新型交流电压变送器的组成、功能及主要技术指标介绍

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

2.1 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。

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-Iout（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Iout=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Iout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，Iout=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

3.1 实验用主要仪器

除本文所介绍的交流电压变送器之外，还使用了TDGC-1接触调压器（0.2级）一台；ZX17-1十进位电阻箱（0.2级）一台；C41-mA直流电流表（0.2级）一台。

3.2 实验结果

利用上述仪器对交流电压变送器进行精度检测实验，实测数据见表1~3.

注：负载电阻0~500Ω

实验结果表明，对于较规则的正弦波而言，本文所介绍的交流电压变送器完全能达到设计的主要技术指标要求，性能稳定可靠，准确度高，带负载能强，使用效果良好，同时该变送器体积小、成本低，适用于电力系统

和其它工矿企业各种较规则的正弦波电压到直流电压或电流的线性转换场合。但当电网电压的波形失真较严重时，测量误差稍大，为保证测量精度，可采用真有效值测量转换的方法，此方法将另文发表。