CN220568856U - 一种高压隔离变送器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高压隔离变送器，包括对待测高压信号采样获得差分采样信号的采样装置，还包括差分高阻衰减网络和由MCU控制电路控制的程控差分输入电路、脉冲位置调制高压信号隔离电路以及电压/电流输出电路；所述采样装置采取的差分采样信号通过所述差分高阻衰减网络与所述由MCU控制电路控制的程控差分输入电路连接，所述差分采样信号通过由MCU控制电路控制的程控差分输入电路输出为低压差分信号；本实用新型采用了差分高阻衰减网络和由MCU控制电路控制的程控差分输入电路、脉冲位置调制高压信号隔离电路以及电压/电流输出电路，是一种可实现的高共模抑制、高响应速度的高压隔离变送器。

Description

一种高压隔离变送器

技术领域

本实用新型属于变送器技术领域，具体涉及一种高压隔离变送器。

背景技术

变送器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。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；

电压变送器是一种能将被测交、直流电压转换成按线性比例输出的交、直流电流或电压的仪器。配以相应的指示仪表或装置，可在电力系统交、直流电路中实现对电压、电流的测量和控制；

原有高电压隔离变送器技术由于采用的是非对称的输入方式共模抑制较差，对于大于1MHz的高频信号尤为明显。所以原有高电压隔离变送器技术对含有共模成分的高频信号测量误差较大，为了减小测量误差现有高电压隔离变送器采用了降低响应速度的方式；

随着科学技术的创新发展，在轨道交通，工业控制，电力电网，航天航空，新能源等现代大功率工业设备中，为了优化能源都采用了较高的电压驱动模式。对这些大功率高压系统的监控，主要是保障人身和设备的安全，而在这些大功率设备中都存在高共模的电压信号。对这些信号的检测，需要采用高共模抑制高响应速度隔离变送器。

目前，在轨道交通高电压牵引系统中使用的高压隔离变送器存在如下不足：

1、高压隔离变送器容易受到高频共模信号的干扰；

2、高压隔离变送器响应速度普遍较慢；

亟需设计一种高压隔离变送器解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高压隔离变送器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种高压隔离变送器，包括对待测高压信号采样获得差分采样信号的采样装置，还包括差分高阻衰减网络和由MCU控制电路控制的程控差分输入电路、脉冲位置调制高压信号隔离电路以及电压/电流输出电路；

所述采样装置采取的差分采样信号通过所述差分高阻衰减网络与所述由MCU控制电路控制的程控差分输入电路连接，所述差分采样信号通过由MCU控制电路控制的程控差分输入电路输出为低压差分信号，且由MCU控制电路控制的程控差分输入电路与脉冲位置调制高压信号隔离电路连接，所述脉冲位置调制高压信号隔离电路与电压/电流输出电路连接。

优选的，所述的差分高阻衰减网络包括共模电感L1，所述低压差分信号的两极分别通过至少一组高压阻容网络对接所述的共模电感L1第1、3脚，所述共模电感L1第2、4脚分别通过至少一组频率补偿网络形成输出，所述高压阻容网络由电阻和电容并联形成，所述频率补偿网络由电阻和电容串联接形成。

优选的，所述共模电感L1第2、4脚上分别通过输出电阻接地，两个输出电阻上形成差分高阻衰减网络的输出差分信号（S1+、S1+）。

优选的，所述由MCU控制电路控制的程控差分输入电路包括差分运放U1以及数字电位器U2，所述数字电位器U2的型号为AD8402ARZ50的芯片，其中CS、CLK和SDI接MCU。

优选的，所述输出差分信号（S1+、S1+）接差分运放U1的第一运算放大器的两个输入端，第二运算放大器的两个输入端接数字电位器U2的B2和W2，所述差分运放U1的输出端接电阻R3，数字电位器U2的A2接所述差分运放U1的输出端与电阻R3连接处，数字电位器U3的接电阻R3的另一端。

优选的，所述脉冲位置调制高压信号隔离电路包括PPM调制电路、平板隔离耦合线圈、PPM解调电路，由MCU控制电路控制的程控差分输入电路通过PPM调制电路和平板隔离耦合线圈与PPM解调电路连接，所述PPM解调电路与电压/电流输出电路连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用了差分高阻衰减网络和由MCU控制电路控制的程控差分输入电路、脉冲位置调制高压信号隔离电路以及电压/电流输出电路，是一种可实现的高共模抑制、高响应速度的高压隔离变送器。

附图说明

图1为本实用新型的组成框图；

图2为本实用新型的差分高阻衰减网络电路原理图；

图3为本实用新型的程控差分输入电路原理图。

实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1至图3，本实用新型提供一种技术方案：一种高压隔离变送器，包括对待测高压信号采样获得差分采样信号的采样装置，其特征在于：还包括差分高阻衰减网络和由MCU控制电路控制的程控差分输入电路、脉冲位置调制高压信号隔离电路以及电压/电流输出电路；本实用新型高共模抑制高响应速度高压隔离变送器装置，包括差分高阻衰减网络、程控差分输入电路、脉冲位置调制（PPM）高压信号隔离电路、电压/电流输出电路、MCU控制电路、高隔离电源电路。

采样装置采取的差分采样信号通过差分高阻衰减网络与由MCU控制电路控制的程控差分输入电路连接，差分采样信号通过由MCU控制电路控制的程控差分输入电路输出为低压差分信号，且由MCU控制电路控制的程控差分输入电路与脉冲位置调制高压信号隔离电路连接，脉冲位置调制高压信号隔离电路与电压/电流输出电路连接。

MCU控制电路控制程控差分输入电路确定本装置当前输入/输出量程，待测高压信号经过差分高阻衰减网络将差分高压信号对称的衰减为程控差分输入电路可处理的低压差分信号，低压差分信号经差分输入电路转换为低压单端信号并调整其增益和零点后送入脉冲位置调制（PPM）高压信号隔离电路，经脉冲位置调制（PPM）高压信号隔离电路隔离后，送电压/电流输出电路输出，差分高阻衰减网络如图2所示。图2所示的衰减网络至少有1对，采用衰减网络1对或者n对，下面以一对衰减网络为例进行说明：

输入信号正端连接到电阻1R1和电容1C1的一端，电阻1R1和电容1C1的另一端连接到共模电感L1的1脚，共模电感L1的2脚连接到电阻1R101和1R102的一端同时将衰减后的低压差分信号的正端S1+输出到后级电路，1R101的另一端连接到电容1C101，电容1C101的另一端接地，电阻1R102的另一端接地；输入信号负端连接到电阻2R1和电容2C1的一端，电阻2R1和电容2C1的另一端连接到共模电感L1的3脚，共模电感L1的4脚连接到电阻2R101和2R102的一端同时将衰减后的低压差分信号的正端S1-输出到后级电路，2R101的另一端连接到电容2C101，电容2C101的另一端接地，电阻2R102的另一端接地；

进一步地，差分高阻衰减网络包括共模电感L1，低压差分信号的两极分别通过至少一组高压阻容网络对接的共模电感L1第1、3脚，共模电感L1第2、4脚分别通过至少一组频率补偿网络形成输出，高压阻容网络由电阻和电容并联形成，频率补偿网络由电阻和电容串联接形成。

共模电感L1第2、4脚上分别通过输出电阻接地，两个输出电阻上形成差分高阻衰减网络的输出差分信号（S1+、S1+）；共模电感L1第2、4脚上分别通过输出电阻接地，两个输出电阻上形成差分高阻衰减网络的输出差分信号S1+、S1+。如图２所示，采样获得的差分高压信号高压输入＋通过电容１C１和电阻１R１并联形成的高压阻容网络接入到共模电感L１的第１脚，电容２C１和电阻２R１并联形成的高压阻容网络接入到共模电感L１的第３脚，实际中，这样的高压阻容网络是成对出现的，在共模电感L１的输入端（１、３引脚端）可以有多组这样的高压阻容网络。在共模电感L1第2脚上就是输出的差分信号的正信号S＋，在共模电感L1第2脚采用电阻１R１０１，电容1C101串联组成的频率补偿网络接地，在共模电感L1第4脚上就是输出的差分信号的负信号S-，在共模电感L1第4脚采用电容2C101和电阻2R101串联接地，实践上，可以在共模电感L1第2脚和4脚上有多组这样的频率补偿网络。

原有技术路线采用单端衰减网络对正端和负端的信号没有对称的衰减，共模抑制能力较差。而采用本实施例的对称式电阻电容对高压差分信号进行在频率的频带内均进行对称的衰减，同时本实施例电路电阻上并联了电容对高频信号也能对称的衰减，提升了电路共模抑制比以及极大的提升了共模信号的频率范围。

由MCU控制电路控制的程控差分输入电路包括差分运放U1以及数字电位器U2，数字电位器U2的型号为AD8402ARZ50的芯片，其中CS、CLK和SDI接MCU，输出差分信号（S1+、S1+）接差分运放U1的第一运算放大器的两个输入端，第二运算放大器的两个输入端接数字电位器U2的B2和W2，差分运放U1的输出端接电阻R3，数字电位器U2的A2接差分运放U1的输出端与电阻R3连接处，数字电位器U3的接电阻R3的另一端；

如图3所示。该电路包括差分运放U1以及数字电位器U2，本实施例中数字电位器U2使用型号为AD8402ARZ50的芯片。经过差分高阻衰减网络衰减后的电压差分信号的正端S1+连接到电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接到差分运放U1的1脚；经过差分高阻衰减网络衰减后的电压差分信号的正端S1-连接到电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接到差分运放U1的8脚；差分运放U1的4脚接地；U1的5脚连接到U2的4脚；U1的6脚连接到U2的3脚同时连接到电阻R3的一端；U1的2脚连接接电源VCC-和电容C1的一端，电容C1的另一端接地；U1的7脚连接接电源VCC+和电容C2的一端，电容C2的另一端接地；数字电位器U2的1脚和5脚接地；U2的6脚、10脚、11脚和13脚均接电源VCC+；U2的14脚连接到电源VCC-；U2的7脚、8脚和9脚分别连接到MCU控制电路的不同I/O口；U2的12脚连接到电阻R4的一端；电阻R4的另一端连接到电阻R3的另一端并输出调理好的信号S2送脉冲位置调制（PPM）高压信号隔离电路。

进一步地，脉冲位置调制高压信号隔离电路包括PPM调制电路、平板隔离耦合线圈、PPM解调电路，由MCU控制电路控制的程控差分输入电路通过PPM调制电路和平板隔离耦合线圈与PPM解调电路连接，PPM解调电路与电压/电流输出电路连接。

进一步地，MCU控制电路通过控制数字电位器U2的7脚、8脚和9脚来改变数字电位器U2两路可调电位器的分压比，来调整电路的增益和零点。其中数字电位器的2脚、3脚和4脚组成一路可调电位器，数字电位器U2的4脚为该路可调电位器的中间接点。MCU控制电路通过控制该路可调电位器的分压比来控制差分运放U2的增益进而调整整个电路的增益。其中数字电位器的12脚、13脚和14脚组成一路可调电位器，数字电位器U2的14脚为该路可调电位器的中间节点。MCU控制电路通过控制该路可调电位器的分压比来控制输出信号S2的零点。

进一步地，脉冲位置调制（PPM）高压信号隔离电路包括PPM调制电路、平板隔离耦合线圈、PPM解调电路。程控差分输入电路调理过的信号经过PPM调制电路转化为载波脉冲的出现时间随信号幅度而变化的信号。调制过的脉冲信号经过平板隔离耦合线圈隔离后在PPM解调电路中解调。解调后的型号送电压/电流输出电路输出。

进一步地，平板隔离耦合线圈采用多层PCB工艺加工而成，设计有接地屏蔽层可有效抑制辐射噪声对电路的干扰。采用多层PCB工艺加工可有效减小耦合线圈体积，提高耦合线圈的一致性，方便进行参数计算及调整。

高隔离电源电路的变压器采用平板变压器，采用多层PCB工艺加工而成，设计有接地屏蔽层可有效抑制辐射噪声对电路的干扰。用多层PCB工艺加工可有效减小变压器体积，提高变压器的一致性，方便进行参数计算及调整。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种高压隔离变送器，包括对待测高压信号采样获得差分采样信号的采样装置，其特征在于：还包括差分高阻衰减网络和由MCU控制电路控制的程控差分输入电路、脉冲位置调制高压信号隔离电路以及电压/电流输出电路；

所述采样装置采取的差分采样信号通过所述差分高阻衰减网络与所述由MCU控制电路控制的程控差分输入电路连接，所述差分采样信号通过由MCU控制电路控制的程控差分输入电路输出为低压差分信号，且由MCU控制电路控制的程控差分输入电路与脉冲位置调制高压信号隔离电路连接，所述脉冲位置调制高压信号隔离电路与电压/电流输出电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种高压隔离变送器，其特征在于：所述的差分高阻衰减网络包括共模电感L1，所述低压差分信号的两极分别通过至少一组高压阻容网络对接所述的共模电感L1第1、3脚，所述共模电感L1第2、4脚分别通过至少一组频率补偿网络形成输出，所述高压阻容网络由电阻和电容并联形成，所述频率补偿网络由电阻和电容串联接形成。

3.根据权利要求2所述的一种高压隔离变送器，其特征在于：所述共模电感L1第2、4脚上分别通过输出电阻接地，两个输出电阻上形成差分高阻衰减网络的输出差分信号（S1+、S1+）。

4.根据权利要求3所述的一种高压隔离变送器，其特征在于：所述由MCU控制电路控制的程控差分输入电路包括差分运放U1以及数字电位器U2，所述数字电位器U2的型号为AD8402ARZ50的芯片，其中CS、CLK和SDI接MCU。

5.根据权利要求4所述的一种高压隔离变送器，其特征在于：所述输出差分信号（S1+、S1+）接差分运放U1的第一运算放大器的两个输入端，第二运算放大器的两个输入端接数字电位器U2的B2和W2，所述差分运放U1的输出端接电阻R3，数字电位器U2的A2接所述差分运放U1的输出端与电阻R3连接处，数字电位器U3的接电阻R3的另一端。

6.根据权利要求5所述的一种高压隔离变送器，其特征在于：所述脉冲位置调制高压信号隔离电路包括PPM调制电路、平板隔离耦合线圈、PPM解调电路，由MCU控制电路控制的程控差分输入电路通过PPM调制电路和平板隔离耦合线圈与PPM解调电路连接，所述PPM解调电路与电压/电流输出电路连接。