电量隔离传感器的工作原理及应用.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电量隔离传感器的工作原理及应用电量隔离传感器的工作原理及实际应用 学 院 专 业 班级 姓 名 学号 指导教师 职称 副教授 2011 年 11 月 12 日教务处制电量隔离传感器的工作原理及应用摘要：电量隔离传感器/变送器可以对现场的大电流、高电压、功率、频率、相角、电角度等电参量进行隔离测量和变换，也可以对各种微弱信号(如各种桥路信号)进行隔离放大和变换，将其调理后，变换成符合国际通用标准的电压、电流、频率等模拟信号或变换成数字量、开关量状态等信号输出。这些输出信号可以和传统的指 针式仪表相接，也与现代的数字式自控仪表、各种A/D转换器以

2、及计算机系统直接配接，从而可以形成一个高可靠的工业检测(监测)或控制系统。由于电量隔离传感器在应用中，用户不需做二次开发工作，高电压或大电流信号可以直接接入产品，（通过端子、插针输入或穿孔方式输入），就可以得到相应的输出信号。因此电量隔离传感器作为信号调理、隔离和变换功能摸块，是工业控制和数据采集系统中比较理想的变送器产品。关键词：电量隔离传感器；电流；电压；互感器；电阻前言随着科学技术的不断发展，工业控制或检测(监测)系统对电量隔离传感器的要求也越来越高，特别是在产品的稳定性、检测精度和功能方面。由于数字化产品不论其性能还是功能，如非线性校正和小信号处理方面，模拟产品是不可比拟的。因此，电量

3、隔离传感器的数字化是一种必然趋势。具有传感检测、传感采样、传感保护的电源技术渐成趋势，检测电流或电压的传感器便应运而生并在我国开始受到广大电源设计者的青睐。电量隔离传感器/变送器是针对工程中的电量检测(监测)，提高系统的整体抗干扰能力，而研制开发的一种小体积、高性能的电量测试部件(产品)。 本论文主要讨论WB型电量隔离传感器的工作原理及他的实际应用。1 工作原理1.1 检测原理由于电量隔离传感器产品的被检测对像主要是电流和电压信号，所以下面主要介绍电流和电压信号的检测原理。1.1.1交流信号检测原理交流信号又分为交流电压和电流信号。图1为交流电流信号的检测原理框图，图2为交流电压信号的检测原理

4、框图，由CT和PT对信号进行隔离，电流为穿孔输入方式，电压为端子接线输入方式。其中，CT为电流互感器，PT为电压互感器，输出一般为（05）V或（420）mA。1.1.2直流信号检测原理直流信号分为直流电压和直流电流，直流电流一般是通过电阻取样，直流电压一般用电阻降压处理。由一个隔离电源向前置放大器供电，隔离原理常用的有两种方案，一种是采用线性光耦隔离技术，一种是采用调制解调技术。由上述原理框图可以看出，不论是交流信号还是直流信号，输入输出都是完全隔离的，一般，现场输入信号都是大电流、高电压或是微小信号，这样电量隔离传感器就可以把现场信号与低压数据采集系统完全隔离，避免系统受到强信号的干扰，从而

5、提高系统的可靠性。1.2.1 特性参数1. 精度等级：0.1, 0.2, 0.5； 2. 线性范围:0120%标称输入；(加输出限幅保护时除外)3. 响应时间: 跟踪电压输出15S，其他型式输出300mS；4. 输入频响: 25Hz5kHz；5. 负载能力: 直流（或交流）电压输出5mA，直流电流输出6V，频率15mA；6. 辅助电源: 12V/+12V/+24V；7. 静态电流: 3mA8mA（单路）；8. 隔离电压: 2500V DC；9. 温度范围：商业级产品：0+50，工业级产品：-25+70；10. 输入过载能力: 电流传感器：20倍标称输入电流，持续1，间隔300，重复5次不击穿；

6、电压传感器：2倍标称输入电压，持续1，间隔10，重复10次不击穿；11. 输入标称值范围:电流输入：1mA400A AC，电压输入：10V500V AC；12. 输出标称值：跟踪电压输出：3.5V，5V；直流电压输出：05V，010V，1V5V；直流电流输出：020mA，4mA20mA；频率输出： 05kHz，010kHz，1kHz5kHz。1.2.2 工作原理WB系列传感器采用模块化电路结构，主要由电流测头1（或电压测头2）、采样电路3、定标放大器4、专用厚膜集成转换器5、6、7组成。被测电流信号IX（或被测电压信号UX）经电流测头1（或电压测头2）隔离变换，在二次回路形成高精度毫安级跟踪电

7、流，经采样电路3转换为跟踪电压信号（交流电压），再经定标放大器4进行放大、定标，形成跟踪电压输出VG；跟踪电压信号经AC/DC转换器5后，形成直流电压输出VZ。VZ输出经V/I转换器6后形成直流电流输出IZ；VZ输出经V/F变换器7后形成频率输出FK。只有输出跟踪电压VG的产品才使用正负电源（+E、-E），其它产品只使用单一正电源。图中电流测头1和电压测头2是本系列产品的关键部件，属于精密互感器系列，承担隔离和线性变换的双重作用，改变电流测头规格或改变电压测头的输入电阻可以改变传感器的测量范围。定标放大器4是一个宽带交流放大器，它产生的电压输出VG，在波形和相位上快速跟踪输入信号的变化，VG输

8、出型传感器适用于交流采样系统。转换器5是专用厚膜集成器件，它把交流电压信号变换为直流电压或直流电流输出。转换原理分为平均值转换和真有效值转换，平均值转换器成本低，适用于标准正弦交流信号转换；真有效值转换器适用于含有多次谐波的交流信号（如三角波、矩形波、梯形波、可控硅调功波等），但成本较高。转换器5（或转换器6）的“基准端”接地时，它输出05V（或020mA）；为它们配加一个高稳定的偏置电路，就形成1V5V（或4mA20mA）输出。频率输出FK一般都采用集电极开路输出形式。使用时须在频率输出端外接上拉电阻R, 在输出端形成方波频率信号。上拉电源可以与传感器共用,也可以采用允许范围内的其它规格的直

9、流电源。根据定义，有效值Vrms是瞬时值Vp的平方在一周期内的平均值的平方根。即： 采用平均值转换的传感器，如WBV122U01，假如输入100V DC时，输出5V DC，则当用于测量100V AC（有效值）时，其输出值 是直流测量时的0.9倍。 1.2.3输出特性曲线2 实际应用举例2.1 WB系列电量隔离传感器在抽油机井只能远程监控系统中的应用 油田油井大多都分布在各采油场，油井工作状况的监测和控制，一直是采油场一项重要和困难的内容，一般的油井大多为油井巡视员或维修工定期巡回检查，随着油田现代化管理水平的不断提高，早期的巡视员方式已逐渐被油井无人值守所代替。随着工业控制技术的发展，无线遥控

10、遥测系统在国内油井中也得到了广泛的应用。在该系统中，使用组态软件和无线公网，系统无线遥测遥控主机将检测到的单口采油井的状态，通过GPRS或CDMA传送给监控中心，从而实现各单井状态的集中监控，减少人员投入，缩短油井故障发现和排除时间，极大的提高了生产效率，WB系列电量隔离传感在该系RTU端得到了广泛的用。主要传感器简要介绍如下：1、抽油机井电源检测（三相电压电流输入、RS485输出）专门针对抽油机井用电设备而设计的隔离型组合参数智能传感器，取代模拟变送器。其检测信号为交流3相电压，3相电流；输出内容为3电压（有效值）、3电流（有效值）、有功功率、无功功率、功率因数、有功电度、无功电度和频率数据

11、。输出可由通讯接口获取所需的电参量数椐的标幺值，无须RTU做交流采样。2、专用固定负荷传感器（量程：0150kN； 输出灵敏度：1mVV）经过采油厂十几年的使用，不断完善； 全密封防水设计，满足全天候使用； 优化插头，提高可靠性； 操作方便安全； 输出一致，完全互换。3、压力传感器（量程：从(010)Kpa到(0500)Mpa，输出：标准二线制）本产品是本所利用进口充油隔离组件或整体不锈钢应变引压体，把固态集成工艺与隔离膜片技术结合在一起，扩散硅芯片被安装在充满硅油的圆柱腔体内，通过不锈钢膜片和外壳把其与测量介质隔离开。产品可在恶劣环境下工作。4、角位移传感器（量程：0100、0180、027

12、0、0340 输出：0-5V）本品是一种以电压输出与轴旋转角度为线性关系的用于测量物体旋转位置的传感器，其特点是精度高、寿命长、输出平滑性好等等。5、温度传感器 （井口温度 PT1000电阻输出）进口PT1000封装；耐静压大于30Mpa；温度响应时间快；传感器外型可根据用户要求定；工作温度：（-50）（+400），精确度等级A级。6、红外双监（三监 报警传感器）综合当今安防领域最高科技的高性能双窗口探测器，由主从双组高精度被动红外探测装置和抗强光电路及模糊逻辑数码核心组成，防水外壳，造型优美。2.2 电量隔离传感器在数字化技术中的应用下图为一种交流信号数字式电量隔离传感器的组合框图，它由互感

13、器、数据处理、接口、TV变换和输出等部分组成。交流信号数字式电量隔离传感器组合框图互感器有电流互感器和电压互感器两种，电流互感器一般为穿孔方式，电压互感器在其原边一般需要加限流电阻数据处理部分是产品数字化的核心部分，目前一般都选用带AD转换器单片机，如PIC16C74、MSP430或ADCUC812等，因此，电路可以很简单。如果选ADUC812单片机，则可以直接输出05V电压信号，因为其内部包含有两个12位的DA转换器接口部分是数字信号输出的变换电路，目前广泛采用的是RS-485总线接口，最常用的接口芯片为ADM483，它可以最多挂接32个节点，当然现在也有许多其它类似芯片。RS-232接口一

14、般有两种方式实现，一种就是在RS-485网络总线上加一个RS-485RS-232转换器，另一种就是，直接把RS-232接口芯片放在产品中，后一种的缺点就是产品的应用将受到限制，不能组成网络结构，只能点对点通讯。CAN-BUS是目前发展较快的一个总线，其优点是传输距离远，可以达到10km，不会出现总线冲突，多主工作方式，通讯协议通用性好，当然其成本较高。TV变换是为了兼容模拟信号采集输入系统，目前一般是采用PWM方式输出，再经过TV变换，输出05V或420mA模拟信号。软件主要包含三个功能模块，数据采集、数据处理和通讯协议。其中数据采集主要就是读取AD的转换结果，由于单片机自带AD，因此程序比较

15、简单；数据处理主要完成交流变直流的运算，由于单片机的运算速度有限，因此我们采用频率跟踪法，来完成变换的计算；通讯协议一般由用户选定，如MODBUS协议，ASCII格式等2.3 WB系列电量隔离传感器在直流屏中的应用直流电源系统主要应用于电力系统中各类发电厂、水电站和各类变电站，用作断路器分合闸以及控制、保护和事故照明的电源。系统采用PLC或工控机，进行对电池、控制母线 和馈电回路进行自动在线监测，并具有遥测、遥信、遥控和遥调功能，通过RS-232/RS-485接口通讯，接 受控制并上传信息。系统采用触摸屏或者大屏幕汉显液晶与用户接口，可显示直流系统的当前运行状态，系统运行异常信息自动显示和报警

16、。操作简单方便。 系统一般采用双电源输入，自动备用和投切。 系统组成:交流配电、充电模块、直流馈电系统、配电监控模块（模拟量和开关信号量）、监控模块（系统的智能管理，实现与触摸屏的通讯和后台机的远程监控，完成四遥功能）、触摸屏（人机 会话接口）、绝缘检测仪（系统母线和支路的绝缘监测）、蓄电池、电池检测仪。系统检测传感器目前有两种方案，一种是模拟量输出（一般是频率输出、跟踪电压输出等）上位机通过PLC实现数据采集与控制、和主控机房通信。本方案基于传统微机直流屏的监测要求，系统结构比较固定，屏内布线安装较复杂，总成本较高，得到普遍应用。系统基本“四遥”功能概述1.遥测项目： 两路交流输入三相电压、

17、电流； 直流输电压、电流 、蓄电池组电、电流、容量，系统运行历史记录 2.遥信项目：交流电源故障（过压、欠压、缺相、失压、直流母线过压、欠压）直流母线过压、欠压模块故障； 蓄电池组开关脱扣（或熔断器熔断）；历史故障记录3.遥控项目： 系统开机、关机；各充电模块开机、关机均充/浮充电压设置、状态转换；蓄电池充电电流设置 输入、输出报警设置4.遥调项目： 均充电压、浮充电压、控母电压。 参考文献：1 邹琼,汪廷. WB系列真有效值电量隔离传感器及其应用 J.兵工自动化，2002 (3):11-132 阮赐元, 韩国旺.WB系列电量隔离传感器原理与应用 J.兵工自动化，1995，(3)：74 - 773 张巍. 基于单片机控制的原油电脱水系统的研制 D. 哈尔滨理工大学,20074 不详. 西南自动化研究所研制成功WB系列微型电量传感器 J/OL. 1992（7）5 吴金宏,崔同欣. WB系列电量隔离传感器/变送器选型 J. 国外电子元器件,2002 (10) 15-17.精品文档.题 目