRT上所有磨煤机出口温度、电流、给煤机煤量反馈显示和总煤量百分比、氧量反馈，燃料主控BTU输出消失，F磨跳闸（首出信号为“一次风量低”）。
4分钟后CRT上磨煤机其它相关参数也失去且状态变白色，运行人员手动MFT（当时负荷410MW）。
经检查电子室制粉系统过程控制站（PCU01柜MOD4）的电源电压及处理模件底板正常，二块MFP模件死机且相关的一块CSI模件（（模位1-5-3，有关F磨CCS参数）故障报警，拔出检查发现其5VDC逻辑电源输入回路、第4输出通道、连接MFP的I/O扩展总线电路有元件烧坏（由于输出通道至BCS（24VDC），因此不存在外电串入损坏元件的可能）。
经复位二块死机的MFP模件，更换故障的CSI模件后系统恢复正常。
根据软报警记录和检查分析，故障原因是CSI模件先故障，在该模件故障过程中引起电压波动或I/O扩展总线故障，导致其它I/O模件无法与主模件MFP03通讯而故障，信号保持原值，最终导致
主模件MFP03故障（所带A-F磨煤机CCS参数），CRT上相关的监视参数全部失去且呈白色。
2.2主控制器故障案例分析
由于重要系统的主控制器冗余配置，大大减少了主控制器“异常”引发机组跳闸的次数。
主控制器“异常”多数为软故障，通过复位或初始化能恢复其正常工作，但也有少数引起机组跳闸，多发生在双机切换不成功时，如:
（1）有台机组运行人员发现电接点水位计显示下降，调整给泵转速无效，而CRT上汽包水位保持不变。
当电接点水位计分别下降至甲-300mm，乙-250mm，并继续下降且汽包水位低信号未发，MFT未动作情况下，值长令手动停炉停机，此时CRT上调节给水调整门无效，就地关闭调整门;
停运给泵无效，汽包水位急剧上升，开启事故放水门，甲、丙给泵开关室就地分闸，油泵不能投运。
故障原因是给水操作站运行DPU死机，备用DPU不能自启动引起。
事后热工对给泵、引风、送风进行了分站控制，并增设故障软手操。
（2）有台机组运行中空预器甲、乙挡板突然关闭，炉膛压力高MFT动作停炉;
经查原因是风烟系统I/O站DPU发生异常，工作机向备份机自动切换不成功引起。
事后电厂人员将空预器烟气挡板甲1、乙1和甲2、乙2两组控制指令分离，分别接至不同的控制站进行控制，防止类似故障再次发生。
2.3DAS系统异常案例分析
DAS系统是构成自动和保护系统的基础，但由于受到自身及接地系统的可靠性、现场磁场干扰和安装调试质量的影响，DAS信号值瞬间较大幅度变化而导致保护系统误动，甚至机组误跳闸故障在我省也有多次发生，比较典型的这类故障有:
（1）模拟量信号漂移:
为了消除DCS系统抗无线电干扰能力差的缺陷，有的DCS厂家对所有的模拟量输入通道加装了隔离器，但由此带来部分热电偶和热电阻通道易电荷积累，引起信号无规律的漂移，当漂移越限时则导致保护系统误动作。
我省曾有三台机组发生此类情况（二次引起送风机一侧马达线圈温度信号向上漂移跳闸送风机，联跳引风机对应侧），但往往只要松一下端子板接线（或拆下接线与地碰一下）再重新接上，信号就恢复了正常。
开始热工人员认为是端子柜接地不好或者I/O屏蔽接线不好引起，但处理后问题依旧。
厂家多次派专家到现场处理也未能解决问题。
后在机组检修期间对系统的接地进行了彻底改造，拆除原来连接到电缆桥架的AC、DC接地电缆;
柜内的所有备用电缆全部通过导线接地;
UPS至DCS电源间增加1台20kVA的隔离变压器，专门用于系统供电，且隔离变压器的输出端N线与接地线相连，接地线直接连接机柜作为系统的接地。
同时紧固每个端子的接线;
更换部份模件并将模件的软件版本升级等。
使漂移现象基本消除。
（2）DCS故障诊断功能设置不全或未设置。
信号线接触不良、断线、受干扰，使信号值瞬间变化超过设定值或超量程的情况，现场难以避免，通过DCS模拟量信号变化速率保护功能的正确设置，可以避免或减少这类故障引起的保护系统误动。
但实际应用中往往由于此功能未设置或设置不全，使此类故障屡次发生。
如一次风机B跳闸引起机组RB动作，首出信号为轴承温度高。
经查原因是由于测温热电阻引线是细的多股线，而信号电缆是较粗的
单股线，两线采用绞接方式，在震动或外力影响下连接处松动引起轴承温度中有点信号从正常值突变至无穷大引起（事后对连接处进行锡焊处理）。
类似的故障有:
民工打扫现场时造成送风机轴承温度热电阻接线松动引起送风机跳闸;
轴承温度热电阻本身损坏引起一次风机跳闸;
因现场干扰造成推力瓦温瞬间从99?
突升至117?
，1秒钟左右回到99?
，由于相邻第八点已达85?
，满足推力瓦温度任一点105?
同时相邻点达85?
跳机条件而导致机组跳闸等等。
预防此类故障的办法，除机组检修时紧固电缆和电缆接线，并采用手松拉接线方式确认无接线松动外，是完善DCS的故障诊断功能，对参与保护连锁的模拟量信号，增加信号变化速率保护功能尤显重要（一当信号变化速率超过设定值，自动将该信号退出相应保护并报警。
当信号低于设定值时，自动或手动恢复该信号的保护连锁功能）。
（3）DCS故障诊断功能设置错误:
我省有台机组因为电气直流接地，保安1A段工作进线开关因跳闸，引起挂在该段上的汽泵A的工作油泵A连跳，油泵B连锁启动过程中由于油压下降而跳汽泵A，汽泵B升速的同时电泵连锁启动成功。
但由于运行操作速度过度，电泵出口流量超过量程，超量程保护连锁开再循环门，使得电泵实际出水小，B泵转速上升到5760转时突然下降1000转左右（事后查明是抽汽逆止阀问题），最终导致汽包水位低低保护动作停炉。
此次故障是信号超量程保护设置不合理引起。
一般来说，DAS的模拟量信号超量程、变化速率大等保护动作后，应自动撤出相应保护，待信号正常后再自动或手动恢复保护投运。
2.4软件故障案例分析
分散控制系统软件原因引起的故障，多数发生在投运不久的新软件上，运行的老系统发生的概率相对较少，但一当发生，此类故障原因的查找比较困难，需要对控制系统软件有较全面的了解和掌握，才能通过分析、试验，判断可能的故障原因，因此通常都需要厂家人员到现场一起进行。
这类故障的典型案例有三种:
（1）软件不成熟引起系统故障:
此类故障多发生在新系统软件上，如有台机组80%额定负荷时，除DEH画面外所有DCS的CRT画面均死机（包括两台服务器），参数显示为零，无法操作，但投入的自动系统运行正常。
当时采取的措施是:
运行人员就地监视水位，保持负荷稳定运行，热工人员赶到现场进行系统重启等紧急处理，经过30分钟的处理系统恢复正常运行。
故障原因经与厂家人员一起分析后，确认为DCS上层网络崩溃导致死机，其过程是服务器向操作员站发送数据时网络阻塞，引起服务器与各操作员站的连接中断，造成操作员站读不到数据而不停地超时等待，导致操作员站图形切换的速度十分缓慢（网络任务未死）。
针对管理网络数据阻塞情况，厂家修改程序考机测试后进行了更换。
另一台机组曾同时出现4台主控单元“白灯”现象，现场检查其中2台是因为A机备份网停止发送，1台是A机备份网不能接收，1台是A机备份网收、发数据变慢（比正常的站慢几倍）。
这类故障的原因是主控工作机的网络发送出现中断丢失，导致工作机发往备份机的数据全部丢失，而双机的诊断是由工作机向备份机发诊断申请，由备份机响应诊断请求，工作机获得备份机的工作状态，上报给服务器。
由于工作机的发送数据丢失，所以工作机发不出申请，也就收不到备份机的响应数据，认为备份机故障。
临时的解决方法是
当长时间没有正确发送数据后，重新初始化硬件和软件，使硬件和软件从一个初始的状态开始运行，最终通过更新现场控制站网络诊断程序予以解决。
（2）通信阻塞引发故障:
使用TELEPERM-ME系统的有台机组，负荷300MW时,运行人员发现煤量突减，汽机调门速关且CRT上所有火检、油枪、燃油系统均无信号显示。
热工人员检查发现机组EHF系统一柜内的I/OBUS接口模件ZT报警灯红闪，操作员站与EHF系统失去偶合，当试着从工作站耦合机进入OS250PC软件包调用EHF系统时，提示不能访问该系统。
通过查阅DCS手册以及与SIEMENS专家间的电话分析讨论，判断故障原因最大的可能是在三层CPU切换时，系统处理信息过多造成中央CPU与近程总线之间的通信阻塞引起。
根据商量的处理方案于当晚11点多在线处理，分别按三层中央柜的同步模件的SYNC键，对三层CPU进行软件复位:
先按CPU1的SYNC键，相应的红灯亮后再按CPU2的SYNC键。
第二层的同步红灯亮后再按CPU3的同步模件的SYNC键，按3秒后所有的SYNC的同步红灯都熄灭，系统恢复正常。
（3）软件安装或操作不当引起:
有两台30万机组均使用ConductorNT5.0作为其操作员站，每套机组配置3个SERVER和3个CLIENT，三个
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