一種高壓脈沖電場滅菌的擊穿保護裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高壓脈沖電場滅菌的擊穿保護裝置。其中電源管理電路分別與精密基準電壓電路、霍爾電流傳感器電路、高速電壓比較器電路、蜂鳴器驅動電路和高壓脈沖電容放電電路相連接進行供電，高速電壓比較器電路分別與精密基準電壓電路、霍爾電流傳感器電路、蜂鳴器驅動電路和高壓脈沖電容放電電路相連接。本實用新型能夠實時監測脈沖發生器主回路中的電流大小，及時切斷電路，防止大電流損壞設備，具有耐高壓、抗干擾能力強、能快速響應的特點。
【專利說明】
一種高壓脈沖電場滅菌的擊穿保護裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種擊穿保護裝置，特別涉及了一種高壓脈沖電場滅菌的擊穿保護裝置。
【背景技術】
[0002]作為一種新型的非熱加工技術，高壓脈沖電場(PEF)技術以其溫升低、效率高、能保持食品風味等優勢成為近年來食品加工工業研究熱點，尤其是應用于牛奶、果汁、黃酒等液態食品的殺菌上。高壓脈沖電場滅菌的基本原理是在兩個電極之間產生瞬時高壓脈沖，作用在處理室中的待處理液態食品上，在強電場的作用下，微生物細胞膜發生穿孔、撕裂、崩解從而殺死細菌等微生物。
[0003]目前，高壓脈沖電場技術被廣泛應用于液態食品的滅菌處理，例如果汁、雞蛋酒等。在利用高壓脈沖電場對液態食品處理過程中，施加在液態食品上一部分能量會不可避免地換轉成歐姆熱，使液態食品溫度上升而產生氣泡，在數千伏高電壓的作用下容易發生氣泡擊穿，使處理室的正負電極發生局部短路甚至完全短路，擊穿瞬間產生巨大的沖擊電流會導致高壓脈沖電源損壞。這也是該技術目前無法大規模商業推廣的原因之一。
[0004]由于高壓脈沖電場工作過程中，通常電壓值會達到SkV以上，并伴有很強的電磁干擾，采用采樣電阻的傳統電流監測方法以不再適用，難以滿足監測高壓電路電流的需求。因此現有技術中缺少一種耐高壓、抗干擾能力強、能快速響應的擊穿保護裝置。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的在于提供一種用于液態食品殺菌的高壓脈沖電場發生器擊穿保護裝置，在處理室擊穿發生回路瞬時電流過大時，保護裝置快速響應向系統控制器發送過流信號，使設備及時關斷，以解決擊穿時回路瞬時電流過大導致設備損壞的問題。同時裝置還能在擊穿保護后自動接通系統中的高壓脈沖電容放電回路，釋放電容中剩余電能，防止再次上電時電容放電損壞設備。
[0006]為了實現上述目的，本實用新型采用的技術方案如下:
[0007]本實用新型包括電源管理電路、精密基準電壓電路、霍爾電流傳感器電路、高速電壓比較器電路、蜂鳴器驅動電路和高壓脈沖電容放電電路;其中電源管理電路分別與精密基準電壓電路、霍爾電流傳感器電路、高速電壓比較器電路、蜂鳴器驅動電路和高壓脈沖電容放電電路相連接進行供電，高速電壓比較器電路分別與精密基準電壓電路、霍爾電流傳感器電路、蜂鳴器驅動電路和高壓脈沖電容放電電路相連接。
[0008]所述電源管理電路包括電源接口⑶N1、電容Cl?C6和15V-5V電源轉換模塊Ul，15V-5V電源轉換模塊Ul輸入端經電源接口 CONl接土 15V供電，電源接口⑶NI的I腳和2腳之間并聯有陶瓷電容Cl和鉭電容C2，電源接口CONl的2腳和3腳之間并聯有陶瓷電容C3和鉭電容C4，電源接口CONl的I腳、2腳和3腳分別連接到+15V電源、地和-15V電源，15V-5V電源轉換模塊Ul的輸入端2腳接+15V電源，其輸出的兩端并聯有陶瓷電容C5和鉭電容C6，經過轉換后輸出5V電源。
[0009]所述的15V-5V電源轉換模塊Ul采用型號為5VB1505。
[0010]優選的，所述的電壓比較器芯片U4型號為MAX903。
[0011]所述的高速電壓比較器電路包括電壓比較器芯片U4、電阻Rl和電容C8?C10;電壓比較器芯片U4的I腳接所述電源管理電路輸出的5V電源，并經電容C8接地，電壓比較器芯片U4的2腳經電容C9與地相連，電壓比較器芯片U4的3腳經電容ClO與地相連，電壓比較器芯片U4的7腳經電阻Rl后接5V電源；電壓比較器芯片U4的2腳接到霍爾電流傳感器電路的輸出電壓Vo，電壓比較器芯片U4的3腳接到精密基準電壓電路輸出的基準電壓Vref，電壓比較器芯片U4的7腳作為輸出端連接到蜂鳴器驅動電路和高壓脈沖電容放電電路。
[0012]所述的精密基準電壓電路包括基準電壓芯片U2和電位器VRl，基準穩壓芯片U2的I腳與電位器VRl的2腳連接，電位器VRl的I腳和基準穩壓芯片U2的3腳連接到5V電源，基準穩壓芯片U2的2腳和電位器VRl的3腳接地，基準穩壓芯片U2的3腳接到所述高速電壓比較器電路電壓比較器芯片U4的3腳。
[0013]所述的基準電壓芯片U2型號為TL431。
[0014]所述的霍爾電流傳感器電路包括霍爾電流傳感器U3和電容C7，霍爾電流傳感器U3的輸出端3腳和接地端4腳之間并聯有電容C7，霍爾電流傳感器U3的兩個電源端I腳和2腳分別接所述電源管理電路輸出的±15V電源供電，霍爾電流傳感器U3的輸出端3腳接所述高速電壓比較器電路電壓比較器芯片U4的2腳。
[0015]所述的蜂鳴器驅動電路包括蜂鳴器B1、電阻R2?R3和三極管Ql，三極管Ql的基極、發射極分別通過電阻R3、電阻R2后與所述高速電壓比較器電路電壓比較器芯片U4的7腳相連，三極管Ql的發射極與所述電源管理電路的5V電源相連，蜂鳴器BI的正負兩極連接在三極管Ql的集電極與地之間。
[0016]所述的高壓脈沖電容放電電路包括高壓電子開關Tl、三極管Q2、電阻R4?R7和高壓脈沖電容Cll，三極管Q2的基極、發射極分別通過電阻R5、電阻R4后與所述高速電壓比較器電路電壓比較器芯片U4的7腳相連，三極管Q2的發射極與所述電源管理電路的5V電源相連，三極管Q2的集電極經電阻R6接地;三極管Q2的集電極與高壓電子開關Tl的門極相連，高壓電子開關Tl的另外兩端與電阻R7、高壓脈沖發生器中的高壓脈沖電容Cll兩端串聯在一起。
[0017]本實用新型具有的有益效果是:
[0018]1.能有效避免高壓脈沖電場處理過程中液態食品擊穿導致電流過大而損壞設備；
[0019]2.檢測電路反應靈敏快速，能夠在5us內將過流信號反饋給設備控制器，使系統在極短時間內關斷；
[0020]3.采用非接觸式測量高壓大電流，有效避免高壓擊穿帶來的檢測設備損壞；
[0021]4.在主回路發生過流后能自動打開高壓脈沖電容放電回路，防止重新上電后電容高電壓對設備造成損壞；
?0022] 5.抗電磁脈沖干擾能力強，工作性能穩定。
【附圖說明】
[0023]圖1是本實用新型裝置的總體結構框圖。
[0024]圖2是本實用新型電源管理電路的電路圖。
[0025]圖3是本實用新型精密基準電壓電路的電路圖。
[0026]圖4是本實用新型霍爾電流傳感器電路的電路圖。
[0027]圖5是本實用新型高速電壓比較器電路的電路圖。
[0028]圖6是本實用新型蜂鳴器驅動電路的電路圖。
[0029]圖7是本實用新型高壓脈沖電容放電電路的電路圖。
[0030]圖中:電源管理電路1、精密基準電壓電路2、霍爾電流傳感器電路3、高速電壓比較器電路4、蜂鳴器驅動電路5、高壓脈沖電容放電電路6。
【具體實施方式】
[0031]以下結合附圖和實施例，對本實用新型進行進一步的描述。
[0032]如圖1所示，本實用新型包括電源管理電路1、精密基準電壓電路2、霍爾電流傳感器電路3、高速電壓比較器電路4、蜂鳴器驅動電路5和高壓脈沖電容放電電路6;其中電源管理電路I分別與精密基準電壓電路2、霍爾電流傳感器電路3、高速電壓比較器電路4、蜂鳴器驅動電路5和高壓脈沖電容放電電路6均相連接進行供電，高速電壓比較器電路4分別與精密基準電壓電路2、霍爾電流傳感器電路3、蜂鳴器驅動電路5和高壓脈沖電容放電電路6相連接。
[0033]如圖2所示，電源管理電路I是本裝置的電源輸入端，采用±15V供電，包括電源接口 C0N1、電容Cl?C6和15V-5V電源轉換模塊U1，15V-5V電源轉換模塊Ul輸入端經電源接口CONl接+15V供電，電源接口⑶NI的I腳和2腳之間并聯有陶瓷電容Cl和鉭電容C2，電源接口CONl的2腳和3腳之間并聯有陶瓷電容C3和鉭電容C4，電源接口 CONl的I腳、2腳和3腳分別連接到+15V電源、地和-15V電源，具體地說是+15V電源分別接陶瓷電容Cl的一端以及鉭電容C2的正極后與電源接口 CONl的I腳相連，-15V電源分別接陶瓷電容C3的一端以及鉭電容C4的負極后與電源接口 CONl的3腳相連；15V-5V電源轉換模塊Ul的輸入端2腳接+15V電源，其輸出的兩端并聯有陶瓷電容C5和鉭電容C6，經過轉換后輸出5V電源。
[0034]如圖5所示，高速電壓比較器電路4包括型號為MAX903的電壓比較器芯片U4、電阻Rl和電容C8?C10;電壓比較器芯片U4的I腳接所述電源管理電路的5V電源，并經電容C8接地，電壓比較器芯片U4的2腳經電容C9與地相連，電壓比較器芯片U4的3腳經電容ClO與地相連，電壓比較器芯片U4的7腳經電容Rl后接5V電源；電壓比較器芯片U4的2腳接到霍爾電流傳感器電路的輸出電壓Vo，電壓比較器芯片U4的3腳接到精密基準電壓電路輸出的基準電壓Vref，電壓比較器芯片U4的7腳作為輸出端連接到蜂鳴器驅動電路和高壓脈沖電容放電電路。
[0035]如圖3所示，精密基準電壓電路2包括型號為TL431的基準電壓芯片U2和電位器VRl，基準穩壓芯片U2的I腳與電位器VRl的2腳連接，電位器VRl的I腳和基準穩壓芯片U2的3腳連接到5V電源，基準穩壓芯片U2的輸出3腳和電位器VRl的3腳接地，基準穩壓芯片U23腳接到所述高速電壓比較器電路電壓比較器芯片U4的3腳。
[0036]如圖4所示，霍爾電流傳感器電路3包括霍爾電流傳感器U3和電容C7，霍爾電流傳感器U3的輸出端3腳和接地端4腳之間并聯有電容C7，霍爾電流傳感器U3的兩個電源端I腳和2腳分貝接所述電源管理電路輸出的±15V電源供電，霍爾電流傳感器U3的輸出端3腳接所述高速電壓比較器電路4電壓比較器芯片U4的2腳。
[0037]如圖6所示，蜂鳴器驅動電路5包括蜂鳴器B1、電阻R2?R3和三極管Ql，三極管Ql的基極、發射極分別通過電阻R3、電阻R2后與所述高速電壓比較器電路4電壓比較器芯片U4的7腳相連，三極管Ql的發射極與所述電源管理電路的5V電源相連，蜂鳴器BI的正負兩極連接在三極管Ql的集電極與地之間。
[0038]如圖7所示，高壓脈沖電容放電電路6包括高壓電子開關Tl、三極管Q2、電阻R4?R7和高壓脈沖電容Cll，三極管Q2的基極、發射極分別通過電阻R5、電阻R4后與所述高速電壓比較器電路4電壓比較器芯片U4的7腳相連，三極管Q2的發射極與所述電源管理電路的5V電源相連，三極管Q2的集電極經電阻R6接地;三極管Q2的集電極與高壓電子開關Tl的門極相連，高壓電子開關Tl的另外兩端與電阻R7、高壓脈沖發生器中的高壓脈沖電容Cll兩端串聯在一起。
[0039]本實用新型的擊穿保護裝置工作過程如下:
[0040]在高壓脈沖發生器對液態食品滅菌的過程中，霍爾電流傳感器U3實時采集主回路的電流大小，并轉換成電壓信號(Vo)傳輸至高速電壓比較器U4的正相輸入端2腳，與精密基準電壓電路2提供的基準電壓Vr ef進行比較。
[0041]當高壓脈沖發生器正常工作時，回路電流小于設定的閾值電流，電流傳感器輸出的電壓信號Vo小于基準電壓Vref，電壓比較器芯片U4的7腳輸出高電平5V，蜂鳴器驅動電路5以及高壓脈沖電容放電電路6均不工作；當高壓脈沖電場所處理的食品介質發生擊穿，主回路中的電流瞬間增大到數十安培時，電流傳感器輸出電壓信號Vo大于基準電壓Vref，電壓比較器芯片U4的7腳電平由高電平5V跳變為低電平0V，高壓脈沖電源控制器檢測到該電平信號變化后，控制設備快速關斷防止過流擊穿；同時電壓比較器U4的輸出的電平變化信號觸發蜂鳴器驅動電路5以及高壓脈沖電容放電電路6工作，使蜂鳴器開始鳴叫報警并打開高壓脈沖電容放電回路，使高壓脈沖電容Cll通過電阻R7釋放儲存電能；另外，可以通過調節精密基準電壓電路2中的電位器VRl來調節輸出的基準電壓，從而調節閾值電流大小，以滿足不同工況的需求。
[0042]由此可見，當處理介質發生擊穿導致回路電流大于設定閾值時，本實用新型能夠快速向設備控制器發送過流信號，及時切斷電路，防止大電流損壞設備。因此本實用新型技術效果突出，能夠實時監測脈沖發生器主回路中的電流大小，具有耐高壓、抗干擾能力強、能快速響應的技術效果。
【主權項】
1.一種高壓脈沖電場滅菌的擊穿保護裝置，其特征在于:包括電源管理電路(I)、精密基準電壓電路(2)、霍爾電流傳感器電路(3)、高速電壓比較器電路(4)、蜂鳴器驅動電路(5)和高壓脈沖電容放電電路(6);其中電源管理電路(I)分別與精密基準電壓電路(2)、霍爾電流傳感器電路(3)、高速電壓比較器電路(4)、蜂鳴器驅動電路(5)和高壓脈沖電容放電電路(6)相連接進行供電，高速電壓比較器電路(4)分別與精密基準電壓電路(2)、霍爾電流傳感器電路(3)、蜂鳴器驅動電路(5)和高壓脈沖電容放電電路(6)相連接。2.根據權利要求1所述的一種高壓脈沖電場滅菌的擊穿保護裝置，其特征在于:所述電源管理電路(I)包括電源接口 C0N1、電容Cl?C6和15V-5V電源轉換模塊U1，15V-5V電源轉換模塊Ul輸入端2腳經電源接口⑶NI接+15V供電，電源接口 CONl的I腳和2腳之間并聯有陶瓷電容Cl和鉭電容C2，電源接口⑶NI的2腳和3腳之間并聯有陶瓷電容C3和鉭電容C4，電源接口 CONl的I腳、2腳和3腳分別連接到+15V電源、地和-15V電源，15V-5V電源轉換模塊Ul的輸入端2腳接+15V電源，其輸出端3腳和4腳并聯有陶瓷電容C5和鉭電容C6，經過轉換后輸出5V電源。3.根據權利要求1所述的一種高壓脈沖電場滅菌的擊穿保護裝置，其特征在于:所述的高速電壓比較器電路(4)包括電壓比較器芯片U4、電阻Rl和電容C8?C10;電壓比較器芯片U4的I腳接所述電源管理電路的5V電源，并經電容C8接地，電壓比較器芯片U4的2腳經電容C9與地相連，電壓比較器芯片U4的3腳經電容ClO與地相連，電壓比較器芯片U4的7腳經電容Rl后接5V電源；電壓比較器芯片U4的2腳霍爾電流傳感器電路(3)的輸出電壓Vo，電壓比較器芯片U4的3腳接到精密基準電壓電路(2)輸出的基準電壓Vref，電壓比較器芯片U4的7腳作為輸出端連接到蜂鳴器驅動電路(5)和高壓脈沖電容放電電路(6)。4.根據權利要求3所述的一種高壓脈沖電場滅菌的擊穿保護裝置，其特征在于:所述的精密基準電壓電路(2)包括基準電壓芯片U2和電位器VRl，基準穩壓芯片U2的I腳與電位器VRl的2腳連接，電位器VRl的I腳和基準穩壓芯片U2的3腳連接到5V電源，基準穩壓芯片U2的2腳和電位器VRl的3腳接地，基準穩壓芯片U2的輸出端3腳接到所述高速電壓比較器電路(4)電壓比較器芯片U4的3腳。5.根據權利要求3所述的一種高壓脈沖電場滅菌的擊穿保護裝置，其特征在于:所述的霍爾電流傳感器電路(3)包括霍爾電流傳感器U3和電容C7，霍爾電流傳感器U3的輸出端3腳和接地端4腳之間并聯有電容C7，霍爾電流傳感器U3的兩個電源端I腳和2腳分別接所述電源管理電路(I)輸出的±15V電源供電，霍爾電流傳感器U3的輸出端3腳接所述高速電壓比較器電路(4)電壓比較器芯片U4的2腳。6.根據權利要求3所述的一種高壓脈沖電場滅菌的擊穿保護裝置，其特征在于:所述的蜂鳴器驅動電路(5)包括蜂鳴器B1、電阻R2?R3和三極管Ql，三極管Ql的基極、發射極分別通過電阻R3、電阻R2后與所述高速電壓比較器電路(4)電壓比較器芯片U4的7腳相連，三極管Ql的發射極與所述電源管理電路的5V電源相連，蜂鳴器BI的正負兩極連接在三極管Ql的集電極與地之間。7.根據權利要求3所述的一種高壓脈沖電場滅菌的擊穿保護裝置，其特征在于:所述的高壓脈沖電容放電電路(6)包括高壓電子開關Tl、三極管Q2、電阻R4?R7和高壓脈沖電容Cll，三極管Q2的基極、發射極分別通過電阻R5、電阻R4后與所述高速電壓比較器電路(4)電壓比較器芯片U4的7腳相連，三極管Q2的發射極與所述電源管理電路的5V電源相連，三極管Q2的集電極經電阻R6接地;三極管Q2的集電極與高壓電子開關Tl的門極相連，高壓電子開關Tl的另外兩端與電阻R7、高壓脈沖發生器中的高壓脈沖電容Cll兩端串聯在一起。
【文檔編號】H02M1/32GK205509464SQ201620180812
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月9日
【發明人】王劍平, 陳小天, 汪嘯, 呂陳昂, 黃康, 俞永華
【申請人】浙江大學