電量隔離傳感器發(fā)展趨勢

電量隔離傳感器數(shù)字化技術(shù)

交流信號(hào)數(shù)字式電量隔離傳感器一般由電壓/電流傳感器、信號(hào)調(diào)理、隔離放大、AD采樣、微處理器、通訊接口等部分組成。

電壓、電流傳感器依據(jù)測量信號(hào)特點(diǎn)可以是電壓互感器、電流互感器、霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、羅氏線圈等等；

微處理器是產(chǎn)品數(shù)字化的核心部分，一般都選用帶A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)，如PIC16C74、MSP430或ADCUC812等，因此，電路可以很簡單。如果選ADUC812單片機(jī)，則可以直接輸出0~5V電壓信號(hào)，因?yàn)槠鋬?nèi)部包含有兩個(gè)12位的D/A轉(zhuǎn)換器；

通訊接口部分是數(shù)字信號(hào)輸出的變換電路，廣泛采用的是RS-485總線接口，最常用的接口芯片為ADM483，它可以最多掛接32個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)然也有許多其它類似芯片。RS-232接口一般有兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種就是在RS-485網(wǎng)絡(luò)總線上加一個(gè)RS-485/RS-232轉(zhuǎn)換器，另一種就是，直接把RS-232接口芯片放在產(chǎn)品中，后一種的缺點(diǎn)就是產(chǎn)品的應(yīng)用將受到限制，不能組成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊。CAN-BUS是發(fā)展較快的一個(gè)總線，其優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)，可以達(dá)到10km，不會(huì)出現(xiàn)總線沖突，多主工作方式，通訊協(xié)議通用性好，當(dāng)然其成本較高。采用光纖傳輸?shù)耐ㄓ嵔涌诰哂休^強(qiáng)的電磁兼容能力，適用復(fù)雜電磁環(huán)境下的高精度測量。

軟件主要包含三個(gè)功能模塊，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和通訊協(xié)議。其中數(shù)據(jù)采集主要就是讀取A/D的轉(zhuǎn)換結(jié)果，由于單片機(jī)自帶A/D，因此程序比較簡單；

數(shù)據(jù)處理主要完成交流變直流的運(yùn)算，由于單片機(jī)的運(yùn)算速度有限，因此我們采用頻率跟蹤法，來完成變換的計(jì)算；

通訊協(xié)議一般由用戶選定，如MODBUS協(xié)議，ASCII格式等。

電量隔離傳感器的趨勢

由于數(shù)字式電量隔離傳感器可以直接輸出數(shù)字量，對(duì)于許多應(yīng)用系統(tǒng)可以省去A/D采集模塊，所以，可以降低系統(tǒng)成本。因此，電量隔離傳感器的數(shù)字化，不僅提高產(chǎn)品穩(wěn)定性，還可以使用戶進(jìn)一步降低成本。

由于電量隔離傳感器產(chǎn)品種類較多，本文僅介紹了一種交流信號(hào)電量隔離傳感器數(shù)字化技術(shù)。電量隔離傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的方法較多，最普遍的是采用單片機(jī)技術(shù)，因?yàn)樗膽?yīng)用很靈活，可以實(shí)現(xiàn)各種不同功能。隨著集成電路不斷發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了許多專用的芯片，如電度表產(chǎn)品，已有許多專用芯片可選，有數(shù)字接口也有脈沖輸出等。

1、2、3、4、7腳：NC(禁用)；

5腳：VCC，輔助電源正端；

6腳：GND,輔助電源和電壓輸出公共接地端；

8腳：Vz，電壓輸出端； 9腳：Iy/Iz，電流輸出端；

產(chǎn)品采用DIN35導(dǎo)軌式安裝或螺釘固定安裝，其安裝尺寸如圖4所示。

額定輸入：0.5～10～100mA AC；

額定輸出：0～5Vdc；0～20mA；4～20mA；

輸出紋波：≤10mV；

精度：1.0級(jí)；

線性范圍：0～120%；

響應(yīng)時(shí)間：≤300mS ；

隔離耐壓： 2500V DC/1分鐘；

工作溫度：-20℃～ 70℃；

由于電量隔離傳感器產(chǎn)品的被檢測對(duì)像主要是電流和電壓信號(hào)，所以下面主要介紹常見電流和電壓信號(hào)的檢測原理。

1 工頻交流信號(hào)檢測原理

工頻交流信號(hào)又分為工頻交流電壓和工頻電流信號(hào)。,圖1為工頻交流電流信號(hào)的檢測原理框圖，圖2為工頻交流電壓信號(hào)的檢測原理框圖，由CT和PT對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離，電流為穿孔輸入方式，電壓為端子接線輸入方式。

其中，CT為電流互感器，PT為電壓互感器，CT輸出一般為5A、PT輸出一般為100V，經(jīng)整流放大等調(diào)理電路之后，輸出一般為0~5V或4~20mA。

2、直流信號(hào)檢測原理

直流信號(hào)分為直流電壓和直流電流，直流電流一般是通過電阻取樣，直流電壓一般用電阻降壓處理。由一個(gè)隔離電源向前置放大器供電。

由上述原理框圖3可以看出，不論是交流信號(hào)還是直流信號(hào)，輸入輸出都是完全隔離的，一般，現(xiàn)場輸入信號(hào)都是大電流或高電壓，這樣電量隔離傳感器就可以把現(xiàn)場信號(hào)與低壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完全隔離，避免系統(tǒng)受到強(qiáng)信號(hào)的干擾，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

3、變頻電量隔離傳感器

考慮到變頻電量測量現(xiàn)場電磁環(huán)境較復(fù)雜，適宜采用數(shù)字量輸出傳感器。數(shù)字量傳輸采用光纖傳輸，一方面可以避免傳輸過程受電磁干擾的影響，另一方面又可在一次與二次回路之間建立電氣隔離。

變頻電量隔離傳感器習(xí)慣稱為變頻電量傳感器或變頻電量變送器，對(duì)于數(shù)字量輸出的變頻電量傳感器，一般分為變頻電壓傳感器、變頻電流傳感器和變頻功率傳感器。

通過對(duì)變頻電量傳感器輸出的高速采樣的數(shù)字量進(jìn)行分析、運(yùn)算，可獲取被測變頻電量的基波有效值、真有效值、諧波、基波功率、有功功率等參數(shù)。

1、輸入電量與輸出模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)之間有必要的電氣隔離；

2、供電電源與輸入電量之間有必要的電氣隔離；

3、輸入信號(hào)與一次回路連接，輸出信號(hào)與二次儀表連接；

4、當(dāng)輸出為數(shù)字編碼信號(hào)時(shí)，一般滿足相關(guān)協(xié)議要求。

電量隔離傳感器/變送器是針對(duì)工程中的電量檢測(監(jiān)測)，提高系統(tǒng)的整體抗干擾能力，而研制開發(fā)的一種小體積，高性能的電信號(hào)量測部件或模塊。 電量隔離傳感器/變送器可以對(duì)現(xiàn)場的大電流，高電壓，功率，頻率，相角，電度等電參量進(jìn)行隔離測量和變換，也可以對(duì)各種微弱信號(hào)(如各種橋路信號(hào))

進(jìn)行隔離放大和變換，將其調(diào)理后，變換成符合國際通用標(biāo)準(zhǔn)的電壓，電率等模擬信號(hào)或變換成數(shù)字量，開關(guān)量狀態(tài)等信號(hào)輸出。這些輸出信號(hào)可以和傳統(tǒng)的指針式儀表相接，也與現(xiàn)代的數(shù)字式自控儀表，各種A/D轉(zhuǎn)換器以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直接配接，從而可以形成一個(gè)組成高可靠的工業(yè)檢測(監(jiān)測)或控制系統(tǒng)。 由于電量隔離傳感器在應(yīng)用中，用戶不需做二次開發(fā)工作，高電壓或大電流信號(hào)可以直接接入產(chǎn)品，(通過端子，插針輸入或穿孔方式輸入)，就可以得到相應(yīng)的輸出信號(hào)。因此電量隔離傳感器作為信號(hào)調(diào)理，隔離和變換功能摸塊，是工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中比較理想的變送器產(chǎn)品。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)控制或檢測(監(jiān)測)系統(tǒng)對(duì)電量隔離傳感器的要求也越來越高，特別是在產(chǎn)品的穩(wěn)定性，檢測精度和功能方面。由于數(shù)字化產(chǎn)品不論其性能還是功能，如非線性校正和小信號(hào)處理方面，模擬產(chǎn)品是不可比擬的。因此，電量隔離傳感器的數(shù)字化是一種必然趨勢。

簡介

電量隔離傳感器/變送器是針對(duì)工程中的電量檢測(監(jiān)測)，提高系統(tǒng)的整體抗干擾能力，而研制開發(fā)的一種小體積、高性能的電量測試部件(產(chǎn)品)。

電量隔離傳感器/變送器可以對(duì)現(xiàn)場的大電流、高電壓、功率、頻率、相角、電度等電參量進(jìn)行隔離測量和變換，也可以對(duì)各種微弱信號(hào)(如各種橋路信號(hào))進(jìn)行隔離放大和變換，將其調(diào)理后，變換成符合國際通用標(biāo)準(zhǔn)的電壓、電流、頻率等模擬信號(hào)或變換成數(shù)字量、開關(guān)量狀態(tài)等信號(hào)輸出。這些輸出信號(hào)可以和傳統(tǒng)的指 針式儀表相接，也與現(xiàn)代的數(shù)字式自控儀表、各種A/D轉(zhuǎn)換器以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)直接配接，從而可以形成一個(gè)高可靠的工業(yè)檢測(監(jiān)測)或控制系統(tǒng)。

由于電量隔離傳感器在應(yīng)用中，用戶不需做二次開發(fā)工作，高電壓或大電流信號(hào)可以直接接入產(chǎn)品，（通過端子、插針輸入或穿孔方式輸入），就可以得到相應(yīng)的輸出信號(hào)。因此電量隔離傳感器作為信號(hào)調(diào)理、隔離和變換功能摸塊，是工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中比較理想的變送器產(chǎn)品。

能感受被測電壓、電流或電壓和電流等電量信號(hào)并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的測量裝置。

當(dāng)電量傳感器 輸出信息滿足某種標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，也稱電量變送器。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)控制或檢測(監(jiān)測)系統(tǒng)對(duì)電量隔離傳感器的要求也越來越高，特別是在產(chǎn)品的穩(wěn)定性、檢測精度和功能方面。由于數(shù)字化產(chǎn)品不論其性能還是功能，如非線性校正和小信號(hào)處理方面，模擬產(chǎn)品是不可比擬的。因此，電量傳感器的數(shù)字化是一種必然趨勢。具有傳感檢測、傳感采樣、傳感保護(hù)的電源技術(shù)漸成趨勢，檢測電流或電壓的傳感器便應(yīng)運(yùn)而生并在我國開始受到廣大電源設(shè)計(jì)者的青睞。

一 計(jì)量器具

1 傳感器 ARCM-NTC傳感器ARCM-NTC　直接作用于被測量，并能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為同種或別種量值輸出的器件。

2 變送器 P/Q組合變送器BD-3P/Q/Ⅰ　輸出為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器。

3 檢測器　用于指示某種特定量的存在而不必提供量值的器件或物質(zhì)。

4 電量隔離傳感器　在被測電量與輸出信號(hào)之間，采用非電媒體進(jìn)行隔離，把被測電量轉(zhuǎn)換成規(guī)定電信號(hào)的傳感器。

二 測量

1 被測量　受到測量的量。

2 影響量　不是被測對(duì)象但卻影響被測量值或計(jì)量器具示值的量?！∪纾簻y量交流電壓時(shí)的頻率。　三 計(jì)量器具特性

1 準(zhǔn)確度　計(jì)量器具給出接近于被測量真值的示值的能力。

2 準(zhǔn)確度等級(jí)　(符合一定的計(jì)量要求，使其誤差保持在規(guī)定極限以內(nèi)的)計(jì)量器具的等級(jí)或級(jí)別。

3 量程　測量范圍的上下限之差的模。　|上限值-下限值|

4 標(biāo)準(zhǔn)工作條件(參比工作條件)　為進(jìn)行性能試驗(yàn)或?yàn)楸ＷC測量結(jié)果能有效地相互比對(duì) 而規(guī)定的計(jì)量器具的使用條件?！∪纾簠⒈葴囟确秶?5℃～35℃

5 額定工作條件　為了使計(jì)量器具規(guī)定的計(jì)量特性處于給定的極限之內(nèi) 而規(guī)定的正常使用條件。　如：額定溫度范圍0℃～50℃

6 極限工作條件　為了使計(jì)量器具不致造成損壞或計(jì)量特性永久性降低而規(guī)定的極端條件?！∪纾簶O限溫度范圍-10℃～ 70℃

7 標(biāo)稱值　標(biāo)注在器具上用以標(biāo)明其特性或指導(dǎo)使用的值?！∪纾簶?biāo)注在電阻上的電阻值，砝碼值，傳感器標(biāo)簽上的輸出值。

8 額定輸入值　為了使計(jì)量器具規(guī)定的計(jì)量特性處于給定的極限之內(nèi) 而規(guī)定的計(jì)量器具的輸入值或輸入范圍。

四 測量誤差

1 絕對(duì)誤差　測量結(jié)果與被測量的真值(預(yù)期值、理想值)之差。

2 相對(duì)誤差　測量的絕對(duì)誤差與被測量的真值之比。

3 誤差的絕對(duì)值　不考慮正負(fù)號(hào)的誤差值。

五 計(jì)量器具的誤差

1 基本誤差(固有誤差)　計(jì)量器具在標(biāo)準(zhǔn)條件下所具有的誤差。　如：線性誤差、紋波、響應(yīng)時(shí)間、回程誤差等。

2 附加誤差(影響量誤差)　計(jì)量器具在非標(biāo)準(zhǔn)條件下所具有的誤差。　如：溫度影響、濕度影響、輔助電源影響、被測量頻率影響、被測量電壓影響、　被測量功率因數(shù)影響等原因產(chǎn)生的誤差?！? 引用誤差　計(jì)量器具的絕對(duì)誤差與其量程之比。

4 線性誤差　標(biāo)準(zhǔn)曲線與規(guī)定直線之間的最大偏差。

5 回程誤差　在相同條件下，被測量值不變，計(jì)量器具行程方向不同其示值之差的絕對(duì)值。

6 量化誤差　被測量的實(shí)際階梯特性與理想特性的偏差。

六 值

1 有效值：瞬時(shí)值的平方在一周期內(nèi)的平均值的平方根?；蛟弧熬礁怠薄！rms = = Vp = 0.707 Vp　 2 平均值：瞬時(shí)值在半個(gè)周期內(nèi)的平均值?！avg = = Vp = 0.636 Vp