一種新型交流電壓變送器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)交流電壓的測(cè)量與變送，滿足DDZ-Ⅱ、DDZ-Ⅲ儀表、電子計(jì)算機(jī)等對(duì)該模擬量輸入信號(hào)的需求，設(shè)計(jì)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(shù)指標(biāo)，并從電子學(xué)的角度分析了該變送器的工作原理，對(duì)輸出與輸入之間的線性關(guān)系及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了討論。通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，證明了該變送器的變換線路結(jié)構(gòu)新穎、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高、長(zhǎng)期工作穩(wěn)定可靠。

　　在電力系統(tǒng)中的各電站、調(diào)度室、變電所及冶金、化工各類工礦企業(yè)中的生產(chǎn)流程、油田開(kāi)發(fā)等各個(gè)領(lǐng)域，當(dāng)為DDZ-Ⅱ，DDZ-Ⅲ電動(dòng)單元組合遠(yuǎn)動(dòng)裝置、Foxboro Micro 761可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器、電子計(jì)算機(jī)、巡檢、自動(dòng)化控制系統(tǒng)提供所要求的模擬量輸入信號(hào)時(shí)，需要將被測(cè)交流電量（電壓或電流）轉(zhuǎn)換成線性比例輸出的直流模擬電量，它是實(shí)現(xiàn)電控設(shè)備自動(dòng)化過(guò)程中不可缺少的環(huán)節(jié)之一。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型交流電壓變送器，可將0~240V工頻（50Hz）電壓線性轉(zhuǎn)換成直流0~10V、0~10mA和4~20mA信號(hào)。應(yīng)用情況表明該轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)合理、轉(zhuǎn)換精度高、帶負(fù)載能力強(qiáng)、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(shù)指標(biāo)

　　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(tǒng)分為以下幾部分：

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

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

　　（3）V/I轉(zhuǎn)換電路 它是系統(tǒng)的電流輸出環(huán)節(jié)，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(hào)輸出。

　?。?）基準(zhǔn)電源 為AC/DC轉(zhuǎn)換電路和V/I轉(zhuǎn)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(jù)需要，三條輸出通道可分別單獨(dú)輸出或并行輸出。

　　對(duì)三條輸出通道中的每一路，變送器內(nèi)部都設(shè)有滿量程調(diào)整電位器，可非常方便地調(diào)整儀表的量程。另外，對(duì)4~20mA輸出，儀表還設(shè)有零點(diǎn)調(diào)整電位器，以便進(jìn)行零點(diǎn)的調(diào)整。前面板設(shè)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(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，可隨時(shí)觀察輸入信號(hào)及轉(zhuǎn)換的輸出信號(hào)變化。

　　1.3 變送器主要技術(shù)指標(biāo)

　　輸入交流信號(hào)量程：0~240V;

　　輸出直流信號(hào)量程：0~10V;

　　 0~10mA;

　　 4~20mA;

　　負(fù)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(huán)境：溫度0~40℃

　　相對(duì)濕度：≤85%.

　　運(yùn)行方式：能在額定負(fù)載下連續(xù)工作。

2 工作原理與分析

2.2 V/I轉(zhuǎn)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(fù)載能力0~1.5kΩ的轉(zhuǎn)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(qiáng)的電流串聯(lián)負(fù)反饋，因此輸出電流與輸入電壓具有良好的線性關(guān)系，且具有恒流性能。此電路中的A5設(shè)計(jì)為差動(dòng)輸入放大電路，它將輸入信號(hào)Vout4與反饋信號(hào)Vf進(jìn)行比較放大。復(fù)合管N1、N2的作用是擴(kuò)大輸出電流，其中N1是反相放大器，N2是電流輸出級(jí)，輸入電壓Vout4經(jīng)電阻R10加到運(yùn)放反相輸入端，輸出電流Iout流經(jīng)R15及Rf得到反饋電壓Vf,此電壓經(jīng)電阻R12、R13加到A5的兩個(gè)輸入端，下面分析該電路輸出電流與輸入電壓的關(guān)系。

圖4 直流0~10V/0~10mA轉(zhuǎn)換電路

　　假設(shè)A5為理想運(yùn)算放大器，反饋電阻R15、R16和負(fù)載電阻RL分別遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)電阻R9+R12及R10+R13,則R12,R13支路的分流作用可忽略不計(jì)，設(shè)A5正、反相輸入端電壓分別為VM、VN,B點(diǎn)與動(dòng)觸點(diǎn)C對(duì)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(jiàn)，當(dāng)運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益足夠大時(shí)，輸出電流Iout與輸入電壓Vout4的關(guān)系僅與反饋電阻R15+Rf大小有關(guān)，而與其他參數(shù)及負(fù)載電阻RL無(wú)關(guān)，因此電路具有恒流性能。

　　當(dāng)取R15+Rf=200Ω，即Rf=50Ω時(shí)，若Vout4=0~10V,則得Iout=0~10mA

　　調(diào)節(jié)電位器R16動(dòng)觸點(diǎn)C的位置，可改變反饋電阻Rf的阻值，從而改變反饋深度，來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)變送器的量程，使得Vi=240V時(shí)，Iout=10mA.

　　圖5是輸入直流電壓0~10V,輸出直流電流4~20mA,帶負(fù)載能力0~500Ω的轉(zhuǎn)換電路原理圖。該電路與0~10V/0~mA轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)類似，只是運(yùn)放A6的同相輸入端不是直接接地，而是加一固定的負(fù)偏置電壓Vp,以便進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。

圖5 直流0~10V/4~20mA轉(zhuǎn)換電路

　　下面通過(guò)計(jì)算來(lái)確定輸入電壓與輸出電流Iout之間的關(guān)系。

　　設(shè)A6為理想運(yùn)算放大器，Vout4為線性檢波器的輸出，A6正、反相輸入端及D點(diǎn)與動(dòng)觸點(diǎn)E對(duì)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(zhuǎn)換電路公式推導(dǎo)相類似，輸入電壓Vout與輸出電流Iout之間的關(guān)系為

　　由上式可見(jiàn)，當(dāng)運(yùn)放開(kāi)環(huán)增益足夠大時(shí)，輸出電流Iout僅與輸入電壓Vout4、負(fù)偏置電壓VP、反饋電阻Rf大小有關(guān)，而與參數(shù)及負(fù)載電阻RL無(wú)關(guān)，因此該電路具有恒流性能。

　　當(dāng)VP=-2.5V,Rf=50Ω時(shí)，若Vout4=0~10VDC,則有Iout=4~20mA.圖中RW是一零點(diǎn)調(diào)整電位器，通過(guò)調(diào)整RW,用來(lái)改變VP,進(jìn)行變送器零點(diǎn)的調(diào)整，使得當(dāng)變送器輸入直流電壓為0V時(shí)，Iout=4mADC;R24是一量程調(diào)整電位器，通過(guò)改變動(dòng)觸點(diǎn)E的位置，可改變反饋電阻Rf的阻值，從而改變反饋深度，來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)變送器的量程，使得當(dāng)變送器輸入交流電壓為240V時(shí)，Iout=20mA.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

　　2.1 AC/DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路原理圖。該電路由同相運(yùn)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(gòu)成。整個(gè)轉(zhuǎn)換電路的電源由基準(zhǔn)電源提供。

圖2 AC/DC轉(zhuǎn)換電路工作原理圖

　　圖中A1構(gòu)成轉(zhuǎn)換電路的輸入級(jí)，由于線性檢波器A2采用并聯(lián)負(fù)反饋運(yùn)放，其輸入阻抗較低。因此在A2前加接一級(jí)同相運(yùn)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(dāng)輸入電壓Vout1為正半周期間，因Vout1從運(yùn)放反相輸入端輸入，故運(yùn)放輸出端A點(diǎn)的電壓為負(fù)值。由于這時(shí)運(yùn)放工作于反相放大狀態(tài)，其反相輸入端為虛地點(diǎn)，接近零電位，而A點(diǎn)為負(fù)電位，故D2導(dǎo)通，A點(diǎn)被箝位于-0.6V左右，導(dǎo)致D1截止。顯然檢波器的輸出電壓Vout2為零。當(dāng)輸入電壓Vout1為負(fù)半周期間，A點(diǎn)電壓為正值。那么D2截止，D1導(dǎo)通。這時(shí)，檢波器相當(dāng)于反相運(yùn)算放大器。在Vout2正、負(fù)一個(gè)周期內(nèi)的輸出電壓可用下式表示：

　　因R2=R3=20kΩ，所以當(dāng)Vout1≤0時(shí)，Vout2=-Vout1,其工作波形如圖3所示。由于在負(fù)半周檢波過(guò)程中二極管D1和運(yùn)放A2相串聯(lián)，不處于負(fù)反饋

　　網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，在運(yùn)放放大倍數(shù)很高條件下，很容易推導(dǎo)出檢波器閉環(huán)增益主要取決于反饋網(wǎng)絡(luò)的R3、C1及輸入電阻R2,而與D1無(wú)關(guān)。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(shuō)明圖2的電路是一個(gè)線性檢波電路。在整個(gè)周期內(nèi)，當(dāng)Vout1=0~10V時(shí)，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(hào)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(fù)載能力，在檢波器后加接RC有源低通濾波器A3.當(dāng)選用R6=20kΩ、C2=100uF/25V時(shí)，濾波器的截止頻率R6 C2/2π遠(yuǎn)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(kuò)大量程。R8選用50kΩ的電位器，通過(guò)調(diào)整R8,即可使輸入交流電壓為240V時(shí)，Vout4=10V,從而完成0~240V交流信號(hào)到0~10V直流信號(hào)的線性轉(zhuǎn)換輸出。