工程機械專用電流監測傳感器

馬永亮，楊案江

(江西銅業集團公司 城門山銅礦， 江西 九江市 332100)

0 引言

萬用表作為一般電氣設備維修的主要監測工具之一，主要用于測量線路電壓、電流、電阻和通斷等。礦山工程機械作業環境極其惡劣，通過對日常維修情況的統計發現，某挖機比例電磁閥故障頻發，由于故障發生后電磁閥上的電流會發生變化，所以日常都是通過萬用表測電流來監測其好壞。由于該比例電磁閥位于發動機機艙附近，位置空間非常狹窄，同時伴隨高溫、震動、灰塵等，所以實時測量其數值非常不便。使用萬用表測量，主要存在數據零散，不具備連續性，不支持數據記錄和分析等缺點，無法對潛在故障作出預先判斷，不利于故障原因的排查及分析。

電流傳感器已經在礦山多個領域應用，如礦井空氣環境[1]，用于乳化器實時監測及安全保護系統，安裝電流傳感器有效制止了電機因人為因素造成的過負荷運行[2]。如洛陽欒川鉬業設計了1種采用溫度控制儀及熱電偶溫度傳感器來控制通風機間歇性運行的溫度控制裝置，可有效控制電鏟機棚溫度[3]；淄博礦礦業粉塵濃度在線監測控制系統能夠對煤礦各塵源點的粉塵濃度進行實時監測，可以及時準確地掌握各塵源點的粉塵濃度[4]；福建煤電開發了與J90NA系統匹配的電流傳感器，可以實現對主提升機運行情況的實時監控[5]。

1 技術背景

為解決工程機械電磁閥電流持續監測難的問題，本文提供一種礦山工程機械專用的電流監測傳感器的設計方案，配合數據采集系統，能實現目標電流的連續監測。由于被測電流強度較大，為了不影響原有電路的工作，電流的采樣電阻必須足夠小，否則將會嚴重阻礙線路的電流變化，引起器件大量發熱。監測結果要求具有準確、實時的特點，數據需要支持連續存儲進而實現歷史數據回溯，幫助用戶分析電路異常原因，實現故障預判和預防性檢修。

2 技術方案

由于傳感器應用于工程機械，必須具備堅固的防護外殼，以及良好的抗震動能力、密封性及耐寬溫工作能力，在防護外殼選用方面，經過多次試驗最終決定采用鑄鋁外殼，其材質較鋼板更輕巧，更易于加工，同時不存在生銹的問題。

在抗震動處理方面，主要解決了傳感器到挖機的固定，傳感器電路板與機殼的固定及電路板上元器件的抗震動處理。挖機在作業過程中存在很強的震動，所以傳感器通過配套防松動的螺母進行安裝。電路板的固定全部使用帶彈墊的螺釘，并配合螺絲膠。電路板上采用硅膠將直插元件進行加固。

在防塵防水方面，主要采用了防水膠圈。包括在外殼蓋板及外殼開孔處均采用定制型優質防水膠圈做防護處理，從而使整機達到IP67防護等級，避免工作期間水和油污進入傳感器對電路造成損害。

由于工程機械工作時自身發熱量較大，傳感器安裝區域的平均環境溫度約為50℃，為保證產品的長期耐用，所有的芯片均選用寬溫級，工作溫度范圍為-40℃～+85℃。

目前，電流監測的方案有多種，例如使用互感器，串聯采樣電阻等。由于被測目標電流較小，需要的測量精度一般，同時不希望給被測線路串入采樣電阻，最終決定采用基于霍爾效應的電流監測方案。測量部件選擇霍爾部件，基于霍爾效應對電流進行測量，一方面是被測線路與測量電路之間不需要物理連接，具有隔離特性，測量電路更加安全和耐用；另一方面是無需串入采樣電阻，避免了串入電阻后引起原線路阻抗的變化。

在對電流測量時，電流通過輸入線流入電流測量電路，測量電路基于霍爾效應產生感應電壓，再經過信號放大與調整，最后輸出穩定的電壓信號，該電壓值與被測電流呈線性關系，同時輸出一路參考電壓。通過比對輸出信號與參考電壓，判定電流的流向。當電流正向流入時，輸出電壓高于參考電壓，反之，輸出電壓低于參考電壓。由于電流大小與輸出電壓值存在線性關系，所以通過對傳感器輸出電壓測量和轉換就能測得電路中電流的大小。

具體地，考慮到被測比例電磁閥的工作電流最大不超過 800 mA，所以在設計時為盡量提高電流測量精度，測量量程僅需略大于被測電流最大值即可，本方案中將電流測量量程設定為-1000 mA～+1000 mA。電路采用單一5 V直流供電，帶一路+2.5 V參考電壓輸出，用于診斷用途和干擾濾除。當被測電流正向流入時，輸出信號電壓高于 2.5 V，小于等于 4.5 V；當被測電流反向流入時，輸出電壓低于2.5 V，大于等于0.5 V；電流測量精度優于1%。所述傳感器用于測量小電流，測量誤差小，其輸入阻抗小于 0.2 Ω，主要是線阻，被測線路接入傳感器后不影響原有電路工作。

所述傳感器具有堅固耐用的防護外殼，外殼材料為鑄鋁，所有線路輸入輸出接頭均帶防水墊圈，整機達到IP67防護等級，能在極端惡劣的工況環境下使傳感器電路得到妥善保護。該傳感器的電流輸入和信號輸出連接電纜使用鐵氟龍線材制成，耐高溫，線徑1 m2。所述電流傳感器電流采集輸入端接頭選用 2P汽車防水接頭，一條線用于電流流入，另外一條線用于電流流出。信號輸出端采用 4P汽車防水接頭，分別是5 V供電、地線、信號輸出及參考電壓輸出。電流輸入端與信號輸出端之間無物理連接，保持電氣隔離。

3 電流傳感器結構和應用

工程機械專用電流傳感器包括電流監測裝置及數據采集器[6]，所述電流監測裝置包括電流輸入接口、電流監測傳感器及電流輸出接口，電流輸入接口的一端與被測電路電纜連接，另一端通過電流輸入電纜與電流傳感器輸入端連接，電流監測傳感器的輸出端通過信號輸出電纜與所述信號輸出接口連接，再通過線路與數據采集器連接，數據采集器通過LAN、WIFI或4G通信將實時測量數據發送到遠程服務器，用戶通過軟件從服務器獲取實時的電流數據，查詢歷史數據和報警信息。

電流輸入接口及電流輸出接口均為防水連接器，電流輸入電纜與信號輸出電纜均為鐵氟龍耐高溫電線壓接的電纜，電流監測傳感器通過松動螺母固定在工程機械設備鋼板上，線路全部采用波紋管包扎，并利用專用線夾對電纜規范走線。電流輸入接口為2針車用防水接頭，信號輸出接口為4針防水接頭，接頭均內置膠圈，具有防水功能。

系統整體結構簡單，實施方便，穩定性好，功能完善。用戶通過在被測對象上安裝電流監測傳感器，再通過線路將電流監測傳感器采集到的信號傳遞至數據采集器，數據采集器通過 ADC將模擬電壓轉換成數字信號，并在數據采集器上對數據進行預處理，從而得到最終的電流測量結果。數據采集器支持多種通信方式，可通過 LAN、RS485、4G等通信方式將測量結果發送至監控服務器，監控服務器軟件支持數據報警功能，用戶能設定報警上下限，并在報警條件觸發后生成報警記錄和信息推送。同時，數據存入系統數據庫，滿足歷史數據調取、統計及分析應用。

監控系統同時支持C/S和B/S架構，用戶可在任意時候通過瀏覽器，遠程登錄服務器監控各電流傳感器數據，查看報警數據，調取和統計歷史數據等；用戶也可通過手機APP查看傳感器數據，對待測元件的電流參數進行實時、持續的監測，通過數據統計，有利于分析出被測電路頻繁損壞的原因。該系統中連接器采用2針車用防水接頭及4針防水接頭，電流輸入電纜及信號輸出電纜采用鐵氟龍耐高溫電線壓接的電纜，電流監測傳感器的外側包覆有一層鑄鋁材料的保護層，保證了整個監測裝置的穩定性，使之適用于工作環境較為惡劣的工程機械上，裝置的結構見圖1～圖2。

圖1 電流傳感器的結構

圖2 電流監測傳感器的電路結構

電流傳感器的安裝和應用包括以下幾個步驟。

首先，將傳感器的安裝底座焊接在傳感器固定的位置。

然后，用螺絲將傳感器盒固定到鋼板底座上。斷開被測線路，并將斷開的線頭使用專用工具制作成與傳感器輸入端子匹配的連接接頭，且讓電流流入方向與紅色線對應連接，流出方向與黑色線對應連接。輸出端子的4芯線路包括傳感器供電和信號輸出。4芯信號線中，紅色線用于傳感器5 V供電，黑色線為電源線，藍色線為參考電壓輸出（+2.5 V），黃色線為信號輸出。信號輸出的電壓范圍為0.5 V～4.5 V。輸出電壓與參考電壓之差與流經傳感器的電流呈線性關系。

將信號輸出端連接器與信號采集器連接，從而實現電流的實時讀取、顯示和記錄。

4 結論

與使用萬用表臨時測試電流相比，礦山工程機械專用電流傳感器的優勢是：結構簡單，可靠性高，能固定在機器上對關鍵電路工作電流連續監測，配套數據采集器實現了電流遠程監控，電流異常報警，歷史數據回溯等，可預先發現電路異常，增強了故障分析診斷能力。