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吳康 艾倫電氣自動化技術有限公司
A New high frequency monitor instrument for the large current were used in
Ultrasonic wave-pipeline cleaner of High- vioce strength
摘要:本文將對新型高頻大電流LED 數字面扳表的設計組成與特點作分折,并作為高聲強度高可靠超聲波管道清洗機的可靠性監測應用作介紹。
關鍵詞： 霍爾電流傳感器 超聲波管道清洗機 換能器 DC/AC A/D轉換器
1、問題的提出-高頻大電流穩定性與可靠性的監測
高聲強(1500W)超聲波管道清洗機是用于石油產品制造水循環冷卻系統中的重要設備(圖1為高聲強超聲波管道清洗機示意圖).而高聲強超聲波管道清洗機的換能器是應用壓電逆效應將電功率轉換成高頻機械振動的轉換器,它是管道清洗機的工作頭.為此作為高聲強超聲波管道清洗機大功率信號源功率,即高頻大功率開關電源(功率1500W-2000W, 頻率為25KHz其電壓為150-200V ,電流為10A)的高可靠性至關重要,而信號源功率可靠的關鍵是高頻(正弦波25 KHz)大電流的穩定高可靠.才能保證高聲強超聲波管道清洗機換能器正常、安全的長期運行.據此,必須應對高頻(正弦波22-25 KHz)大電流運行作監測.由此引出應開發高頻大電流LED監測表的想法是必然.這也是近幾年來伴隨高頻大功率開關電源應用日益擴大，迫切需要設計出對其高頻負載電流迸行可靠性監測的設備,因為這是一種關系到整個設備或系統能否安全長期運行的重要措施.
那末如何對高頻(正弦波22-25 KHz)大電流運行作監測吶?
值此對我們將對應用LEM公司的LA25-Np安裝式多量程霍爾電流傳感器開發的模塊式高頻大電流LED數字顯示監測表的設計方案(見圖2所示)作一介紹.
2、新型模塊式高頻大電流LED監測表的設計方案.
2.1設計思想
該產品的設計分二大部分組合而成,即作為前級的檢測頭(見圖2的左半部IC1框圖)再加上后級的LED數字顯示面板(見圖2的右半部IC2,即由A/D模數轉換加上LED數字顯示塊).
按照以往的技術,前級檢測頭只能采用大電流互感器來檢測大電流的變化，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，而面對高頻(數KHz to數十KHz)的大電流(10A以上) 變化的檢測，此類大電流互感器從技術到工藝均難以實現.
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檢測頭不乏為是一種良好選擇. 這是為什么吶? 只因它的特點是能應用霍爾效應對直流、工頻、高頻等各種波形的電流進行測量，并且是電隔的，其輸出為電壓信號.其最大優越性是量程大、精度高、功耗小、重量輕、使用方便可靠。
而后級LED數字顯示面板則采用美國MAXIM公司產的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數字監測表,能符合可靠性好、體積小、精度高的最佳設計. 其設計方案總電框圖如圖2所示.
2.2設計組成及功能
2.21 LA25-Np安裝式多量程霍爾電流傳感器IC1
* LA25-Np特征：
LA25-Np是利用霍爾效應和磁平衡原理的一種多量程電流傳感器，能夠測量直流，交流以及各種脈沖電流，同時在電氣上是高度絕緣的。其內部結構電路,見圖3中間虛線內的IC1所示. 從圖中可看出它由由集磁環和霍爾磁敏元件與運算放大器及VP1與VP2組成推挽功率放大輸出及反饋補償電輸路等組成。
* LA25-Np主要技術指標
初級額定電流Ip可為多量程(5、6、8、12、25A),而根據本項目應用僅選用12A額定電流即可；測量電流范圍18A；額定輸出Is為24mA;測量最大誤差(25℃)為±0.6%;電流頻率(即帶寬) 可達200Khz；響應時間小于1μs；線性度(%FS)為小于±0.2%；失調溫漂移：0℃-25℃時為±0.06mA，25℃-70℃時為±0.1mA；電源電壓為±12V.
* LA25-Np電流傳感器IC1對輸入初級高頻電流進行檢測的分析:
從圖3看出,利用集磁環將通過初級線圈Np的被測高頻電流IP產生的磁場收集后，作用于霍爾元件并產生電壓信號Ui加到運算放大器A，經放大到后級由VP1與VP2組成的推挽功率放大，其輸出的次級電流(又稱為補償電流)Is流經次級線圈(又稱為補償線圈)N2。使補償線圈Ns產生的磁場(Is NS)與初級電流IP產生的磁場(IP Np)方向相反，因而補償了初級磁場, 其補償過程實際上是在通過反復在平衡點附近反復振蕩過程, 最后在1μs形成動態平衡,使霍爾輸出電壓逐步減少，直到初次級(補償) 磁場相等，使霍爾輸出電壓為零。這就是磁平衡檢測的核心。由此，應用該模塊磁電轉換部分能在磁平衡狀態下工作的特點，即NpIP (初級磁場)和NS Is(次級 磁場)基本相等。使被檢測的高頻電流在電阻R上形成的電壓輸出VR, 并從模塊腳M輸出,(圖4為LA25-NP功能引腳圖所示,其測量電阻Rm取150Ω, 而VR=Is·Rm. 通過公式推導出VR 為:  輸出電壓VR經過由肖特基MBR20A300V二級管的全波V1、V2、V3、V4所組成的全波橋式整流為真流電壓Vr送至后級MAX139/140 A/D轉換器.
由上分析可得出,用磁檢測器檢測磁芯中次級電流所產生的磁場補償初級電流所產生
磁場的程度，使之在零磁通狀態下工作.因此可有近似等式Np·Ip=Ns·Is成立：
2.22關于單芯片MAX139/140型LED顯示面板
長期以來, LED顯示面板是用ICL7107/7106型或(MC14433) 型 3位半A/D模數轉換電路再加上顯示驅動器及其LED顯示塊的方法來實現. 其缺點是外圍電路多，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. 其優點是: 只需一塊芯片,集成度高、外圍元件少, 更無需外圍顯示驅動器電路。因為，MAX139/140芯片除了本身是3位半A/D模數轉換器外，芯片還含有顯示驅動器和電荷泵倒相器，倒相器可使芯片在+2.5v- +7v單電源電壓下測量正、負輸入電壓。
其芯片31腳與30腳為模擬信號輸入，它來自HP20-P/sp2模塊3與4腳的輸出信號電壓。通過MAX139/140 A/D轉換結果為1000×(INHi-INL0)/(REFHi-REFL0)，最大值是±1999。MAX139/140可以作高質量基準電壓源無須外接帶基準二極管，用一只大于0.1μf基準電容能極大地減少帶寬，最終消除噪聲。芯片內含有內含驅動器, 并通過引腳(2--19) 與(22--25) 輸出筆段驅動器，直接驅動顯示塊, 顯示出被測的電流為數字量。芯片20腳為極性輸出端,30腳為模擬地,26、39、21腳為數字地.
需要說明的是前級輸出Vr在接入A/D轉換器之前應并聯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監測表的應用
在新型模塊式高頻大電流LED數字監測表設計組成后,可很方便地將其串接于高聲強超聲波管道清洗機信號源(高頻大功率開關電源)輸出與換能器之間,即串接于在高頻大功率開關電源的脈沖變壓器付邊端與匹配高頻電感L和負載(換能器)等效電容C所組成的LC諧振電路之間(見圖5所示),當高聲強超聲波管道清洗機工作(LC諧振電路諧振)時,則高頻大電流LED數字監測表的電流值ILoad就實時的顯示出了,起到了高聲強超聲波管道清洗機可靠性與穩定性的監測.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字面監測表在現場反復使用，對高聲強超聲波管道清洗機設備所用的信號源(1500W高頻大功率高頻開關電源的高頻負載電流(其頻率為25KHz,波形似正弦波)的長期監測，運行性能可靠,精度符合技術指標.實踐證明LA25-Np多量程霍爾電流傳感器有如下特點：測量誤差小、高過載容量、線性度(%FS)好、溫漂低、抗干擾性能較好、按裝使用方便.
4、結束語
新型模塊式高頻大電流數字面監測表不僅與專業設備現配套,而且應用LA25-Np電流傳感器的多量程可以設計制作成系列化的通用LED高頻大電流的監測表,它將適用控制系統反饋、變速驅動系統、功率電源、機器人及過流保護等各個領域之中。
"LEM萊姆杯"論文大獎賽征文組、姜書漢主編：您們好！
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禮
(附本人簡介：吳康、男、（1974--）現任公司研發部經理，大學本科 電子工程專業，主要從事于工業控制與智能化儀器儀表的研發.)
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