工程机械专用电流监测传感器

马永亮，杨案江

(江西铜业集团公司 城门山铜矿， 江西 九江市 332100)

0 引言

万用表作为一般电气设备维修的主要监测工具之一，主要用于测量线路电压、电流、电阻和通断等。矿山工程机械作业环境极其恶劣，通过对日常维修情况的统计发现，某挖机比例电磁阀故障频发，由于故障发生后电磁阀上的电流会发生变化，所以日常都是通过万用表测电流来监测其好坏。由于该比例电磁阀位于发动机机舱附近，位置空间非常狭窄，同时伴随高温、震动、灰尘等，所以实时测量其数值非常不便。使用万用表测量，主要存在数据零散，不具备连续性，不支持数据记录和分析等缺点，无法对潜在故障作出预先判断，不利于故障原因的排查及分析。

电流传感器已经在矿山多个领域应用，如矿井空气环境[1]，用于乳化器实时监测及安全保护系统，安装电流传感器有效制止了电机因人为因素造成的过负荷运行[2]。如洛阳栾川钼业设计了1种采用温度控制仪及热电偶温度传感器来控制通风机间歇性运行的温度控制装置，可有效控制电铲机棚温度[3]；淄博矿矿业粉尘浓度在线监测控制系统能够对煤矿各尘源点的粉尘浓度进行实时监测，可以及时准确地掌握各尘源点的粉尘浓度[4]；福建煤电开发了与J90NA系统匹配的电流传感器，可以实现对主提升机运行情况的实时监控[5]。

1 技术背景

为解决工程机械电磁阀电流持续监测难的问题，本文提供一种矿山工程机械专用的电流监测传感器的设计方案，配合数据采集系统，能实现目标电流的连续监测。由于被测电流强度较大，为了不影响原有电路的工作，电流的采样电阻必须足够小，否则将会严重阻碍线路的电流变化，引起器件大量发热。监测结果要求具有准确、实时的特点，数据需要支持连续存储进而实现历史数据回溯，帮助用户分析电路异常原因，实现故障预判和预防性检修。

2 技术方案

由于传感器应用于工程机械，必须具备坚固的防护外壳，以及良好的抗震动能力、密封性及耐宽温工作能力，在防护外壳选用方面，经过多次试验最终决定采用铸铝外壳，其材质较钢板更轻巧，更易于加工，同时不存在生锈的问题。

在抗震动处理方面，主要解决了传感器到挖机的固定，传感器电路板与机壳的固定及电路板上元器件的抗震动处理。挖机在作业过程中存在很强的震动，所以传感器通过配套防松动的螺母进行安装。电路板的固定全部使用带弹垫的螺钉，并配合螺丝胶。电路板上采用硅胶将直插元件进行加固。

在防尘防水方面，主要采用了防水胶圈。包括在外壳盖板及外壳开孔处均采用定制型优质防水胶圈做防护处理，从而使整机达到IP67防护等级，避免工作期间水和油污进入传感器对电路造成损害。

由于工程机械工作时自身发热量较大，传感器安装区域的平均环境温度约为50℃，为保证产品的长期耐用，所有的芯片均选用宽温级，工作温度范围为-40℃～+85℃。

目前，电流监测的方案有多种，例如使用互感器，串联采样电阻等。由于被测目标电流较小，需要的测量精度一般，同时不希望给被测线路串入采样电阻，最终决定采用基于霍尔效应的电流监测方案。测量部件选择霍尔部件，基于霍尔效应对电流进行测量，一方面是被测线路与测量电路之间不需要物理连接，具有隔离特性，测量电路更加安全和耐用；另一方面是无需串入采样电阻，避免了串入电阻后引起原线路阻抗的变化。

在对电流测量时，电流通过输入线流入电流测量电路，测量电路基于霍尔效应产生感应电压，再经过信号放大与调整，最后输出稳定的电压信号，该电压值与被测电流呈线性关系，同时输出一路参考电压。通过比对输出信号与参考电压，判定电流的流向。当电流正向流入时，输出电压高于参考电压，反之，输出电压低于参考电压。由于电流大小与输出电压值存在线性关系，所以通过对传感器输出电压测量和转换就能测得电路中电流的大小。

具体地，考虑到被测比例电磁阀的工作电流最大不超过 800 mA，所以在设计时为尽量提高电流测量精度，测量量程仅需略大于被测电流最大值即可，本方案中将电流测量量程设定为-1000 mA～+1000 mA。电路采用单一5 V直流供电，带一路+2.5 V参考电压输出，用于诊断用途和干扰滤除。当被测电流正向流入时，输出信号电压高于 2.5 V，小于等于 4.5 V；当被测电流反向流入时，输出电压低于2.5 V，大于等于0.5 V；电流测量精度优于1%。所述传感器用于测量小电流，测量误差小，其输入阻抗小于 0.2 Ω，主要是线阻，被测线路接入传感器后不影响原有电路工作。

所述传感器具有坚固耐用的防护外壳，外壳材料为铸铝，所有线路输入输出接头均带防水垫圈，整机达到IP67防护等级，能在极端恶劣的工况环境下使传感器电路得到妥善保护。该传感器的电流输入和信号输出连接电缆使用铁氟龙线材制成，耐高温，线径1 m2。所述电流传感器电流采集输入端接头选用 2P汽车防水接头，一条线用于电流流入，另外一条线用于电流流出。信号输出端采用 4P汽车防水接头，分别是5 V供电、地线、信号输出及参考电压输出。电流输入端与信号输出端之间无物理连接，保持电气隔离。

3 电流传感器结构和应用

工程机械专用电流传感器包括电流监测装置及数据采集器[6]，所述电流监测装置包括电流输入接口、电流监测传感器及电流输出接口，电流输入接口的一端与被测电路电缆连接，另一端通过电流输入电缆与电流传感器输入端连接，电流监测传感器的输出端通过信号输出电缆与所述信号输出接口连接，再通过线路与数据采集器连接，数据采集器通过LAN、WIFI或4G通信将实时测量数据发送到远程服务器，用户通过软件从服务器获取实时的电流数据，查询历史数据和报警信息。

电流输入接口及电流输出接口均为防水连接器，电流输入电缆与信号输出电缆均为铁氟龙耐高温电线压接的电缆，电流监测传感器通过松动螺母固定在工程机械设备钢板上，线路全部采用波纹管包扎，并利用专用线夹对电缆规范走线。电流输入接口为2针车用防水接头，信号输出接口为4针防水接头，接头均内置胶圈，具有防水功能。

系统整体结构简单，实施方便，稳定性好，功能完善。用户通过在被测对象上安装电流监测传感器，再通过线路将电流监测传感器采集到的信号传递至数据采集器，数据采集器通过 ADC将模拟电压转换成数字信号，并在数据采集器上对数据进行预处理，从而得到最终的电流测量结果。数据采集器支持多种通信方式，可通过 LAN、RS485、4G等通信方式将测量结果发送至监控服务器，监控服务器软件支持数据报警功能，用户能设定报警上下限，并在报警条件触发后生成报警记录和信息推送。同时，数据存入系统数据库，满足历史数据调取、统计及分析应用。

监控系统同时支持C/S和B/S架构，用户可在任意时候通过浏览器，远程登录服务器监控各电流传感器数据，查看报警数据，调取和统计历史数据等；用户也可通过手机APP查看传感器数据，对待测元件的电流参数进行实时、持续的监测，通过数据统计，有利于分析出被测电路频繁损坏的原因。该系统中连接器采用2针车用防水接头及4针防水接头，电流输入电缆及信号输出电缆采用铁氟龙耐高温电线压接的电缆，电流监测传感器的外侧包覆有一层铸铝材料的保护层，保证了整个监测装置的稳定性，使之适用于工作环境较为恶劣的工程机械上，装置的结构见图1～图2。

图1 电流传感器的结构

图2 电流监测传感器的电路结构

电流传感器的安装和应用包括以下几个步骤。

首先，将传感器的安装底座焊接在传感器固定的位置。

然后，用螺丝将传感器盒固定到钢板底座上。断开被测线路，并将断开的线头使用专用工具制作成与传感器输入端子匹配的连接接头，且让电流流入方向与红色线对应连接，流出方向与黑色线对应连接。输出端子的4芯线路包括传感器供电和信号输出。4芯信号线中，红色线用于传感器5 V供电，黑色线为电源线，蓝色线为参考电压输出（+2.5 V），黄色线为信号输出。信号输出的电压范围为0.5 V～4.5 V。输出电压与参考电压之差与流经传感器的电流呈线性关系。

将信号输出端连接器与信号采集器连接，从而实现电流的实时读取、显示和记录。

4 结论

与使用万用表临时测试电流相比，矿山工程机械专用电流传感器的优势是：结构简单，可靠性高，能固定在机器上对关键电路工作电流连续监测，配套数据采集器实现了电流远程监控，电流异常报警，历史数据回溯等，可预先发现电路异常，增强了故障分析诊断能力。