吴康    艾伦电气自动化技术有限公司

A New high frequency monitor instrument for the large current were used in
Ultrasonic wave-pipeline cleaner of High- vioce strength

　　摘要:本文将对新型高频大电流LED 数字面扳表的设计组成与特点作分折,并作为高声强度高可靠超声波管道清洗机的可靠性监测应用作介绍。

　　关键词： 霍尔电流传感器  超声波管道清洗机   换能器   DC/AC   A/D转换器

　　1、问题的提出-高频大电流稳定性与可靠性的监测

　　高声强(1500W)超声波管道清洗机是用于石油产品制造水循环冷却系统中的重要设备(图1为高声强超声波管道清洗机示意图).而高声强超声波管道清洗机的换能器是应用压电逆效应将电功率转换成高频机械振动的转换器,它是管道清洗机的工作头.为此作为高声强超声波管道清洗机大功率信号源功率,即高频大功率开关电源(功率1500W-2000W, 频率为25KHz其电压为150-200V ,电流为10A)的高可靠性至关重要,而信号源功率可靠的关键是高频(正弦波25 KHz)大电流的稳定高可靠.才能保证高声强超声波管道清洗机换能器正常、安全的长期运行.据此,必须应对高频(正弦波22-25 KHz)大电流运行作监测.由此引出应开发高频大电流LED监测表的想法是必然.这也是近几年来伴随高频大功率开关电源应用日益扩大，迫切需要设计出对其高频负载电流迸行可靠性监测的设备,因为这是一种关系到整个设备或系统能否安全长期运行的重要措施.

   那末如何对高频(正弦波22-25 KHz)大电流运行作监测呐?

   值此对我们将对应用LEM公司的LA25-Np安装式多量程霍尔电流传感器开发的模块式高频大电流LED数字显示监测表的设计方案(见图2所示)作一介绍.

　　2、新型模块式高频大电流LED监测表的设计方案.

   该产品的设计分二大部分组合而成,即作为前级的检测头(见图2的左半部IC1框图)再加上后级的LED数字显示面板(见图2的右半部IC2,即由A/D模数转换加上LED数字显示块).

   按照以往的技术,前级检测头只能采用大电流互感器来检测大电流的变化，然而这不但体积大、功耗大、成本高、误差大，即便如此也只能适用于电流频率为0-1KHz范围以内，而面对高频(数KHz to数十KHz)的大电流(10A以上) 变化的检测，此类大电流互感器从技术到工艺均难以实现.

而今,采用新型的LEM模块型LA25-Np安装式多量程霍尔电流传感器作为前级检测头不乏为是一种良好选择. 这是为什么呐? 只因它的特点是能应用霍尔效应对直流、工频、高频等各种波形的电流进行测量，并且是电隔的，其输出为电压信号.其最大优越性是量程大、精度高、功耗小、重量轻、使用方便可靠。

   而后级LED数字显示面板则采用美国MAXIM公司产的A/D单芯片MAX139/140型就可组成.见图2的右半部 IC2所示

   只要将上述的霍尔电流传感器模块与A/D单芯片组合,即可成为模块式的高频大电流LED数字监测表,能符合可靠性好、体积小、精度高的最佳设计. 其设计方案总电框图如图2所示.

   LA25-Np是利用霍尔效应和磁平衡原理的一种多量程电流传感器，能够测量直流，交流以及各种脉冲电流，同时在电气上是高度绝缘的。其内部结构电路,见图3中间虚线内的IC1所示. 从图中可看出它由由集磁环和霍尔磁敏元件与运算放大器及VP1与VP2组成推挽功率放大输出及反馈补偿电输路等组成。

   初级额定电流Ip可为多量程(5、6、8、12、25A),而根据本项目应用仅选用12A额定电流即可；测量电流范围18A；额定输出Is为24mA;测量最大误差(25℃)为±0.6%;电流频率(即带宽) 可达200Khz；响应时间小于1μs；线性度(%FS)为小于±0.2%；失调温漂移：0℃-25℃时为±0.06mA，25℃-70℃时为±0.1mA；电源电压为±12V.

* LA25-Np电流传感器IC1对输入初级高频电流进行检测的分析:

   从图3看出,利用集磁环将通过初级线圈Np的被测高频电流IP产生的磁场收集后，作用于霍尔元件并产生电压信号Ui加到运算放大器A，经放大到后级由VP1与VP2组成的推挽功率放大，其输出的次级电流(又称为补偿电流)Is流经次级线圈(又称为补偿线圈)N2。使补偿线圈Ns产生的磁场(Is NS)与初级电流IP产生的磁场(IP Np)方向相反，因而补偿了初级磁场, 其补偿过程实际上是在通过反复在平衡点附近反复振荡过程, 最后在1μs形成动态平衡,使霍尔输出电压逐步减少，直到初次级(补偿) 磁场相等，使霍尔输出电压为零。这就是磁平衡检测的核心。由此，应用该模块磁电转换部分能在磁平衡状态下工作的特点，即NpIP (初级磁场)和NS Is(次级 磁场)基本相等。使被检测的高频电流在电阻R上形成的电压输出VR, 并从模块脚M输出,(图4为LA25-NP功能引脚图所示,其测量电阻Rm取150Ω, 而VR=Is·Rm. 通过公式推导出VR 为:
                   

    输出电压VR经过由肖特基MBR20A300V二级管的全波V1、V2、V3、V4所组成的全波桥式整流为真流电压Vr送至后级MAX139/140 A/D转换器.

由上分析可得出,用磁检测器检测磁芯中次级电流所产生的磁场补偿初级电流所产生

磁场的程度，使之在零磁通状态下工作.因此可有近似等式Np·Ip=Ns·Is成立：

2.22关于单芯片MAX139/140型LED显示面板

   长期以来, LED显示面板是用ICL7107/7106型或(MC14433) 型 3位半A/D模数转换电路再加上显示驱动器及其LED显示块的方法来实现. 其缺点是外围电路多，集成度低.

     而今采用只需用单芯片MAX139/140就可组成LED显示面板.见图2的 IC2. 其优点是: 只需一块芯片,集成度高、外围元件少, 更无需外围显示驱动器电路。因为，MAX139/140芯片除了本身是3位半A/D模数转换器外，芯片还含有显示驱动器和电荷泵倒相器，倒相器可使芯片在+2.5v- +7v单电源电压下测量正、负输入电压。

   其芯片31脚与30脚为模拟信号输入，它来自HP20-P/sp2模块3与4脚的输出信号电压。通过MAX139/140 A/D转换结果为1000×(INHi-INL0)/(REFHi-REFL0)，最大值是±1999。MAX139/140可以作高质量基准电压源无须外接带基准二极管，用一只大于0.1μf基准电容能极大地减少带宽，最终消除噪声。芯片内含有内含驱动器, 并通过引脚(2--19) 与(22--25) 输出笔段驱动器，直接驱动显示块, 显示出被测的电流为数字量。芯片20脚为极性输出端,30脚为模拟地,26、39、21脚为数字地.

   需要说明的是前级输出Vr在接入A/D转换器之前应并联接入大功率小阻值的分流器R.见图2所示.

   在新型模块式高频大电流LED数字监测表设计组成后,可很方便地将其串接于高声强超声波管道清洗机信号源(高频大功率开关电源)输出与换能器之间,即串接于在高频大功率开关电源的脉冲变压器付边端与匹配高频电感L和负载(换能器)等效电容C所组成的LC谐振电路之间(见图5所示),当高声强超声波管道清洗机工作(LC谐振电路谐振)时,则高频大电流LED数字监测表的电流值ILoad就实时的显示出了,起到了高声强超声波管道清洗机可靠性与稳定性的监测.其LC谐振电路谐振电流I谐振=ILoad

   该新型模块式高频大电流数字面监测表在现场反复使用，对高声强超声波管道清洗机设备所用的信号源(1500W高频大功率高频开关电源的高频负载电流(其频率为25KHz,波形似正弦波)的长期监测，运行性能可靠,精度符合技术指标.实践证明LA25-Np多量程霍尔电流传感器有如下特点：测量误差小、高过载容量、线性度(%FS)好、温漂低、抗干扰性能较好、按装使用方便.

新型模块式高频大电流数字面监测表不仅与专业设备现配套,而且应用LA25-Np电流传感器的多量程可以设计制作成系列化的通用LED高频大电流的监测表,它将适用控制系统反馈、变速驱动系统、功率电源、机器人及过流保护等各个领域之中。

"LEM莱姆杯"论文大奖赛征文组、姜书汉主编：您们好！

   根据有奖征文启事,现将参赛文章<<新型高频大电流LED监测表在高声强度超声波管道清洗机上的应用>>呈上请审阅并指导,不知妥否？谢谢！

  此稿附图5张为jpg格式,若收到此稿,敬请告知一声,以免因信箱问题未及时收到误时,谢谢。

    礼

(附本人简介：吴康、男、（1974--）现任公司研发部经理，大学本科 电子工程专业，主要从事于工业控制与智能化仪器仪表的研发.)

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