羅氏線圈用多支路求和變送器電路設(shè)計和研究

楊友振，李 果，蔣 萍

（江陰市星火電子科技有限公司，江蘇 江陰 214400）

0 引 言

與常規(guī)互感器相比，羅氏線圈不含鐵磁性材料，故沒有飽和現(xiàn)象，所以能夠測量數(shù)千安到數(shù)十萬安的大電流而不飽和，同時線圈的重量輕，線圈柔韌性適合任何形狀電極下安裝，經(jīng)過積分變送處理后幾乎沒有相位誤差影響，也沒有像互感器那要存在二次開路的危險等優(yōu)點[1]。根據(jù)這些特點，結(jié)合冶煉行業(yè)的冶煉設(shè)備的實際安裝情況，設(shè)計出利用羅氏線圈作為電流探頭的多支路求和變送器（4～20 mA 或0～5 V DC），作為二次顯示設(shè)備的信號源進行顯示和實時觀察和監(jiān)測。這樣很好地解決了設(shè)備在電流輸出端先利用多跟回路電纜進行電流輸出然后匯總到一根很粗的電極上進行電極加熱，而在單根電極上又無法采集電流的問題，本文將詳細講解電極的構(gòu)造和如何進行采樣和匯總電流的步驟。

1 設(shè)備的構(gòu)造和羅氏探頭的安裝概況

圖1 為設(shè)備在現(xiàn)場的裝配示意圖。

首先從U 相電壓經(jīng)過變壓器隔離輸出后經(jīng)過1～8號線纜并聯(lián)后又匯總到一相電極，由于在工作中a 號電極電流能夠達到幾萬安到幾十萬安，同時在工作中電極的溫度有上百上千度的高溫，這就要求互感器材料具有耐高溫特性，勢必會增加材料成本和生產(chǎn)加工的工藝難度，使得在電極上安裝電流探頭變得困難。根據(jù)現(xiàn)場的勘察發(fā)現(xiàn)，在電極和變壓器之間有許多根并聯(lián)的電纜作為電流的傳輸回路。經(jīng)過研究和認證，利用并聯(lián)電路原理公式I=I1+I2+I3+I4+I5+I6+I7+I8，其中I為電極電流，I1～I8為電纜的每根電流，得到一個電極的電流等于多跟電纜并聯(lián)后的總和電流值，同時在每根電纜上的電流相位差基本相等。根據(jù)這個發(fā)現(xiàn)，探討利用多支路求和的方式達到預(yù)期的目的。

圖1 設(shè)備安裝示意圖

在羅氏線圈探頭沒有得到廣泛的應(yīng)用之前，好多的設(shè)備都是采用在變壓器前端一次側(cè)位置用互感器采集一次側(cè)電流后再去利用公式P1=P2/η等公式進行推導(dǎo)算出二次側(cè)回路電極產(chǎn)生的電流大小。其中，P1為一次側(cè)功率，P2為二次側(cè)功率，η為效率。

這樣算出來的電流大小根據(jù)多年的驗證發(fā)現(xiàn)電流誤差大，測量的值不準(zhǔn)確，同時由于CT 互感器的體積又非常的大，又笨重，特別在空間有要求的地方安裝特別的難處理，給使用方帶來了很大的麻煩，同時互感器二次側(cè)如果出現(xiàn)開路現(xiàn)象就會對人身安全帶來一定的危險（所以互感器要嚴禁二次開路安裝和使用）。而現(xiàn)在羅氏線圈探頭二次側(cè)輸出的是微小的電壓信號（江陰市星火電子科技有限公司的羅氏線圈探頭的靈敏度才100 mV/kA@50 Hz），即便電極有100 kA 的電流通過羅氏線圈后才有10 V 的電壓信號，這樣大大提高了安全系數(shù)。

2 多支路求和變送器的設(shè)計與探討

2.1 多支路羅氏線圈探頭求和電路設(shè)計

運放電路其中一個部分就是利用運放電路組成的加法電路進行加法求和后經(jīng)過運放再輸出[2]，同樣，這個求和電路基本上也是利用這個原理，但是由于羅氏線圈是電感元件在進行轉(zhuǎn)換后為微分信號（U=L×Δi/Δt），必須要進行積分處理后才能進行進一步的進行求和運算，其原理如圖2 所示。其中，ROCO1～ROCO8為羅氏線圈；R 為電阻；C 為電容，U1～U9為運放。

圖2 積分及求和電路原理圖

通過原理示意圖能夠發(fā)現(xiàn)，羅氏線圈探頭ROCO輸出后經(jīng)過一組運放組成的積分電路然后經(jīng)過電路并聯(lián)求和到運放U9，其中兩個運放之間的電阻R 不能省略，不然會導(dǎo)致運放輸出不平衡而對運放產(chǎn)生不良后果，運放U9和前面的整組電路一起組成了一個同向加法電路，輸出為Vout=（1+R/R）×（Vroco1+Vroco2+…+Vroco8）。

從原理圖可以看出，在整個轉(zhuǎn)換過程都必須使用加法求和來完成，而不能用簡單的羅氏線圈探頭并聯(lián)的方式來進行加法運算，因為羅氏線圈的輸出是電壓信號輸出，當(dāng)用羅氏線圈做簡單的電壓疊加，整個輸出電壓就會只能取其中最大的一個電壓信號，而不是全部探頭的疊加和。根據(jù)原理知道，并聯(lián)電路兩端的電壓相等，只有串聯(lián)電路才能把所有的電壓信號進行相加處理，因此整個電路的原理結(jié)構(gòu)不能有很大變化，需把信號完整呈現(xiàn)出來進行后續(xù)處理。

2.2 多支路求和變送器（4～20 mA 或0～5 V DC）整體結(jié)構(gòu)框圖的介紹

章節(jié)2.1 介紹了變送器前端積分采樣求和電路的設(shè)計要領(lǐng)。從整個電路來看，僅有積分求和還不能夠滿足最終的設(shè)計要求，還要對求和后的電壓信號進行進一步的加工處理，最終處理轉(zhuǎn)換后的電路輸出結(jié)果才是想要的，才能對接終端如PLC 等設(shè)備的對接工作。圖3 為多支路求和變送器整體框圖。

圖3 多支路求和變送器整體框圖

從圖3 可以看出，在整個電路中，章節(jié)2 分析的電路只是其中的一個重要部分。羅氏線圈探頭經(jīng)過積分求和后就要進行整理處理，這里推薦采用運放組成的精密整流電路來進行處理，從而提高整個電路的輸出精度。這是因為如果整流電路處理不好，就會影響后面的處理精度。整流后電路進行一個簡單的濾波處理，濾波電路也推薦采用二階濾波法進行濾波，從而保證濾波后的波形比較平滑，減小波形的紋波干擾，提高電路的穩(wěn)定性和精度。濾波后的電路進入一個專門的轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成4～20 mA 或0～5 V DC 的模擬量信號，供終端設(shè)備進行二次使用和監(jiān)測，從而達到所需要的要求，形成一個比較完整的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 論

綜上所述，羅氏線圈用多支路求和變送器的產(chǎn)品將會在以后的設(shè)備改造和新工廠的設(shè)備安裝中發(fā)揮重要的作用，不僅在冶煉行業(yè)得到了應(yīng)用，也在電力、焊接等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。