工程機(jī)械專用電流監(jiān)測(cè)傳感器

馬永亮，楊案江

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司 城門山銅礦， 江西 九江市 332100)

0 引言

萬(wàn)用表作為一般電氣設(shè)備維修的主要監(jiān)測(cè)工具之一，主要用于測(cè)量線路電壓、電流、電阻和通斷等。礦山工程機(jī)械作業(yè)環(huán)境極其惡劣，通過(guò)對(duì)日常維修情況的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，某挖機(jī)比例電磁閥故障頻發(fā)，由于故障發(fā)生后電磁閥上的電流會(huì)發(fā)生變化，所以日常都是通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)電流來(lái)監(jiān)測(cè)其好壞。由于該比例電磁閥位于發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙附近，位置空間非常狹窄，同時(shí)伴隨高溫、震動(dòng)、灰塵等，所以實(shí)時(shí)測(cè)量其數(shù)值非常不便。使用萬(wàn)用表測(cè)量，主要存在數(shù)據(jù)零散，不具備連續(xù)性，不支持?jǐn)?shù)據(jù)記錄和分析等缺點(diǎn)，無(wú)法對(duì)潛在故障作出預(yù)先判斷，不利于故障原因的排查及分析。

電流傳感器已經(jīng)在礦山多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用，如礦井空氣環(huán)境[1]，用于乳化器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及安全保護(hù)系統(tǒng)，安裝電流傳感器有效制止了電機(jī)因人為因素造成的過(guò)負(fù)荷運(yùn)行[2]。如洛陽(yáng)欒川鉬業(yè)設(shè)計(jì)了1種采用溫度控制儀及熱電偶溫度傳感器來(lái)控制通風(fēng)機(jī)間歇性運(yùn)行的溫度控制裝置，可有效控制電鏟機(jī)棚溫度[3]；淄博礦礦業(yè)粉塵濃度在線監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)能夠?qū)γ旱V各塵源點(diǎn)的粉塵濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)準(zhǔn)確地掌握各塵源點(diǎn)的粉塵濃度[4]；福建煤電開(kāi)發(fā)了與J90NA系統(tǒng)匹配的電流傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)主提升機(jī)運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控[5]。

1 技術(shù)背景

為解決工程機(jī)械電磁閥電流持續(xù)監(jiān)測(cè)難的問(wèn)題，本文提供一種礦山工程機(jī)械專用的電流監(jiān)測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)方案，配合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)電流的連續(xù)監(jiān)測(cè)。由于被測(cè)電流強(qiáng)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(huì)嚴(yán)重阻礙線路的電流變化，引起器件大量發(fā)熱。監(jiān)測(cè)結(jié)果要求具有準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)需要支持連續(xù)存儲(chǔ)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)回溯，幫助用戶分析電路異常原因，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)判和預(yù)防性檢修。

2 技術(shù)方案

由于傳感器應(yīng)用于工程機(jī)械，必須具備堅(jiān)固的防護(hù)外殼，以及良好的抗震動(dòng)能力、密封性及耐寬溫工作能力，在防護(hù)外殼選用方面，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)最終決定采用鑄鋁外殼，其材質(zhì)較鋼板更輕巧，更易于加工，同時(shí)不存在生銹的問(wèn)題。

在抗震動(dòng)處理方面，主要解決了傳感器到挖機(jī)的固定，傳感器電路板與機(jī)殼的固定及電路板上元器件的抗震動(dòng)處理。挖機(jī)在作業(yè)過(guò)程中存在很強(qiáng)的震動(dòng)，所以傳感器通過(guò)配套防松動(dòng)的螺母進(jìn)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(jìn)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(kāi)孔處均采用定制型優(yōu)質(zhì)防水膠圈做防護(hù)處理，從而使整機(jī)達(dá)到IP67防護(hù)等級(jí)，避免工作期間水和油污進(jìn)入傳感器對(duì)電路造成損害。

由于工程機(jī)械工作時(shí)自身發(fā)熱量較大，傳感器安裝區(qū)域的平均環(huán)境溫度約為50℃，為保證產(chǎn)品的長(zhǎng)期耐用，所有的芯片均選用寬溫級(jí)，工作溫度范圍為-40℃～+85℃。

目前，電流監(jiān)測(cè)的方案有多種，例如使用互感器，串聯(lián)采樣電阻等。由于被測(cè)目標(biāo)電流較小，需要的測(cè)量精度一般，同時(shí)不希望給被測(cè)線路串入采樣電阻，最終決定采用基于霍爾效應(yīng)的電流監(jiān)測(cè)方案。測(cè)量部件選擇霍爾部件，基于霍爾效應(yīng)對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量，一方面是被測(cè)線路與測(cè)量電路之間不需要物理連接，具有隔離特性，測(cè)量電路更加安全和耐用；另一方面是無(wú)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(duì)電流測(cè)量時(shí)，電流通過(guò)輸入線流入電流測(cè)量電路，測(cè)量電路基于霍爾效應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，再經(jīng)過(guò)信號(hào)放大與調(diào)整，最后輸出穩(wěn)定的電壓信號(hào)，該電壓值與被測(cè)電流呈線性關(guān)系，同時(shí)輸出一路參考電壓。通過(guò)比對(duì)輸出信號(hào)與參考電壓，判定電流的流向。當(dāng)電流正向流入時(shí)，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(guān)系，所以通過(guò)對(duì)傳感器輸出電壓測(cè)量和轉(zhuǎn)換就能測(cè)得電路中電流的大小。

具體地，考慮到被測(cè)比例電磁閥的工作電流最大不超過(guò) 800 mA，所以在設(shè)計(jì)時(shí)為盡量提高電流測(cè)量精度，測(cè)量量程僅需略大于被測(cè)電流最大值即可，本方案中將電流測(cè)量量程設(shè)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(dāng)被測(cè)電流正向流入時(shí)，輸出信號(hào)電壓高于 2.5 V，小于等于 4.5 V；當(dāng)被測(cè)電流反向流入時(shí)，輸出電壓低于2.5 V，大于等于0.5 V；電流測(cè)量精度優(yōu)于1%。所述傳感器用于測(cè)量小電流，測(cè)量誤差小，其輸入阻抗小于 0.2 Ω，主要是線阻，被測(cè)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(jiān)固耐用的防護(hù)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(jī)達(dá)到IP67防護(hù)等級(jí)，能在極端惡劣的工況環(huán)境下使傳感器電路得到妥善保護(hù)。該傳感器的電流輸入和信號(hào)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(hào)輸出端采用 4P汽車防水接頭，分別是5 V供電、地線、信號(hào)輸出及參考電壓輸出。電流輸入端與信號(hào)輸出端之間無(wú)物理連接，保持電氣隔離。

3 電流傳感器結(jié)構(gòu)和應(yīng)用

工程機(jī)械專用電流傳感器包括電流監(jiān)測(cè)裝置及數(shù)據(jù)采集器[6]，所述電流監(jiān)測(cè)裝置包括電流輸入接口、電流監(jiān)測(cè)傳感器及電流輸出接口，電流輸入接口的一端與被測(cè)電路電纜連接，另一端通過(guò)電流輸入電纜與電流傳感器輸入端連接，電流監(jiān)測(cè)傳感器的輸出端通過(guò)信號(hào)輸出電纜與所述信號(hào)輸出接口連接，再通過(guò)線路與數(shù)據(jù)采集器連接，數(shù)據(jù)采集器通過(guò)LAN、WIFI或4G通信將實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，用戶通過(guò)軟件從服務(wù)器獲取實(shí)時(shí)的電流數(shù)據(jù)，查詢歷史數(shù)據(jù)和報(bào)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(hào)輸出電纜均為鐵氟龍耐高溫電線壓接的電纜，電流監(jiān)測(cè)傳感器通過(guò)松動(dòng)螺母固定在工程機(jī)械設(shè)備鋼板上，線路全部采用波紋管包扎，并利用專用線夾對(duì)電纜規(guī)范走線。電流輸入接口為2針車用防水接頭，信號(hào)輸出接口為4針?lè)浪宇^，接頭均內(nèi)置膠圈，具有防水功能。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)施方便，穩(wěn)定性好，功能完善。用戶通過(guò)在被測(cè)對(duì)象上安裝電流監(jiān)測(cè)傳感器，再通過(guò)線路將電流監(jiān)測(cè)傳感器采集到的信號(hào)傳遞至數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器通過(guò) ADC將模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并在數(shù)據(jù)采集器上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從而得到最終的電流測(cè)量結(jié)果。數(shù)據(jù)采集器支持多種通信方式，可通過(guò) LAN、RS485、4G等通信方式將測(cè)量結(jié)果發(fā)送至監(jiān)控服務(wù)器，監(jiān)控服務(wù)器軟件支持?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)警功能，用戶能設(shè)定報(bào)警上下限，并在報(bào)警條件觸發(fā)后生成報(bào)警記錄和信息推送。同時(shí)，數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，滿足歷史數(shù)據(jù)調(diào)取、統(tǒng)計(jì)及分析應(yīng)用。

監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)支持C/S和B/S架構(gòu)，用戶可在任意時(shí)候通過(guò)瀏覽器，遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器監(jiān)控各電流傳感器數(shù)據(jù)，查看報(bào)警數(shù)據(jù)，調(diào)取和統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)等；用戶也可通過(guò)手機(jī)APP查看傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)待測(cè)元件的電流參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、持續(xù)的監(jiān)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，有利于分析出被測(cè)電路頻繁損壞的原因。該系統(tǒng)中連接器采用2針車用防水接頭及4針?lè)浪宇^，電流輸入電纜及信號(hào)輸出電纜采用鐵氟龍耐高溫電線壓接的電纜，電流監(jiān)測(cè)傳感器的外側(cè)包覆有一層鑄鋁材料的保護(hù)層，保證了整個(gè)監(jiān)測(cè)裝置的穩(wěn)定性，使之適用于工作環(huán)境較為惡劣的工程機(jī)械上，裝置的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1～圖2。

圖1 電流傳感器的結(jié)構(gòu)

圖2 電流監(jiān)測(cè)傳感器的電路結(jié)構(gòu)

電流傳感器的安裝和應(yīng)用包括以下幾個(gè)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(kāi)被測(cè)線路，并將斷開(kāi)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(duì)應(yīng)連接，流出方向與黑色線對(duì)應(yīng)連接。輸出端子的4芯線路包括傳感器供電和信號(hào)輸出。4芯信號(hào)線中，紅色線用于傳感器5 V供電，黑色線為電源線，藍(lán)色線為參考電壓輸出（+2.5 V），黃色線為信號(hào)輸出。信號(hào)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(jīng)傳感器的電流呈線性關(guān)系。

將信號(hào)輸出端連接器與信號(hào)采集器連接，從而實(shí)現(xiàn)電流的實(shí)時(shí)讀取、顯示和記錄。

4 結(jié)論

與使用萬(wàn)用表臨時(shí)測(cè)試電流相比，礦山工程機(jī)械專用電流傳感器的優(yōu)勢(shì)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，能固定在機(jī)器上對(duì)關(guān)鍵電路工作電流連續(xù)監(jiān)測(cè)，配套數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)了電流遠(yuǎn)程監(jiān)控，電流異常報(bào)警，歷史數(shù)據(jù)回溯等，可預(yù)先發(fā)現(xiàn)電路異常，增強(qiáng)了故障分析診斷能力。