CN106443137A - 一种二线制传感器的电流采集器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二线制传感器的电流采集器，包括精密电阻和运算放大器，精密电阻串联在第一输出端和输入端之间；精密电阻两端的电压信号中的正极与第一电阻的一端相连，负极接地；第一电阻的另一端与运算放大器的正相输入端相连，第一电阻的另一端还通过第二电阻与第二输出端相连；运算放大器的反相输入端直接接地，输出端与采样电阻的一端相连；所述采样电阻的另一端与第二输出端相连；所述采样电阻的一端还直接接地；所述精密电阻的阻值远小于所述第一电阻和第二电阻的阻值。本发明在不用对测量仪器进行修改的情况下使一个传感器的电流信号供两台测量仪器使用。

Description

一种二线制传感器的电流采集器
技术领域
本发明涉及电流采集技术领域，特别是涉及一种二线制传感器的电流采集器。
背景技术
目前，大多数传感器都向二线制发展，二线制传感器的使用越来越广泛。由于二线制传感器引出的两根线既是电源线又是信号线，所以很多测量仪器引出的两根线都提供传感器工作所需的电压，可以直接接在传感器上。由于传感器的价格较贵，有时需要尽量减少传感器的数量，也有一些特殊情况，需要用两台测量仪器同时采集一个传感器的电流。由于两台测量仪器都提供传感器工作所需的电压，这使得测量仪器与传感器的连接出现困难。目前市场上使用较多的是一入二出的信号隔离器，它使传感器输出的电流同时分为两路。但是，使用信号隔离器需要将测量仪器提供的电压去掉，这需要修改测量仪器内部的电路，比较繁琐，有的测量仪器内部构造复杂，修改电路可能对测量仪器造成损坏。因此，需要一种能使一台传感器供两台提供电压的测量仪器使用的装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种二线制传感器的电流采集器，在不用对测量仪器进行修改的情况下使一个传感器的电流信号供两台测量仪器使用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种二线制传感器的电流采集器，包括精密电阻和运算放大器，所述精密电阻串联在用于连接第一测量仪器的第一输出端和用于连接二线制传感器的输入端之间，用于将二线制传感器的电流信号转换为电压信号；所述精密电阻两端的电压信号中的正极与第一电阻的一端相连，负极接地；所述第一电阻的另一端与所述运算放大器的正相输入端相连，所述第一电阻的另一端还通过第二电阻与用于连接第二测量仪器的第二输出端相连；所述运算放大器的反相输入端直接接地，输出端与采样电阻的一端相连；所述采样电阻的另一端与第二输出端相连；所述采样电阻的一端还直接接地；所述精密电阻的阻值远小于所述第一电阻和第二电阻的阻值。
所述采样电阻的阻值与所述精密电阻的阻值相等。
所述运算放大器的输出端还连接有负反馈电路；所述负反馈电路包括三极管，所述三极管的基极与运算放大器的输出端相连，发射极通过第三电阻接地，集电极与电源端相连。
所述运算放大器的输出端与地之间还串联有限流电阻和稳压二极管，所述限流电阻和稳压二极管的连接端还与所述三极管的基极相连。
所述第一输出端和第二输出端均设有一个全桥整流器。
所述第一输出端和第二输出端均设有退耦电容。
所述退耦电容的两端还并联有TVS管。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明在两台测量仪器都提供二线制传感器的工作电压的情况下，将一台传感器的输出电流分为两路同时供两台测量仪器使用，且两台测量仪器采集到的电流与原来传感器中的电流大小相同。这满足了某些特殊情况下用两台不同的测量仪器同时采集一台传感器中的电流的要求，也节省了传感器的使用个数，降低了成本。该装置电路结构简单，造价低廉，误差很小。
附图说明
图1是本发明的电路图；
图2是本发明使用时的连接示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种二线制传感器的电流采集器，如图1所示，包括精密电阻Rc和运算放大器，所述精密电阻串联在用于连接第一测量仪器1的第一输出端和用于连接二线制传感器的输入端之间，用于将二线制传感器的电流信号转换为电压信号；所述精密电阻Rc两端的电压信号中的正极与第一电阻R1的一端相连，负极接地；所述第一电阻R1的另一端与所述运算放大器的正相输入端相连，所述第一电阻R1的另一端还通过第二电阻R2与用于连接第二测量仪器2的第二输出端相连；所述运算放大器的反相输入端直接接地，输出端与采样电阻Rs的一端相连；所述采样电阻Rs的另一端与第二输出端相连；所述采样电阻Rs的一端还直接接地；所述精密电阻Rc的阻值远小于所述第一电阻R1和第二电阻的阻值R2。
由此可见，在测量仪器1与传感器的连接电路中串联一个150Ω的精密电阻，将传感器中的电流转变为电压。该电压正极接在第一电阻R1上，负极接地。通过第一电阻R1和第二电阻R2两个阻值较大的电阻以及运算放大器的“虚短”与“虚断”特性将B点电压拉低至-V0，这样通过采样电阻Rs中的电流便与传感器中的电流大小相同，且随着传感器输出的电流的变化而变化。
所述运算放大器的输出端还连接有负反馈电路；所述负反馈电路包括三极管Q1，所述三极管Q1的基极与运算放大器的输出端相连，发射极通过第三电阻Re接地，集电极与电源端相连。所述运算放大器的输出端与地之间还串联有限流电阻Rm和稳压二极管Z1，所述限流电阻Rm和稳压二极管Z1的连接端还与三极管Q1的基极相连。
为防止运算放大器正相输入端的电压突然升高或降低，电路中加入三极管Q1进行反馈调节，确保A点电压值为0。限流电阻Rm和稳压二极管Z1也可以避免三极管Q1的基极电压过大。
所述第一输出端和第二输出端均设有一个全桥整流器，使得在测量仪器接反时仍能正常工作。所述第一输出端和第二输出端均设有退耦电容C1和C2，退耦电容C1和C2能够保证长期感性负载下电路不震荡。所述退耦电容的两端还并联有TVS管Z2和Z3，TVS管Z2和Z3可以吸收瞬间过压的能量，防止雷击、静电放电、浪涌等能量损坏电流分离器。
图2是本发明使用时的连接示意图。其中，电流分离装置的IN3、OU3端分别与二线制传感器的正负端相连，电流分离装置的IN1端与OUT1端分别与测量装置1的+24V与GND端相连，电流分离装置的IN2端与OUT2端分别与测量装置2的+24V与GND端相连。
接下来结合图1说明本发明的工作过程，图1中，第一电阻R1、第二电阻R2、限流电阻Rm、第三电阻Re、精密电阻Rc、采样电阻Rs均采用色环电阻，其中，第一电阻R1、第二电阻R2、限流电阻Rm、第三电阻Re的电阻精度为1％，精密电阻Rc、采样电阻Rs采用RJ24高精密金属膜电阻器，精度为0.1％。运算放大器采用LM358或LM324运放芯片。限流电阻Rm，稳压二极管Z1为1N4735，可以避免三极管Q1的基极电压过大。退耦电容C1和C2均为10nF，保证长期感性负载下电路不震荡。两个测量仪器的输入端都有一个全桥整流器，即使测量仪器接反仍能正常工作。TVS管Z2和Z3可以吸收瞬间过压的能量，防止雷击、静电放电、浪涌等能量损坏电流分离器。
首先测量仪器1与传感器相连，传感器中流过的电流为Ic，通过精密电阻Rc将电流信号转换为电压信号V0，下面分析电压信号V0转变为电流I2的过程：
首先精密电阻Rc采集到的电压为V0，流过第一电阻R1的电流I1＝V0/R1，由于运算放大器的输入端不可能吸收电流，则电流I1全部流过第二电阻R2，那么B点电压VB＝-I1*R2＝-V0*R2/R1，取R1＝R2时，有VB＝-V0。
测量仪器2负端和整个变送器电路之间只有采样电阻Rs和第二电阻R2，因此所有的电流都流过采样电阻Rs和第二电阻R2。第二电阻R2上端是虚地(0V)，采样电阻Rs上端是GND。因此第二电阻R2和采样电阻Rs两端电压完全一样，都等于电压VB，相当于采样电阻Rs与第二电阻R2并联作为电流采样电阻。因此电路总电流I2＝V0/(Rs//R2)，如果取R2＞＞Rs，则I2＝V0/Rs。因此，取Rs＝Rc时，I2与Ic大小相同。若不能满足R2＞＞Rs也没关系，采样电阻Rs和第二电阻R2(Rs//R2)是个固定值，电流Is与电压V0仍然是线性关系，误差比例系数在校准时可以消除。
为了确保A点电压保持为0V，加入了负反馈电路。下面分析负反馈过程：若A点因为某种原因高于0V，则运算放大器1点的输出升高，第三电阻Re两端电压升高，通过第三电阻Re的电流变大。通过采样电阻Rs的电流也变大，B点电压变低(负更多)。结果是通过第二电阻R2将A点电压拉下来。反之，若A点因某种原因低于0V，也会被负反馈电路抬高回0V。总之，负反馈电路的结果保持运算放大器的虚短，即A点电压＝0V。
除了电路正确以外，该电路正常工作还要求运算放大器能够单电源工作，即在没有负电源情况下，输入端仍能够接受0V输入，并能正常工作。LM358/324是最常见也是价格最低的单电源运放，耗电400uA/每运放，基本可以接受。
不难发现，本发明在两台测量仪器都提供二线制传感器的工作电压的情况下，将一台传感器的输出电流分为两路同时供两台测量仪器使用，且两台测量仪器采集到的电流与原来传感器中的电流大小相同。这满足了某些特殊情况下用两台不同的测量仪器同时采集一台传感器中的电流的要求，也节省了传感器的使用个数，降低了成本。该装置电路结构简单，造价低廉，误差很小。

Claims (7)

1.一种二线制传感器的电流采集器，其特征在于，包括精密电阻和运算放大器，所述精密电阻串联在用于连接第一测量仪器的第一输出端和用于连接二线制传感器的输入端之间，用于将二线制传感器的电流信号转换为电压信号；所述精密电阻两端的电压信号中的正极与第一电阻的一端相连，负极接地；所述第一电阻的另一端与所述运算放大器的正相输入端相连，所述第一电阻的另一端还通过第二电阻与用于连接第二测量仪器的第二输出端相连；所述运算放大器的反相输入端直接接地，输出端与采样电阻的一端相连；所述采样电阻的另一端与第二输出端相连；所述采样电阻的一端还直接接地；所述精密电阻的阻值远小于所述第一电阻和第二电阻的阻值。
2.根据权利要求1所述的二线制传感器的电流采集器，其特征在于，所述采样电阻的阻值与所述精密电阻的阻值相等。
3.根据权利要求1所述的二线制传感器的电流采集器，其特征在于，所述运算放大器的输出端还连接有负反馈电路；所述负反馈电路包括三极管，所述三极管的基极与运算放大器的输出端相连，发射极通过第三电阻接地，集电极与电源端相连。
4.根据权利要求3所述的二线制传感器的电流采集器，其特征在于，所述运算放大器的输出端与地之间还串联有限流电阻和稳压二极管，所述限流电阻和稳压二极管的连接端还与三极管的基极相连。
5.根据权利要求1所述的二线制传感器的电流采集器，其特征在于，所述第一输出端和第二输出端均设有一个全桥整流器。
6.根据权利要求1所述的二线制传感器的电流采集器，其特征在于，所述第一输出端和第二输出端均设有退耦电容。
7.根据权利要求6所述的二线制传感器的电流采集器，其特征在于，所述退耦电容的两端还并联有TVS管。
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