工业二线制交流电流变送器的电路设计

　　1.二线制交流电流变送器

　　工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。采用电流信号的原因是不容易受干扰，并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。又因为在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。两者之间距离可能数十至数百米。按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！因此在应用中两线制变送器必然是首选。因此研究二线制电流变送器对工业生产，人们的日常生活都显得异常重要。

　　2.二线制变送器的特点及参数

　　2.1二线制交流电流变送器主要特点：

　　2.1.1二线制仪表现场不需要工作电源，利用指示仪表或DCS系统提供电源。

　　2.1.2输入与输出完全隔离。

　　2.1.3输出信号采用极性保护措施，极性正确时，指示灯亮，仪表工作；极性错误时，指示灯灭，仪表不工作。

　　2.1.4仪表本身无发热源，彻底解决了高温环境下普通变送器因内部发热而引发的输出信号丢失的普遍现象。

　　2.2二线制交流电流变送器的主要技术参数：

　　2.2.1输入信号：0~5A AC.

　　2.2.2输出信号：420mA DC（二线制传输）。

　　2.2.3输出负载电阻：0~500

　　2.2.4精度：0.5%.

　　2.2.5温度系数：≤150ppm/℃。

　　2.2.6工作温度：-10℃~+70℃。

　　2.2.7隔离：输入与输出隔离。

　　2.2.8绝缘电阻：〉200M（500V DC）。

　　2.2.9绝缘强度：〉1000V/1分钟。

　　2.2.10供电电源：1）15~36V DC.

　                         　2）15V,RL=0~250

　                         　3）24V,RL=0~500

　                         　4）30V,RL=0~750

　　                         5）36V,RL=0~1K

　　3.设计方案及其变送器的系统方框图

　　两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能；V/I变换器与 V/I 变换器是一种可以用电压信号控制输出电流的电路；两线制压力变送器设计压力桥、称重传感器输出信号微弱，都属于mV级信号；稳定性和安全性的考虑工业环境下环境恶劣且对可靠性要求高，因此两线制变送器的设计上需要考虑一定的保护和增强稳定性措施。

　　二线制交流电流变送器是一种能将被测交流电流按线性比例输出直流标准电流的新型仪表。配以相应的指示仪表或直接输出送到DCS系统，实现交流电流的测量和控制。

　　4.二线制交流变送器的元器件选择与电路的设计

　　4.1互感器的选择

　　电流互感器是一种交流电流/电流变换器，当初级流过交流电流时，次级线圈则对应其变比产生交流电流。再通过负载电阻转换成交流电压信号。

　　合理选择互感器的变比十分重要。

　　在选择变比之前，首先要确定通过互感器产生的负载电压是否满足变送电路需要的输入信号电压。通常我们将输入信号电压的最大值选择在2~3V/AC 左右。

　　同时选择互感器负载电阻为标准系列电阻。选RL=1KΩ。

互感器连接负载（图2-1）

　　例如：输入信号电压选2.5V.

　　I=V/R=2.5V/1000Ω=0.0025A=2.5mA

　　已知：交流电流输入为0~5A,

　　则变比为：   5A/0.0025A=2000

　　即     1:2000

　　所以，当电流互感器初级电流为0~5A 变化时，次级负载电阻两端的电压为0~2.5V.

　　选择5A/2.5mA的互感器。

　　如果要求输入信号电压的最大值选择在3V时，只需要将负载电阻选择为RL=1.2KΩ即可。

　　V=I×R=0.0025A×1.2KΩ=3V

　　仍然选择5A/2.5mA的互感器。

　　4.2整流电路的选择

　　如果输入的信号非常微弱时，需要首先对信号进行放大后再进行整流。为了简化电路，我们选择的输入信号电压幅度比较大，0~2.5V/AC.所以可以直接整流，而不必进行放大。

　　如果直接利用常用的晶体二极管整流，二极管的正向电压降会造成小电流时不能正常输出，从而造成在互感器输入≤1A 电流时，变送器无法线性输出标准电流信号。原因是晶体二极管的正向电压降在0.5~0.7V 左右，当互感器输入电流≤1A 时，次级负载电阻两端的电压为≤0.5V,此时晶体二极管无法导通！

　　我们利用运算放大器的反馈电路来实现理想二极管获得过零整流的特性，即微小信号的理想整流，从而获得高精度线性整流的特性。

　　同时，为了简化电路，降低变送器的功耗，而采用了半波精密整流电路

半波精密整流电路（图2-2）

　　图中的R2,R3,D1与N1 运算放大器组成正输出的理想二极管整流电路。D1 串接于运算放大器N1 的输出端，并且从D1 的阴极开始进行反馈。R2 是串联的输入电阻Ri,R3 是反馈电阻Rf.既然不需要进行放大，所以选择R3=R2.

　　通常选择通用运算放大器的输入阻抗为几十千欧姆，所以选择R2=R3=10KΩ~51KΩ均可，要求相对误差尽量小一点，否则输出的直流电压会产生误差。

　　对于输入的负半周信号来讲，N1 是一个典型的反相放大器。此时的增益为

　　A=（-Vi）×（-R3/R2）=Vi

　　而对于输入的正半周信号来讲，N1 的输出则变成负值

　　A=Vi×（-R3/R2）=-Vi

　　此时D1 被反相偏置而截止，输入信号Vi 则通过R2,R3串联电路直接输出至后一级电路。

　　4.3低通滤波器电路的选择

　　为了保证直流信号的有效传送，彻底滤除掉工频信号以及各种杂波噪声对变送器的影响，选用低通滤波器来完成此项任务。同时为了取得平坦的滤波效果，采用2db/oct 巴特沃次（最平坦特性）滤波器电路。

本文关键字：变送器  工业  传感-检测-采集电路，单元电路 - 传感-检测-采集电路