电流变送器的工作原理及其应用

集成电流变送器亦称电流环电路，根据转换原理的不同可划分成以下两种类型：一种是电压/电流转换器，亦称电流环发生器，它能将输入电压转换成4~20mA的电流信号（典型产品有1B21,1B22,AD693,AD694,XTR101,XTR106和XTR115）；另一种属于电流/电压转换器，也叫电流环接收器（典型产品为RCV420）。上述产品可满足不同用户的需要。电流变送器可以直接将被测主回路交流电流或者直流电流转换成按线性比例输出的DC4~20mA（通过250Ω 电阻转换DC 1~5V或通过500Ω电阻 转换DC2~10V）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。

图1 XTR115的内部电路框图及基本应用电路

图2 应变桥电流变送器的电路

图3 XTR115的保护电路

  电流变送器的分类及概述

  电流变送器分直流电流变送器和交流电流变送器两种。交流电流变送器是一种能将被测交流电流转换成按线性比例输出直流电压或直流电流的仪器，产品广泛应用于电力、邮电、石油、煤炭、冶金、铁道、市政等部门的电气装置、自动控制以及调度系统。交流电流、电压变送器具有单路、三路组合结构形式，其特点为：

  1、准确度高（典型：0.2% *好0.05%）。

  2、整个量程范围都有极高的线性度。

  3、集成化程度高，结构简单，优良的温度特性和长期工作稳定性，使变送器免于定期校验。

  直流电流变送器将被测信号变换成一电压，经HCNR200/201线性光耦直接变换成一个与被测信号成极好线性关系并且完全隔离的电压，再经恒压（流）至输出。具有原理非常简单，线路设计精炼，可靠性高，安装方便等优点。  霍尔电流变送器。

  什么是电流变送器？

  电流变送器可以直接将被测主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4~20mA（通过250Ω 电阻转换DC 1~5V或通过500Ω电阻 转换DC2~10V）恒流环标准信号，连续输送到接收装置（计算机或显示仪表）。   电流变送器原副边高度绝缘隔离，两线制输出接线，辅助工作电源+24V与输出信号线DC4~20mA共用，具有精度高，体积小、功耗小、频响宽、抗干扰、国内首创4种补偿措施和6大全面保护功能，两线端口防感应雷能力强，具有雷击波和突波的保护能力等优点。特别适用发电机、电动机、智能低压配电柜、空调、风机、路灯等负载电流的智能监控系统；   电流变送器超低功耗，单只静态时0.096W,满量程功耗为0.48W,输出电流内部限制功耗为0.6W.

  工作原理

  XTR115采用SO-8小型化封装，其内部电路框图及基本应用电路如图1所示。U+为电源端，接环路电源。UREF为2.5V基准电压输出端。II端接输入电流。IRET为基准电压源输出电流和稳压器输出电流的返回端，可作为输入电路的公共地。OUT为4~20mA电流输出端。UREG为+5V稳压器的输出端。B和E端为外部功率管的接口，分别接功率管的基极（B）和发射极（E）。功率管的集电极（C）接U+端。芯片内部主要包括输入放大器（A），电阻网络，输出晶体管（VT1），2.5V基准电压源和+5V稳压器。RLIM为内部限流电阻。外围元器件主要有输入电阻（RI），功率管（VT2），环路电源（Us）和负载电阻（RL）。输入电压UI先经过RI转换成输入电流II,再经过XTR115放大后从OUT端输出4~20mA的电流信号。为减小失调电压以及输入放大器的漂移量，要求UI>0.5V

  应变桥电流变送器

  由XTR115构成应变桥电流变送器的电路如图2所示。将脚3视为公共地，由脚1给应变桥提供+2.5V的电源电压。前置放大器采用TL061型单运放（亦可采用OPA2277型双运放，仅用其中的一个运放），由+5V稳压器单独给运放供电。RI为20kΩ输入电阻，C为降噪电容，VT为外部NPN功率管，可选2N4922,TIP29C或TIP31B等型号。以2N4922为例，其主要参数为UCEO=60V,ICM=1A,PCM=30W.该电路的工作原理是当试件受力时，应变桥输出的电压信号首先经过前置放大器放大成0.8~4V的输入电压UI,再通过RI转换成40~200μA的输入电流II,*后经XTR115放大100倍后获得4~20mA的电流。

  需要指出，XTR115只能配NPN功率管，不能配MOS场效应功率管。外部功率管应满足XTR115对电压、电流的要求，使用中还须给功率管装上合适的散热器。

  保护电路的设计

  保护电路应兼有反向电压保护与正向过压保护两种功能。XTR115的保护电路如图3所示。反向电压保护电路由二极管整流桥VD1~VD4组成，可防止因将环路电源的极性接反而损坏芯片。整流二极管可选用1N4148型高速硅开关二极管，其主要参数为URM=75V,Id=150mA,trr=4ns.采用桥式保护电路之后就不用再考虑环路电源的极性，因为，无论Us的极性是否接反，它总能保证U+端接得是正电压。鉴于在任何时刻整流桥上总有两只二极管导通，因此，在计算环路电压ULOOP时须扣除两只硅二极管的正向压降（约为1.4V），由式（2）确定。

  ULOOP=Us-IORL-1.4（2）

  过压保护电路采用一只1N4753A型稳压管，其稳定电压为36V,稳定电流为7.0mA.当环路电压过高时就被钳位到36V.实验证明，即使环路电压达到65V,XTR115也不会损坏。为了改善瞬态过压保护特性，还可采用Motorola公司生产的P6KE39A型瞬态电压抑制器（其英文缩写为TVS,亦称瞬变电压抑制二极管）来代替稳压管。P6KE39A的钳位电压UB=39V,钳位时间仅为1ns,其性能远优于齐纳稳压管

  配J型热电偶的电流变送器电路

图4 带冷端温度补偿的J型热电偶输入电路

  由XTR101构成带冷端温度补偿功能的J型热电偶输入电路，如图4所示。该电路可将温度信号转换成4~20mA的电流信号。Rs为满量程（SPAN）设定电阻，其电阻值由式（3）确定。

  Rs=40/[（ΔIo/U1）-0.016]（3）

  式中：ΔIo=20mA-4mA=16mA.

  例如，当UI=100mV时，由式（3）不难算出，Rs=278Ω。Rs的引线应尽量短，以减小干扰。当Rs=∝时，UImax=1V.Rp为调零电位器，在0℃下调整Rp可使Io=4mA.冷端温度补偿电路由二极管VD1,分压电阻R1和R2组成，R1及R2均采用精密金属膜电阻。

  J型热电偶在-200℃~+750℃测温范围内的平均温度系数αT=+51.70μV/℃。硅二极管正向压降的温度系数αD≈-2.1mV/℃，经过R1和R2分压后

  αD′=αD?[R1/（R1+R2）]=-2.1×[51/（2×10 3+51）]=-52μV/℃≈-αT

  因为αD′与αT的大小相等而方向相反，二者又分别接到XTR101的负输入端和正输入端上，所以在室温下二者能互相抵消，从而实现了冷端温度（即环境温度）补偿，使温差热电势仅仅与被测温度有关（e=αTT），不受环境温度变化的影响。XTR101能输出两路1mA激励电流，分别接J型热电偶和电阻分压器。反向电压保护电路由VD2组成，当Us接反时VD2截止，电源不通。正常工作时VD2导通，环路电压ULOOP=Us-IORL-0.7V.

  电流变送器技术参数：

  ●精度：优于0.5% ;

  ●非线性失真：优于0.5%;

  ●额定工作电压Vcc:+24V±20% ,极限工作电压：≤35V ;

  ●电源功耗：静态4mA,动态时相等于环路电流，内部限制25mA+10%;

  ●额定输入：5A……1KA（42个规格）；

  ●穿孔穿芯圆孔直径：9、12、20、25、30mm;

  ●输出形式：两线制DC4~20mA;

  ●输出电流温漂系数：≤50ppm/℃；

  ●响应时间：≤100mS;

  ●输入/输出绝缘隔离强度：AC3000V / 1min、1mA;

  ●输出负载电阻：RLmax ≤ （Vcc-10V）/ 20mA

  ●输入过载保护：30倍1min;

  ●输出过流限制保护：内部限制25mA+10%;

  ●两线端口瞬态感应雷与浪涌电流TVS抑制保护能力：TVS抑制冲击电35A/20ms/1.5KW;

  ●两线端口设置有+24V电源反接保护；

  ●输出电流设置有长时间短路保护限制；内部限制25mA+10%.