CN207798903U - 一种可调的按比例输出的二线制电流传感器的分离装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种可调的按比例输出的二线制电流传感器的分离装置，其中，精密电阻串联在第一输出端和输入端之间；精密电阻将电流信号转为电压信号，精密电阻两端电压的正极与第一电阻的一端相连，负极与运算放大器的反相输入端相连；第一电阻的另一端通过数字电位器与第二输出端相连，第一电阻的另一端还与运算放大器的正相输入端相连；运算放大器的输出端与采样电阻的一端相连；精密电阻的阻值远小于第一电阻和数字电器的阻值；数字电位器还与设有按键电路的单片机相连。本实用新型在不用对测量仪器进行修改的情况下可以使一台传感器供两台不同测量范围的测量仪器使用。

Description

一种可调的按比例输出的二线制电流传感器的分离装置

技术领域

本实用新型涉及电流采集技术领域，特别是涉及一种可调的按比例输出的二线制电流传感器的分离装置。

背景技术

二线制传感器不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线，可节省大量电缆线和安装费用。由于二线制传感器的上述优点，使得大多数传感器向二线制发展。测量仪器引出的两根线直接与二线制传感器引出的两根线相连，提供传感器工作所需的电压。由于传感器的价格较贵，为了节约成本需要减少传感器的使用数量，也有一些特殊情况，两台采集电流信号的不同测量范围的仪器需要同时使用一个传感器的电流。由于两台测量仪器功能的不同，两台测量仪器所需采集的电流信号并非都满足1:1的关系。因此，需要一种能使一台传感器供两台不同测量范围的测量仪器使用的装置。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种可调的按比例输出的二线制电流传感器的分离装置，在不用对测量仪器进行修改的情况下使一台传感器供两台不同测量范围的测量仪器使用。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种可调的按比例输出的二线制电流传感器的分离装置，包括精密电阻、运算放大器和数字电位器，所述精密电阻串联在第一输出端和输入端之间；所述精密电阻将电流信号转为电压信号，精密电阻两端电压的正极与第一电阻的一端相连，负极与运算放大器的反相输入端相连；所述第一电阻的另一端通过数字电位器与第二输出端相连，第一电阻的另一端还与运算放大器的正相输入端相连；所述运算放大器的输出端与采样电阻的一端相连；所述精密电阻的阻值远小于所述第一电阻和数字电器的阻值；所述数字电位器还与单片机相连，所述单片机设有按键电路，通过按键改变单片机向数字电位器发送的数字信号进而改变所述数字电位器的阻值，从而改变第一输出端和第二输出端的电流比值。

所述采样电阻的阻值与所述精密电阻的阻值相等。

所述数字电位器由一个单片机通过I²C总线通信数据控制。

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和退耦电容，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，本实用新型与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本实用新型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，并且可以通过按键选择两路输出端电流信号的输出比例，使一台传感器供两台不同测量范围的测量仪器使用。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，减少了二线制电流传感器的使用数量，节省了成本，安装方便，使用操作简单。

附图说明

图1是本实用新型的电路图；

图2是本实用新型使用时的连接示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，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。

本实用新型的实施方式涉及一种二线制传感器的电流分离器，如图1所示，包括精密电阻R_C和运算放大器和数字电位器R2，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R_C两端的电压信号中的正极与第一电阻R1的一端相连，负极与运算放大器的反相输入端相连；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的另一端还通过数字电位器R2与用于连接第二测量仪器2的第二输出端相连；所述运算放大器的输出端与采样电阻R_S的一端相连；所述采样电阻R_S的另一端与第二输出端相连；所述采样电阻R_S的一端还直接接地；所述精密电阻R_C的阻值远小于所述第一电阻R1和数字电位器R2；所述数字电位器R2还通过I²C总线与单片机U0相连；所述单片机U0外接有七个按键K1～K8。

由此可见，在测量仪器1与传感器的连接电路中串联一个2Ω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和数字电位器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-V_B，这样根据基尔霍夫定律可以获得第二输出端电流I2，且I2随着传感器输出电流I_C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Z₁和Z₂，TVS管Z₁和Z₂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是本实用新型使用时的连接示意图。其中，电流分离器的IN3、OU3端分别与二线制传感器的正负端相连，电流分离器的IN1端与OUT1端分别与测量装置1的+24V与GND端相连，电流分离器的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说明本实用新型的工作过程，图1中，第一电阻R1、限流电阻Rm、第三电阻R3、精密电阻R_C、采样电阻R_S均采用色环电阻，其中，第一电阻R1、数字电位器R2、限流电阻Rm、第三电阻R3的电阻精度为1％，精密电阻R_C、采样电阻R_S采用RJ24高精密金属膜电阻器，精度为0.1％。数字电位器R2采用AD5241BRZ1M芯片。单片机U1采用STC89C51芯片。按键K0～K8采用6*6*5mm的微动开关。排阻P3为9脚10K排阻。运算放大器采用LM358或LM324运放芯片。稳压二极管Z₀为1N4735。限流电阻R_m和稳压二极管Z₀，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。测量仪器两端经受瞬间的高能量冲击时，TVS管Z₁和Z₂能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，把它的两端电压钳制在一定的数值上，从而保护电流分离器的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。

首先测量仪器1与传感器相连，传感器中流过的电流为I1，通过精密电阻R_C将电流信号转换为电压信号V₀，则V₀＝I1*R_C下面分析电压信号V₀转变为电流I2的过程：

首先精密电阻R_C采集到的电压为V₀，流过第一电阻R1的电流Ic＝V₀/R1，由于运算放大器的输入端不可能吸收电流，则电流Ic全部流过数字电位器R2，那么B点电压V_B＝-Ic*R2＝-V₀*R2/R1。

测量仪器2负端和整个变送器电路之间只有采样电阻R_S和数字电位器R2，因此所有的电流都流过采样电阻R_S和数值电位器R2。数字电位器R2上端是虚地(0V)，采样电阻R_S上端是GND。因此数字电位器R2和采样电阻R_S两端电压完全一样，都等于电压V_B，相当于采样电阻R_S与数字电位器R2并联作为电流采样电阻。因此电路总电流I2＝V_B/(R_S//R2)，如果取R2>>R_S，则I2＝V_B/R_S＝(R2/R1)*V₀/R_S，取R_S＝R_C时，I2＝(R2/R1)*I1。若不能满足R2>>R_S也没关系，采样电阻R_S和数字电位器R2并联的值是个固定值，电流I2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。根据I2＝(R2/R1)*I1，可知I2和I1呈线性关系，比例系数为R2/R1。由于第一电阻R1为固定电阻，数字电位器R2为可变电阻，于是通过调节数字电器R2的阻值可以使电流分离器第二输出端的电流呈倍数放大或缩小，且基本不改变传感器采集的原始电流即第一输出端的电流。

为了调节数字电位器的电阻值，加入了单片机最小系统。为了操作方便，添加了若干按键，通过按键可以选择不同的第二输出电流比例。其中，数字电位器R2为芯片AD5241BRZ1M是I²C接口，有256个抽头位置，AB两端的阻值R_AB为1MΩ，R2＝R_WB＝D*R_AB/256+60Ω，其中D的取值范围为0～255即0x00～0xFF。单片机STC89C51通过I/O口P2.0、P2.1模拟I²C通信，分别与数字电位器AD5241BRZ1M的SCL、SDA引脚相连。第一电阻R1阻值为100K，按下按键K1，单片机STC89C51通过I²C接口向数字电位器发送用数字信号0x33控制数字电位器R2输出阻值199266Ω(R2＝R_WB＝D*R_AB/256+60＝51*1M/256+60＝199266Ω)，于是I2＝(R2/R1)*I1＝1.99266*I1≈2*I1，即第二输出端电流与第一输出端电流输出比为2:1；按下按键K2，单片机STC89C51向数字电位器发送数字信号0x0D控制数字电位器R2输出阻值50838Ω(R2＝13*1M/256+60＝50838Ω)，于是I2＝(R2/R1)*I1＝0.50838*I1≈0.5*I1，即第二输出端电流与第一输出端电流输出比为1:2；按下按键K3，单片机STC89C51向数字电位器发送数字信号0x1A控制数字电位器R2输出阻值101616Ω(R2＝26*1M/256+60＝101616Ω)，于是I2＝(R2/R1)*I1＝1.01616*I1≈1*I1，即第二输出端电流与第一输出端电流输出比为1:1；剩余的按键可以根据需要控制电流分离器输出电流比为其他比例。

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R3两端电压升高，通过第三电阻R3电流变大。通过采样电阻R_S的电流也变大，B点电压变低(负更多)。结果是通过数字电位器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。

因此，本实用新型可以通过按键改变电流分离器的输出电流比例，使一个传感器的电流信号供两台不同测量范围的测量仪器使用，第二输出端的电流可以是第一输出端的1倍、2倍、1/2倍等等。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，减少了二线制电流传感器的使用数量，节省了成本，安装方便，使用操作简单。

Claims (6)

1.一种可调的按比例输出的二线制电流传感器的分离装置，其特征在于，包括精密电阻、运算放大器和数字电位器，所述精密电阻串联在第一输出端和输入端之间；所述精密电阻将电流信号转为电压信号，精密电阻两端电压的正极与第一电阻的一端相连，负极与运算放大器的反相输入端相连；所述第一电阻的另一端通过数字电位器与第二输出端相连，第一电阻的另一端还与运算放大器的正相输入端相连；所述运算放大器的输出端与采样电阻的一端相连；所述精密电阻的阻值远小于所述第一电阻和数字电器的阻值；所述数字电位器还与单片机相连，所述单片机设有按键电路，通过按键改变单片机向数字电位器发送的数字信号进而改变所述数字电位器的阻值，从而改变第一输出端和第二输出端的电流比值。

2.根据权利要求1所述的可调的按比例输出的二线制电流传感器的分离装置，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所述的可调的按比例输出的二线制电流传感器的分离装置，其特征在于，所述数字电位器由一个单片机通过I²C总线通信数据控制。

4.根据权利要求1所述的可调的按比例输出的二线制电流传感器的分离装置，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。

5.根据权利要求1所述的可调的按比例输出的二线制电流传感器的分离装置，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。

6.根据权利要求1所述的可调的按比例输出的二线制电流传感器的分离装置，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和退耦电容，所述退耦电容的两端还并联有TVS管。