一種新型交流電壓變送器的設計與實現

摘 要：為了實現交流電壓的測量與變送，滿足DDZ-Ⅱ、DDZ-Ⅲ儀表、電子計算機等對該模擬量輸入信號的需求，設計了一種新型交流電壓變送器。介紹了該變送器的組成、功能及主要技術指標，并從電子學的角度分析了該變送器的工作原理，對輸出與輸入之間的線性關系及實現方法進行了討論。通過實驗檢測，證明了該變送器的變換線路結構新穎、簡單、準確度高、長期工作穩定可靠。

　　在電力系統中的各電站、調度室、變電所及冶金、化工各類工礦企業中的生產流程、油田開發等各個領域，當為DDZ-Ⅱ，DDZ-Ⅲ電動單元組合遠動裝置、Foxboro Micro 761可編程數字調節器、電子計算機、巡檢、自動化控制系統提供所要求的模擬量輸入信號時，需要將被測交流電量（電壓或電流）轉換成線性比例輸出的直流模擬電量，它是實現電控設備自動化過程中不可缺少的環節之一。為此，我們設計了一種新型交流電壓變送器，可將0~240V工頻（50Hz）電壓線性轉換成直流0~10V、0~10mA和4~20mA信號。應用情況表明該轉換器設計合理、轉換精度高、帶負載能力強、抗電沖擊性能好，使用效果良好。

　　1 變送器組成、功能及主要技術指標

　　1.1 變送器組成

　　圖1為電壓變送器組成原理框圖。從圖中可看出，系統分為以下幾部分：

　　（1）變壓器及分壓電路 考慮到檢波電路對輸入電壓的要求，利用變壓器及分壓電路將0~240V 線性轉換為0~5V.

　　（2）AC/DC轉換電路 利用負反饋對一般的二極管檢波電路進行校正，使轉換特性線性化，將0~5V輸入線性轉換為0~10V直流輸出。

　　（3）V/I轉換電路 它是系統的電流輸出環節，其作用是將檢波電路輸出的直流電壓線性變換為雙路0~10mA、4~20mA電流信號輸出。

　　（4）基準電源 為AC/DC轉換電路和V/I轉換電路提供所需的直流電源及偏置電壓。

圖1 變送器組成原理框圖

　　1.2 變送器功能

　　該變送器有一路輸入通道（0~240V 通道）和三路輸出通道（0~10V通道，4~20mA 通道，0~10mA通道）。根據需要，三條輸出通道可分別單獨輸出或并行輸出。

　　對三條輸出通道中的每一路，變送器內部都設有滿量程調整電位器，可非常方便地調整儀表的量程。另外，對4~20mA輸出，儀表還設有零點調整電位器，以便進行零點的調整。前面板設有0~250V交流及0~10V直流電壓表0~10mA和4~20mA直流電流表各一塊，并配有轉換開關，可隨時觀察輸入信號及轉換的輸出信號變化。

　　1.3 變送器主要技術指標

　　輸入交流信號量程：0~240V;

　　輸出直流信號量程：0~10V;

　　 0~10mA;

　　 4~20mA;

　　負載電阻：0~10V ≥5KΩ；

　　0~10mA 為0~1.5KΩ；

　 　4~20mA 為0~500Ω；

　　基本誤差：≤0.5%

　　工作環境：溫度0~40℃

　　相對濕度：≤85%.

　　運行方式：能在額定負載下連續工作。

2 工作原理與分析

2.2 V/I轉換電路原理

　　圖4是輸入直流電壓0~10V,輸出直流電流0~10mA,帶負載能力0~1.5kΩ的轉換電路原理圖。該電路的輸入就是線性檢波電路的輸出，由于該電路引入了很強的電流串聯負反饋，因此輸出電流與輸入電壓具有良好的線性關系，且具有恒流性能。此電路中的A5設計為差動輸入放大電路，它將輸入信號Vout4與反饋信號Vf進行比較放大。復合管N1、N2的作用是擴大輸出電流，其中N1是反相放大器，N2是電流輸出級，輸入電壓Vout4經電阻R10加到運放反相輸入端，輸出電流Iout流經R15及Rf得到反饋電壓Vf,此電壓經電阻R12、R13加到A5的兩個輸入端，下面分析該電路輸出電流與輸入電壓的關系。

圖4 直流0~10V/0~10mA轉換電路

　　假設A5為理想運算放大器，反饋電阻R15、R16和負載電阻RL分別遠小于對應電阻R9+R12及R10+R13,則R12,R13支路的分流作用可忽略不計，設A5正、反相輸入端電壓分別為VM、VN,B點與動觸點C對地的電壓分別為VB、VC.

　　則有

　　VM=VN（1）

　　VB-VC=Vf（2）

　　Vf-Iout（R15+Rf）（3）

　　（4）

　　（5）

　　取R9=R10=100kΩ，R12=R13=20kΩ，由（4）式減去（5）式得：

　　（6）

　　將（1）式和（2）式帶入（6）式得

　　（7）

　　將（3）式代入（7）式得

　　Vout4=5Iout（R15+Rf）

　　則：

　　由上式可見，當運放開環增益足夠大時，輸出電流Iout與輸入電壓Vout4的關系僅與反饋電阻R15+Rf大小有關，而與其他參數及負載電阻RL無關，因此電路具有恒流性能。

　　當取R15+Rf=200Ω，即Rf=50Ω時，若Vout4=0~10V,則得Iout=0~10mA

　　調節電位器R16動觸點C的位置，可改變反饋電阻Rf的阻值，從而改變反饋深度，來進行調節變送器的量程，使得Vi=240V時，Iout=10mA.

　　圖5是輸入直流電壓0~10V,輸出直流電流4~20mA,帶負載能力0~500Ω的轉換電路原理圖。該電路與0~10V/0~mA轉換電路結構類似，只是運放A6的同相輸入端不是直接接地，而是加一固定的負偏置電壓Vp,以便進行零點調整。

圖5 直流0~10V/4~20mA轉換電路

　　下面通過計算來確定輸入電壓與輸出電流Iout之間的關系。

　　設A6為理想運算放大器，Vout4為線性檢波器的輸出，A6正、反相輸入端及D點與動觸點E對地的電壓分別為VR、VS、VD、VE.輸出電流Iout在R23+Rf上得到的反饋電壓為Vf.與圖4 0~10V/0~10mA轉換電路公式推導相類似，輸入電壓Vout與輸出電流Iout之間的關系為

　　由上式可見，當運放開環增益足夠大時，輸出電流Iout僅與輸入電壓Vout4、負偏置電壓VP、反饋電阻Rf大小有關，而與參數及負載電阻RL無關，因此該電路具有恒流性能。

　　當VP=-2.5V,Rf=50Ω時，若Vout4=0~10VDC,則有Iout=4~20mA.圖中RW是一零點調整電位器，通過調整RW,用來改變VP,進行變送器零點的調整，使得當變送器輸入直流電壓為0V時，Iout=4mADC;R24是一量程調整電位器，通過改變動觸點E的位置，可改變反饋電阻Rf的阻值，從而改變反饋深度，來進行調節變送器的量程，使得當變送器輸入交流電壓為240V時，Iout=20mA.

3 實驗結果及討論

　　2.1 AC/DC轉換電路原理

　　圖2是輸入交流電壓0~5V,輸出直流電壓0~10V的AC/DC轉換電路原理圖。該電路由同相運放電路A1、線性檢波電路A2、有源濾波電路A3、反相放大電路A4構成。整個轉換電路的電源由基準電源提供。

圖2 AC/DC轉換電路工作原理圖

　　圖中A1構成轉換電路的輸入級，由于線性檢波器A2采用并聯負反饋運放，其輸入阻抗較低。因此在A2前加接一級同相運放A1后不僅能提高輸入阻抗，還可提高靈敏度，從圖中可看出，Vout1=2Vin,因Vin=0~5V,故Vout1=0~10V.

　　A2及D1、D2以及C1、R2、R3、R組成線性半波平均值檢波器。當輸入電壓Vout1為正半周期間，因Vout1從運放反相輸入端輸入，故運放輸出端A點的電壓為負值。由于這時運放工作于反相放大狀態，其反相輸入端為虛地點，接近零電位，而A點為負電位，故D2導通，A點被箝位于-0.6V左右，導致D1截止。顯然檢波器的輸出電壓Vout2為零。當輸入電壓Vout1為負半周期間，A點電壓為正值。那么D2截止，D1導通。這時，檢波器相當于反相運算放大器。在Vout2正、負一個周期內的輸出電壓可用下式表示：

　　因R2=R3=20kΩ，所以當Vout1≤0時，Vout2=-Vout1,其工作波形如圖3所示。由于在負半周檢波過程中二極管D1和運放A2相串聯，不處于負反饋

　　網絡內，在運放放大倍數很高條件下，很容易推導出檢波器閉環增益主要取決于反饋網絡的R3、C1及輸入電阻R2,而與D1無關。因此，由D1的伏安特性而引起的非線性影響將大大減小了。從而說明圖2的電路是一個線性檢波電路。在整個周期內，當Vout1=0~10V時，半波檢波的平均值電壓Vout2=0~4.5V.圖中C1起略微縮窄頻帶的作用，以濾去混入輸入信號中的極窄脈沖干擾。

圖3 線性半波檢波波形圖

　　為獲得平滑的直流電壓Vout3以及帶負載能力，在檢波器后加接RC有源低通濾波器A3.當選用R6=20kΩ、C2=100uF/25V時，濾波器的截止頻率R6 C2/2π遠小于工頻頻率，濾波效果較好。

　　圖中A4為反相放大器，以提高靈敏度和擴大量程。R8選用50kΩ的電位器，通過調整R8,即可使輸入交流電壓為240V時，Vout4=10V,從而完成0~240V交流信號到0~10V直流信號的線性轉換輸出。