CN208043907U - 一种两线制霍尔式电流变送器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种两线制霍尔式电流变送器，该变送器主要由C形磁环(1)、霍尔传感器(2)、差动放大电路(3)、V/I转换电路(4)、零点量程调整电路(5)、两线制输出回路(6)及共模阻容网络(7)组成，被测电流Im穿过C形磁环(1)，霍尔传感器(2)安装于C形磁环(1)的气隙中，霍尔传感器(2)的电压输出端接至差动放大电路(3)，且零点量程调整电路(5)的输出端接至差动放大电路(3)，差动放大电路(3)的输出端接至V/I转换电路(4)的输入端，V/I转换电路(4)的输出端接至两线制输出回路(6)，通过两线制输出回路(6)输出并传输4～20mA电流信号，同时为内部工作回路供电。本实用新型电路简单、性价比高、接线方便。
Description
技术领域
本实用新型涉及电气检测技术及自动化装置领域，更具体地说，本实用新型涉及一种两线制霍尔式电流变送器仪表。
背景技术
电流变送器被广泛应用于电能计量、电力自动化、继电保护、电机控制、工业自动化等领域，将被测主回路的交流或直流大电流按线性关系转换为4～20mA标准直流电流信号进行输出并远程传输。
霍尔传感器是对磁场或电流进行测量的一种最常见的传感器，具有灵敏度高、结构简单、体积小、频率响应范围宽和使用寿命长等优点，对交流和直流磁场或电流的测量均适用，且适用于静态电流和动态电流的测量，故以霍尔传感器为敏感元件构造电流变送器具有无可比拟的优越性。
现有的大多数霍尔式电流变送器采用三线制或四线制接线方式，除了信号传输回路外，还需为变送器另外提供电源回路，其接线复杂、成本高、维护不便。2015年关克等人公开了“霍尔开环电流变送器电源电路”，为霍尔式电流变送器提供了一种三线或四线制接线方式电源部分的解决方案；2014年公开了“一种基于霍尔闭环原理的导轨型安装电流变送器”，该方案采用了闭环反馈式工作原理，其工作电路结构较为复杂，且需要专门的供电回路提供其中的+Vc和-Vc两个电源，即需要采用四线制接线方式。
然而，而现有大多测量仪表、PLC、DCS及其它测控装置均采用标准两线制4～20mA电流信号接线方式，故开发两线制4～20mA标准信号的电流变送器具有重大的技术发展价值和广泛的市场需求。
两线制霍尔式电流变送器要求霍尔传感器及信号变换工作回路的总电流小于4mA，即整个系统需要进行低功耗设计，有较大的开发难度。本实用新型为两线制霍尔式电流变送器的实现提供了一种解决方案。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服三线或四线制霍尔式电流变送器的缺点，提供一种两线制霍尔式电流变送器的解决方案，使得测量仪表、PLC、DCS或其它测控装置与霍尔式电流变送器之间可以采用两线制接线方式进行连接，以标准4～20mA直流电流信号进行远程传输。
为了解决所述技术问题，本实用新型提供了一种两线制霍尔式电流变送器，其特征在于：该变送器主要由C形磁环(1)、霍尔传感器(2)、差动放大电路(3)、V/I转换电路(4)、零点量程调整电路(5)、两线制输出回路(6)及共模阻容网络(7)组成，被测电流Im穿过C形磁环(1)，霍尔传感器(2)安装于C形磁环(1)的气隙中，霍尔传感器(2)的电压输出端接至差动放大电路(3)，且零点量程调整电路(5)的输出端接至差动放大电路(3)，差动放大电路(3)的输出端接至V/I转换电路(4)的输入端，V/I转换电路(4)的输出端接至两线制输出回路(6)，并且V/I转换电路(4)的恒流源输出端接至霍尔传感器(2)的激励信号输入端，V/I转换电路(4)恒压源输出端接至差动放大电路(3)及零点量程调整电路(5)的电源端，共模阻容网络(7)接在霍尔传感器(2)的激励电流返回端与V/I转换电路(4)的恒压源及恒流源返回的参考地端之间。
所述两线制霍尔式电流变送器的测量及信号变换方案是：测量过程中，穿过C形磁环(1)的被测电流Im在磁环中产生与被测电流Im大小成正比的环形磁场，该磁场垂直穿过霍尔传感器(2)，且霍尔传感器(2)通入由V/I转换电路(4)提供的激励电流，故霍尔传感器(2)的电压输出端输出与被测电流Im成正比的微弱电压信号，该电压信号经过差动放大电路(3)进行放大后输入至V/I转换电路(4)，V/I转换电路(4)将输入电压信号转换为4～20mA电流，并由两线制输出回路(6)进行信号传输，且零点量程调整电路(5)输出的调整信号输入至差动放大电路(3)，可以对电流测量的零点和量程进行调整，并且V/I转换电路(4)输出恒流源为霍尔传感器(2)提供激励电流信号，该恒流源从霍尔传感器(2)的激励电流返回端流出后再流经共模阻容网络(7)而产生的压降为差动放大电路(3)提供一定的共模输入电压，V/I转换电路(4)输出恒压源为零点量程调整电路(5)和差动放大电路(3)提供工作电源。
所述C形磁环(1)采用锌锰铁氧体磁环，磁环沿径向开有2mm气隙，所述霍尔传感器(2)采用TO-92封装线性霍尔传感器HG-302C，薄片状的霍尔传感器(2)平行安装于C形磁环(1)的气隙中央。
所述差动放大电路(3)由高精度、低功耗仪表放大器AD627构成，霍尔传感器(2)的差动电压输出信号接至AD627的差分输入端。
所述零点量程调整电路(5)中的零点调整电路由分压电阻、电位器及低功耗运算放大器MAX4480构成的跟随器组成，且跟随器的输出端接至AD627输出基准端；零点量程调整电路(5)中的量程调整电路由电位器构成，该电位器直接接至AD627的放大倍数调整电阻接入端。
所述V/I转换电路(4)由电压/电流变换芯片XTR105构成，其将输入电压线性地转换为4～20mA电流进行输出，同时该芯片输出2路0.8mA恒流源，将2路恒流源并联后输入至霍尔传感器(2)，作为霍尔传感器(2)的激励电流源，该芯片还输出1路5.1V、1mA容量的恒压源，作为差动放大电路(3)及零点量程调整电路(5)的工作电源。
所述差动放大电路(3)、零点量程调整电路(5)的总功耗极低，变送器内部工作回路的总电流小于4mA，从而可以实现以4mA为测量零点的两线制电流输出。
所述两线制输出回路(6)主要由NPN型驱动三极管、过压保护二极管、二极管整流桥、负载电阻及外接电源组成，回路中的二极管整流桥具有反接保护作用，外接电源可按任意方向接入两线制输出回路(6)，通过两线制输出回路(6)输出并传输4～20mA电流信号，同时为内部工作回路供电。
所述共模阻容网络(7)由2kΩ电位器RCM和电容CCM并联构成，并串联在霍尔传感器(2)的激励电流返回端和V/I转换电路(4)的恒压源及恒流源返回的参考地端之间，V/I转换电路(4)输出的1.6mA恒流源流过共模阻容网络(7)，从而可通过调整RCM的阻值为差动放大器的工作提供0～3.2V范围内的共模电压，且CCM可滤除该共模电压的纹波。
所述两线制霍尔式电流变送器的被测输入电流既可为直流电流也可为交流电流。
本实用新型至少包括以下有益效果：
(1)采用两线制接线方式和4～20mA标准电流信号传输方式，变送器供电和信号传输集于同一电流回路，接线方便、线路简单、电缆成本低、方便远程传输。
(2)采用纯模拟电路对霍尔传感器的测量输出信号进行处理和变换，无需模/数转换和数字信号处理器，也无复杂的闭环反馈电路，其工作电路结构简单，成本低廉，性价比高。
(3)该霍尔式电流变送器的测量零点和量程方便调整，霍尔传感器的不等位电势以及差动放大器和V/I转换器的失调电压均可以通过零点调整电路进行抵消，且霍尔传感器采用恒流源激励，而使温度系数大大降低，故该电流变送器测量精度高。
(4)输出回路有二极管整流桥，具有反接保护功能，两线制接线无正负极区分，外接电源可按任意方向接入输出回路，不会因为错接电源的正负极而造成变送器损坏。
(5)该霍尔式电流变送器的适用范围广，既适用于直流电流的测量，也适用于交流电流的测量，既适用于动态电流的测量，也适用于静态电流的测量。
本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本实用新型所述的两线制霍尔式电流变送器的组成原理示意图。
图2为本实用新型所述的两线制霍尔式电流变送器的具体实施电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
为了解决所述技术问题，本实用新型提供了一种两线制霍尔式电流变送器，其特征在于：该变送器主要由C形磁环(1)、霍尔传感器(2)、差动放大电路(3)、V/I转换电路(4)、零点量程调整电路(5)、两线制输出回路(6)及共模阻容网络(7)组成，被测电流Im穿过C形磁环(1)，霍尔传感器(2)安装于C形磁环(1)的气隙中，霍尔传感器(2)的电压输出端接至差动放大电路(3)，且零点量程调整电路(5)的输出端接至差动放大电路(3)，差动放大电路(3)的输出端接至V/I转换电路(4)的输入端，V/I转换电路(4)的输出端接至两线制输出回路(6)，并且V/I转换电路(4)的恒流源输出端接至霍尔传感器(2)的激励信号输入端，V/I转换电路(4)恒压源输出端接至差动放大电路(3)及零点量程调整电路(5)的电源端，共模阻容网络(7)接在霍尔传感器(2)的激励电流返回端与V/I转换电路(4)的恒压源及恒流源返回的参考地端之间。
如图1所示，所述两线制霍尔式电流变送器的测量及信号变换方案是：测量过程中，穿过C形磁环(1)的被测电流Im在磁环中产生与被测电流Im大小成正比的环形磁场，该磁场垂直穿过霍尔传感器(2)，且霍尔传感器(2)通入由V/I转换电路(4)提供的激励电流，故霍尔传感器(2)的电压输出端输出与被测电流Im成正比的微弱电压信号，该电压信号经过差动放大电路(3)进行放大后输入至V/I转换电路(4)，V/I转换电路(4)将输入电压信号转换为4～20mA电流，并由两线制输出回路(6)进行信号传输，且零点量程调整电路(5)输出的调整信号输入至差动放大电路(3)，可以对电流测量的零点和量程进行调整，并且V/I转换电路(4)输出恒流源为霍尔传感器(2)提供激励电流信号，该恒流源从霍尔传感器(2)的激励电流返回端流出后再流经共模阻容网络(7)而产生的压降为差动放大电路(3)提供一定的共模输入电压，V/I转换电路(4)输出恒压源为零点量程调整电路(5)和差动放大电路(3)提供工作电源。
如图1所示，所述C形磁环(1)采用锌锰铁氧体磁环，磁环沿径向开有2mm气隙，所述霍尔传感器(2)采用TO-92封装线性霍尔传感器HG-302C，薄片状的霍尔传感器(2)平行安装于C形磁环(1)的气隙中央。被测电流Im在C形磁环(1)中激励产生的磁场通过气隙并垂直穿过霍尔传感器(2)的上下两个表面。
如图2所示，所述差动放大电路(3)由高精度、低功耗仪表放大器AD627构成，霍尔传感器(2)的差动电压输出信号接至AD627的差分输入端，即霍尔传感器(2)的电压输出正端V+接至AD627的同相输入端，而霍尔传感器(2)的电压输出负端V-接至AD627的反相输入端。
所述零点量程调整电路(5)中的零点调整电路由分压电阻、电位器及低功耗运算放大器MAX4480构成的跟随器组成，且跟随器的输出端接至AD627输出基准端；零点量程调整电路(5)中的量程调整电路由电位器构成，该电位器直接接至AD627的放大倍数调整电阻接入端。具体实施方式如图2所示，上下两个分压电阻R1、R3与中间的电位器R2串联，并将R2的中心抽头接至MAX4480的同相输入，MAX4480的反相输入端与其输出端连接后再接至AD627的5号引脚，即AD627输出基准端，为AD627的输出提供基准电压Vref，其中，电阻参数R1＝2.2MΩ、R2＝200kΩ、R3＝1MΩ，而回路电源电压VCC＝5.1V，故AD627的输出基准电压Vref可在1.5～1.8V范围内调整；另外，将1kΩ可调电位器R4接入AD627的放大倍数调整电阻接入端，即1号引脚和8号引脚之间，作为变送器的量程调整电阻，则差动放大电路(3)的输出电压可表示为
Vo＝(V+-V-)×(5+200/R4)+Vref (1)
式中，(V+-V-)为霍尔传感器(2)的电压输出正、负端输出至AD627差分输入端的差动电压，该输出电压V0输入至后继V/I转换电路(4)的差分输入正端。
如图2所示，所述V/I转换电路(4)由电压/电流变换芯片XTR105构成，其将输入电压线性地转换为4～20mA电流进行输出，同时该芯片输出2路0.8mA恒流源，将2路恒流源并联后输入至霍尔传感器(2)，作为霍尔传感器(2)的激励电流源，该芯片还输出1路5.1V、1mA容量的恒压源，作为差动放大电路(3)及零点量程调整电路(5)的工作电源。电压/电流具体变换原理为：差动放大电路(3)的输出电压V0输入至XTR105的差分输入正端VIN+；R5＝2.2MΩ、R6＝1MΩ串联后接在恒压源VCC和参考地端GND之间，串联点产生1.6V电压接至XTR105的差分输入负端VIN-，为XTR105的工作提供共模电压；R7＝1kΩ接至XTR105的放大倍数调整电阻接入端，决定了XTR105的电压/电流转换系数，则XTR105输出至两线制输出回路(6)的电流为
I0＝4+40·(V0-1.6)/R7 (2)
式中，V0差动放大电路(3)的输出电压，I0为输出电流。
所述差动放大电路(3)、零点量程调整电路(5)的总功耗极低，变送器内部工作回路的总电流小于4mA，从而可以实现以4mA为测量零点的两线制电流输出。结合图2，具体各工作回路消耗电流计算统计为：R1、R2、R3串联回路消耗电流为1.5μA，MAX4480静态工作电流最大不超过100μA，AD627静态工作电流最大不超过85μA，R5、R6串联回路消耗电流为1.6μA，加上霍尔传感器(2)的激励电流1.6mA，整个内部工作回路消耗的总电流不超过1.8mA，小于4mA，满足以4mA为测量零点的两线制电流输出条件。
所述两线制输出回路(6)主要由NPN型驱动三极管、过压保护二极管、二极管整流桥、负载电阻及外接电源组成，回路中的二极管整流桥具有反接保护作用，外接电源可按任意方向接入两线制输出回路(6)，通过两线制输出回路(6)输出并传输4～20mA电流信号，同时为内部工作回路供电。具体实施方式如图2所示，所述NPN型驱动三极管Q1采用9014，以提高变送器电流输出能力，减少XTR105芯片发热，三极管Q1的基极与XTR105的9号引脚相连，Q1的射极与XTR105的8号引脚相连，Q1的集电极与XTR105的10号引脚相连并接至二极管整流桥的一个顶点；所述过压保护二极管D5采用36V齐纳二极管1N4753，可吸收回路浪涌电流，起到过压保护作用，并且在过压保护二极管D5两端并联了0.1μF电容C3，起到了滤波作用；所述二极管整流桥D1～D4由4个整流二极管1N4007构成，按图中所示连接方式构成整流桥堆，可防止电源反接，使得该变送器电源接线方向可任意交换；此外，还需要在变送器的远程终端接入+24V DC外接电源和负载电阻RL，构成完整的两线制输出回路(6)。在+24V DC电源电势的作用下，电荷流经由输出回路(6)中的外接电源、二极管整流桥、XTR105和驱动三极管9014并联回路、负载电阻RL，从而形成一个电流信号传输通路，最终在该电流信号传输通路中流过4～20mA电流信号，同时+24V DC外接电源通过输出回路(6)中的电流信号传输通路为内部工作回路供电。
如图2所示，所述共模阻容网络(7)由2kΩ电位器RCM和电容CCM并联构成，并串联在霍尔传感器(2)的激励电流返回端和V/I转换电路(4)的恒压源及恒流源返回的参考地端之间，V/I转换电路(4)输出的1.6mA恒流源流过共模阻容网络(7)，从而可通过调整RCM的阻值为差动放大器的工作提供0～3.2V范围内的共模电压，且并联的0.1μF电容CCM可滤除该共模电压的纹波。
此外，在实施方案中，在恒压源VCC和参考地端GND之间还并联了如图2所示的C1＝10μF、C2＝0.1μF两个电容，以滤除纹波提高电压源的稳定性。
所述两线制霍尔式电流变送器的被测输入电流既可为直流电流也可为交流电流。测量直流电流时，可通过零点和量程调整电位器配置测量关系，在测量量程0～Imax内，变送器按线性关系输出4～20mA电流信号；测量交流电流时，可通过零点和量程调整电位器配置测量关系，在输入电流为0时，令变送器输出12mA电流信号，当输入为-Imax～0A时，变送器按线性关系输出4～12mA电流信号，而当输入为0A～+Imax时，变送器按线性关系输出12～20mA电流信号。
尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种两线制霍尔式电流变送器，其特征在于：该变送器主要由C形磁环(1)、霍尔传感器(2)、差动放大电路(3)、V/I转换电路(4)、零点量程调整电路(5)、两线制输出回路(6)及共模阻容网络(7)组成，被测电流Im穿过C形磁环(1)，霍尔传感器(2)安装于C形磁环(1)的气隙中，霍尔传感器(2)的电压输出端接至差动放大电路(3)，且零点量程调整电路(5)的输出端接至差动放大电路(3)，差动放大电路(3)的输出端接至V/I转换电路(4)的输入端，V/I转换电路(4)的输出端接至两线制输出回路(6)，并且V/I转换电路(4)的恒流源输出端接至霍尔传感器(2)的激励信号输入端，V/I转换电路(4)恒压源输出端接至差动放大电路(3)及零点量程调整电路(5)的电源端，共模阻容网络(7)接在霍尔传感器(2)的激励电流返回端与V/I转换电路(4)的恒压源及恒流源返回的参考地端之间。
2.根据权利要求1所述的一种两线制霍尔式电流变送器，其特征在于：测量过程中，穿过C形磁环(1)的被测电流Im在磁环中产生与被测电流Im大小成正比的环形磁场，该磁场垂直穿过霍尔传感器(2)，且霍尔传感器(2)通入由V/I转换电路(4)提供的激励电流，故霍尔传感器(2)的电压输出端输出与被测电流Im成正比的微弱电压信号，该电压信号经过差动放大电路(3)进行放大后输入至V/I转换电路(4)，V/I转换电路(4)将输入电压信号转换为4～20mA电流，并由两线制输出回路(6)进行信号传输，且零点量程调整电路(5)输出的调整信号输入至差动放大电路(3)，可以对电流测量的零点和量程进行调整，并且V/I转换电路(4)输出恒流源为霍尔传感器(2)提供激励电流信号，该恒流源从霍尔传感器(2)的激励电流返回端流出后再流经共模阻容网络(7)而产生的压降为差动放大电路(3)提供一定的共模输入电压，V/I转换电路(4)输出恒压源为零点量程调整电路(5)和差动放大电路(3)提供工作电源。
3.根据权利要求1所述的一种两线制霍尔式电流变送器，其特征在于：所述C形磁环(1)采用锌锰铁氧体磁环，磁环沿径向开有2mm气隙，所述霍尔传感器(2)采用TO-92封装线性霍尔传感器HG-302C，薄片状的霍尔传感器(2)平行安装于C形磁环(1)的气隙中央。
4.根据权利要求1所述的一种两线制霍尔式电流变送器，其特征在于：所述差动放大电路(3)由高精度、低功耗仪表放大器AD627构成，霍尔传感器(2)的差动电压输出信号接至AD627的差分输入端。
5.根据权利要求1所述的一种两线制霍尔式电流变送器，其特征在于：所述零点量程调整电路(5)中的零点调整电路由分压电阻、电位器及低功耗运算放大器MAX4480构成的跟随器组成，且跟随器的输出端接至AD627输出基准端；零点量程调整电路(5)中的量程调整电路由电位器构成，该电位器直接接至AD627的放大倍数调整电阻接入端。
6.根据权利要求1所述的一种两线制霍尔式电流变送器，其特征在于：所述V/I转换电路(4)由电压/电流变换芯片XTR105构成，其将输入电压线性地转换为4～20mA电流进行输出，同时该芯片输出2路0.8mA恒流源，将2路恒流源并联后输入至霍尔传感器(2)，作为霍尔传感器(2)的激励电流源，该芯片还输出1路5.1V、1mA容量的恒压源，作为差动放大电路(3)及零点量程调整电路(5)的工作电源。
7.根据权利要求1所述的一种两线制霍尔式电流变送器，其特征是：所述差动放大电路(3)、零点量程调整电路(5)的总功耗极低，变送器内部工作回路的总电流小于4mA，从而可以实现以4mA为测量零点的两线制电流输出。
8.根据权利要求1所述的一种两线制霍尔式电流变送器，其特征是：所述两线制输出回路(6)主要由NPN型驱动三极管、过压保护二极管、二极管整流桥、负载电阻及外接电源组成，回路中的二极管整流桥具有反接保护作用，外接电源可按任意方向接入两线制输出回路(6)，通过两线制输出回路(6)输出并传输4～20mA电流信号，同时为内部工作回路供电。
9.根据权利要求1所述的一种两线制霍尔式电流变送器，其特征在于：所述共模阻容网络(7)由2kΩ电位器RCM和电容CCM并联构成，并串联在霍尔传感器(2)的激励电流返回端和V/I转换电路(4)的恒压源及恒流源返回的参考地端之间，V/I转换电路(4)输出的1.6mA恒流源流过共模阻容网络(7)，从而可通过调整RCM的阻值为差动放大器的工作提供0～3.2V范围内的共模电压，且CCM可滤除该共模电压的纹波。
10.根据权利要求1所述的一种两线制霍尔式电流变送器，其特征在于：所述两线制霍尔式电流变送器的被测输入电流既可为直流电流也可为交流电流。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20181102 Termination date: 20210428 |
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