1.二線制交流電流變送器的綜述

　　工業(yè)上普遍需要測(cè)量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號(hào)才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設(shè)備上。這種將物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的設(shè)備稱為變送器。工業(yè)上廣泛采用的是用4~20mA電流來(lái)傳輸模擬量。采用電流信號(hào)的原因是不容易受干擾，并且電流源內(nèi)阻無(wú)窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。又因?yàn)樵诠I(yè)應(yīng)用中，測(cè)量點(diǎn)一般在現(xiàn)場(chǎng)，而顯示設(shè)備或者控制設(shè)備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能數(shù)十至數(shù)百米。按一百米距離計(jì)算，省去2根導(dǎo)線意味著成本降低近百元！因此在應(yīng)用中兩線制變送器必然是。因此研究二線制電流變送器對(duì)工業(yè)生產(chǎn)，人們的日常生活都顯得異常重要。

　　2.二線制變送器的特點(diǎn)及參數(shù)

　　2.1二線制交流電流變送器主要特點(diǎn)：

　　2.1.1二線制儀表現(xiàn)場(chǎng)不需要工作電源，利用指示儀表或DCS系統(tǒng)提供電源。

　　2.1.2輸入與輸出完全隔離。

　　2.1.3輸出信號(hào)采用極性保護(hù)措施，極性正確時(shí)，指示燈亮，儀表工作；極性錯(cuò)誤時(shí)，指示燈滅，儀表不工作。

　　2.1.4儀表本身無(wú)發(fā)熱源，徹底解決了高溫環(huán)境下普通變送器因內(nèi)部發(fā)熱而引發(fā)的輸出信號(hào)丟失的普遍現(xiàn)象。

　　2.2二線制交流電流變送器的主要技術(shù)參數(shù)：

　　2.2.1輸入信號(hào)：0~5A AC.

　　2.2.2輸出信號(hào)：420mA DC（二線制傳輸）。

　　2.2.3輸出負(fù)載電阻：0~500

　　2.2.4：0.5%.

　　2.2.5溫度系數(shù)：≤150ppm/℃。

　　2.2.6工作溫度：-10℃~+70℃。

　　2.2.7隔離：輸入與輸出隔離。

　　2.2.8絕緣電阻：〉200M（500V DC）。

　　2.2.9絕緣強(qiáng)度：〉1000V/1分鐘。

　　2.2.10供電電源：1）15~36V DC.

　                         　2）15V,RL=0~250

　                         　3）24V,RL=0~500

　                         　4）30V,RL=0~750

　　                         5）36V,RL=0~1K

　　3.設(shè)計(jì)方案及其變送器的系統(tǒng)方框圖

　　兩線制變送器的結(jié)構(gòu)與原理兩線制變送器的原理是利用了4~20mA信號(hào)為自身提供電能；V/I變換器與 V/I 變換器是一種可以用電壓信號(hào)控制輸出電流的電路；兩線制壓力變送器設(shè)計(jì)壓力橋、稱重傳感器輸出信號(hào)微弱，都屬于mV級(jí)信號(hào)；穩(wěn)定性和安全性的考慮工業(yè)環(huán)境下環(huán)境惡劣且對(duì)可靠性要求高，因此兩線制變送器的設(shè)計(jì)上需要考慮一定的保護(hù)和增強(qiáng)穩(wěn)定性措施。

　　二線制交流電流變送器是一種能將被測(cè)交流電流按線性比例輸出直流標(biāo)準(zhǔn)電流的新型儀表。配以相應(yīng)的指示儀表或直接輸出送到DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交流電流的測(cè)量和控制。

　　4.二線制交流變送器的元器件選擇與電路的設(shè)計(jì)

　　4.1互感器的選擇

　　電流互感器是一種交流電流/電流變換器，當(dāng)初級(jí)流過(guò)交流電流時(shí)，次級(jí)線圈則對(duì)應(yīng)其變比產(chǎn)生交流電流。再通過(guò)負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成交流電壓信號(hào)。

　　合理選擇互感器的變比十分重要。

　　在選擇變比之前，首先要確定通過(guò)互感器產(chǎn)生的負(fù)載電壓是否滿足變送電路需要的輸入信號(hào)電壓。通常我們將輸入信號(hào)電壓的值選擇在2~3V/AC 左右。

　　同時(shí)選擇互感器負(fù)載電阻為標(biāo)準(zhǔn)系列電阻。選RL=1KΩ。

互感器連接負(fù)載（圖2-1）

　　例如：輸入信號(hào)電壓選2.5V.

　　I=V/R=2.5V/1000Ω=0.0025A=2.5mA

　　已知：交流電流輸入為0~5A,

　　則變比為：   5A/0.0025A=2000

　　即     1:2000

　　所以，當(dāng)電流互感器初級(jí)電流為0~5A 變化時(shí)，次級(jí)負(fù)載電阻兩端的電壓為0~2.5V.

　　選擇5A/2.5mA的互感器。

　　如果要求輸入信號(hào)電壓的值選擇在3V時(shí)，只需要將負(fù)載電阻選擇為RL=1.2KΩ即可。

　　V=I×R=0.0025A×1.2KΩ=3V

　　仍然選擇5A/2.5mA的互感器。

　　4.2整流電路的選擇

　　如果輸入的信號(hào)非常微弱時(shí)，需要首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后再進(jìn)行整流。為了簡(jiǎn)化電路，我們選擇的輸入信號(hào)電壓幅度比較大，0~2.5V/AC.所以可以直接整流，而不必進(jìn)行放大。

　　如果直接利用常用的晶體二極管整流，二極管的正向電壓降會(huì)造成小電流時(shí)不能正常輸出，從而造成在互感器輸入≤1A 電流時(shí)，變送器無(wú)法線性輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。原因是晶體二極管的正向電壓降在0.5~0.7V 左右，當(dāng)互感器輸入電流≤1A 時(shí)，次級(jí)負(fù)載電阻兩端的電壓為≤0.5V,此時(shí)晶體二極管無(wú)法導(dǎo)通！

　　我們利用運(yùn)算放大器的反饋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)理想二極管獲得過(guò)零整流的特性，即微小信號(hào)的理想整流，從而獲得高線性整流的特性。

　　同時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路，降低變送器的功耗，而采用了半波精密整流電路

半波精密整流電路（圖2-2）

　　圖中的R2,R3,D1與N1 運(yùn)算放大器組成正輸出的理想二極管整流電路。D1 串接于運(yùn)算放大器N1 的輸出端，并且從D1 的陰極開(kāi)始進(jìn)行反饋。R2 是串聯(lián)的輸入電阻Ri,R3 是反饋電阻Rf.既然不需要進(jìn)行放大，所以選擇R3=R2.

　　通常選擇通用運(yùn)算放大器的輸入阻抗為幾十千歐姆，所以選擇R2=R3=10KΩ~51KΩ均可，要求相對(duì)誤差盡量小一點(diǎn)，否則輸出的直流電壓會(huì)產(chǎn)生誤差。

　　對(duì)于輸入的負(fù)半周信號(hào)來(lái)講，N1 是一個(gè)典型的反相放大器。此時(shí)的增益為

　　A=（-Vi）×（-R3/R2）=Vi

　　而對(duì)于輸入的正半周信號(hào)來(lái)講，N1 的輸出則變成負(fù)值

　　A=Vi×（-R3/R2）=-Vi

　　此時(shí)D1 被反相偏置而截止，輸入信號(hào)Vi 則通過(guò)R2,R3串聯(lián)電路直接輸出至后電路。

　　4.3低通濾波器電路的選擇

　　為了保證直流信號(hào)的有效傳送，徹底濾除掉工頻信號(hào)以及各種雜波噪聲對(duì)變送器的影響，選用低通濾波器來(lái)完成此項(xiàng)任務(wù)。同時(shí)為了取得平坦的濾波效果，采用2db/oct 巴特沃次（平坦特性）濾波器電路。

　　而濾波電路的Q 值必須≥0.707才能獲得平坦特性。

　　Q=√（C1/C2）/2= ≥0.707

　　為了使Q=≥0.707左右，C1,C2必須建立的關(guān)系為

　　C1=4Q²×C2=2C2

　　同時(shí)電路必須滿足以下關(guān)系

　　Ro=R2=R3

　　Co=1/（2π×fL×Ro）

　　C1=1.4Co

　　C2=0.7Co

　　fL=1/（2π×Co×Ro）

　　式中    Ro    輸出等效電阻

　         　Co    輸出等效電容

　          　fL     低通截止頻率

　          　2π   2×3.14

　　根據(jù)以上公式，首先確定低通濾波器的截止頻率。

　　為了有效的濾除工頻信號(hào)（50Hz）和外界雜波干擾頻率信號(hào)，保證直流有用信號(hào)的順利傳輸，合理的選擇低通濾波器的截止頻率至關(guān)重要。

　　通常考慮截止頻率為工頻的1/10~1/20以下，這里選擇≤2~5Hz.即只允許低于2~5Hz以下的交流及直流信號(hào)通過(guò)，高于2~5Hz以上的所有信號(hào)必須徹底隔斷阻止通過(guò)。

　　根據(jù)公式   fL=1/（2π×Co×Ro）

　　選擇   fL=（2~5）Hz

　　Ro=R2=R3=51KΩ

　　Co=1/（2π×fL×Ro）

　　=1/（6.28×（2~5）×51000）

　　=（0.624~1.56）μF

　　C1=1.4Co=（0.847~2.184） Ω

　　C2=0.7Co=（0.437~1.092） μF

　　由于電容器的規(guī)格容量標(biāo)稱值有一定的限制，這里選擇容量接近的標(biāo)稱容量的電容器進(jìn)行配組：

　　組：C1=0.847μF    選1μF

　　C2=0.437μF    選0.47μF

　　第二組：C1=2.184μF    選2.2μF

　　C2=1.092μF    選1μF

　　驗(yàn)證：

　　組：Co=C1/1.4=0.714μF

　　Co=C2/0.7=0.671μF

　　第二組：Co=C1/1.4=1.571μF

　　Co=C2/0.7=1.429μF

　　根據(jù)Co=1/（2π×fL×Ro）

　　=1/（6.28×（2~5）×51000）

　　=（0.624~1.56）μF

　　在截止頻率為2~5Hz范圍內(nèi)，Co=（0.624~1.56）μF 時(shí)，

　　組按截止頻率計(jì)算，取Co=0.671μF

　　第二組按截止頻率計(jì)算，取Co=1.571μF

　　驗(yàn)證：根據(jù)公式   fL=1/（2π×Co×Ro）

　　組：fL=1/（2π×Co×Ro）

　　=1/（6.28×0.671×51000×10^-6）

　　=4.653Hz

　　第二組：fL=1/（2π×Co×Ro）

　　=1/（6.28×1.571×51000×10^-6）

　　=1.987Hz

　　基本滿足設(shè)計(jì)要求的（2~5）Hz 范圍。具體電路見(jiàn)（圖2-3）

　　再驗(yàn)證體通濾波器的Q值是否滿足要求：

　　組：Q=√(C1/C2)/2=√(1/0.47)/2=√2.128/2=0.7296

　　第二組：Q=√(C1/C2)/2=√(2.2/1)/2=√2.2/2=0.7416

　　均≥0.707,可以認(rèn)為成立。

低通濾波器電路元件配型對(duì)應(yīng)的截止頻率表

 

	C1 =1μF	C1=2.2μF
電  阻  值Ro	C2=0.47μF	C2=1μF
51KΩ	4.653Hz	1.987Hz
Q 值≥0.707	0.7296	0.7416

　　4.4基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生與加法器電路的選擇

　　為了保證在零信號(hào)輸入時(shí)，使輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)的零位基準(zhǔn)4mA,必須在加法器電路的輸入端提供系統(tǒng)輸出電流信號(hào)的零點(diǎn)調(diào)節(jié)電壓。同時(shí)要求該電壓必須穩(wěn)定可靠，避免溫度影響而引起的漂移現(xiàn)象。

　　基準(zhǔn)電壓電路采用TL431組成2.5V的基準(zhǔn)電壓。

　　為了減小溫度漂移現(xiàn)象，采用LM334組成恒流源給TL431提供偏置電流。

　　考慮二線制儀表的靜態(tài)電流要求，4mA 的零點(diǎn)電流中，全部電路的靜態(tài)電流考慮留出1mA左右的零點(diǎn)調(diào)節(jié)范圍，全部電路的靜態(tài)電流不能超過(guò)3mA .由于運(yùn)算放大器準(zhǔn)備選用LM124四運(yùn)放，LM124的靜態(tài)電流約為1.7mA 左右。所以，選擇基準(zhǔn)電壓電路TL431的偏置電流為1.3mA左右 .

　　根據(jù)公式   Rset=（67.7×10^-3）/I

　　=（67.7×10^-3）/（1.3×10^-3）

　　=52Ω

　　選標(biāo)稱電阻值51Ω。

　　驗(yàn)證：    I=（67.7×10^-3）/ Rset

　　=（67.7×10^-3）/ 51Ω

　　=0.00133A=1.33 mA

　　基本滿足設(shè)計(jì)要求。

　　基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生與加法器電路見(jiàn)（圖2-4）

　　加法器電路是一個(gè)典型的反相加法放大器，輸出電壓Eo可以有以下公式表示：

　　Eo=-[Vi1（RF/Rf1）+Vi2（RF/Ri2）]

　　式中

　　Eo    輸出電壓

　　Vi1   前級(jí)來(lái)的信號(hào)電壓（+0~2.5V）

　　Vi2   系統(tǒng)零點(diǎn)基準(zhǔn)調(diào)節(jié)電壓（+0~2.5V）

　　RF   加法器反饋電阻（3KΩ）

　　Rf1   前級(jí)信號(hào)輸入電阻（3KΩ+0~10KΩ）

　　Rf2   基準(zhǔn)調(diào)節(jié)電壓信號(hào)的輸入電阻（51KΩ）

　　由于后電路要求，反相加法放大器是一個(gè)衰減式的加法電路。所以

　　Eo=-[Vi1（RF/Rf1）+Vi2（RF/Ri2）]

　　=-[Vi1（0.23~1）+Vi2（0.0588）]

　　=-[0~2.5（0.23~1）+0~2.5（0.0588）]

　　=-[0~（0.575~2.5）+（0~0.147）] （V）

　　在試驗(yàn)應(yīng)用調(diào)試時(shí)，當(dāng)沒(méi)有交流電流輸入時(shí)，調(diào)整系統(tǒng)零點(diǎn)調(diào)節(jié)電位器（0~100KΩ）使輸出電壓為-0.042V;此時(shí)零點(diǎn)電位器的調(diào)節(jié)輸出電壓在0.7V左右。當(dāng)輸入交流電流為5A 時(shí)，調(diào)整輸入電位器（也稱量程調(diào)整電位器）使輸出電壓為-0.867V即可。

　　運(yùn)算放大器的反饋電阻兩端并聯(lián)的電容器構(gòu)成簡(jiǎn)單的一階低通濾波器，進(jìn)一步限制抵消干擾噪波信號(hào)

　　4.5電壓/電流轉(zhuǎn)換電路的選擇

　　由運(yùn)算放大器組成恒流輸出電路，晶體三極管進(jìn)行擴(kuò)流，晶體管發(fā)射極的電阻組成電流敏感電路，在電阻兩端產(chǎn)生反饋電壓。由于該級(jí)的增益確定為1,所以，RF=Rf=10KΩ。此時(shí)電阻兩端的電壓嚴(yán)格跟蹤輸入電壓，只是極性相反，即Vro=-Vi .

　　已知前級(jí)輸出電壓為-0.042V~-0.867V ,所以要求流過(guò)51Ω電阻的電流為

　　Io=V/R=（0.042~0.867）/51=0.82~17mA .

　　加上系統(tǒng)電路元件的靜態(tài)電流3 mA ,系統(tǒng)電流為

　　0.82~17+3=3.82~20mA

　　適當(dāng)調(diào)整零點(diǎn)和量程電位器，使得系統(tǒng)電流在輸入0~5A/AC 時(shí)，輸出電流為4~20mA /DC 即可。

　　由于本電路的負(fù)載是長(zhǎng)電纜，為了避免電路產(chǎn)生振蕩，在運(yùn)放的反饋端（即反相輸入端與輸出端之間）增加了防止寄生振蕩的電容器（0.1μF）。

　　具體電路見(jiàn)下圖（圖2-5）

電壓/電流轉(zhuǎn)換電路

　　4.6輔助電源的選擇

　　為了滿足運(yùn)算放大器工作時(shí)處理負(fù)電壓信號(hào)，必須給系統(tǒng)提供相應(yīng)的正，負(fù)工作電壓。所以在系統(tǒng)共用端與電源負(fù)極回路串聯(lián)一只發(fā)光二極管，利用發(fā)光二極管工作是產(chǎn)生的電壓降作為運(yùn)算放大器的負(fù)電源。同時(shí)將運(yùn)算放大器的負(fù)電源端與發(fā)光二極管的陰極接通，從而提高了系統(tǒng)共用端的電位，相映對(duì)于系統(tǒng)共用端來(lái)講，運(yùn)算放大器得到了正，負(fù)工作電源。

　　發(fā)光二極管的正向壓降：紅色1.5V 左右；綠色1.7V 左右；黃色1.9V 左右。

　　同時(shí)，發(fā)光二極管兼任變送器的工作狀態(tài)指示燈。

　　4.7電源極性保護(hù)電路

　　在系統(tǒng)回路中串聯(lián)一只二極管就構(gòu)成了電源極性保護(hù)電路。

　　當(dāng)電源極性正確是，發(fā)光二極管發(fā)光，證明電源極性正確；而電源極性接反時(shí)，二極管截止，沒(méi)有電流通過(guò)變送器系統(tǒng)，發(fā)光二極管則不會(huì)發(fā)光。

　　同時(shí)，變送器正常工作時(shí)，還可以根據(jù)發(fā)光二極管的亮度變化情況，判斷工作電流的大小。

　　5.完整電路圖

基準(zhǔn)電壓的產(chǎn)生與加法器電路

　　6.設(shè)計(jì)心得體會(huì)

　　通過(guò)驗(yàn)證證明，該設(shè)計(jì)方案是成功的。其中難免存在一些錯(cuò)誤和缺陷，請(qǐng)老師能給予批評(píng)和指證，使該設(shè)計(jì)更加完善。

　　通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)讓我能夠親身參予電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)使我更加深深地體會(huì)到：現(xiàn)代的社會(huì)是信息的社會(huì)，科技對(duì)于一個(gè)企業(yè)一個(gè)國(guó)家的重要性，設(shè)計(jì)出好的，性價(jià)比高的原件產(chǎn)品更是我們作為一名電氣的學(xué)生努力發(fā)展的方向，我認(rèn)識(shí)到我不僅要學(xué)好課本上的知識(shí)，還要學(xué)會(huì)將所學(xué)到的知識(shí)聯(lián)系并應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)生活中，做到理論聯(lián)系實(shí)際。

　　通過(guò)這這周緊張而充實(shí)的課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多東西，并對(duì)我以后所要做的畢業(yè)設(shè)計(jì)有了一個(gè)初步的了解。做好一個(gè)課程設(shè)計(jì)或畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅要具備扎實(shí)的書(shū)本知識(shí)并會(huì)善于應(yīng)用，還要學(xué)會(huì)查閱資料，對(duì)以前學(xué)過(guò)的知識(shí)不清楚的地方還要進(jìn)行復(fù)習(xí)，實(shí)在搞不明白的地方要向老師或同學(xué)請(qǐng)教，這樣才可能做出一個(gè)比較不錯(cuò)的課程設(shè)計(jì)。通過(guò)此次設(shè)計(jì)過(guò)程，使我學(xué)會(huì)了一些作為一個(gè)電氣的學(xué)生所應(yīng)學(xué)會(huì)的軟件如protel,并對(duì)可編程邏輯器件的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)思想有了更進(jìn)一步的了解和掌握。在這里我要感謝我們的指導(dǎo)老師，非常感謝老師的指導(dǎo)和幫助，真的很感謝他們。希望以后還能參加這樣的課程設(shè)計(jì)。我想我會(huì)做的更好的。

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