CN211905496U - 一种高隔离耐压型交流电压传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及自动化检测技术领域，具体涉及一种高隔离耐压型交流电压传感器。包括隔离变换电路、电源电路、整流滤波电路和输出变换电路，隔离变换电路用于将待测高压交流电压信号转换为1mA的交流电流信号传输至整流滤波电路，整流滤波电路用于对隔离变换电路输出的1mA的交流电流信号进行整流滤波处理，然后变换成1V直流电压信号传输至输出变换电路，输出变换电路用于将整流滤波电路输出的1V直流电压信号线性变换为4‑20mA标准直流信号进行输出，电源电路用于为整流滤波电路和输出变换电路提供工作电源。本实用新型绝缘隔离耐压高，可以直测高压交流电压信号，且检测线性度好、精度高。

Description

一种高隔离耐压型交流电压传感器

技术领域

本实用新型涉及自动化检测技术领域，具体涉及一种高隔离耐压型交流电压传感器。

背景技术

众所周知，在自动化检测控制领域中，各种信号种类复杂多样，尤其是各种动力设备的升级催生了大量高压应用，自动化系统对高压信号进行实时监测和控制需求不断增多，很多传统的监测方法和装置也需要进一步升级，以满足自动化系统对高压信号的监测需求。电压传感器是能感受被测电压并转换成可用输出信号的传感器。在各种自动检测、控制系统中，常常需要对高速变化的交、直流电压信号作跟踪采集，对于比较复杂的电压波形作频谱分析。这类信号可能是高电压、大电流等强电，也可能是负载能力很差的弱电或幅值很小的信号。在这些情况中，就需要采用合适的电压传感器对不能直接测量或不匹配的电压信号进行采集，从而得到标准化、电气隔离的电压信号。

对于交流电压测量，可用电压互感器作为传感元件，即使用一台电压互感器将被测电压降至到可利用的低电压，然后通过相关电路变换成与被测电压成线性关系的直流电压送入到数据采集系统和A/D转换器。电压传感器的作用是自动检测电压，从而使我们能够对设备或系统的电压进行控制和显示，必要时采取过电压、欠电压等自动保护措施。较为常用的电压传感器包括电压互感器和霍尔电压传感器：

(1)电压互感器

随着电力系统容量的日益扩大和电网电压运行等级的不断提高，电压互感器已经成为电力系统中电能计量和继电保护的重要设备之一，其测量精度及可靠性对电力系统的安全、稳定和经济运行有着重要的影响。电压互感器安装在电力系统中一次与二次电气回路之间，其主要功能就是按照一定的比例将输电线路上的高电压，降低到可以用仪表直接测量的标准数值，以便电压测量仪表直接进行测量；电压互感器除用作测量外，还可与继电保护和自动装置配合，对电网各种故障进行电气保护和自动控制。电压互感器实现一、二次系统的电气隔离。但是现有的电压互感器存在体积庞大、功耗大且绝缘隔离耐压不足的缺点。

(2)霍尔电压传感器。

霍尔电压传感器是当今电子测量领域中应用最多的传感器件之一，可广泛应用于电力、电子、交流变频调速、逆变装置、电子测量和开关电源等诸多领域。霍尔电压传感器是一种能够隔离主电流回路与电子控制电路的电压检测元件，具备优越的电性能，同一只检测元件既可以检测交流也可以检测直流，甚至可以检测瞬态电压峰值，是有望替代传统互感器的新一代产品。霍尔电压传感器按照不同的工作原理又可以分为：磁平衡式电压传感器、磁调制式电压传感器、光电隔离式电压传感器、高阻隔离式电压传感器。但是现有的霍尔电压传感器存在漂移大、功耗大、精度不高且绝缘隔离耐压不足的缺点。

因此，从技术和使用效果上看，在交流高压交流信号自动检测领域，现有较为常用的电压传感器大都存在绝缘隔离耐压不足、精度不高的缺点，值得进一步改进。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型提供了一种高隔离耐压型交流电压传感器，其应用时，绝缘隔离耐压高，可以直测高压交流电压信号，且检测精度高。

本实用新型所采用的技术方案为：

一种高隔离耐压型交流电压传感器，包括高压侧电路和低压侧电路，所述高压侧电路包括隔离变换电路，所述低压侧电路包括电源电路、整流滤波电路和输出变换电路，所述隔离变换电路的输入端接入待测高压交流电压信号，输出端对接整流滤波电路，用于将待测高压交流电压信号转换为1mA的交流电流信号传输至整流滤波电路，所述整流滤波电路的输入端对接隔离变换电路，输出端对接输出变换电路，用于对隔离变换电路输出的1mA的交流电流信号进行整流滤波处理，然后变换成1V直流电压信号传输至输出变换电路，所述输出变换电路的输入端对接整流滤波电路，用于将整流滤波电路输出的1V直流电压信号线性变换为4-20mA标准直流信号进行输出，所述电源电路用于为整流滤波电路和输出变换电路提供工作电源。

作为上述技术方案的优选，所述隔离变换电路的输入端设有高压电阻，高压电阻将通过电流限制在1mA，所述高压电阻为氧化铝高压电阻。

作为上述技术方案的优选，所述隔离变换电路包括四个级联的电压互感器，所述电压互感器采用隔离耐压2500VAC/min的TV31B02-2mA/2mA型电压互感器，四个电压互感器级联后达到10000VAC/min的隔离耐压。

作为上述技术方案的优选，所述整流滤波电路包括将1mA交流电流信号转换为1V交流电压信号的闭环电流采样电路，以及将1V交流电压信号转换为1V直流电压信号的二阶低通滤波电路。

作为上述技术方案的优选，所述闭环电流采样电路和二阶低通滤波电路内均设有LM2092型单电源运算放大器。

作为上述技术方案的优选，所述输出变换电路包括电流标定变换电路和偏置电路，所述电流标定变换电路可以在满量程输入时输出20mA直流信号，所述偏置电路可在0输入时输出4mA直流信号。

作为上述技术方案的优选，所述电流标定变换电路和偏置电路内均设有LM2092型单电源运算放大器。

作为上述技术方案的优选，所述电源电路设有三端稳压器，三端稳压器的输入端对接外部24V电源，输出端输出12V稳定电压，其接地端接地。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型通过高绝缘隔离耐压的电路设置实现高电压交流信号的直测采集，完成信号高低压间的绝缘隔离、线性变换和传输，具有体积小、结构紧凑、安全可靠、抗干扰能力强、检测精度高、成本低、利于批量复制的特点，具有很高实用价值和推广意义。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为隔离变换电路的电路图；

图3为整流滤波电路的电路图；

图4为输出变换电路的电路图；

图5为电源电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本实用新型的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本实用新型，并且不应当理解为本实用新型限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，术语第一、第二等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。尽管本文可以使用术语第一、第二等等来描述各种单元，这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本实用新型的示例实施例的范围。

应当理解，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

应当理解，在本实用新型的描述中，术语“上”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系，是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

应当理解，当将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，当将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，不存在中间单元。应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并且不意在限制本实用新型的示例实施例。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解术语“包括”、“包括了”、“包含”、和/或“包含了”当在本文中使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实施例中，可以不以非必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例1：

本实施例提供了一种高隔离耐压型交流电压传感器，如图1所示：

包括高压侧电路和低压侧电路，所述高压侧电路包括隔离变换电路，所述低压侧电路包括电源电路、整流滤波电路和输出变换电路，所述隔离变换电路的输入端接入待测高压交流电压信号，输出端对接整流滤波电路，用于将待测高压交流电压信号转换为1mA的交流电流信号传输至整流滤波电路，所述整流滤波电路的输入端对接隔离变换电路，输出端对接输出变换电路，用于对隔离变换电路输出的1mA的交流电流信号进行整流滤波处理，然后变换成1V直流电压信号传输至输出变换电路，所述输出变换电路的输入端对接整流滤波电路，用于将整流滤波电路输出的1V直流电压信号线性变换为4-20mA标准直流信号进行输出，所述电源电路用于为整流滤波电路和输出变换电路提供工作电源。

具体实施时，可通过隔离变换电路直接接入待测的高压交流电压信号，并将高压交流电压信号转换为1mA的交流电流信号供后续处理，实现高压侧电路和低压侧电路之间的高绝缘隔离耐压，可直测采集高压交流电压信号，通过输出变换电路将处理后的信号线性变换为4-20mA标准直流信号进行输出，提高检测精度，便于后续系统的智能监测及控制。

实施例2：

作为对上述实施例的优化，如图2所示，所述隔离变换电路的输入端设有高压电阻，高压电阻将通过电流限制在1mA，即高压电阻的阻值等于待测高压交流电压信号的电压除以1mA，所述隔离变换电路包括四个级联的电压互感器。高压电阻RV1、RV2采用厚膜工艺的氧化铝高压电阻器进行限流，其型号为EBGC1系列，当输入电压为2000V时，所述高压电阻为EBGC1-1MΩ型氧化铝高压电阻，用2个1M欧的电阻，将电流限制在1mA。四个级联电压互感器TR1～TR4采用4只通用的电流型电压互感器，型号可选TV31B02-2mA/2mA，隔离耐压2500VAC/min，四个电压互感器级联后隔离耐压可达10000VAC/min，F3-F6为TVS，在输入端有浪涌信号或雷电入侵端口的时候，可以有效保护互感器不受损坏，通过上述电路完成高压到低压的安全隔离变换，提供高可靠的低压信号供后端电路处理。

实施例3：

作为对上述实施例的优化，如图3所示，整流滤波电路对隔离变换电路输出的1mA交流电流信号进行整流滤波，由于电路全部采用单电源供电，所以应选用单电源运放，如LM2092，为了确保交流信号采样的完整性，电阻R1和R3将信号抬高，通过单电源运放U1A和R2构成闭环电流采样电路，U1A的两个输入端对接隔离变换电路的输出端，变换为1V的交流小电压信号，经过C2隔直电容，由单电源运放U1B、R6、R7、D2、D1构成的全波整流电路进行整流，再通过单电源运放U2A、R8、R17、R14、R15、C5、C7构成的二阶低通滤波器进行滤波处理后变换成稳定的1V直流电压信号，U2A的输出端对接输出变换电路。

实施例4：

作为对上述实施例的优化，如图4所示，输出变换电路将整流滤波后的直流信号线性变换为标准的4-20mA直流信号，便于为自动化系统提供测量控制信号。输出变换电路也是单电源供电，所以增加了D3、D4主要为降压，使变换输出低于运放的工作电源，确保电路的高线性度。单电源运放U2B、单电源运放U2C及相关分离元件(电阻三极管等)构成电流标定变换电路，调节电位器W1，可以标定满量程，使满量程输入时输出为20mA，R20和R21的压降相等，调整相应阻值，可得到等比例变换的电流信号，U2B的正相输入端对接整流滤波电路，单电源运放U2D及相关分离元件和U3(U3为基准TL431，提供2.5V稳定的偏置电压)构成偏置电路，当0输入时，调整电位器W2，可以输出4mA的稳定偏置电流。

为了确保在具体使用中的性能，本实施例中提供了一组参数测试数据进行验证，输入额定值2000VAC，输出外接250欧标准电阻，测试数据如下：

输入(V)	2000	1600	1200	800	600	400	200	100	20	0
											输出(V)	4.998	4.198	3.402	2.601	2.203	1.802	1.396	1.198	1.038	0.999
理论值(V)	5	4.2	3.4	2.6	2.2	1.8	1.4	1.2	1.04	1

实施例5：

作为对上述实施例的优化，如图5所示，电源电路采用简单的方案，输入+24V电源，YM1是压敏电阻，F2是TVS，主要作用是保护输入端口，D5是防反二极管，防止电源接反，DW1是稳压管，U4是三端稳压器，产生+12V稳定电压，供整流滤波电路和输出变换电路使用。

本实用新型不局限于上述可选的实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本实用新型的保护范围的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (8)

1.一种高隔离耐压型交流电压传感器，其特征在于：包括高压侧电路和低压侧电路，所述高压侧电路包括隔离变换电路，所述低压侧电路包括电源电路、整流滤波电路和输出变换电路，所述隔离变换电路的输入端接入待测高压交流电压信号，输出端对接整流滤波电路，用于将待测高压交流电压信号转换为1mA的交流电流信号并传输至整流滤波电路，所述整流滤波电路的输入端对接隔离变换电路，输出端对接输出变换电路，用于对隔离变换电路输出的1mA的交流电流信号进行整流滤波处理，然后变换成1V直流电压信号传输至输出变换电路，所述输出变换电路的输入端对接整流滤波电路，用于将整流滤波电路输出的1V直流电压信号线性变换为4-20mA标准直流信号进行输出，所述电源电路用于为整流滤波电路和输出变换电路提供工作电源。

2.根据权利要求1所述的一种高隔离耐压型交流电压传感器，其特征在于：所述隔离变换电路的输入端设有高压电阻，高压电阻将通过电流限制在1mA，所述高压电阻为氧化铝高压电阻。

3.根据权利要求1所述的一种高隔离耐压型交流电压传感器，其特征在于：所述隔离变换电路包括四个级联的电压互感器，所述电压互感器采用隔离耐压2500VAC/min的TV31B02-2mA/2mA型电压互感器，四个电压互感器级联后达到10000VAC/min的隔离耐压。

4.根据权利要求1所述的一种高隔离耐压型交流电压传感器，其特征在于：所述整流滤波电路包括将1mA交流电流信号转换为1V交流电压信号的闭环电流采样电路，以及将1V交流电压信号转换为1V直流电压信号的二阶低通滤波电路。

5.根据权利要求4所述的一种高隔离耐压型交流电压传感器，其特征在于：所述闭环电流采样电路和二阶低通滤波电路内均设有LM2092型单电源运算放大器。

6.根据权利要求1所述的一种高隔离耐压型交流电压传感器，其特征在于：所述输出变换电路包括电流标定变换电路和偏置电路，所述电流标定变换电路可以在满量程输入时输出20mA直流信号，所述偏置电路可在0输入时输出4mA直流信号。

7.根据权利要求6所述的一种高隔离耐压型交流电压传感器，其特征在于：所述电流标定变换电路和偏置电路内均设有LM2092型单电源运算放大器。

8.根据权利要求1所述的一种高隔离耐压型交流电压传感器，其特征在于：所述电源电路设有三端稳压器，三端稳压器的输入端对接外部24V电源，输出端输出12V稳定电压，其接地端接地。

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