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吳康 艾倫電氣自動(dòng)化技術(shù)有限公司
A New high frequency monitor instrument for the large current were used in
Ultrasonic wave-pipeline cleaner of High- vioce strength
摘要:本文將對(duì)新型高頻大電流LED 數(shù)字面扳表的設(shè)計(jì)組成與特點(diǎn)作分折,并作為高聲強(qiáng)度高可靠超聲波管道清洗機(jī)的可靠性監(jiān)測(cè)應(yīng)用作介紹。
關(guān)鍵詞： 霍爾電流傳感器 超聲波管道清洗機(jī) 換能器 DC/AC A/D轉(zhuǎn)換器
1、問(wèn)題的提出-高頻大電流穩(wěn)定性與可靠性的監(jiān)測(cè)
高聲強(qiáng)(1500W)超聲波管道清洗機(jī)是用于石油產(chǎn)品制造水循環(huán)冷卻系統(tǒng)中的重要設(shè)備(圖1為高聲強(qiáng)超聲波管道清洗機(jī)示意圖).而高聲強(qiáng)超聲波管道清洗機(jī)的換能器是應(yīng)用壓電逆效應(yīng)將電功率轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)的轉(zhuǎn)換器,它是管道清洗機(jī)的工作頭.為此作為高聲強(qiáng)超聲波管道清洗機(jī)大功率信號(hào)源功率,即高頻大功率開關(guān)電源(功率1500W-2000W, 頻率為25KHz其電壓為150-200V ,電流為10A)的高可靠性至關(guān)重要,而信號(hào)源功率可靠的關(guān)鍵是高頻(正弦波25 KHz)大電流的穩(wěn)定高可靠.才能保證高聲強(qiáng)超聲波管道清洗機(jī)換能器正常、安全的長(zhǎng)期運(yùn)行.據(jù)此,必須應(yīng)對(duì)高頻(正弦波22-25 KHz)大電流運(yùn)行作監(jiān)測(cè).由此引出應(yīng)開發(fā)高頻大電流LED監(jiān)測(cè)表的想法是必然.這也是近幾年來(lái)伴隨高頻大功率開關(guān)電源應(yīng)用日益擴(kuò)大，迫切需要設(shè)計(jì)出對(duì)其高頻負(fù)載電流迸行可靠性監(jiān)測(cè)的設(shè)備,因?yàn)檫@是一種關(guān)系到整個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)能否安全長(zhǎng)期運(yùn)行的重要措施.
那末如何對(duì)高頻(正弦波22-25 KHz)大電流運(yùn)行作監(jiān)測(cè)吶?
值此對(duì)我們將對(duì)應(yīng)用LEM公司的LA25-Np安裝式多量程霍爾電流傳感器開發(fā)的模塊式高頻大電流LED數(shù)字顯示監(jiān)測(cè)表的設(shè)計(jì)方案(見圖2所示)作一介紹.
2、新型模塊式高頻大電流LED監(jiān)測(cè)表的設(shè)計(jì)方案.
2.1設(shè)計(jì)思想
該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)分二大部分組合而成,即作為前級(jí)的檢測(cè)頭(見圖2的左半部IC1框圖)再加上后級(jí)的LED數(shù)字顯示面板(見圖2的右半部IC2,即由A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換加上LED數(shù)字顯示塊).
按照以往的技術(shù),前級(jí)檢測(cè)頭只能采用大電流互感器來(lái)檢測(cè)大電流的變化，然而這不但體積大、功耗大、成本高、誤差大，即便如此也只能適用于電流頻率為0-1KHz范圍以內(nèi)，而面對(duì)高頻(數(shù)KHz to數(shù)十KHz)的大電流(10A以上) 變化的檢測(cè)，此類大電流互感器從技術(shù)到工藝均難以實(shí)現(xiàn).
而今,采用新型的LEM模塊型LA25-Np安裝式多量程霍爾電流傳感器作為前級(jí)檢測(cè)頭不乏為是一種良好選擇. 這是為什么吶? 只因它的特點(diǎn)是能應(yīng)用霍爾效應(yīng)對(duì)直流、工頻、高頻等各種波形的電流進(jìn)行測(cè)量，并且是電隔的，其輸出為電壓信號(hào).其最大優(yōu)越性是量程大、精度高、功耗小、重量輕、使用方便可靠。
而后級(jí)LED數(shù)字顯示面板則采用美國(guó)MAXIM公司產(chǎn)的A/D單芯片MAX139/140型就可組成.見圖2的右半部 IC2所示
只要將上述的霍爾電流傳感器模塊與A/D單芯片組合,即可成為模塊式的高頻大電流LED數(shù)字監(jiān)測(cè)表,能符合可靠性好、體積小、精度高的最佳設(shè)計(jì). 其設(shè)計(jì)方案總電框圖如圖2所示.
2.2設(shè)計(jì)組成及功能
2.21 LA25-Np安裝式多量程霍爾電流傳感器IC1
* LA25-Np特征：
LA25-Np是利用霍爾效應(yīng)和磁平衡原理的一種多量程電流傳感器，能夠測(cè)量直流，交流以及各種脈沖電流，同時(shí)在電氣上是高度絕緣的。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路,見圖3中間虛線內(nèi)的IC1所示. 從圖中可看出它由由集磁環(huán)和霍爾磁敏元件與運(yùn)算放大器及VP1與VP2組成推挽功率放大輸出及反饋補(bǔ)償電輸路等組成。
* LA25-Np主要技術(shù)指標(biāo)
初級(jí)額定電流Ip可為多量程(5、6、8、12、25A),而根據(jù)本項(xiàng)目應(yīng)用僅選用12A額定電流即可；測(cè)量電流范圍18A；額定輸出Is為24mA;測(cè)量最大誤差(25℃)為±0.6%;電流頻率(即帶寬) 可達(dá)200Khz；響應(yīng)時(shí)間小于1μs；線性度(%FS)為小于±0.2%；失調(diào)溫漂移：0℃-25℃時(shí)為±0.06mA，25℃-70℃時(shí)為±0.1mA；電源電壓為±12V.
* LA25-Np電流傳感器IC1對(duì)輸入初級(jí)高頻電流進(jìn)行檢測(cè)的分析:
從圖3看出,利用集磁環(huán)將通過(guò)初級(jí)線圈Np的被測(cè)高頻電流IP產(chǎn)生的磁場(chǎng)收集后，作用于霍爾元件并產(chǎn)生電壓信號(hào)Ui加到運(yùn)算放大器A，經(jīng)放大到后級(jí)由VP1與VP2組成的推挽功率放大，其輸出的次級(jí)電流(又稱為補(bǔ)償電流)Is流經(jīng)次級(jí)線圈(又稱為補(bǔ)償線圈)N2。使補(bǔ)償線圈Ns產(chǎn)生的磁場(chǎng)(Is NS)與初級(jí)電流IP產(chǎn)生的磁場(chǎng)(IP Np)方向相反，因而補(bǔ)償了初級(jí)磁場(chǎng), 其補(bǔ)償過(guò)程實(shí)際上是在通過(guò)反復(fù)在平衡點(diǎn)附近反復(fù)振蕩過(guò)程, 最后在1μs形成動(dòng)態(tài)平衡,使霍爾輸出電壓逐步減少，直到初次級(jí)(補(bǔ)償) 磁場(chǎng)相等，使霍爾輸出電壓為零。這就是磁平衡檢測(cè)的核心。由此，應(yīng)用該模塊磁電轉(zhuǎn)換部分能在磁平衡狀態(tài)下工作的特點(diǎn)，即NpIP (初級(jí)磁場(chǎng))和NS Is(次級(jí) 磁場(chǎng))基本相等。使被檢測(cè)的高頻電流在電阻R上形成的電壓輸出VR, 并從模塊腳M輸出,(圖4為L(zhǎng)A25-NP功能引腳圖所示,其測(cè)量電阻Rm取150Ω, 而VR=Is·Rm. 通過(guò)公式推導(dǎo)出VR 為:  輸出電壓VR經(jīng)過(guò)由肖特基MBR20A300V二級(jí)管的全波V1、V2、V3、V4所組成的全波橋式整流為真流電壓Vr送至后級(jí)MAX139/140 A/D轉(zhuǎn)換器.
由上分析可得出,用磁檢測(cè)器檢測(cè)磁芯中次級(jí)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)補(bǔ)償初級(jí)電流所產(chǎn)生
磁場(chǎng)的程度，使之在零磁通狀態(tài)下工作.因此可有近似等式Np·Ip=Ns·Is成立：
2.22關(guān)于單芯片MAX139/140型LED顯示面板
長(zhǎng)期以來(lái), LED顯示面板是用ICL7107/7106型或(MC14433) 型 3位半A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路再加上顯示驅(qū)動(dòng)器及其LED顯示塊的方法來(lái)實(shí)現(xiàn). 其缺點(diǎn)是外圍電路多，集成度低.
而今采用只需用單芯片MAX139/140就可組成LED顯示面板.見圖2的 IC2. 其優(yōu)點(diǎn)是: 只需一塊芯片,集成度高、外圍元件少, 更無(wú)需外圍顯示驅(qū)動(dòng)器電路。因?yàn)椋琈AX139/140芯片除了本身是3位半A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器外，芯片還含有顯示驅(qū)動(dòng)器和電荷泵倒相器，倒相器可使芯片在+2.5v- +7v單電源電壓下測(cè)量正、負(fù)輸入電壓。
其芯片31腳與30腳為模擬信號(hào)輸入，它來(lái)自HP20-P/sp2模塊3與4腳的輸出信號(hào)電壓。通過(guò)MAX139/140 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為1000×(INHi-INL0)/(REFHi-REFL0)，最大值是±1999。MAX139/140可以作高質(zhì)量基準(zhǔn)電壓源無(wú)須外接帶基準(zhǔn)二極管，用一只大于0.1μf基準(zhǔn)電容能極大地減少帶寬，最終消除噪聲。芯片內(nèi)含有內(nèi)含驅(qū)動(dòng)器, 并通過(guò)引腳(2--19) 與(22--25) 輸出筆段驅(qū)動(dòng)器，直接驅(qū)動(dòng)顯示塊, 顯示出被測(cè)的電流為數(shù)字量。芯片20腳為極性輸出端,30腳為模擬地,26、39、21腳為數(shù)字地.
需要說(shuō)明的是前級(jí)輸出Vr在接入A/D轉(zhuǎn)換器之前應(yīng)并聯(lián)接入大功率小阻值的分流器R.見圖2所示.
3、模塊式高頻大電流LED監(jiān)測(cè)表的應(yīng)用
在新型模塊式高頻大電流LED數(shù)字監(jiān)測(cè)表設(shè)計(jì)組成后,可很方便地將其串接于高聲強(qiáng)超聲波管道清洗機(jī)信號(hào)源(高頻大功率開關(guān)電源)輸出與換能器之間,即串接于在高頻大功率開關(guān)電源的脈沖變壓器付邊端與匹配高頻電感L和負(fù)載(換能器)等效電容C所組成的LC諧振電路之間(見圖5所示),當(dāng)高聲強(qiáng)超聲波管道清洗機(jī)工作(LC諧振電路諧振)時(shí),則高頻大電流LED數(shù)字監(jiān)測(cè)表的電流值ILoad就實(shí)時(shí)的顯示出了,起到了高聲強(qiáng)超聲波管道清洗機(jī)可靠性與穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè).其LC諧振電路諧振電流I諧振=ILoad
該新型模塊式高頻大電流數(shù)字面監(jiān)測(cè)表在現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)使用，對(duì)高聲強(qiáng)超聲波管道清洗機(jī)設(shè)備所用的信號(hào)源(1500W高頻大功率高頻開關(guān)電源的高頻負(fù)載電流(其頻率為25KHz,波形似正弦波)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，運(yùn)行性能可靠,精度符合技術(shù)指標(biāo).實(shí)踐證明LA25-Np多量程霍爾電流傳感器有如下特點(diǎn)：測(cè)量誤差小、高過(guò)載容量、線性度(%FS)好、溫漂低、抗干擾性能較好、按裝使用方便.
4、結(jié)束語(yǔ)
新型模塊式高頻大電流數(shù)字面監(jiān)測(cè)表不僅與專業(yè)設(shè)備現(xiàn)配套,而且應(yīng)用LA25-Np電流傳感器的多量程可以設(shè)計(jì)制作成系列化的通用LED高頻大電流的監(jiān)測(cè)表,它將適用控制系統(tǒng)反饋、變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、功率電源、機(jī)器人及過(guò)流保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域之中。
"LEM萊姆杯"論文大獎(jiǎng)賽征文組、姜書漢主編：您們好！
根據(jù)有獎(jiǎng)?wù)魑膯⑹?現(xiàn)將參賽文章<<新型高頻大電流LED監(jiān)測(cè)表在高聲強(qiáng)度超聲波管道清洗機(jī)上的應(yīng)用>>呈上請(qǐng)審閱并指導(dǎo),不知妥否？謝謝！
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禮
(附本人簡(jiǎn)介：吳康、男、（1974--）現(xiàn)任公司研發(fā)部經(jīng)理，大學(xué)本科 電子工程專業(yè)，主要從事于工業(yè)控制與智能化儀器儀表的研發(fā).)
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