交直流通用的电流真有效值变送器

摘要

本发明涉及一种交直流通用的电流真有效值变送器，包括电流信号采样模块、真有效值转换模块、信号调理模块和电流变送输出模块及电源模块，电流信号采样模块的输入端和待测电流信号相连，电流信号采样模块的输出端和真有效值转换模块的输入端相连，真有效值转换模块的输出端和信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输出端和电流变送输出模块的输入端相连，电流变送输出模块的输出端和变送器的电流变送输出接线端子相连。本发明能够准确测量0～2000Hz宽频电流幅值，尤其能测量发电机启动阶段的低频电流信号，能对发电机从启动到稳定工作这一过程进行全面监控，交直流信号通用，测量准确，扩大使用领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种变送器，尤其涉及一种交直流通用的电流真有效值变送器。

背景技术

目前，常规交流电流变送器往往采用电流互感器方式进行信号采样，而常 规电流互感器对于采样信号的频率是有限制的，频率太低或太高均无法正常工 作，受制于这些原因，常规交流电流变送器的输入信号频率一般局限在45Hz到 55Hz。而发电机从启动到稳定运行是需要一定时间的，发电机启动后，轮机转 速会从零逐渐往上升，相应的电流频率也会逐渐上升，直到最后稳定到50Hz左 右。因此在发电机刚启动时，电流频率是非常低的，甚至不到5Hz，故常规的电 流变送器无法测量发电机启动阶段的低频电流信号，无法对发电机从启动到稳 定工作这一过程进行全面监控。

发明内容

本发明主要解决原有电流变送器的输入信号电流频率局限于较窄的频率范 围，无法测量发电机启动阶段的低频电流信号，无法对发电机从启动到稳定工 作这一过程进行全面监控的技术问题；提供一种交直流通用的电流真有效值变 送器，其能测量频率变化范围较大的电流信号，尤其能测量发电机启动阶段的 低频电流信号，能对发电机从启动到稳定工作这一过程进行全面监控，并且交 直流信号通用。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括 电流信号采样模块、真有效值转换模块、信号调理模块和电流变送输出模块及 为整个变送器提供工作电压的电源模块，电流信号采样模块的输入端和待测电 流信号相连，电流信号采样模块的输出端和真有效值转换模块的输入端相连， 真有效值转换模块的输出端和信号调理模块的输入端相连，信号调理模块的输 出端和电流变送输出模块的输入端相连，电流变送输出模块的输出端和变送器 的电流变送输出接线端子相连。待测电流信号(如发电机启动过程中的电流信 号)的高端和低端连接到电流信号采样模块的两个输入端，额定幅值量程范围 内且频率为0～2000Hz的电流(一次电流)经电流信号采样模块处理，转化为 二次电流信号输送给真有效值转换模块，通过真有效值转换模块的处理，输出 满足真有效值转换模块额定幅值范围的电压信号，此电压信号再输入到信号调 理模块，进行电压调理，再经电流变送输出模块的处理，转换成电流信号变送 输出。在信号调理模块和电流变送输出模块一起作用下，使输入给信号调理模 块的电压信号的零值和100％额定满度信号分别转换为4mADC和20mADC，从而使 电流输入信号从零到额定幅值满度值线性增长时，4～20mADC输出信号也随着线 性增长，实现电流真有效值的变送输出。本发明能测量频率在0～2000Hz范围 内变化的电流信号，因此能测量发电机启动阶段的低频电流信号，能对发电机 从启动到稳定工作这一过程进行全面监控，并且交直流信号通用。

作为优选，所述的电流信号采样模块包括霍尔互感器CT、压敏电阻P1、采 样电阻R1、稳压管D1、稳压管D2和电容C7，霍尔互感器CT的两个引线端子和 所述的待测电流信号相连，霍尔互感器CT的电源输入端正极VIN+及电源输入端 负极VIN-分别和所述的电源模块的输出端相连，压敏电阻P1、采样电阻R1和 电容C7连接成并联电路，该并联电路的一端和霍尔互感器CT的电流输出端Iout 相连形成二次电流输出端IN-A，该并联电路的另一端接地，稳压管D1的负极和 稳压管D2的负极相连，稳压管D1的正极和二次电流输出端IN-A相连，稳压管 D2的正极接地。频率为0～2000Hz的一次电流流过穿绕在霍尔互感器上的一次 线圈，霍尔互感器上的二次线圈对应地感应出二次电流并输送给真有效值转换 模块。采用霍尔互感器能够有效减少一次电流和二次电流之间的相互干扰，提 高采集到的数据的准确性。

作为优选，所述的真有效值转换模块包括真有效值模拟器U1和电解电容C8， 真有效值模拟器U1的信号输入端Vin和所述的电流信号采样模块的输出端相 连，真有效值模拟器U1的工作电压正端+VS及工作电压负端-VS分别和所述的 电源模块的输出端相连，真有效值模拟器U1的工作电压正端+VS和电解电容C8 的正极相连，电解电容C8的负极和真有效值模拟器U1的连接端Cav相连，真 有效值模拟器U1的连接端COM及连接端RL均接地，真有效值模拟器U1的连接 端BUF IN和真有效值模拟器U1的电流输出端Iout相连，真有效值模拟器U1 的管脚BUF OUT输出等效电平Ueq给所述的信号调理模块的输入端。真有效值 模拟器能够有效的处理宽频率及比较复杂的波形信号，是交/直流宽频率电流幅 值测量的核心。通过真有效值模拟器实现电流真有效值到等效直流电平的转换， 可以保证对失真正弦波和非正弦波信号测量的准确性，能计算交流和直流信号， 其测量带宽为300K(信号大于100mV)，实现了输入信号交直流通用和宽频信号 测量的目的。

作为优选，所述的信号调理模块包括可调电阻VR1、可调电阻VR2、电阻R2～ 电阻R7、电阻R16、电阻R17、三端稳压块U4、稳压管D3和运算放大器U2，所 述的真有效值转换模块的输出端经可调电阻VR1及电阻R4和运算放大器U2的 反相输入端相连，运算放大器U2的反相输入端经电阻R5和运算放大器U2的输 出端相连，运算放大器U2的同相输入端接地，运算放大器U2的反相输入端又 和电阻R3及电阻R17的一端相连，电阻R3的另一端经电阻R2和电压V+相连， 电阻R17的另一端和可调电阻VR2的可调端相连，可调电阻VR2的一个固定端 接地，可调电阻VR2的另一个固定端和电阻R16的一端相连，电阻R16的另一 端、三端稳压块U4的稳压输出端、三端稳压块U4的阴极及电阻R6的一端均和 电阻R2与电阻R3的并接点相连，三端稳压块U4的阳极接地，电阻R6的另一 端，一路经电阻R7和运算放大器U2的输出端相连，另一路和稳压管D3的负极 相连，稳压管D3的正极接地，电容C9和稳压管D3并联，稳压管D3的负极输 出电平Ud给所述的电流变送输出模块的输入端。信号调理模块主要对输入电压 信号进行调整，对信号的零点及满度值进行校准，为最终的电流变送输出提供 合适的电平。通过分别调节信号调理模块中的零点电位器和满度电位器，使输 入到信号调理模块的电压零信号和100％额定满度信号经信号调理模块和电流变 送输出模块处理后分别转换为4mADC和20mADC直流电流信号，从而使电流输入 信号从零到额定幅值满度值线性增长时，4～20mADC电流变送输出信号也随着线 性增长。

作为优选，所述的电流变送输出模块包括运算放大器U3、电阻R8、电阻R10、 电阻R12、电阻R14、电阻R18、电容C10、电容C12、电解电容C11、三极管Q1 和压敏电阻P4，所述的信号调理模块的输出端和运算放大器U3的反相输入端相 连，运算放大器U3的同相输入端接地，运算放大器U3的反相输入端经电容C10 和运算放大器U3的输出端相连，运算放大器U3的输出端经电阻R10和三极管 Q1的基极相连，三极管Q1的基极经电容C12接地，三极管Q1的集电极经电阻 R12接电压V+，三极管Q1的发射极经电阻R14和电解电容C11的正极相连，电 解电容C11的负极经电阻R18接地，压敏电阻P4和电解电容C11并联，运算放 大器U3的反相输入端经电阻R8和电解电容C11的负极相连，压敏电阻P4的两 端分别输出信号AO+和信号AO-到变送器的电流变送输出接线端子。经电流变送 输出模块处理，将电压信号转换成电流变送输出信号，确保输出不受外部负载 影响的直流信号。电流变送输出接线端子再连接到电流表、数显表等测量和显 示电流值的设备上，就能让使用者观察到待测电流值及其变化情况，从而可对 发电机从启动到稳定工作这一过程进行全面监控。

作为优选，所述的电源模块包括压敏电阻P2、压敏电阻P3、电感L1～电感 L4、保险丝FUSE、电源转换模块T1、高压电容C1、高压电容C2、电解电容C3～ 电解电容C6，压敏电阻P2的两端分别和变送器输入电源的两端相连，压敏电阻 P2的一端经电感L1和压敏电阻P3的一端及保险丝FUSE的一端相连，保险丝 FUSE的另一端和电源转换模块T1的电源输入端VIN相连，压敏电阻P2的另一 端经电感L2和压敏电阻P3的另一端及电源转换模块T1的接地端相连，高压电 容C1连接在电源转换模块T1的电源输入端VIN和电源转换模块T1的电源输出 正极端+VO之间，高压电容C2连接在电源转换模块T1的接地端和电源转换模块 T1的电源输出负极端-V0之间，电源转换模块T1的电源输出正极端+VO经电感 L3输出电压V+，电源转换模块T1的电源输出负极端-V0经电感L4输出电压V-， 电感L3的两端分别和电解电容C3的正极、电解电容C4的正极相连，电解电容 C3的负极、电解电容C4的负极均和电源转换模块T1的电源输出地端0V相连， 电感L4的两端分别和电解电容C5的负极、电解电容C6的负极相连，电解电容 C5的正极、电解电容C6的正极均和电源转换模块T1的电源输出地端0V相连。 变送器输入电源为直流24V电源，电源模块将直流24V电源转换成直流电压V+ 和直流电压V-，为电流真有效值变送器中的其他电路提供工作电压。

作为优选，所述的交直流通用的电流真有效值变送器包括第一线路板和第 二线路板，所述的电流信号采样模块、真有效值转换模块、信号调理模块、电 流变送输出模块和电源模块均有三组；三组的电源模块及电流信号采样模块均 安装在所述的第一线路板上，第一线路板上还安装有三个插针，每一组的电源 模块、电流信号采样模块和插针排成一排，每一组的电源模块的输出端及电流 信号采样模块的输出端分别和所属组的插针相连；三组的真有效值转换模块、 信号调理模块及电流变送输出模块均安装在所述的第二线路板上，第二线路板 上还安装有三个母座，每一组的真有效值转换模块、信号调理模块、电流变送 输出模块及母座排成一排，每一组的真有效值转换模块、信号调理模块及电流 变送输出模块的工作电压输入端以及真有效值转换模块的输入端分别和所属组 的母座相连，第二线路板上的三个母座和第一线路板上的三个插针分别一一对 应相连。插针和母座可以通过两端分别设有转接头的导线相连，也可以直接插 接相连。本技术方案实现三组合交直流通用的电流真有效值变送器，由第一线 路板和第二线路板两块线路板组装而成，每一组的功能都相同。每一组中，电 源模块通过第一线路板上的印制导线给电流信号采样模块供电，并将电压信号 输送到插针，通过相连的插针和母座，将电压信号输送到第二线路板，通过印 制在母座和真有效值转换模块、信号调理模块及电流变送输出模块之间的导线 为各部分提供工作电压。电流信号采样模块通过第一线路板上的印制导线将二 次电流输送到相应插针，通过相连的插针和母座，将二次电流输送到第二线路 板，再通过第二线路板上的印制导线输送给真有效值转换模块。本技术方案， 可同时测量三组电流，使用更加方便。

本发明的有益效果是：能够准确测量0～2000Hz宽频电流幅值，尤其能测 量发电机启动阶段的低频电流信号，能对发电机从启动到稳定工作这一过程进 行全面监控，并且交直流信号通用，而且由于在采样计算上采用了真有效值， 可以保证对失真正弦波和非正弦波信号测量的准确性，扩大使用领域。

附图说明

图1是本发明的一种电路原理连接结构框图。

图2是本发明中电源模块的一种电路原理图。

图3是本发明中电流信号采样模块的一种电路原理图。

图4是本发明中真有效值转换模块的一种电路原理图。

图5是本发明中信号调理模块的一种电路原理图。

图6是本发明中电流变送输出模块的一种电路原理图。

图7是本发明中第一线路板的一种安装结构示意图。

图8是本发明中第二线路板的一种安装结构示意图。

图中1.待测电流信号，2.电流信号采样模块，3.真有效值转换模块，4.信号 调理模块，5.电流变送输出模块，6.电源模块，7.电流变送输出接线端子，8. 第一线路板，9.第二线路板，10.插针，11.母座。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：本实施例的交直流通用的电流真有效值变送器，如图1所示，包 括电流信号采样模块2、真有效值转换模块3、信号调理模块4和电流变送输出 模块5及为整个电流真有效值变送器提供工作电压的电源模块6，电流信号采样 模块2的输入端和待测电流信号1相连，电流信号采样模块2的输出端和真有 效值转换模块3的输入端相连，真有效值转换模块3的输出端和信号调理模块4 的输入端相连，信号调理模块4的输出端和电流变送输出模块5的输入端相连， 电流变送输出模块5的输出端和电流真有效值变送器的电流变送输出接线端子7 相连。

如图2所示，电源模块6包括压敏电阻P2、压敏电阻P3、电感L1～电感 L4、保险丝FUSE、电源转换模块T1、高压电容C1、高压电容C2、电解电容C3～ 电解电容C6，电源转换模块T1采用WRE2415P-6W直流/直流转换器，保险丝FUSE 采用可恢复保险丝。压敏电阻P2的两端分别和电流真有效值变送器输入电源的 两端相连，本实施例中，电流真有效值变送器的输入电源为直流24V电源，电 源压敏电阻P2的一端经电感L1和压敏电阻P3的一端及保险丝FUSE的一端相 连，保险丝FUSE的另一端和电源转换模块T1的22脚及23脚相连，压敏电阻 P2的另一端经电感L2和压敏电阻P3的另一端及电源转换模块T1的2脚及3脚 相连，高压电容C1连接在电源转换模块T1的22脚和14脚之间，高压电容C2 连接在电源转换模块T1的3脚和11脚之间，电源转换模块T1的14脚经电感 L3输出电压V+，电源转换模块T1的11脚经电感L4输出电压V-，电感L3的两 端分别和电解电容C3的正极、电解电容C4的正极相连，电解电容C3的负极、 电解电容C4的负极均和电源转换模块T1的9脚及16脚相连构成电源模块6的 输出地端GND，电感L4的两端分别和电解电容C5的负极、电解电容C6的负极 相连，电解电容C5的正极、电解电容C6的正极均和电源转换模块T1的9脚及 16脚相连。

如图3所示，电流信号采样模块2包括霍尔互感器CT、压敏电阻P1、采样 电阻R1、稳压管D1、稳压管D2和电容C7，霍尔互感器CT采用CSNP661磁平衡 霍尔互感器，霍尔互感器CT的两个电流信号输入端子I*及I和待测电流信号1 相连，待测电流信号为发电机的电流信号，霍尔互感器CT的电源输入端正极VIN+ 及电源输入端负极VIN-分别和电源模块6的输出电压V+及电压V-相连，压敏电 阻P1、采样电阻R1和电容C7连接成并联电路，该并联电路的一端和霍尔互感 器CT的电流输出端Iout相连形成二次电流输出端IN-A，该并联电路的另一端 接地，稳压管D1的负极和稳压管D2的负极相连，稳压管D1的正极和二次电流 输出端IN-A相连，稳压管D2的正极接地。

如图4所示，真有效值转换模块3包括真有效值模拟器U1和电解电容C8， 真有效值模拟器U1采用AD536AJH直流变换器，真有效值模拟器U1的4脚和电 流信号采样模块2的二次电流输出端IN-A相连，真有效值模拟器U1的5脚及3 脚分别和电源模块6的输出电压V-及电压V+相连，真有效值模拟器U1的3脚 和电解电容C8的正极相连，电解电容C8的负极和真有效值模拟器U1的6脚相 连，真有效值模拟器U1的1脚及2脚均接地，真有效值模拟器U1的9脚和10 脚相连，真有效值模拟器U1的8脚输出等效电平Ueq。

如图5所示，信号调理模块4包括可调电阻VR1、可调电阻VR2、电阻R2～ 电阻R7、电阻R16、电阻R17、三端稳压块U4、稳压管D3和运算放大器U2，真 有效值转换模块3输出的等效电平Ueq和可调电阻VR1的一个固定端相连，可 调电阻VR1的另一个固定端和可调端相连并且经电阻R4和运算放大器U2的反 相输入端相连，运算放大器U2的反相输入端经电阻R5和运算放大器U2的输出 端相连，运算放大器U2的同相输入端接地，运算放大器U2的反相输入端又和 电阻R3及电阻R17的一端相连，电阻R3的另一端经电阻R2和电压V+相连，电 阻R17的另一端和可调电阻VR2的可调端相连，可调电阻VR2的一个固定端接 地，可调电阻VR2的另一个固定端和电阻R16的一端相连，电阻R16的另一端、 三端稳压块U4的稳压输出端、三端稳压块U4的阴极及电阻R6的一端均和电阻 R2与电阻R3的并接点相连，三端稳压块U4的阳极接地，电阻R6的另一端，一 路经电阻R7和运算放大器U2的输出端相连，另一路和稳压管D3的负极相连， 稳压管D3的正极接地，电容C9和稳压管D3并联，稳压管D3的负极输出电平 Ud。

如图6所示，电流变送输出模块5包括运算放大器U3、电阻R8、电阻R10、 电阻R12、电阻R14、电阻R18、电容C10、电容C12、电解电容C11、三极管Q1 和压敏电阻P4，运算放大器U3的反相输入端和信号调理模块4输出的电平Ud 相连，运算放大器U3的同相输入端接地，运算放大器U3的反相输入端经电容 C10和运算放大器U3的输出端相连，运算放大器U3的输出端经电阻R10和三极 管Q1的基极相连，三极管Q1的基极经电容C12接地，三极管Q1的集电极经电 阻R12接电压V+，三极管Q1的发射极经电阻R14和电解电容C11的正极相连， 电解电容C11的负极经电阻R18接地，压敏电阻P4和电解电容C11并联，运算 放大器U3的反相输入端又经电阻R8和电解电容C11的负极相连，压敏电阻P4 的两端分别输出信号AO+和信号AO-，信号AO+和信号AO-分别连接到电流真有 效值变送器的电流变送输出接线端子7上。电流变送输出接线端子再连接到电 流表、数显表等测量和显示电流值的设备上，就能让使用者观察到待测电流值 及其变化情况，从而可对发电机从启动到稳定工作这一过程进行全面监控。

待测电流信号(如发电机启动过程中的电流信号)的高端和低端连接到穿 绕在磁平衡霍尔互感器的一次线圈的两端，在额定幅值量程范围内且频率为0～ 2000Hz的一次电流信号流过穿绕在磁平衡霍尔互感器上的一次线圈后，磁平衡 霍尔互感器对应地感应出二次电流信号。磁平衡霍尔互感器能够有效减少一次 和二次电流之间的相互串扰。磁平衡霍尔互感器对应感应出的二次电流信号， 通过真有效值转换模块的处理，输出满足真有效值转换模块额定幅值范围的电 压信号，真有效值转换模块能够有效的处理宽频率及比较复杂的波形信号，是 交/直流宽频率电流幅值测量的核心，真有效值转换模块输出的电压信号再输入 到信号调理模块，进行电压调理，再经电流变送输出模块的处理，转换成电流 信号变送输出。通过分别调节信号调理模块中的零点电位器和满度电位器，使 输入到信号调理模块的电压零信号和100％额定满度信号经信号调理模块和电流 变送输出模块处理后分别转换为4mADC和20mADC直流电流信号，从而使电流输 入信号从零到额定幅值满度值线性增长时，4～20mADC电流变送输出信号也随着 线性增长。

本发明能够准确测量0～2000Hz宽频电流幅值，尤其能测量发电机启动阶 段的低频电流信号，能对发电机从启动到稳定工作这一过程进行全面监控，并 且交直流信号通用，而且由于在采样计算上采用了真有效值，可以保证对失真 正弦波和非正弦波信号测量的准确性。

实施例2：本实施例的交直流通用的电流真有效值变送器，如图7、图8所 示，包括第一线路板8和第二线路板9，本实施例中，电流信号采样模块2、真 有效值转换模块3、信号调理模块4、电流变送输出模块5和电源模块6均有三 组。三组的电源模块6及电流信号采样模块2均安装在第一线路板8上，第一 线路板8上还安装有三个插针10，每一组的电源模块6、电流信号采样模块2 和插针10排成一排，每一组的电源模块6的输出端及电流信号采样模块2的输 出端分别和所属组的插针10相连。三组的真有效值转换模块3、信号调理模块 4及电流变送输出模块5均安装在第二线路板9上，第二线路板9上还安装有三 个母座11，每一组的真有效值转换模块3、信号调理模块4、电流变送输出模块 5及母座11排成一排，每一组的真有效值转换模块3、信号调理模块4及电流 变送输出模块5的工作电压输入端以及真有效值转换模块3的输入端分别和所 属组的母座11相连。第二线路板9上的三个母座11和第一线路板8上的三个 插针10分别一一对应地通过两端各设有转接头的导线相连。其余结构同实施例 1。

本实施例实现三组合交直流通用的电流真有效值变送器，由第一线路板和 第二线路板两块线路板组装而成，每一组的工作过程同实施例1，每一组的功能 都相同。每一组中，电源模块通过第一线路板上的印制导线给电流信号采样模 块供电，并将电压信号输送到插针，通过相连的插针和母座，将电压信号输送 到第二线路板，通过印制在母座和真有效值转换模块、信号调理模块及电流变 送输出模块之间的导线为各部分提供工作电压。电流信号采样模块通过第一线 路板上的印制导线将二次电流输送到相应插针，通过相连的插针和母座，将二 次电流输送到第二线路板，再通过第二线路板上的印制导线输送给真有效值转 换模块。本实施例可同时测量三组电流，使用更加方便。