直流傳感器在電解工業(yè)整流電源系統(tǒng)的應用

大直流傳感器對電解工業(yè)的整流電源的計量準確，穩(wěn)定可靠起到重要作用。該文所介紹的電流傳感器產(chǎn)品具有自主知識產(chǎn)權。目前它又能取代過去進口的哈爾瑪公司的產(chǎn)品。

該傳感器的主要材料鐵芯和砷化鎵霍爾元件是從日本引進，但經(jīng)過特殊的加工處理和電路設計，設計中的元器件都選用國產(chǎn)軍工品。根據(jù)霍爾件在磁路間隙中所采集到的由電流及磁場轉(zhuǎn)換過來的電壓信號，運用全電流定律和新技術;新工藝手段研制成功。

直流電源計控在電解工業(yè)管理有著舉足輕重的地位，它是企業(yè)增效挖潛的主要技術考核指標之一，也是保障整流電源平穩(wěn)運行的調(diào)控信號源之一，因此，直流傳感器在整流電源系統(tǒng)中的計量準確、穩(wěn)定可靠顯得尤為重要。

眾所周知，目前國內(nèi)市場流行的直流電流傳感器分開環(huán)和閉環(huán)二種形式(也就是常說的直測式和檢零式)，且二種形式的傳感器在測量精度方面都有其理論根據(jù)，都是依據(jù)霍爾元件在磁路氣隙中采集由電流與磁場成正比轉(zhuǎn)換過來的電壓信號，在全電流定律的理論框架下設計制作。

SDA系列直流大電流傳感器在電解工業(yè)領域針對不同行業(yè)、不同廠家的需求，可生產(chǎn)閉環(huán)式和開環(huán)式二大類型的多種產(chǎn)品?？蓪?KA~420KA直流大電流進行在線計量檢測，具有精度高、可靠性及穩(wěn)定性好、反應速度快、安裝維護方便等特點，產(chǎn)品曾先后列入湖北省“火炬計劃”、“科技攻關計劃”、“國家級新產(chǎn)品試制鑒定計劃”;并獲得湖北省“科技進步二等獎”、國家科委“金橋獎”和“國家級新產(chǎn)品證書”。

產(chǎn)品是在ISO9001-2000質(zhì)量管理體系下嚴格按照國際標準組織生產(chǎn)的，依靠一支強勁的、經(jīng)驗豐富的科技研發(fā)隊伍作后盾，運用新技術，新材料，新工藝等手段，從而保證了我公司的產(chǎn)品在性能及各項技術指標上，與時俱進地始終保持在時代的最前沿。

直流大電流傳感器是在全電流定律∫LHdL=I的基礎上研制的，全電流定律的核心是：磁場強度的閉合線積分只與閉合積分路徑相交鏈的電流(被測電流I)有關，它與電流的位置及與不交鏈電流(所產(chǎn)生的雜散磁場)無關，當穿過傳感器窗口的電流為零時，不管相鄰導排有無電流(相對外磁)，傳感器的輸出必須為零。我們知道被測電流I在鐵心中產(chǎn)生磁通Φ，用帶氣隙的均勻無分支磁路來完成待測電流I轉(zhuǎn)換成為氣隙中的磁感應強度，根據(jù)磁場強度的環(huán)路定律H1d+H2d+……H2Nd+∫LHid1=I和霍爾元件的輸出電壓UH=KHIHB與靈敏度，控制電流和磁場強度的關系，將傳感器設計成一定鐵心面積和一定氣隙長度，在磁路中按照中心對稱及軸對稱的原則將每個氣隙通道里的霍爾件由磁場強度感應出的感應電勢相加并放大N倍，即得出了與實際電流成正比的輸出電壓。假定霍爾檢測通道及對應的氣隙通道為2N個(設計為偶數(shù),并在磁路中按中心及軸對稱的原則排列),每個氣隙的寬度為d,設鐵芯的總長度為L則有:

　　H1d+H2d+…+H2Nd+∫LHid1=Io ……………………..(1)

　　其中,Hi(i=1,2,…,2N)為氣隙通道中的磁場強度,H1為鐵芯中l(wèi)處的強度,Io為現(xiàn)場母排中的電流。

　　對于氣隙中，有Hi=Bi/μ0,而由中值定理,有

　　∫LH1d1=HLL=BLL/μrμ0

　　從而有:B1d+B2d+…+B2Nd+BLL/μr=μoIo

在上述關系式中,根據(jù)磁介質(zhì)的邊界條件,可知BL與Bi近似相等,且L/d在裝置設計中,其值范圍通常在10~30左右,而μr的值通常在四個數(shù)量級以上因而BL/μr在整個和式項中,其值很小，從而可令

　　BLL/μrμ0=βμ0I0 (且β1)進而得出:

　　B1+B2+…+B2N=(1-β)μ0I0 /d……………………...(2)

　　另一方面也可以得出:

　　BL ≈μ0I0 /2Nd ………………………………….(3)

　　β≈L/2Ndμr…………………………………….(4)

在傳感器的調(diào)試中,可讓

　　SH1I1 Sinψ1= SH2I2 Sinψ2=…=SH2NI2N Sinψ2N =K

　　由VHi=SHiIiBiSinψ1代入(2)式有：

　　VH1+VH2+…+VH2N=K(1-β)μ0I0 /d

在電子線路中,我們將各個霍爾感應電勢相加,并放大Q倍,作為該裝置的輸出信號Vo,即有:

　　Vo=Qk(1-β)μ0I0/d……………………………… (5)

該式即反映出檢測裝置輸出電壓Vo與一次檢測電流Io的量值對應關系。

由以上理論分析，影響傳感器測量精度的因素很大程度上取決于選用鐵心和霍爾器件。因此我們花費了很大的精力將各種鐵磁材料進行大量試驗，最終選用了日本日芝鐵公司生產(chǎn)的一種新型導磁材料，為盡可能地保證磁性材料的性能，在磁性材料成型前后對其進行了特殊工藝結構處理，這樣由我們原來導磁材料的5000-8000高斯導磁率一下子提高到現(xiàn)在的17000-20000高斯的高導磁低矯頑力的理論要求上來，從而使我們的傳感器在線性度上得到了有效保證。

同樣在霍爾件方面,我們也是嚴格地按照理論計算精度要求,做了大量地試驗和篩選工作，最終我們確定了日本尼賽拉公司生產(chǎn)的TO90A砷化鎵霍耳元件,它的最大優(yōu)點是其在恒流工作時溫度穩(wěn)定性的典型值為-300至-400PPm/℃,輸出線性好，其最大誤差只有0.8%,1mA1kGS的輸出電壓可達到65-170mV左右且具有很好的頻率特性,理論頻帶寬度在1M赫茲以上,只要其激勵電流不超過3.5mA ,使用壽命可達20萬小時以上。

為了保證生產(chǎn)的傳感器在現(xiàn)場使用具有高可靠性，高穩(wěn)定性和高精度等要求，在采用新材料的基礎上，將原來的工業(yè)級元器件改成現(xiàn)在的軍品級的元器件，電路板由原來的敷銅板改為現(xiàn)在的雙面鍍金板，所有原來的電連接接插件改成現(xiàn)在的緊固件連接，保證了產(chǎn)品的高可靠性能;在制造工藝上我們采用了二級自動溫度補償技術，在單個霍爾元件的補償工藝方面進行了大量的研究實驗工作，針對霍爾元件的物理特性和材料特性，采用一種新型霍爾補償工藝，使霍爾元件的補償精度及穩(wěn)定性較以前熱敏電阻補償工藝有很大改善，為了防止外界溫度對傳感器的影響將電子電路部分集中在一個可自控的恒溫盒里面，避免了因某個局部受溫度系數(shù)影響而導致系統(tǒng)發(fā)生偏移量的變化，從而保證了產(chǎn)品的高穩(wěn)定性能;在電路結構上我們將原來的一級差動放大電路改成現(xiàn)在的三級差動放大電路，消除了霍爾元件的輸出電阻大于運算放大器的輸入電阻而產(chǎn)生的誤差。在傳感器的后級放大電路采用多級隔離放大輸出，輸出的信號互不干擾，使大電流直流計控系統(tǒng)的配接非常方便。多臺并聯(lián)整流器中，當其中一臺停電時，直流網(wǎng)側短路產(chǎn)生的反向短路電流很大，傳感器逆流保護接點設定一限值，達到對整流機組的反向保護作用。

通過大量的理論研究和實踐探索，生產(chǎn)的大電流直流計控系統(tǒng)不斷完善和優(yōu)化，在市場上獲得了廣泛的好評。特別是在化工行業(yè)巴陵石化公司的5萬噸離子膜燒堿直流電源系統(tǒng)應用中(見下圖)