工業(yè)二線制交流電流變送器的電路設(shè)計

1、工業(yè)二線制交流電流變送器的電路設(shè)計        工業(yè)上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設(shè)備上。這種將物理量轉(zhuǎn)換成電信號的設(shè)備稱為變送器。工業(yè)上最廣泛采用的是用420mA電流來傳輸模擬量。采用電流信號的原因是不容易受干擾，并且電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。又因為在工業(yè)應(yīng)用中，測量點一般在現(xiàn)場，而顯示設(shè)備或者控制設(shè)備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能數(shù)十至數(shù)百米。按一百米距離計算

2、，省去2根導(dǎo)線意味著成本降低近百元！因此在應(yīng)用中兩線制變送器必然是首選。因此研究二線制電流變送器對工業(yè)生產(chǎn)，人們的日常生活都顯得異常重要。        2.1二線制交流電流變送器主要特點：電源，利用指示儀表或DCS系統(tǒng)提供電源。    2.1.2輸入與輸出完全隔離。    2.1.3輸出信號采用極性保護(hù)措施，極性正確時，指示燈亮，儀表工作；極性錯誤時，指示燈滅，儀表不工作。    2.1.4儀表

3、本身無發(fā)熱源，徹底解決了高溫環(huán)境下普通變送器因內(nèi)部發(fā)熱而引發(fā)的輸出信號丟失的普遍現(xiàn)象。    2.2二線制交流電流變送器的主要技術(shù)參數(shù)：    2.2.1輸入信號：05A AC.    2.2.2輸出信號：420mA DC（二線制傳輸）。    2.2.3輸出負(fù)載電阻：0500    2.2.4精度：0.5%.    2.2.5溫度系數(shù)：150ppm/。&#

4、160;   2.2.6工作溫度：-10+70。    2.2.7隔離：輸入與輸出隔離。    2.2.8絕緣電阻：200M（500V DC）。    2.2.9絕緣強度：1000V/1分鐘。    2.2.10供電電源：1）1536V DC.              

5、;               2）15V,RL=0250                             3）24V,RL=0500  &#

6、160;                          4）30V,RL=0750                     &

7、#160;       5）36V,RL=01K        兩線制變送器的結(jié)構(gòu)與原理兩線制變送器的原理是利用了420mA信號為自身提供電能；V/I變換器與 V/I 變換器是一種可以用電壓信號控制輸出電流的電路；兩線制壓力變送器設(shè)計壓力橋、稱重傳感器輸出信號微弱，都屬于mV級信號；穩(wěn)定性和安全性的考慮工業(yè)環(huán)境下環(huán)境惡劣且對可靠性要求高，因此兩線制變送器的設(shè)計上需要考慮一定的保護(hù)和增強穩(wěn)定性措施。    &

8、#160;   二線制交流電流變送器是一種能將被測交流電流按線性比例輸出直流標(biāo)準(zhǔn)電流的新型儀表。配以相應(yīng)的指示儀表或直接輸出送到DCS系統(tǒng)，實現(xiàn)交流電流的測量和控制。            電流互感器是一種交流電流/電流變換器，當(dāng)初級流過交流電流時，次級線圈則對應(yīng)其變比產(chǎn)生交流電流。再通過負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成交流電壓信號。    合理選擇互感器的變比十分重要。    在選擇

9、變比之前，首先要確定通過互感器產(chǎn)生的負(fù)載電壓是否滿足變送電路需要的輸入信號電壓。通常我們將輸入信號電壓的最大值選擇在23V/AC 左右。    同時選擇互感器負(fù)載電阻為標(biāo)準(zhǔn)系列電阻。選RL=1K。        互感器連接負(fù)載（圖2-1）    例如：輸入信號電壓選2.5V.    已知：交流電流輸入為05A,    則變比為：   5A

10、/0.0025A=2000    即     1:2000    所以，當(dāng)電流互感器初級電流為05A 變化時，次級負(fù)載電阻兩端的電壓為02.5V.    選擇5A/2.5mA的互感器。    如果要求輸入信號電壓的最大值選擇在3V時，只需要將負(fù)載電阻選擇為RL=1.2K即可。    V=I×R=0.0025A×1.2K=3V &

11、#160;  仍然選擇5A/2.5mA的互感器。             如果輸入的信號非常微弱時，需要首先對信號進(jìn)行放大后再進(jìn)行整流。為了簡化電路，我們選擇的輸入信號電壓幅度比較大，02.5V/AC.所以可以直接整流，而不必進(jìn)行放大。    如果直接利用常用的晶體二極管整流，二極管的正向電壓降會造成小電流時不能正常輸出，從而造成在互感器輸入1A 電流時，變送器無法線性輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號。原因是晶體二極管的正

12、向電壓降在0.50.7V 左右，當(dāng)互感器輸入電流1A 時，次級負(fù)載電阻兩端的電壓為0.5V,此時晶體二極管無法導(dǎo)通！    我們利用運算放大器的反饋電路來實現(xiàn)理想二極管獲得過零整流的特性，即微小信號的理想整流，從而獲得高精度線性整流的特性。    同時，為了簡化電路，降低變送器的功耗，而采用了半波精密整流電路        半波精密整流電路（圖2-2）    圖中的R2,R3,D1與N1 運算放大

13、器組成正輸出的理想二極管整流電路。D1 串接于運算放大器N1 的輸出端，并且從D1 的陰極開始進(jìn)行反饋。R2 是串聯(lián)的輸入電阻Ri,R3 是反饋電阻Rf.既然不需要進(jìn)行放大，所以選擇R3=R2.    通常選擇通用運算放大器的輸入阻抗為幾十千歐姆，所以選擇R2=R3=10K51K均可，要求相對誤差盡量小一點，否則輸出的直流電壓會產(chǎn)生誤差。    對于輸入的負(fù)半周信號來講，N1 是一個典型的反相放大器。此時的增益為    A=（-Vi）×（-R3/R2）=Vi

14、0;   而對于輸入的正半周信號來講，N1 的輸出則變成負(fù)值    A=Vi×（-R3/R2）=-Vi    此時D1 被反相偏置而截止，輸入信號Vi 則通過R2,R3串聯(lián)電路直接輸出至后一級電路。        為了保證直流信號的有效傳送，徹底濾除掉工頻信號以及各種雜波噪聲對變送器的影響，選用低通濾波器來完成此項任務(wù)。同時為了取得平坦的濾波效果，采用2db/oct 巴特沃次（最平坦特性）濾波器電

15、路。     而濾波電路的Q 值必須0.707才能獲得最平坦特性。    為了使Q=0.707左右，C1,C2必須建立的關(guān)系為    C1=4Q2×C2=2C2    同時電路必須滿足以下關(guān)系    Ro=R2=R3    Co=1/（2×fL×Ro）    fL=1/（2×Co

16、×Ro）    式中    Ro    輸出等效電阻             Co    輸出等效電容              fL     低通截止頻率&#

17、160;   根據(jù)以上公式，首先確定低通濾波器的截止頻率。    為了有效的濾除工頻信號（50Hz）和外界雜波干擾頻率信號，保證直流有用信號的順利傳輸，合理的選擇低通濾波器的截止頻率至關(guān)重要。    通常考慮截止頻率為工頻的1/101/20以下，這里選擇25Hz.即只允許低于25Hz以下的交流及直流信號通過，高于25Hz以上的所有信號必須徹底隔斷阻止通過。    根據(jù)公式   fL=1/（2×Co×Ro）&

18、#160;   選擇   fL=（25）Hz    Ro=R2=R3=51K    Co=1/（2×fL×Ro）    =1/（6.28×（25）×51000）    =（0.6241.56）F    C1=1.4Co=（0.8472.184）     C2=0.7Co

19、=（0.4371.092） F    由于電容器的規(guī)格容量標(biāo)稱值有一定的限制，這里選擇容量接近的標(biāo)稱容量的電容器進(jìn)行配組：    第一組：C1=0.847F    選1F    C2=1.092F    選1F    驗證：    根據(jù)Co=1/（2×fL×Ro）    =1/（

20、6.28×（25）×51000）    =（0.6241.56）F    在截止頻率為25Hz范圍內(nèi)，Co=（0.6241.56）F 時，第一組按最高截止頻率計算，取Co=0.671F第二組按最低截止頻率計算，取Co=1.571F驗證：根據(jù)公式   fL=1/（2×Co×Ro）第一組：fL=1/（2×Co×Ro）=1/（6.28×0.671×51000×10-6）=4.653Hz第二組：fL=1/（2

21、15;Co×Ro）=1/（6.28×1.571×51000×10-6）=1.987Hz基本滿足設(shè)計要求的（25）Hz 范圍。具體電路見（圖2-3）再驗證體通濾波器的Q值是否滿足要求：第一組：Q=(C1/C2)/2=(1/0.47)/2=2.128/2=0.7296第二組：Q=(C1/C2)/2=(2.2/1)/2=2.2/2=0.7416均0.707,可以認(rèn)為成立。低通濾波器電路元件配型對應(yīng)的截止頻率表             

22、;     C1 =1F    C1=2.2F            電  阻  值Ro    C2=0.47F    C2=1F            51K 

23、;   4.653Hz    1.987Hz            Q 值0.707    0.7296    0.7416     為了保證在零信號輸入時，使輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)電流信號的零位基準(zhǔn)4mA,必須在加法器電路的輸入端提供系統(tǒng)輸出電流信號的零點調(diào)節(jié)電壓。同時要求該電壓必須穩(wěn)定可靠，避

24、免溫度影響而引起的漂移現(xiàn)象?；鶞?zhǔn)電壓電路采用TL431組成2.5V的基準(zhǔn)電壓。為了減小溫度漂移現(xiàn)象，采用LM334組成恒流源給TL431提供偏置電流。考慮二線制儀表的靜態(tài)電流要求，4mA 的零點電流中，全部電路的靜態(tài)電流考慮留出1mA左右的零點調(diào)節(jié)范圍，全部電路的靜態(tài)電流不能超過3mA .由于運算放大器準(zhǔn)備選用LM124四運放，LM124的靜態(tài)電流約為1.7mA 左右。所以，選擇基準(zhǔn)電壓電路TL431的偏置電流為1.3mA左右 .根據(jù)公式   Rset=（67.7×10-3）/I=（67.7×10-3）/（1.3×10-3）=52選標(biāo)稱電阻值5

25、1。驗證：    I=（67.7×10-3）/ Rset=（67.7×10-3）/ 51=0.00133A=1.33 mA基本滿足設(shè)計要求。基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生與加法器電路見（圖2-4）    加法器電路是一個典型的反相加法放大器，輸出電壓Eo可以有以下公式表示：    Eo=-V    已知前級輸出電壓為-0.042V-0.867V ,所以要求流過51電阻的電流為    Io=V/R=（0.0

26、420.867）/51=0.8217mA .    加上系統(tǒng)電路元件的靜態(tài)電流3 mA ,系統(tǒng)電流為    0.8217+3=3.8220mA    適當(dāng)調(diào)整零點和量程電位器，使得系統(tǒng)電流在輸入05A/AC 時，輸出電流為420mA /DC 即可。    由于本電路的負(fù)載是長電纜，為了避免電路產(chǎn)生振蕩，在運放的反饋端（即反相輸入端與輸出端之間）增加了防止寄生振蕩的電容器（0.1F）。    具體電

27、路見下圖（圖2-5）        電壓/電流轉(zhuǎn)換電路        為了滿足運算放大器工作時處理負(fù)電壓信號，必須給系統(tǒng)提供相應(yīng)的正，負(fù)工作電壓。所以在系統(tǒng)共用端與電源負(fù)極回路串聯(lián)一只發(fā)光二極管，利用發(fā)光二極管工作是產(chǎn)生的電壓降作為運算放大器的負(fù)電源。同時將運算放大器的負(fù)電源端與發(fā)光二極管的陰極接通，從而提高了系統(tǒng)共用端的電位，相映對于系統(tǒng)共用端來講，運算放大器得到了正，負(fù)工作電源。    發(fā)光二極管的正向壓降：紅色1.5V 左右；綠色1.7V 左右；黃色1.9V 左右。    同時，發(fā)光二極管兼任變