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電量隔離傳感器即將步入數(shù)字化
一、概述
電量隔離傳感器變送器是針對工程中的電量檢測(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現(xiàn)場的大電流、高電壓、功率、頻率、相角、電度等電參量進行隔離測量和變換,也可以對各種微弱信號(如各種橋路信號)進行隔離放大和變換,將其調(diào)理后,變換成符合國際通用標準的電壓、電流、頻率等模擬信號或變換成數(shù)字量、開關(guān)量狀態(tài)等信號輸出。這些輸出信號可以和傳統(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AD轉(zhuǎn)換器以及計算機系統(tǒng)直接配接,從而可以形成一個高可靠的工業(yè)檢測(監(jiān)測)或控制系統(tǒng)。
由于電量隔離傳感器在應用中,用戶不需做二次開發(fā)工作,高電壓或大電流信號可以直接接入產(chǎn)品,(通過端子、插針輸入或穿孔方式輸入),就可以得到相應的輸出信號。因此電量隔離傳感器作為信號調(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。
隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展,工業(yè)控制或檢測(監(jiān)測)系統(tǒng)對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。
下面就電量隔離傳感器的工作原理和其數(shù)字化技術(shù)問題作一個簡述,供大家參考。
二、電量隔離傳感器基本工作原理
由于電量隔離傳感器產(chǎn)品的被檢測對像主要是電流和電壓信號,所以下面主要介紹電流和電壓信號的檢測原理。
1、交流信號檢測原理
交流信號又分為交流電壓和電流信號。圖1為交流電流信號的檢測原理框圖,圖2為交流電壓信號的檢測原理框圖,由CT和PT對信號進行隔離,電流為穿孔輸入方式,電壓為端子接線輸入方式。
圖1交流電流信號檢測原理框圖
圖2 交流電壓信號檢測原理框圖
其中,CT為電流互感器,PT為電壓互感器,輸出一般為0~5V或4~20mA。
2、直流信號檢測原理
圖3直流信號檢測原理框圖
直流信號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。由一個隔離電源向前置放大器供電。
由上述原理框圖可以看出,不論是交流信號還是直流信號,輸入輸出都是完全隔離的,一般,現(xiàn)場輸入信號都是大電流或高電壓,這樣電量隔離傳感器就可以把現(xiàn)場信號與低壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完全隔離,避免系統(tǒng)受到強信號的干擾,從而提高系統(tǒng)的可靠性。
三、電量隔離傳感器數(shù)字化技術(shù)
圖4為一種交流信號數(shù)字式電量隔離傳感器的組合框圖,它由互感器、數(shù)據(jù)處理、接口、TV變換和輸出等部分組成。
圖4交流信號數(shù)字式電量隔離傳感器組合框圖
·互感器有電流互感器和電壓互感器兩種,電流互感器一般為穿孔方式,電壓互感器在其原邊一般需要加限流電阻;
·數(shù)據(jù)處理部分是產(chǎn)品數(shù)字化的核心部分,目前一般都選用帶AD轉(zhuǎn)換器單片機,如PIC16C74、MSP430或ADCUC812等,因此,電路可以很簡單。如果選ADUC812單片機,則可以直接輸出0~5V電壓信號,因為其內(nèi)部包含有兩個12位的DA轉(zhuǎn)換器;
·接口部分是數(shù)字信號輸出的變換電路,目前廣泛采用的是RS-485總線接口,最常用的接口芯片為ADM483,它可以最多掛接32個節(jié)點,當然現(xiàn)在也有許多其它類似芯片。RS-232接口一般有兩種方式實現(xiàn),一種就是在RS-485網(wǎng)絡總線上加一個RS-485RS-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,后一種的缺點就是產(chǎn)品的應用將受到限制,不能組成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),只能點對點通訊。CAN-BUS是目前發(fā)展較快的一個總線,其優(yōu)點是傳輸距離遠,可以達到10km,不會出現(xiàn)總線沖突,多主工作方式,通訊協(xié)議通用性好,當然其成本較高。
·TV變換是為了兼容模擬信號采集輸入系統(tǒng),目前一般是采用PWM方式輸出,再經(jīng)過TV變換,輸出0~5V或4~20mA模擬信號。
·軟件主要包含三個功能模塊,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AD的轉(zhuǎn)換結(jié)果,由于單片機自帶AD,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算,由于單片機的運算速度有限,因此我們采用頻率跟蹤法,來完成變換的計算;
通訊協(xié)議一般由用戶選定,如MODBUS協(xié)議,ASCII格式等。
四、結(jié)束語
以上簡單地介紹了電量隔離傳感器的基本工作原理和數(shù)字化技術(shù)問題。由于數(shù)字式電量隔離傳感器可以直接輸出數(shù)字量,對于許多應用系統(tǒng)可以省去AD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電量隔離傳感器數(shù)字化技術(shù)。電量隔離傳感器實現(xiàn)數(shù)字化的方法較多,目前最普遍的是采用單片機技術(shù),因為它的應用很靈活,可以實現(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。
本文對電量隔離傳感器產(chǎn)品數(shù)字化問題作了膚淺的探討,僅供有關(guān)人員參考,希望起到拋磚引玉的作用,加快電量隔離傳感器數(shù)字化技術(shù)的更大發(fā)展。
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