CN103760409A - 一种电压变送器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压变送器，包括单电源供电电路、交流电流电压转换电路、整流电路、滤波电路、直流电压电流转换电路：单电源供电电路为整流电路、滤波电路、直流电压电流转换电路提供电源；交流电流电压转换电路将被测回路中的交流电流信号转换为交流电压信号并输出给整流电路；整流电路将交流电压信号转换为直流电压信号；滤波电路采用二阶低通滤波，并且增加电压增益电路，可透过变送器壳体下端面的窗口调整电压增益的值，直流电压电流转换电路将直流电压信号转换为直流电流信号并输出。本电压变送器可输出精度高、可靠性强的直流电流信号，且成本低。

Description

一种电压变送器

技术领域

本发明涉及电压变送器，尤其涉及单电源供电、带有整流滤波电路的交流电压变送器。

背景技术

电压变送器是一种将被测交流电压、直流电压、脉冲电压转换成按线性比例输出直流电压或直流电流并隔离输出模拟信号或数字信号的装置。现有的电压变送器可实现对高压（500-1000V）电压的精确测量，输出标准的0-20mA直流电流信号，但存在的缺陷是：其中的电源供电电路为了后续器件、芯片选型方面比较通用，往往使用+15V电源产生-15V电源进行供电；在电流电压（I/V）转换方面使用小型电流传感器进行隔离测量，存在需提供电源供电，且成本比较高；为了把I/V转换来的交流电压转换为理想的直流电压信号，大部分变送器都是用真有效值转换芯片，成本较高；电压电流（V/I）转换部分通过分离元件搭接电路输出0-20mA直流电流信号，在精度、温度特性方面不可控。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的上述不足而提供一种电压变送器，可输出精度高、可靠性强的直流电流信号，成本低。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：所述电压变送器包括单电源供电电路、交流电流电压转换电路、整流电路、滤波电路、直流电压电流转换电路：单电源供电电路为整流电路、滤波电路、直流电压电流转换电路提供电源；交流电流电压转换电路将被测回路中的交流电流信号转换为交流电压信号并输出给整流电路；整流电路将交流电压信号转换为直流电压信号；滤波电路的输入端接整流电路的输出端，滤波电路的输入端依次接第一个电阻、第二个电阻、运算放大器的同相输入端，其中第二个电阻的一端接电容、0V电源，第二个电阻的另一端接另一电容、0V电源；运算放大器的反相输入端接第三个电阻、0V电源，运算放大器的输出端为滤波电路的输出端，在运算放大器的反相输入端和输出端之间接电压增益电路，电压增益电路为第四个电阻、电位器串联后与第三个电容并联；直流电压电流转换电路将直流电压信号转换为直流电流信号并输出。

本发明的优点在后结合实施例进行详细说明。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明的信号处理部分电路图。

图3是本发明的整流电路电路图。

图4是本发明的滤波电路电路图。

图5是本发明的V/I转换电路电路图。

图6是本发明的单电源供电电路图。

图7是本发明的结构分解图。

图8是本发明的组装结构图。

图9是本发明的壳体下端面示意图。

图10是本发明壳盖上的接线方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图、实施例对本发明实施方式、有益效果进行具体说明。

本发明电压变送器的原理如图1所示，电压变送器的电路部件包括交流电流电压转换（I/V转换）电路、整流滤波电路、直流电压电流转换（V/I转换）电路、单电源供电电路。

信号处理部分的电路图如图2所示，I/V转换电路接入被测电压的回路中，并串联电阻R分压限流，I/V转换电路可将被测回路中的交流电流信号转换为交流电压信号并输出给整流、滤波电路，整流、滤波电路将交流电压转换为直流电压信号，直流电压信号经V/I转换电路转换后，输出标准的直流电流信号。

I/V转换电路采用电压互感器，只需在后端增加一个电阻就可以转换为电压信号，电压互感器为无源器件，且成本低廉、输出精度高。

整流电路的电路如图3所示，整流电路的输入端与0V之间串联电阻R3、R4，整流电路输入端与输出端之间并联反相比例运算电路和电压跟随电路。

反相比例运算电路由电阻R6、电阻R8、运算放大器N1A、二极管VD2连接组成。电阻R6的一端接整流电路输入端，电阻R6的另一端接运算放大器N1A的反相输入端、电阻R8，运算放大器N1A的同相输入端接电阻R5、0V电源，运算放大器N1A的输出端接二极管VD2的阳极，二极管VD2的阴极接整流电路的输出端，电阻R8的一端接电阻R6，电阻R8另一端接整流电路的输出端。

当整流电路的输入端的电压大于0V时，运算放大器N1A的反相输入端的电位大于同相输入端的电位，运算放大器N1A的输出端输出为负，二极管VD2截止，反相比例运算电路无输出。当整流电路的输入端的电压小于0V时，运算放大器N1A的反相输入端的电位小于同相输入端的电位，运算放大器N1A的输出端输出为正，二极管VD2导通，反相比例运算电路输出为正。

电压跟随电路由电阻R7、运算放大器N1B、R9、二极管VD3连接组成。电阻R7的一端接整流电路输入端，电阻R7的另一端接运算放大器N1B的同相输入端，运算放大器N1B的反相输入端接电阻R9的一端，运算放大器N1B的输出端接二极管VD3的阳极，二极管VD3的阴极接整流电路输出端，电阻R9另一端接整流电路输出端。

当整流电路的输入端的电压小于0V时，R3+R4取样电压小于0V，运算放大器N1B输出为负，二极管VD3截止，电压跟随器电路无输出。整流电路的输入端的电压大于0V时，R3+R4取样大于0V，运算放大器N1B输出为正，运算放大器N1B的5脚电位电压按1:1跟随，二极管VD3导通。

滤波电路的电路如图4所示。滤波电路由电阻R10、电容C4、R11、电容C5、运算放大器N1C、电阻R12连接组成，滤波电路的输入端接整流电路的输出端，滤波电路的输入端依次接电阻R10、R11、运算放大器N1C的同相输入端，其中电阻R11的一端接电容C4、0V电源，电阻R11的另一端接电容C5、0V电源；运算放大器N1C的反相输入端接电阻R12、0V电源，运算放大器N1C的输出端为滤波电路的输出端。

滤波电路采用电阻R10、电容C4、电阻R11、电容C5二阶低通滤波，让其在截至频率内衰减的更快一些，来提高输出电压。

由于整流滤波后电压信号只有毫伏级，所以在运算放大器N1C的反相输入端和输出端之间接电压增益电路，电压增益电路由电容C6、电阻R13、电位器RP1连接组成。电阻R13、电位器RP1串联后与电容C6并联。电压增益的值为H＝(R13＋RP1)/R12＋1，依靠调节电位器RP1来调整电压增益的值。

在整流、滤波电路中，电路设计简单，便于电路印制板小型化，降低成本，并可输出理想的直流信号。

V/I转换电路的电路如图5所示，V/I转换电路主要由电阻R14、二极管VD4、转换芯片N2、电阻R16、电容C8、场效应管VT1、电阻R17、电容C9连接组成。电压信号经过电阻R14输入型号为XTR111AIDGQT的转换芯片N2，转换芯片N2的引脚VSP接供电电源的正极。转换芯片N2的引脚VSP与0V电源之间接电容C7，转换芯片N2将电压信号转换为电流信号，电流信号由型号为IRFU9120N的场效应管VT1整流，场效应管VT1的漏极连接电阻R16、转换芯片N2的引脚IS，场效应管VT1的栅极接转换芯片N2的引脚VG；转换芯片N2的引脚IS、引脚VG之间连接电容C8；二极管VD4的阳极连接0V电源，阴极连接转换芯片N2的输入端；电容C9的一端连接场效应管VT1的源极，另一端接地；场效应管VT1的源极连接电阻R17，电阻R17的另一端输出标准的直流信号。

因为采用转换芯片进行电压电流转换，其成本较低，其温度特性及长期可靠性高。

V/I转换电路还包括电阻R15，电阻R15的一端接转换芯片N2的引脚SET，另一端接0V电源。转换芯片N2的输出电流Iout=10*Vin/R15，因此R15的温度特性直接关系到变送器的输出，为此电阻R15为温度系数为25ppm的金属氧化膜电阻。

V/I转换电路的输出端还接有静电保护（ESD保护）电路，ESD保护电路由二极管VD5、VD6连接组成，二极管VD5的阳极接输出端，阴极接+15V电源，当输出端有高压正电压信号进入时二极管VD5导通；二极管VD6的阳极接0V电源，阴极接输出端，当输出端有高压负电压信号进入时二极管VD6导通，这样可以对变送器芯片进行保护，提高产品的ESD保护能力。

电源部分采用单电源供电电路，单电源供电电路外接+15V电源，并对外接电源进行处理，为整流滤波电路、V/I转换电路提供工作电源。优选的单电源供电电路如图6所示，该单电源供电电路外接+15V电源与0V电源，+15V电源与0V电源之间连接压敏电阻RV1，电感L1接二极管VD1的阳极，串联接在外接+15V电源与输出的供电电源之间，电感L2接瞬变电压抑制二极管VS1的阳极，串联接在0V电源与输出的供电电源之间，电容C1、电容C2与瞬变电压抑制二极管VS1并联。

单电源供电电路和双电源电路相比，单电源供电电路更利于电路板小型化，降低成本，同时由于减少了产生负电压环节，后续电路的功耗都直接来自供电电源，设计时只要考虑其供电电源功耗是否满足电路设计需求即可；单电源供电电路中的压敏电阻RV1与瞬变电压抑制二极管VS1起浪涌保护作用；电感L1、L2可提高产品的射频传导抗扰度。二极管VD1起电源防反接作用，在+15V与0V接错后起保护后续电路中的极性器件；电容C1、C2与瞬变电压抑制二极管VS1并联，起低频及高频滤波作用。

本电压变送器的结构如图7、图8、图9所示，电路板组件20上集成上述单电源供电电路、I/V转换电路、整流电路、滤波电路、V/I转换电路。电路板组件20固定于壳体30、壳盖10围成的内部空间内。电路板组件20上带有螺钉孔，壳盖10上带有与电路板组件20上的螺钉孔相配的螺钉孔，壳盖10上还带有接线柱、卡扣，壳体30的上端开口，侧面带有与卡扣相配的卡槽，壳体30的下端面带有窗口32。

组装时，现将电路板组件20、壳盖10依靠螺钉固定，并且电路板组件20上的接线端头连接接线柱，再依靠卡扣、卡槽将壳盖10盖合在壳体30上端开口处，电路板组件20位于壳体30内。电路板组件20上的电压增益电路中的电位器PR1的调节旋钮正对壳体30下端面的窗口32。

组装完后，可根据不同的使用条件，透过窗口32调节电压增益电路中的电位器PR1，以调整电压增益的值。

壳盖10各接线柱的接线方式如图10所示，接线柱1、接线柱4分别接被测电路的电压正极和负极，接线柱5外接+15V电源，接线柱6和接线柱8外接0V电源，接线柱7为直流电流信号输出端。

Claims (6)

1.一种电压变送器，其特征在于：所述变送器包括单电源供电电路、交流电流电压转换电路、整流电路、滤波电路、直流电压电流转换电路：

单电源供电电路为整流电路、滤波电路、直流电压电流转换电路提供电源；

交流电流电压转换电路将被测回路中的交流电流信号转换为交流电压信号并输出给整流电路；

整流电路将交流电压信号转换为直流电压信号；

滤波电路的输入端接整流电路的输出端，滤波电路的输入端依次接电阻（R10）、电阻（R11）、运算放大器（N1C）的同相输入端，其中电阻（R11）的一端接电容（C4）、0V电源，电阻（R11）的另一端接电容（C5）、0V电源；运算放大器（N1C）的反相输入端接电阻（R12）、0V电源，运算放大器（N1C）的输出端为滤波电路的输出端，在运算放大器（N1C）的反相输入端和输出端之间接电压增益电路，电压增益电路为电阻（R13）、电位器（RP1）串联后与电容（C6）并联；

直流电压电流转换电路将直流电压信号转换为直流电流信号并输出。

2. 根据权利要求1所述的电压变送器，其特征在于：所述整流电路输入端与输出端并联反相比例运算电路和电压跟随电路；反相比例运算电路中，电阻（R6）的一端接整流电路输入端，另一端接运算放大器（N1A）的反相输入端、电阻（R8），运算放大器（N1A）的同相输入端接电阻（R5）、0V电源，运算放大器（N1A）的输出端接二极管（VD2）的阳极，二极管（VD2）的阴极接整流电路的输出端，电阻（R8）的一端接电阻（R6），另一端接整流电路的输出端；电压跟随电路中，电阻（R7）的一端接整流电路输入端，另一端接运算放大器（N1B）的同相输入端，运算放大器（N1B）的反相输入端接电阻（R9）的一端，运算放大器（N1B）的输出端接二极管（VD3）的阳极，二极管（VD3）的阴极接整流电路输出端，电阻（R9）另一端接整流电路输出端。

3. 根据权利要求1所述的电压变送器，其特征在于：直流电压电流转换电路由转换芯片进行电压电流转换，其输出端接二极管（VD5）的阳极，输出端接二极管（VD6）的阴极，二极管（VD5）的阴极接+15V电源，二极管（VD6）的阳极接0V电源。

4. 根据权利要求3所述的电压变送器，其特征在于：直流电压电流转换电路还包括电阻（R15），电阻（R15）的一端接转换芯片（N2），另一端接0V电源，电阻（R15）为温度系数为25ppm的金属氧化膜电阻。

5. 根据权利要求1所述的电压变送器，其特征在于：单电源供电电路外接+15V电源与0V电源，+15V电源与0V电源之间连接压敏电阻（RV1），电感（L1）接二极管（VD1）的阳极，串联接在外接+15V电源与输出的供电电源之间，电感（L2）接瞬变电压抑制二极管（VS1）的阳极，串联接在0V电源与输出的供电电源之间，电容（C1）、电容（C2）与瞬变电压抑制二极管（VS1）并联。

6. 根据权利要求1所述的电压变送器，其特征在于：所述变送器还包括电路板组件（20）、壳盖（10）、壳体（30），壳体（30）的上端开口，所述单电源供电电路、交流电流电压转换电路、整流电路、滤波电路、直流电压电流转换电路集成于电路板组件（20），电路板组件（20）固定于壳盖（10），壳盖（10）固定于壳体上端开口处，电路板组件（20）位于壳体（30）内，壳体下端面开有窗口（32），透过窗口（32）可调节电压增益电路中的电位器（PR1）。

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