羅氏線圈電流變送器的硬件設(shè)計(jì)

安科瑞 徐浩竣

江蘇安科瑞電器制造有限公司

摘要：論文介紹了基于羅氏線圈（Rogowski）的電流變送器的原理和硬件設(shè)計(jì)，以及該產(chǎn)品的主要應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：羅氏線圈（Rogowski） 電流變送器 應(yīng)用 XTR115芯片

1．引言

本文所設(shè)計(jì)的羅氏線圈變送器結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、測量精度高、輸出信號(hào)線性度好、調(diào)試及標(biāo)定方便、安裝方便、產(chǎn)品一致性好?；谝陨咸攸c(diǎn)，這種應(yīng)用電流環(huán)變送技術(shù)的羅氏線圈變送器在冶金、電鍍、焊接等領(lǐng)域具有非常廣泛的前景，將大電流轉(zhuǎn)換為小電流，減小了操作人員工作的危險(xiǎn)性；它能夠有效解決生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測與監(jiān)控問題，提高生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行的智能性，減少電力改造的成本。

2．工作原理及設(shè)計(jì)

羅氏線圈是將導(dǎo)線均勻的密繞在環(huán)形截面非磁性骨架上而形成的空心電感線圈，采用羅氏線圈作為電網(wǎng)中電流測量的傳感頭，讓通有大電流的導(dǎo)線垂直穿過線圈的中心，產(chǎn)生電磁感應(yīng)，從而感應(yīng)出被測電流大小的電壓信號(hào)。將羅氏線圈產(chǎn)生的電壓信號(hào)接入到信號(hào)調(diào)理模塊上，進(jìn)行信號(hào)處理，最后輸出工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)DC4-20mA。電路設(shè)計(jì)框架圖如圖1所示。

2.1信號(hào)調(diào)理電路 信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的隔離輸入，包括信號(hào)濾波、整流電路以及信號(hào)積分電路。該電路主要是對(duì)羅氏線圈感應(yīng)輸出的電壓信號(hào)通過RC濾波，再經(jīng)過電阻分壓后接入到采用雙電源運(yùn)放芯片的輸入腳上，采用運(yùn)算放大器構(gòu)成近似積分器，合理選擇選擇器件參數(shù)，能夠保證傳感器的測量靈敏度、精度和信號(hào)響應(yīng)帶寬。

2.2真有效值轉(zhuǎn)換電路 真有效值轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)電路中AC/DC真有效值轉(zhuǎn)換，將輸入的交流信號(hào)通過真有效值芯片轉(zhuǎn)化為真有效值的直流電壓，能夠精確測量各種電壓波形的有效值，而不必考慮被測波形的參數(shù)以及失真。如圖2所示：電路中，Ui信號(hào)經(jīng)過電容C5隔直后輸入到真有效值芯片中，其中電容C8，C9的作用是濾掉該電路中的高頻干擾，采用雙電源工作方式，滿足真有效值的工作要求。

圖2

2.3放大電路 放大電路的作用是將真有效值轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過RC濾波電路后進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯螅捎眠\(yùn)放芯片，在滿足零點(diǎn)輸出功耗要求的同時(shí)，調(diào)節(jié)電路中的放大參數(shù)，使電路最后輸出能達(dá)到滿度額定值。

2.4信號(hào)輸出電路 信號(hào)輸出電路主要采用TI公司生產(chǎn)的精密電流變送芯片XTR115，其具有精度高，芯片功耗小以及非線性誤差小等優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部產(chǎn)生2.5V基準(zhǔn)電壓，且內(nèi)部帶有+5V的精密穩(wěn)壓器，可以給外部電路（例如電路中的放大器）單獨(dú)供電，從而簡化了外部電源的設(shè)計(jì)，如圖3所示電路。 采用XTR115芯片設(shè)計(jì)，要嚴(yán)格控制電流的功耗，保證該變送器自身耗電(包括傳感器在內(nèi)的全部電路)不大于3.5mA，在XTR115前置調(diào)零電路，作為變送器的零點(diǎn)調(diào)節(jié)，使變送器保證零點(diǎn)輸出4mA。

圖3

3、抗干擾措施

電流變送器使用電流信號(hào)作為傳輸信號(hào)，有較高的抗干擾能力，但由于傳輸距離較遠(yuǎn)，加上工業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)上還要考慮電氣隔離，抗干擾措施。 本文所設(shè)計(jì)的羅氏線圈變送器采用電源隔離模塊，降低紋波干擾，提高系統(tǒng)可靠性，與此同時(shí)，在電源輸入端串入一只二極管，進(jìn)行反極性保護(hù)；線路板設(shè)計(jì)時(shí)注意電子器件的布局布線，以減少干擾信號(hào)。

4、結(jié)束語

近年來，隨著現(xiàn)代高壓、超高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，電力系統(tǒng)正朝著大容量、高壓大電流方向發(fā)展，而用于電流測量的傳統(tǒng)的電磁式電流互感器已無法滿足其要求，在大電流下鐵心磁路下易飽和，對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。而羅氏線圈互感器，具有測量范圍寬、精度高、無磁飽和、體積小等優(yōu)點(diǎn)，正逐步取代傳統(tǒng)的電磁式電流互感器，在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。 本文介紹一種基于羅氏線圈的電流變送器的設(shè)計(jì)，對(duì)電網(wǎng)中的大交流電流進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，該變送器采用XTR115芯片將羅氏線圈產(chǎn)生的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換電流信號(hào)，輸出DC 4～20mA電流信號(hào)。

審核編輯黃宇