一种新型交流电压变送器的设计与实现

摘 要：为了实现交流电压的测量与变送，满足DDZ-Ⅱ、DDZ-Ⅲ仪表、电子计算机等对该模拟量输入信号的需求，设计了一种新型交流电压变送器。介绍了该变送器的组成、功能及主要技术指标，并从电子学的角度分析了该变送器的工作原理，对输出与输入之间的线性关系及实现方法进行了讨论。通过实验检测，证明了该变送器的变换线路结构新颖、简单、准确度高、长期工作稳定可靠。

　　在电力系统中的各电站、调度室、变电所及冶金、化工各类工矿企业中的生产流程、油田开发等各个领域，当为DDZ-Ⅱ，DDZ-Ⅲ电动单元组合远动装置、Foxboro Micro 761可编程数字调节器、电子计算机、巡检、自动化控制系统提供所要求的模拟量输入信号时，需要将被测交流电量（电压或电流）转换成线性比例输出的直流模拟电量，它是实现电控设备自动化过程中不可缺少的环节之一。为此，我们设计了一种新型交流电压变送器，可将0~240V工频（50Hz）电压线性转换成直流0~10V、0~10mA和4~20mA信号。应用情况表明该转换器设计合理、转换精度高、带负载能力强、抗电冲击性能好，使用效果良好。

　　1 变送器组成、功能及主要技术指标

　　1.1 变送器组成

　　图1为电压变送器组成原理框图。从图中可看出，系统分为以下几部分：

　　（1）变压器及分压电路 考虑到检波电路对输入电压的要求，利用变压器及分压电路将0~240V 线性转换为0~5V.

　　（2）AC/DC转换电路 利用负反馈对一般的二极管检波电路进行校正，使转换特性线性化，将0~5V输入线性转换为0~10V直流输出。

　　（3）V/I转换电路 它是系统的电流输出环节，其作用是将检波电路输出的直流电压线性变换为双路0~10mA、4~20mA电流信号输出。

　　（4）基准电源 为AC/DC转换电路和V/I转换电路提供所需的直流电源及偏置电压。

图1 变送器组成原理框图

　　1.2 变送器功能

　　该变送器有一路输入通道（0~240V 通道）和三路输出通道（0~10V通道，4~20mA 通道，0~10mA通道）。根据需要，三条输出通道可分别单独输出或并行输出。

　　对三条输出通道中的每一路，变送器内部都设有满量程调整电位器，可非常方便地调整仪表的量程。另外，对4~20mA输出，仪表还设有零点调整电位器，以便进行零点的调整。前面板设有0~250V交流及0~10V直流电压表0~10mA和4~20mA直流电流表各一块，并配有转换开关，可随时观察输入信号及转换的输出信号变化。

　　1.3 变送器主要技术指标

　　输入交流信号量程：0~240V;

　　输出直流信号量程：0~10V;

　　 0~10mA;

　　 4~20mA;

　　负载电阻：0~10V ≥5KΩ；

　　0~10mA 为0~1.5KΩ；

　 　4~20mA 为0~500Ω；

　　基本误差：≤0.5%

　　工作环境：温度0~40℃

　　相对湿度：≤85%.

　　运行方式：能在额定负载下连续工作。

2 工作原理与分析

2.2 V/I转换电路原理

　　图4是输入直流电压0~10V,输出直流电流0~10mA,带负载能力0~1.5kΩ的转换电路原理图。该电路的输入就是线性检波电路的输出，由于该电路引入了很强的电流串联负反馈，因此输出电流与输入电压具有良好的线性关系，且具有恒流性能。此电路中的A5设计为差动输入放大电路，它将输入信号Vout4与反馈信号Vf进行比较放大。复合管N1、N2的作用是扩大输出电流，其中N1是反相放大器，N2是电流输出级，输入电压Vout4经电阻R10加到运放反相输入端，输出电流Iout流经R15及Rf得到反馈电压Vf,此电压经电阻R12、R13加到A5的两个输入端，下面分析该电路输出电流与输入电压的关系。

图4 直流0~10V/0~10mA转换电路

　　假设A5为理想运算放大器，反馈电阻R15、R16和负载电阻RL分别远小于对应电阻R9+R12及R10+R13,则R12,R13支路的分流作用可忽略不计，设A5正、反相输入端电压分别为VM、VN,B点与动触点C对地的电压分别为VB、VC.

　　则有

　　VM=VN（1）

　　VB-VC=Vf（2）

　　Vf-Iout（R15+Rf）（3）

　　（4）

　　（5）

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

　　（6）

　　将（1）式和（2）式带入（6）式得

　　（7）

　　将（3）式代入（7）式得

　　Vout4=5Iout（R15+Rf）

　　则：

　　由上式可见，当运放开环增益足够大时，输出电流Iout与输入电压Vout4的关系仅与反馈电阻R15+Rf大小有关，而与其他参数及负载电阻RL无关，因此电路具有恒流性能。

　　当取R15+Rf=200Ω，即Rf=50Ω时，若Vout4=0~10V,则得Iout=0~10mA

　　调节电位器R16动触点C的位置，可改变反馈电阻Rf的阻值，从而改变反馈深度，来进行调节变送器的量程，使得Vi=240V时，Iout=10mA.

　　图5是输入直流电压0~10V,输出直流电流4~20mA,带负载能力0~500Ω的转换电路原理图。该电路与0~10V/0~mA转换电路结构类似，只是运放A6的同相输入端不是直接接地，而是加一固定的负偏置电压Vp,以便进行零点调整。

图5 直流0~10V/4~20mA转换电路

　　下面通过计算来确定输入电压与输出电流Iout之间的关系。

　　设A6为理想运算放大器，Vout4为线性检波器的输出，A6正、反相输入端及D点与动触点E对地的电压分别为VR、VS、VD、VE.输出电流Iout在R23+Rf上得到的反馈电压为Vf.与图4 0~10V/0~10mA转换电路公式推导相类似，输入电压Vout与输出电流Iout之间的关系为

　　由上式可见，当运放开环增益足够大时，输出电流Iout仅与输入电压Vout4、负偏置电压VP、反馈电阻Rf大小有关，而与参数及负载电阻RL无关，因此该电路具有恒流性能。

　　当VP=-2.5V,Rf=50Ω时，若Vout4=0~10VDC,则有Iout=4~20mA.图中RW是一零点调整电位器，通过调整RW,用来改变VP,进行变送器零点的调整，使得当变送器输入直流电压为0V时，Iout=4mADC;R24是一量程调整电位器，通过改变动触点E的位置，可改变反馈电阻Rf的阻值，从而改变反馈深度，来进行调节变送器的量程，使得当变送器输入交流电压为240V时，Iout=20mA.

3 实验结果及讨论

　　2.1 AC/DC转换电路原理

　　图2是输入交流电压0~5V,输出直流电压0~10V的AC/DC转换电路原理图。该电路由同相运放电路A1、线性检波电路A2、有源滤波电路A3、反相放大电路A4构成。整个转换电路的电源由基准电源提供。

图2 AC/DC转换电路工作原理图

　　图中A1构成转换电路的输入级，由于线性检波器A2采用并联负反馈运放，其输入阻抗较低。因此在A2前加接一级同相运放A1后不仅能提高输入阻抗，还可提高灵敏度，从图中可看出，Vout1=2Vin,因Vin=0~5V,故Vout1=0~10V.

　　A2及D1、D2以及C1、R2、R3、R组成线性半波平均值检波器。当输入电压Vout1为正半周期间，因Vout1从运放反相输入端输入，故运放输出端A点的电压为负值。由于这时运放工作于反相放大状态，其反相输入端为虚地点，接近零电位，而A点为负电位，故D2导通，A点被箝位于-0.6V左右，导致D1截止。显然检波器的输出电压Vout2为零。当输入电压Vout1为负半周期间，A点电压为正值。那么D2截止，D1导通。这时，检波器相当于反相运算放大器。在Vout2正、负一个周期内的输出电压可用下式表示：

　　因R2=R3=20kΩ，所以当Vout1≤0时，Vout2=-Vout1,其工作波形如图3所示。由于在负半周检波过程中二极管D1和运放A2相串联，不处于负反馈

　　网络内，在运放放大倍数很高条件下，很容易推导出检波器闭环增益主要取决于反馈网络的R3、C1及输入电阻R2,而与D1无关。因此，由D1的伏安特性而引起的非线性影响将大大减小了。从而说明图2的电路是一个线性检波电路。在整个周期内，当Vout1=0~10V时，半波检波的平均值电压Vout2=0~4.5V.图中C1起略微缩窄频带的作用，以滤去混入输入信号中的极窄脉冲干扰。

图3 线性半波检波波形图

　　为获得平滑的直流电压Vout3以及带负载能力，在检波器后加接RC有源低通滤波器A3.当选用R6=20kΩ、C2=100uF/25V时，滤波器的截止频率R6 C2/2π远小于工频频率，滤波效果较好。

　　图中A4为反相放大器，以提高灵敏度和扩大量程。R8选用50kΩ的电位器，通过调整R8,即可使输入交流电压为240V时，Vout4=10V,从而完成0~240V交流信号到0~10V直流信号的线性转换输出。