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ST98型系列气体质量流量变送器电源板原理与维修技巧

供稿:中国工控网 2016/8/16 11:10:09

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  • 关键词: ST98型质量流量变送器 电源板 维修
  • 摘要:ST98型气体质量流量变送器在石油化工行业应用广泛,该仪表的电源板是易损部件,本文主要讲述了电源板原理及故障维修技巧。

  1 引言

  ST98型系列仪表是由美国FCI生产制造的一种用于空气和气体测量的热扩散式质量流量计,单台造价近五万元,在石油、电力、冶金、电子、核电、水处理、食品、泵保护等工业领域广泛应用。该仪表最易损的是电源部分,该部分是一块独立的模块,通过四根金属柱和仪表内部主电路板相连接,其中两根是AC220V输入,另外两根是DC24V输出。而更换一块成品模块需近两万元,依据实物绘出电源板详细原理图(见附图一),并简要介绍其原理及检修方法,可供有关技术人员维修、维护参考。

  2 电源工作原理

  作为一款精密测量仪表对电源的性能要求是比较严格的,特别是对各种高频干扰的抑制,更是必不可少的,这一点从后面的介绍中完全可以体现出来。由附图可知本仪表的电源部分是以美国动力公司的第二代三端隔离式脉宽调制单片开关电源集成电路TOP223Y(该集成电路内含脉宽调制器、功率开关场效应管(MOSFET)、自动偏置电路、保护电路、高压启动电路和环路补偿电路)为核心,添加少量外接元件,并配以精密稳压控制电路构成。因此电源的输入交流电压范围极宽,可在85V~265V内正常工作,转换效率可达80%左右。而且电源的输出端通过高频变压器与电网完全隔离,这为技术人员的维修维护提供了极大的方便。

  AC220V经过保险管F1,进入由电容C1、电阻R1、R2及电感L1等组成的抗干扰电路滤除电网上传输过来的外界高频干扰后加到BR1整流桥上。同时电感L1、电容C1、电阻R1、R2也把本开关电源本身产生的高频干扰进行抑制,以免污染电网。这样做对于精密测量仪表来说是非常必要的,避免了电磁干扰对测量结果所造成的误差。整流后的约300VDC由C5滤波后经过开关变压器T1的初级线圈N1加到U1的③脚,也就是漏极D端。U1有3个引脚,即:③脚漏极D为主电源输入端;①脚控制端C为控制信号输入端,该控制端主要有以下四个作用:1.为内部提供正常工作所需要的偏流;2.利用控制极电流的大小来调节占空比;3.对控制回路进行补偿;4.决定重起频率。 ②脚源极S是电源公共端,也是控制电路的基准点。电源加到U1的③脚后,在U1内部,由连接在D极和C极之间的内部电流源为C极提供电流,并通过R4对控制极①脚外接电容C6充电,当Uc上升到5.6V时,内部电流源关断。U1内部振荡器、脉宽调制器、驱动电路开始工作,使开关管处于开关状态,它的漏极和源极之间产生周期性变化的电流,也就是开关变压器T1的初级线圈N1的工作电流,相应的在T1磁芯产生变化的磁场,这个变化的磁场又使开关变压器T1的次级绕组N2感应产生电压,并经整流、滤波电路形成所需的工作电压。

  该仪表的稳压电路也和普通家用电子产品的稳压电路稍有不同,主要由两级串联构成。前级是由VD单独作用的粗略稳压,能把次级输出电压稳定在22.8V-25.6V范围内;后级是由光电耦合器U2、U3、R9、R10、RP等元件构成精密稳压电路。开关变压器T1的N3绕组是控制绕组,产生的感应电压经H1整流、C7滤波后作为光电耦合器U2的电源,同时也为U1内部芯片提供正常工作所需要的偏流。由次级绕组N2产生的感应电压经H2整流、C18滤波、VD初步稳压后作为该部分的取样点。当由于外因致使该电压升高时,流过取样电阻R9、RP、R10上的电流增加,压降增大,则精密取样集成电路U3的R极电压升高,经其内部处理后自动调低K极电位,光电耦合器U2内部发光管负极电位降低,电流增大,亮度增强,导致U2内部光敏管c、e极间内阻减小,加至U1①脚的控制电压升高,经其内部处理后自动降低开关管的导通量,③脚输出的脉宽变窄,使输出电压下降,达到稳压的目的。反之,当输出电压降低时,该控制过程与电压升高时正好相反。

  作为一款精密仪表的电源保护电路也是非常重要的。该电源电路的保护主要在U1内部。当电源发生过流、短路时U1③脚电流也会增大,使电流限制比较器的输出电压经内部RS触发器加到控制门驱动器,直到下一个时钟开始。当+24V电压端发生短路故障时,无+24V电压或电压很低,U2内部发光二极管不发光,光敏三极管截止,U1①脚的控制电压为0,此时U1内部变为自保状态,避免了开关管的损坏。当U1的结温超过135℃时,内部的过热保护电路开始工作,关闭开关管的输出,达到过热保护的目的。其次是在开关变压器T1的初级线圈N1端接有尖峰抑制保护电路,由D3、D4及C9构成,目的是消除开关管从饱和状态转为截止状态时,在绕组N1下端产生的瞬间反峰电压,避免该电压叠加在直流电压上,将U1内部的开关管损坏,也避免了该脉冲辐射影响测量结果。需要注意的是在D3的正端引线中串有小磁环,目的是抑制高频干扰,消除对后级测量电路的影响,在检修更换D3后一定要将其恢复。保险管F1是电源板总的过流保护,VD是前级过压保护。

  开关变压器T1次级线圈 N2绕组感生的脉冲电压经H2整流、C18滤波后经VD稳压后再由B1、B2、C20、C21滤波后获得+24V电压。并联在H2两端的R8、C1的作用是让高频干扰不通过H2,而由C2、C3直接耦合到热地端,防止高频二极管整流时产生的倍频辐射,避免干扰后级测量电路,影响测量精度,B1、B2的作用也是如此。R11、R12及LED1构成指示电路,电源板正常时一通电LED1发出绿光,表明可以向变送器主电路板供电,同时也说明后级负载没有短路过载现象。开关电源各关键点的电压值如图中所标示,电压采用UT17数字表直流电压档(自动)测得,可供检修时参考。

  3 电源电路检修技巧

  虽然是一款昂贵仪表的电源电路,但该电源电路总体结构还是比较简洁,维修也较方便。在检修时可将电源板独立供电,根据开关变压器T1的次级有无电压输出,判断故障所在。若保险管F1烧断,表明电源电路中有严重短路,故障一般为U1内部开关管击穿,滤波电容C5击穿短路,BR1整流桥击穿短路等,可用万用表检测在路电阻查出故障部位。若U1内部开关管损坏,还应重点检查尖峰抑制电压保护电路部分即D3、D4及C9等元件,还有可能损坏光电耦合器U2,检修时也应注意。D3是瞬态电压抑制二极管(TVS),为一种新型的过压保护器,对于本电源中使用的单向TVS可按照普通二极管的检测方法进行检测,一般正向电阻4.2K?左右,反向阻值为无穷大,若测得正、反电阻值均为无穷大或均接近0,则说明该二极管已损坏,应更换,若无原件可用P6KE200A、P6KE220等更换。D4是阻塞二极管,该管必须使用超快恢复二极管,其参数是If=1A、Vrrm=600V、Trr=30ns。该管损坏后可用HER107、MR918、MUR160等更换,切不可使用非超快恢复二极管,否则U1极易损坏。对于U1可用万用表检测其在路电阻,将MF47表拨在R×1K档进行测试。正常时,正向电阻(红笔接地黑笔测):Rc=90K、Rd=∞;反向电阻(黑笔接地红笔测):Rc=5K、Rd=4.5K。若不符合该数值,在排除外围电路故障后即可判定U1已损坏,U1(TOP223Y)可用TOP224Y、TOP225Y、TOP226Y、TOP227Y等直接代换。整流桥BR1(DF06S)是SDIP封装的贴面元件,其参数是1.5A/600V,可用DF08S、DF10S等直接代换。若保险管F1未坏而次级却无输出电压,首先应检测U1③脚有无+300VDC,若无应再检测前级电路,前级电路可能存在开路性故障。若有,可断电检测次级绕组对地电阻,看是否有短路现象。若有短路现象,则VD很可能损坏,其损坏后如无原件可用EQB01-24、2CW5252等代换。若整流二极管H2损坏一定要用高频专用二极管,该器件是共阴极肖特基对管,采用TO-220封装,它的外形和内部结构参见图二所示。其参数如下:If=2×8A、Vrrm=200V、Trr=30ns。对于该管的检测可首先测出其公共端,然后再分别测量两个二极管的正、反向电阻值。当用万用表R×1档测量时,其正向电阻值(黑表笔接正极)为2.3-3.6Ω,反向电阻值为无穷大。若测得正、反电阻值均为无穷大或均接近0,则说明该二极管已开路或击穿损坏。H1(A6)是高速快恢复二极管,贴面元件,其参数是:最高反压Rv=50V、最大电流Im=300Ma,当其损坏后应急代换可用MC2848; 对于U3(TL431)也可采用在路电阻检测判断其好坏,同样是将MF47表拨在R×1K档进行测试。正常时,正向电阻(红笔接地黑笔测):Rr=∞、Rk=14.5K;反向电阻(黑笔接地红笔测):Rr=4.5K、Rk=21K,U3损坏后可用LM431、UPC1093J等直接代换。

  4 检修实例

  故障现象:仪表无显示,不能测量。

  原因分析:仪表无显示,不能正常工作,如前检修方法所示,首先应检查保险管F1是否烧断,U1③脚有无+300VDC,然后再检测次级整流二极管、滤波电容及稳压部分看是否有击穿短路的。打开仪表外盖拆下电源板后单独送电, LED1不发光,检查F1已烧断,再检测U1也已损坏,继续检查C5、BR1、D3、D4及C9等元件,结果是C5已无充电反应,起不到原有的滤波作用,造成U1损坏、F1烧断。

  处理方法:将C5更换后电源板正常,装回仪表内部主板上,仪表恢复正常测量。由于该仪表安装在户外且被测介质是尾部烟气,环境温度很高,像这种情况电解电容非常容易干涸失效,这是该表常见故障。

  5 小结

  ST98型系列质量流量变送器是热扩散式质量流量计,它的电源模块是最易损坏的元件。本文主要讲述了此质量流量变送器电源板原理及维修技巧。不正之处敬请批评指正。


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