一種新型交流電壓變送器的設(shè)計與實現(xiàn)
摘 要:為了實現(xiàn)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(shè)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(shù)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(guān)系及實現(xiàn)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(jié)構(gòu)新穎、簡單、準確度高、長期工作穩(wěn)定可靠。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/185622.htm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、油田開發(fā)等各個領(lǐng)域,當為DDZ-Ⅱ,DDZ-Ⅲ電動單元組合遠動裝置、Foxboro Micro 761可編程數(shù)字調(diào)節(jié)器、電子計算機、巡檢、自動化控制系統(tǒng)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(zhuǎn)換成線性比例輸出的直流模擬電量,它是實現(xiàn)電控設(shè)備自動化過程中不可缺少的環(huán)節(jié)之一。為此,我們設(shè)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(zhuǎn)換成直流0~10V、0~10mA和4~20mA信號。應(yīng)用情況表明該轉(zhuǎn)換器設(shè)計合理、轉(zhuǎn)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(shù)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(tǒng)分為以下幾部分:
?。?)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(zhuǎn)換為0~5V.
?。?)AC/DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換特性線性化,將0~5V輸入線性轉(zhuǎn)換為0~10V直流輸出。
?。?)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電流信號輸出。
?。?)基準電源 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輸出或并行輸出。
對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4~20mA輸出,儀表還設(shè)有零點調(diào)整電位器,以便進行零點的調(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)換開關(guān),可隨時觀察輸入信號及轉(zhuǎn)換的輸出信號變化。
1.3 變送器主要技術(shù)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(huán)境:溫度0~40℃
相對濕度:≤85%.
運行方式:能在額定負載下連續(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的電流串聯(lián)負反饋,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(fù)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(jīng)電阻R10加到運放反相輸入端,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為理想運算放大器,反饋電阻R15、R16和負載電阻RL分別遠小于對應(yīng)電阻R9+R12及R10+R13,則R12,R13支路的分流作用可忽略不計,設(shè)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(huán)增益足夠大時,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)及負載電阻RL無關(guān),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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(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(diào)整。
圖5 直流0~10V/4~20mA轉(zhuǎn)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(guān)系。
設(shè)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(zhuǎn)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(guān)系為
由上式可見,當運放開環(huán)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(guān),而與參數(shù)及負載電阻RL無關(guān),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(diào)整電位器,通過調(diào)整RW,用來改變VP,進行變送器零點的調(diào)整,使得當變送器輸入直流電壓為0V時,Iout=4mADC;R24是一量程調(diào)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(diào)節(jié)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(jié)果及討論
Vin/V | 0 | 24 | 48 | 72 | 96 | 120 | 144 | 168 | 192 | 216 | 240 |
Vout4(標)/V | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
Vout4(實)/V | 0 | 1.008 | 2.030 | 3.041 | 5.042 | 5.043 | 6.036 | 7.046 | 8.036 | 9.045 | 10 |
誤差/% | 0 | 0.08 | 0.3 | 0.41 | 0.42 | 0.43 | 0.36 | 0.46 | 0.36 | 0.45 | 0 |
Vin/V | 0 | 24 | 48 | 72 | 96 | 120 | 144 | 168 | 192 | 216 | 240 |
Iout(標)/mA | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
Iout(實)/mA | 0 | 1.041 | 2.036 | 3.043 | 4.042 | 5.045 | 6.040 | 7.039 | 8.041 | 9.024 | 10 |
誤差/% | 0 | 0.41 | 0.36 | 0.43 | 0.42 | 0.45 | 0.40 | 0.39 | 0.41 | 0.24 | 0 |
Vin/V | 0 | 30 | 60 | 90 | 120 | 135 | 165 | 195 | 210 | 240 |
Iout(標)/mA | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 13 | 15 | 17 | 18 | 20 |
Iout(實)/mA | 4 | 6.048 | 8.039 | 10.037 | 12.076 | 13.042 | 15.072 | 17.042 | 18.061 | 20 |
誤差/% | 9 | 0.3 | 0.24 | 0.23 | 0.47 | 0.26 | 0.40 | 0.26 | 0.38 | 0 |
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。整個轉(zhuǎn)換電路的電源由基準電源提供。
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,由于線性檢波器A2采用并聯(lián)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(tài),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(nèi)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(lián),不處于負反饋
網(wǎng)絡(luò)內(nèi),在運放放大倍數(shù)很高條件下,很容易推導出檢波器閉環(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。從而說明圖2的電路是一個線性檢波電路。在整個周期內(nèi),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(diào)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(zhuǎn)換輸出。
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