电流变送器分类,原理及应用选择指导

　　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）。

　　

　　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% 最好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。

       分类：

　　数字变送器

　　主要特点

　　1、数字量输出，采用光纤传输，可有效避免传输过程的损耗和电磁干扰；

　　2、双通道测量，可以是一路电压、一路电流或两路电压或两路电流的组合。每个通道的量程可配置。电压、电流组合可以实现功率测量，两个相同属性通道可用于实现微差测量；

　　3、同一个测量通道即可测量模拟量，又可测量脉冲量。

　　模拟量测量技术指标

　　带宽：100kHz；

　　采样频率：250kHz；

　　准确度：0.05级或0.1级；

　　电压测量范围：不同型号可涵盖1mV~1280V的交直流电压；

　　电流测量范围：不同型号可涵盖100uA~128A的交直流电流；

　　脉冲量测量技术指标

　　频率：0.1Hz~50kHz；

　　幅值：通模拟量输入范围；

　　波形：结合截止频率可设置的滤波器，可以测量任意信号的基波频率。

　　由于上述特性，使其既可以直接用于测量各种1280V/128A以下的电参量，又可与互感器、霍尔电压传感器、霍尔电流传感器、分压器、分流器、罗氏线圈等各种电量传感器配套测量更高的电压和更大的电流；还可与热电偶、流量、压力、位移、转速、扭矩、振动等传感器或其它类型的模拟量输出变送器配套使用测量各种非电量信号；相同属性的两个通道进行微差测量可方便的实现互感器校验仪等功能：

　　电流变送器

　　1、 将被测直流电流隔离转换成按线性比例输出的单路标准直流电压或直流电流；

　　2、 低功耗、三重隔离、可靠性高；A1单路直流电压高精度变送器

　　3、 电流拔插端子接入、标准导轨（35mm）安装；

　　4、 广泛应用于各类工业电流在线隔离检测系统；

　　5、 体积小、外型尺寸（mm）：95（L）×37（W）×32（H）；

　　6、供电在11V~30V内通用；

　　

　　A1单路直流电压高精度变送器

　　1、不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，传输线可用非常便宜的更细的双绞线导线；

　　2、在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能抵抗降低干扰；

　　3、电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4～20mA两线制环路，接收器电阻通常为250Ω（取样Uout=1～5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；

　　4、各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等造成精度的差异；

　　5、将4mA用于零电平，使判断开路或传感器损坏（0mA状态）十分方便。

　　6、 在两线输出口容易增设防浪涌和防雷器件，有利于安全防雷防爆。

　　

　　A1双路直流电压高精度变送器

　　DH4-20mA电流变送器变送器模块是采用意法半导体（ST）ASIC芯片为实现无源交流隔离传感器（互感原理）的两线制电流遥测技术手段而定型生产的单片模块产品。无源交流隔离传感器（互感原理）输入的电压信号经整流滤波和I/V转换后输出一个随I1线性变化的直流电压信号U2，U2作为浮地控制信号去控制该模块输出4～20mA的标准化电流环路，该模块实现了无源交流隔离传感器信号变换为两根连接线路发送的呈线性比例的环路电流，接受器通过测量已知电阻RL两端的压降对环路电流进行检测。

　　新型变送器英国出现了一种适合于安装在240伏-600安变电站主线上的电流传感器，这种传感器对变电站的电力输出进行监控，可以减少地方电网故障所造成的停电时间。电流传感器可以对供电电缆进行电流监控，若是电缆出线超负荷，这些电流传感器可将一部分负荷转移到其他相中，或者是新铺设的电缆中，保护电缆的安全使用和运行。

　　随着智能电网的不断发展和升级，信瑞达电力设备系列的电流传感器也在技术、设计和效用等方面不断进行改进和完善，对冶金、化工等行业的电流测流具有重大作用。

　　基于智能电网的光纤电流传感器，新型光纤电流传感器就是智能电网快速发展的科技产物。我国推出了XDGDL-1光纤电流传感系统，实现了管线电流传感系统的全数字闭环控制，具有稳定性和线性度好、灵敏度高等特点，满足了大量程范围的高精度测量要求。

　　同时，该系统开发了一种可现场绕制的伸缩结构，安装方便，可避免杂散磁场的干扰，母线偏心的测量误差小于正负0.1%，实现了一种高精度信号转换方案，为整流器控制设备提供高精度模拟信号和标准数字通信接口。

　　工业升级发展促进电流传感器改进

　　在我国工业发展升级的驱动下，电力设备的安全性使用越来越受到重视。电流传感器作为一个兼具保护性和监控作用的工具，将会在未来的电网中起到更重要的意义。相比国外同类产品，国内的电流传感器技术还有很大的差距需要弥补和提高。

　　国内也逐渐涌现出有很多新型产业，都需要传感器的支持，无论是出于安全性考虑还是市场效益考虑，电流传感器将会趋于更加高效可靠，在低碳环保的要求下，小型化也是未来的一大趋势，这也将促进国内传感器厂商投入更多的经历开发新技术和产品。在不久的将来，电流传感器将会在更多行业得到广泛应用，同时将为新兴物联网打好基础。

　　两线制电流变送器

　　两线制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线既是电源线，又是信号线。两线制与三线制 （一根正电源线，两根信号线，其中一根共GND） 和四线制（两根正负电源线，两根信号线，其中一根GND）相比，两线制的优点是：

　　1、不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；可节省大量电缆线和安装费用；

　　2、在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰；两线制与三线制必须用屏蔽线，屏蔽线的屏蔽层要妥善接地。

　　3、电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4～20mA两线制环路，接收器电阻通常为250Ω（取样Uout=1～5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；

　　4、各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等而造成精度的差异，实现分散采集，分散式采集的好处就是：分散采集，集中控制。。。

　　.5、将4mA用于零电平，使判断开路与短路或传感器损坏（0mA状态）十分方便。

　　6，在两线输出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件，有利于安全防雷防爆。

　　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，最后经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

　　

　　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%.

　　应用场合

　　了解电流变送器的技术原理，对于客户依据自身产品设计，有积极的指导作用。

　　霍尔原理

　　霍尔原理有闭环霍尔和开环霍尔之分，详细原理网站上有很多文章可供参考。采用霍尔原理的变送器可以实现交直流通用。

　　电磁隔离原理

　　电磁隔离原里实际上就是互感器原里，虽然是很通用的原理，但是在实际应用中也是最可靠的原理，只是由于只能采集交流电流，所以应用有局限性。

　　磁调制原理

　　磁调制原理有多种形式，但是由于受成本的压力，通常的磁调制原理在实际应用场合主要用来检测直流电流。

　　光耦隔离原理

　　主要用来检测小电流，输入电流通过电阻光耦隔离原理采样变成电压，然后通过光耦隔离实现电气绝缘，实际应用场合要注意电气绝缘等级。

　　选型指导：

　　

　　

　

　　

　　

　　如果电流是直流电流，上述交流型号修改- 一个字母即可，例如：

　　交流电流变送器TA1A5C420V4

　　直流电流变送器TA1D5C420V4