本发明公开了一种高压脉冲电场灭菌的击穿保护装置。其中电源管理电路分别与精密基准电压电路、霍尔电流传感器电路、高速电压比较器电路、蜂鸣器驱动电路和高压脉冲电容放电电路相连接进行供电，高速电压比较器电路分别与精密基准电压电路、霍尔电流传感器电路、蜂鸣器驱动电路和高压脉冲电容放电电路相连接。本发明能够实时监测脉冲发生器主回路中的电流大小，及时切断电路，防止大电流损坏设备，具有耐高压、抗干扰能力强、能快速响应的特点。
1.一种高压脉冲电场灭菌的击穿保护装置，其特征在于：包括电源管理电路(1)、精密基准电压电路(2)、霍尔电流传感器电路(3)、高速电压比较器电路(4)、蜂鸣器驱动电路(5)和高压脉冲电容放电电路(6)；其中电源管理电路(1)分别与精密基准电压电路(2)、霍尔电流传感器电路(3)、高速电压比较器电路(4)、蜂鸣器驱动电路(5)和高压脉冲电容放电电路(6)相连接进行供电，高速电压比较器电路(4)分别与精密基准电压电路(2)、霍尔电流传感器电路(3)、蜂鸣器驱动电路(5)和高压脉冲电容放电电路(6)相连接；
所述的高速电压比较器电路(4)包括电压比较器芯片U4、电阻R1和电容C8～C10；电压比较器芯片U4的1脚接所述电源管理电路的5V电源，并经电容C8接地，电压比较器芯片U4的
2脚经电容C9与地相连，电压比较器芯片U4的3脚经电容C10与地相连，电压比较器芯片U4的
7脚经电容R1后接5V电源；电压比较器芯片U4的2脚接到霍尔电流传感器电路(3)的输出电压Vo，电压比较器芯片U4的3脚接到精密基准电压电路(2)输出的基准电压Vref，电压比较器芯片U4的7脚作为输出端连接到蜂鸣器驱动电路(5)和高压脉冲电容放电电路(6)；
所述的高压脉冲电容放电电路(6)包括高压电子开关T1、三极管Q2、电阻R4～R7和高压脉冲电容C11，三极管Q2的基极、发射极分别通过电阻R5、电阻R4后与所述高速电压比较器电路(4)电压比较器芯片U4的7脚相连，三极管Q2的发射极与所述电源管理电路的5V电源相连，三极管Q2的集电极经电阻R6接地；三极管Q2的集电极与高压电子开关T1的门极相连，高压电子开关T1的另外两端与电阻R7、高压脉冲发生器中的高压脉冲电容C11两端串联在一起。
2.根据权利要求1所述的一种高压脉冲电场灭菌的击穿保护装置，其特征在于：所述电源管理电路(1)包括电源接口CON1、电容C1～C6和15V-5V电源转换模块U1，15V-5V电源转换模块U1输入端2脚经电源接口CON1接+15V供电，电源接口CON1的1脚和2脚之间并联有陶瓷电容C1和钽电容C2，电源接口CON1的2脚和3脚之间并联有陶瓷电容C3和钽电容C4，电源接口CON1的1脚、2脚和3脚分别连接到+15V电源、地和-15V电源，15V-5V电源转换模块U1的输入端2脚接+15V电源，其输出端3脚和4脚并联有陶瓷电容C5和钽电容C6，经过转换后输出5V电源。
3.根据权利要求1所述的一种高压脉冲电场灭菌的击穿保护装置，其特征在于：所述的精密基准电压电路(2)包括基准电压芯片U2和电位器VR1，基准稳压芯片U2的1脚与电位器VR1的2脚连接，电位器VR1的1脚和基准稳压芯片U2的3脚连接到5V电源，基准稳压芯片U2的
2脚和电位器VR1的3脚接地，基准稳压芯片U2的输出端3脚接到所述高速电压比较器电路(4)电压比较器芯片U4的3脚。
4.根据权利要求1所述的一种高压脉冲电场灭菌的击穿保护装置，其特征在于：所述的霍尔电流传感器电路(3)包括霍尔电流传感器U3和电容C7，霍尔电流传感器U3的输出端3脚和接地端4脚之间并联有电容C7，霍尔电流传感器U3的两个电源端1脚和2脚分别接所述电源管理电路(1)输出的±15V电源供电，霍尔电流传感器U3的输出端3脚接所述高速电压比较器电路(4)电压比较器芯片U4的2脚。
5.根据权利要求1所述的一种高压脉冲电场灭菌的击穿保护装置，其特征在于：所述的蜂鸣器驱动电路(5)包括蜂鸣器B1、电阻R2～R3和三极管Q1，三极管Q1的基极、发射极分别通过电阻R3、电阻R2后与所述高速电压比较器电路(4)电压比较器芯片U4的7脚相连，三极管Q1的发射极与所述电源管理电路的5V电源相连，蜂鸣器B1的正负两极连接在三极管Q1的集电极与地之间。
高压脉冲电场灭菌的击穿保护装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种击穿保护装置，特别涉及了一种高压脉冲电场灭菌的击穿保护装置。
背景技术
[0002] 作为一种新型的非热加工技术，高压脉冲电场(PEF)技术以其温升低、效率高、能保持食品风味等优势成为近年来食品加工工业研究热点，尤其是应用于牛奶、果汁、黄酒等液态食品的杀菌上。高压脉冲电场灭菌的基本原理是在两个电极之间产生瞬时高压脉冲，作用在处理室中的待处理液态食品上，在强电场的作用下，微生物细胞膜发生穿孔、撕裂、崩解从而杀死细菌等微生物。
[0003] 目前，高压脉冲电场技术被广泛应用于液态食品的灭菌处理，例如果汁、鸡蛋酒等。在利用高压脉冲电场对液态食品处理过程中，施加在液态食品上一部分能量会不可避免地换转成欧姆热，使液态食品温度上升而产生气泡，在数千伏高电压的作用下容易发生气泡击穿，使处理室的正负电极发生局部短路甚至完全短路，击穿瞬间产生巨大的冲击电流会导致高压脉冲电源损坏。这也是该技术目前无法大规模商业推广的原因之一。
[0004] 由于高压脉冲电场工作过程中，通常电压值会达到8kV以上，并伴有很强的电磁干扰，采用采样电阻的传统电流监测方法以不再适用，难以满足监测高压电路电流的需求。因此现有技术中缺少一种耐高压、抗干扰能力强、能快速响应的击穿保护装置。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种用于液态食品杀菌的高压脉冲电场发生器击穿保护装置，在处理室击穿发生回路瞬时电流过大时，保护装置快速响应向系统控制器发送过流信号，使设备及时关断，以解决击穿时回路瞬时电流过大导致设备损坏的问题。同时装置还能在击穿保护后自动接通系统中的高压脉冲电容放电回路，释放电容中剩余电能，防止再次上电时电容放电损坏设备。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0007] 本发明包括电源管理电路、精密基准电压电路、霍尔电流传感器电路、高速电压比较器电路、蜂鸣器驱动电路和高压脉冲电容放电电路；其中电源管理电路分别与精密基准电压电路、霍尔电流传感器电路、高速电压比较器电路、蜂鸣器驱动电路和高压脉冲电容放电电路相连接进行供电，高速电压比较器电路分别与精密基准电压电路、霍尔电流传感器电路、蜂鸣器驱动电路和高压脉冲电容放电电路相连接。
[0008] 所述电源管理电路包括电源接口CON1、电容C1～C6和15V-5V电源转换模块U1，15V-5V电源转换模块U1输入端经电源接口CON1接±15V供电，电源接口CON1的1脚和2脚之间并联有陶瓷电容C1和钽电容C2，电源接口CON1的2脚和3脚之间并联有陶瓷电容C3和钽电容C4，电源接口CON1的1脚、2脚和3脚分别连接到+15V电源、地和-15V电源，15V-5V电源转换模块U1的输入端2脚接+15V电源，其输出的两端并联有陶瓷电容C5和钽电容C6，经过转换后输出5V电源。
[0009] 所述的15V-5V电源转换模块U1采用型号为5VB1505。
[0010] 优选的，所述的电压比较器芯片U4型号为MAX903。
[0011] 所述的高速电压比较器电路包括电压比较器芯片U4、电阻R1和电容C8～C10；电压比较器芯片U4的1脚接所述电源管理电路输出的5V电源，并经电容C8接地，电压比较器芯片U4的2脚经电容C9与地相连，电压比较器芯片U4的3脚经电容C10与地相连，电压比较器芯片U4的7脚经电阻R1后接5V电源；电压比较器芯片U4的2脚接到霍尔电流传感器电路的输出电压Vo，电压比较器芯片U4的3脚接到精密基准电压电路输出的基准电压Vref，电压比较器芯片U4的7脚作为输出端连接到蜂鸣器驱动电路和高压脉冲电容放电电路。
[0012] 所述的精密基准电压电路包括基准电压芯片U2和电位器VR1，基准稳压芯片U2的1脚与电位器VR1的2脚连接，电位器VR1的1脚和基准稳压芯片U2的3脚连接到5V电源，基准稳压芯片U2的2脚和电位器VR1的3脚接地，基准稳压芯片U2的3脚接到所述高速电压比较器电路电压比较器芯片U4的3脚。
[0013] 所述的基准电压芯片U2型号为TL431。
[0014] 所述的霍尔电流传感器电路包括霍尔电流传感器U3和电容C7，霍尔电流传感器U3的输出端3脚和接地端4脚之间并联有电容C7，霍尔电流传感器U3的两个电源端1脚和2脚分别接所述电源管理电路输出的±15V电源供电，霍尔电流传感器U3的输出端3脚接所述高速电压比较器电路电压比较器芯片U4的2脚。
[0015] 所述的蜂鸣器驱动电路包括蜂鸣器B1、电阻R2～R3和三极管Q1，三极管Q1的基极、发射极分别通过电阻R3、电阻R2后与所述高速电压比较器电路电压比较器芯片U4的7脚相连，三极管Q1的发射极与所述电源管理电路的5V电源相连，蜂鸣器B1的正负两极连接在三极管Q1的集电极与地之间。
[0016] 所述的高压脉冲电容放电电路包括高压电子开关T1、三极管Q2、电阻R4～R7和高压脉冲电容C11，三极管Q2的基极、发射极分别通过电阻R5、电阻R4后与所述高速电压比较器电路电压比较器芯片U4的7脚相连，三极管Q2的发射极与所述电源管理电路的5V电源相连，三极管Q2的集电极经电阻R6接地；三极管Q2的集电极与高压电子开关T1的门极相连，高压电子开关T1的另外两端与电阻R7、高压脉冲发生器中的高压脉冲电容C11两端串联在一起。
[0017] 本发明具有的有益效果是：
[0018] 1.能有效避免高压脉冲电场处理过程中液态食品击穿导致电流过大而损坏设备；
[0019] 2.检测电路反应灵敏快速，能够在5us内将过流信号反馈给设备控制器，使系统在极短时间内关断；
[0020] 3.采用非接触式测量高压大电流，有效避免高压击穿带来的检测设备损坏；
[0021] 4.在主回路发生过流后能自动打开高压脉冲电容放电回路，防止重新上电后电容高电压对设备造成损坏；
[0022] 5.抗电磁脉冲干扰能力强，工作性能稳定。
附图说明
[0023] 图1是本发明装置的总体结构框图。
[0024] 图2是本发明电源管理电路的电路图。
[0025] 图3是本发明精密基准电压电路的电路图。
[0026] 图4是本发明霍尔电流传感器电路的电路图。
[0027] 图5是本发明高速电压比较器电路的电路图。
[0028] 图6是本发明蜂鸣器驱动电路的电路图。
[0029] 图7是本发明高压脉冲电容放电电路的电路图。
[0030] 图中：电源管理电路1、精密基准电压电路2、霍尔电流传感器电路3、高速电压比较器电路4、蜂鸣器驱动电路5、高压脉冲电容放电电路6。
具体实施方式
[0031] 以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的描述。
[0032] 如图1所示，本发明包括电源管理电路1、精密基准电压电路2、霍尔电流传感器电路3、高速电压比较器电路4、蜂鸣器驱动电路5和高压脉冲电容放电电路6；其中电源管理电路1分别与精密基准电压电路2、霍尔电流传感器电路3、高速电压比较器电路4、蜂鸣器驱动电路5和高压脉冲电容放电电路6均相连接进行供电，高速电压比较器电路4分别与精密基准电压电路2、霍尔电流传感器电路3、蜂鸣器驱动电路5和高压脉冲电容放电电路6相连接。
[0033] 如图2所示，电源管理电路1是本装置的电源输入端，采用±15V供电，包括电源接口CON1、电容C1～C6和15V-5V电源转换模块U1，15V-5V电源转换模块U1输入端经电源接口CON1接+15V供电，电源接口CON1的1脚和2脚之间并联有陶瓷电容C1和钽电容C2，电源接口CON1的2脚和3脚之间并联有陶瓷电容C3和钽电容C4，电源接口CON1的1脚、2脚和3脚分别连接到+15V电源、地和-15V电源，具体地说是+15V电源分别接陶瓷电容C1的一端以及钽电容C2的正极后与电源接口CON1的1脚相连，-15V电源分别接陶瓷电容C3的一端以及钽电容C4的负极后与电源接口CON1的3脚相连；15V-5V电源转换模块U1的输入端2脚接+15V电源，其输出的两端并联有陶瓷电容C5和钽电容C6，经过转换后输出5V电源。
[0034] 如图5所示，高速电压比较器电路4包括型号为MAX903的电压比较器芯片U4、电阻R1和电容C8～C10；电压比较器芯片U4的1脚接所述电源管理电路的5V电源，并经电容C8接地，电压比较器芯片U4的2脚经电容C9与地相连，电压比较器芯片U4的3脚经电容C10与地相连，电压比较器芯片U4的7脚经电容R1后接5V电源；电压比较器芯片U4的2脚接到霍尔电流传感器电路的输出电压Vo，电压比较器芯片U4的3脚接到精密基准电压电路输出的基准电压Vref，电压比较器芯片U4的7脚作为输出端连接到蜂鸣器驱动电路和高压脉冲电容放电电路。
[0035] 如图3所示，精密基准电压电路2包括型号为TL431的基准电压芯片U2和电位器VR1，基准稳压芯片U2的1脚与电位器VR1的2脚连接，电位器VR1的1脚和基准稳压芯片U2的3脚连接到5V电源，基准稳压芯片U2的输出3脚和电位器VR1的3脚接地，基准稳压芯片U23脚接到所述高速电压比较器电路电压比较器芯片U4的3脚。
[0036] 如图4所示，霍尔电流传感器电路3包括霍尔电流传感器U3和电容C7，霍尔电流传感器U3的输出端3脚和接地端4脚之间并联有电容C7，霍尔电流传感器U3的两个电源端1脚和2脚分贝接所述电源管理电路输出的±15V电源供电，霍尔电流传感器U3的输出端3脚接所述高速电压比较器电路4电压比较器芯片U4的2脚。
[0037] 如图6所示，蜂鸣器驱动电路5包括蜂鸣器B1、电阻R2～R3和三极管Q1，三极管Q1的基极、发射极分别通过电阻R3、电阻R2后与所述高速电压比较器电路4电压比较器芯片U4的7脚相连，三极管Q1的发射极与所述电源管理电路的5V电源相连，蜂鸣器B1的正负两极连接在三极管Q1的集电极与地之间。
[0038] 如图7所示，高压脉冲电容放电电路6包括高压电子开关T1、三极管Q2、电阻R4～R7和高压脉冲电容C11，三极管Q2的基极、发射极分别通过电阻R5、电阻R4后与所述高速电压比较器电路4电压比较器芯片U4的7脚相连，三极管Q2的发射极与所述电源管理电路的5V电源相连，三极管Q2的集电极经电阻R6接地；三极管Q2的集电极与高压电子开关T1的门极相连，高压电子开关T1的另外两端与电阻R7、高压脉冲发生器中的高压脉冲电容C11两端串联在一起。
[0039] 本发明的击穿保护装置工作过程如下：
[0040] 在高压脉冲发生器对液态食品灭菌的过程中，霍尔电流传感器U3实时采集主回路的电流大小，并转换成电压信号(Vo)传输至高速电压比较器U4的正相输入端2脚，与精密基准电压电路2提供的基准电压Vref进行比较。
[0041] 当高压脉冲发生器正常工作时，回路电流小于设定的阈值电流，电流传感器输出的电压信号Vo小于基准电压Vref，电压比较器芯片U4的7脚输出高电平5V，蜂鸣器驱动电路5以及高压脉冲电容放电电路6均不工作；当高压脉冲电场所处理的食品介质发生击穿，主回路中的电流瞬间增大到数十安培时，电流传感器输出电压信号Vo大于基准电压Vref，电压比较器芯片U4的7脚电平由高电平5V跳变为低电平0V，高压脉冲电源控制器检测到该电平信号变化后，控制设备快速关断防止过流击穿；同时电压比较器U4的输出的电平变化信号触发蜂鸣器驱动电路5以及高压脉冲电容放电电路6工作，使蜂鸣器开始鸣叫报警并打开高压脉冲电容放电回路，使高压脉冲电容C11通过电阻R7释放储存电能；另外，可以通过调节精密基准电压电路2中的电位器VR1来调节输出的基准电压，从而调节阈值电流大小，以满足不同工况的需求。
[0042] 由此可见，当处理介质发生击穿导致回路电流大于设定阈值时，本发明能够快速向设备控制器发送过流信号，及时切断电路，防止大电流损坏设备。因此本发明技术效果突出，能够实时监测脉冲发生器主回路中的电流大小，具有耐高压、抗干扰能力强、能快速响应的技术效果。
