罗氏线圈用多支路求和变送器电路设计和研究

杨友振，李 果，蒋 萍

（江阴市星火电子科技有限公司，江苏 江阴 214400）

0 引 言

与常规互感器相比，罗氏线圈不含铁磁性材料，故没有饱和现象，所以能够测量数千安到数十万安的大电流而不饱和，同时线圈的重量轻，线圈柔韧性适合任何形状电极下安装，经过积分变送处理后几乎没有相位误差影响，也没有像互感器那要存在二次开路的危险等优点[1]。根据这些特点，结合冶炼行业的冶炼设备的实际安装情况，设计出利用罗氏线圈作为电流探头的多支路求和变送器（4～20 mA 或0～5 V DC），作为二次显示设备的信号源进行显示和实时观察和监测。这样很好地解决了设备在电流输出端先利用多跟回路电缆进行电流输出然后汇总到一根很粗的电极上进行电极加热，而在单根电极上又无法采集电流的问题，本文将详细讲解电极的构造和如何进行采样和汇总电流的步骤。

1 设备的构造和罗氏探头的安装概况

图1 为设备在现场的装配示意图。

首先从U 相电压经过变压器隔离输出后经过1～8号线缆并联后又汇总到一相电极，由于在工作中a 号电极电流能够达到几万安到几十万安，同时在工作中电极的温度有上百上千度的高温，这就要求互感器材料具有耐高温特性，势必会增加材料成本和生产加工的工艺难度，使得在电极上安装电流探头变得困难。根据现场的勘察发现，在电极和变压器之间有许多根并联的电缆作为电流的传输回路。经过研究和认证，利用并联电路原理公式I=I1+I2+I3+I4+I5+I6+I7+I8，其中I为电极电流，I1～I8为电缆的每根电流，得到一个电极的电流等于多跟电缆并联后的总和电流值，同时在每根电缆上的电流相位差基本相等。根据这个发现，探讨利用多支路求和的方式达到预期的目的。

图1 设备安装示意图

在罗氏线圈探头没有得到广泛的应用之前，好多的设备都是采用在变压器前端一次侧位置用互感器采集一次侧电流后再去利用公式P1=P2/η等公式进行推导算出二次侧回路电极产生的电流大小。其中，P1为一次侧功率，P2为二次侧功率，η为效率。

这样算出来的电流大小根据多年的验证发现电流误差大，测量的值不准确，同时由于CT 互感器的体积又非常的大，又笨重，特别在空间有要求的地方安装特别的难处理，给使用方带来了很大的麻烦，同时互感器二次侧如果出现开路现象就会对人身安全带来一定的危险（所以互感器要严禁二次开路安装和使用）。而现在罗氏线圈探头二次侧输出的是微小的电压信号（江阴市星火电子科技有限公司的罗氏线圈探头的灵敏度才100 mV/kA@50 Hz），即便电极有100 kA 的电流通过罗氏线圈后才有10 V 的电压信号，这样大大提高了安全系数。

2 多支路求和变送器的设计与探讨

2.1 多支路罗氏线圈探头求和电路设计

运放电路其中一个部分就是利用运放电路组成的加法电路进行加法求和后经过运放再输出[2]，同样，这个求和电路基本上也是利用这个原理，但是由于罗氏线圈是电感元件在进行转换后为微分信号（U=L×Δi/Δt），必须要进行积分处理后才能进行进一步的进行求和运算，其原理如图2 所示。其中，ROCO1～ROCO8为罗氏线圈；R 为电阻；C 为电容，U1～U9为运放。

图2 积分及求和电路原理图

通过原理示意图能够发现，罗氏线圈探头ROCO输出后经过一组运放组成的积分电路然后经过电路并联求和到运放U9，其中两个运放之间的电阻R 不能省略，不然会导致运放输出不平衡而对运放产生不良后果，运放U9和前面的整组电路一起组成了一个同向加法电路，输出为Vout=（1+R/R）×（Vroco1+Vroco2+…+Vroco8）。

从原理图可以看出，在整个转换过程都必须使用加法求和来完成，而不能用简单的罗氏线圈探头并联的方式来进行加法运算，因为罗氏线圈的输出是电压信号输出，当用罗氏线圈做简单的电压叠加，整个输出电压就会只能取其中最大的一个电压信号，而不是全部探头的叠加和。根据原理知道，并联电路两端的电压相等，只有串联电路才能把所有的电压信号进行相加处理，因此整个电路的原理结构不能有很大变化，需把信号完整呈现出来进行后续处理。

2.2 多支路求和变送器（4～20 mA 或0～5 V DC）整体结构框图的介绍

章节2.1 介绍了变送器前端积分采样求和电路的设计要领。从整个电路来看，仅有积分求和还不能够满足最终的设计要求，还要对求和后的电压信号进行进一步的加工处理，最终处理转换后的电路输出结果才是想要的，才能对接终端如PLC 等设备的对接工作。图3 为多支路求和变送器整体框图。

图3 多支路求和变送器整体框图

从图3 可以看出，在整个电路中，章节2 分析的电路只是其中的一个重要部分。罗氏线圈探头经过积分求和后就要进行整理处理，这里推荐采用运放组成的精密整流电路来进行处理，从而提高整个电路的输出精度。这是因为如果整流电路处理不好，就会影响后面的处理精度。整流后电路进行一个简单的滤波处理，滤波电路也推荐采用二阶滤波法进行滤波，从而保证滤波后的波形比较平滑，减小波形的纹波干扰，提高电路的稳定性和精度。滤波后的电路进入一个专门的转换电路，转换成4～20 mA 或0～5 V DC 的模拟量信号，供终端设备进行二次使用和监测，从而达到所需要的要求，形成一个比较完整的产品结构。

3 结 论

综上所述，罗氏线圈用多支路求和变送器的产品将会在以后的设备改造和新工厂的设备安装中发挥重要的作用，不仅在冶炼行业得到了应用，也在电力、焊接等行业得到了广泛应用。