CN107219389A - 一种基于达林顿光耦自环补偿窃电式变送器 - Google Patents
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Abstract
一种基于达林顿光耦自环补偿窃电式变送器，包括过压保护器、全桥电路、同型号光耦环路补偿电路和光电隔离器，过压保护器处于系统最前端，其A+和A‑两端直接与二线制电流环的两输出线任意相连，全桥电路左侧前端与过压保护器右端输出相连，全桥电路的右侧后端输出与光电耦合器的输入端、同型号光耦环路补偿电路的输出端两相并联，光电耦合器与同型号光耦环路补偿电路输入端串联，线性补偿后的模拟信号从光电耦合器右侧输出。本发明硬件拓扑简单，成本低廉，无插入噪声，无控制系统耗电，体积小，重量轻，特别便于集成，而线性度却优于1.5％，在绝大多数部分场合都能满足采集需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种变送器，尤其是一种基于达林顿光耦自环补偿窃电式4-20mA变送器。
背景技术
变送器(transmitter)是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号(或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源)的转换器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。变送器的种类很多，用在工控仪表上面的变送器主要有温度变送器、压力变送器、流量变送器、电流变送器、电压变送器等等。
4-20mA电流环是当今工业现场进行信号传输的广泛运用的事实标准，但针对远距离的本质安全的隔离传输，如何解决线性与隔离这对矛盾一直是模拟技术一个难点，目前主流方案，无非只有基于斩波原理的磁路隔离或者基于线性光耦的光隔离，甚至是借用电压频率变换实现的开关信号光电隔离三种技术方案，这三种方案每一种本质上都是有源系统，如果引入外部控制电源，则供电复杂，还增加线索，如果采用环路自供电，首先遇到就是对控制部分的恒流供电难点和必然涉及的插入补偿。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单、体积小、重量轻、特别便于集成的变送器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于达林顿光耦自环补偿窃电式变送器，包括过压保护器、全桥电路、同型号光耦环路补偿电路和光电隔离器，过压保护器处于系统最前端，其A+和A-两端直接与二线制电流环的两输出线任意相连，全桥电路左侧前端与过压保护器右端输出相连，全桥电路的右侧后端输出与光电耦合器的输入端、同型号光耦环路补偿电路的输出端两相并联，光电耦合器与同型号光耦环路补偿电路输入端串联，线性补偿后的模拟信号从光电耦合器右侧输出。过压保证器负责对来自工业现场的尖冲干扰削峰；全桥电路实现极性保护，与电流环连接时可以不区分正负极性；同型号光耦环路补偿电路通过引入并联电流负反馈来改善电流传输的线性度；光电隔离器最终实现对4-20mA的信号采集和隔离输出。
本发明直接用两只同型号的达林顿光耦，一只负责隔离一只负责对光耦自身的非线性补偿，以二线制无源方式工作，硬件拓扑简单，成本低廉，无插入噪声，无控制系统耗电，体积小，重量轻，特别便于集成，而线性度却优于1.5％，在绝大多数部分场合都能满足采集需求。
附图说明
图1是本发明的硬件的结构框图。
图2是本发明的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示：一种基于达林顿光耦自环补偿窃电式变送器，包括过压保护器、全桥电路、同型号光耦环路补偿电路和光电隔离器，过压保护器处于系统最前端，其A+和A-两端直接与二线制电流环的两输出线任意相连，全桥电路左侧前端与过压保护器右端输出相连，全桥电路的右侧后端输出与光电耦合器的输入端、同型号光耦环路补偿电路的输出端两相并联，光电耦合器与同型号光耦环路补偿电路输入端串联，线性补偿后的模拟信号从光电耦合器右侧输出。过压保证器负责对来自工业现场的尖冲干扰削峰；全桥电路实现极性保护，与电流环连接时可以不区分正负极性；同型号光耦环路补偿电路通过引入并联电流负反馈来改善电流传输的线性度；光电隔离器最终实现对4-20mA的信号采集和隔离输出。
如图2所示：限流电阻R1R2和TVS管P6K24CA一起构成过压保护对来自工业现场的强电干扰进行钳位削峰，全桥B1构建极性保护，确保AB端不分不用再分正负极性就可灵活地接入4-20mA电流环，C1配合电阻R1R2构成低通滤波器平滑掉电流环路中引入的浮动干扰。电阻R3和达林顿光耦U2引入并联电流负反馈大范围改善变换的线性度，最后采集信号通过另一只达林顿光耦U1隔离输出；此外电阻R4还和发光二极管D2一同通过不同亮度来间接反映当前环路中的电流的相对强弱。
下面进一步公开通过引入电流负反馈矫正光耦非线性的数学机理，在附图2中两只同型号的达林顿光电隔离器FOD852，其电流传输比CTR高达15000％，换句话说其等效光电流放大倍数β为150倍，通过选型和配对我们发现其一致性非常好，对比附图1和附图2不难看出有下列的电流传输和约束关系
Iout＝β*Id
I0＝Id+β*Id＝(1+βId)
Iout＝β*I0/(1+B)≈I0
β＝150
其理论线性度为1/(1+β)＝1/151≈0.7％，实测线性度优于1.5％，已经能满足绝大多数应用场合的传输要求。
Claims (1)
1.一种基于达林顿光耦自环补偿窃电式变送器，其特征在于：包括过压保护器、全桥电路、同型号光耦环路补偿电路和光电隔离器，过压保护器处于最前端，其A+和A-两端直接与二线制电流环的两输出线相连，全桥电路左侧前端与过压保护器右端输出相连，全桥电路的右侧后端输出与光电耦合器的输入端、同型号光耦环路补偿电路的输出端两相并联，光电耦合器与同型号光耦环路补偿电路输入端串联，线性补偿后的模拟信号从光电耦合器右侧输出；过压保证器负责对来自工业现场的尖冲干扰削峰；全桥电路实现极性保护，与电流环连接时不区分正负极性；同型号光耦环路补偿电路通过引入并联电流负反馈来改善电流传输的线性度；光电隔离器最终实现对4-20mA的信号采集和隔离输出。
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