一种两线制霍尔式有效值电流变送器的制作方法

本发明专利涉及电气检测技术及自动化装置领域，更具体地说，本发明专利涉及一种两线制霍尔式有效值电流变送器仪表。

背景技术：

有效值电流变送器被广泛应用于电力自动化、继电保护、电机控制、工业自动化等领域的功率和电能的计量，将被测主回路的交流或直流电流的有效值按线性关系转换为4～20ma标准直流电流信号进行输出并远程传输。

霍尔传感器是对磁场或电流进行测量的一种最常见的传感器，具有灵敏度高、结构简单、体积小、频率响应范围宽和使用寿命长等优点，对交流和直流磁场或电流的测量均适用，且适用于静态电流和动态电流的测量，故以霍尔传感器为敏感元件构造电流变送器具有无可比拟的优越性。

现有的大多数霍尔式电流变送器采用三线制或四线制接线方式，除了信号传输回路外，还需为变送器另外提供电源回路，其接线复杂、维护不便。例如，申请号为201320382320.9的“一种基于霍尔闭环原理的导轨型安装电流变送器”采用了闭环反馈式工作原理，其工作电路结构较为复杂，且需要专门的供电回路提供其中的+vc和-vc两个电源，即需要采用四线制接线方式。

然而，两线制霍尔式电流变送器接线方式更为简单、可靠，使用方便，广泛用于各种测量和控制系统，故开发两线制4～20ma标准信号的电流变送器具有重大的技术发展价值和广泛的市场需求。申请号为201810424278.x的“一种两线制霍尔式电流变送器”则采用了两线制4～20ma标准信号的输出形式，但该变送器只能用于交直流电流瞬时值的测量，无有效值电流测量功能。

两线制霍尔式有效值电流变送器不仅要求系统工作的总电流小于4ma，即整个系统需要进行低功耗设计，还应具有对测量信号进行有效值检波的功能，有较大的开发难度。本发明专利为两线制霍尔式有效值电流变送器的实现提供了一种解决方案。

发明专利内容

本发明专利所要解决的技术问题是采用霍尔传感器实现交直流电流有效值的测量，并能通过两线制标准4～20ma电流回路进行信号传输和系统供电。

为了解决所述技术问题，本发明专利提供了一种两线制霍尔式有效值电流变送器，其特征在于：该变送器主要由c形磁环、霍尔传感器、差动放大电路、有效值检波电路、v/i转换电路、两线制输出回路、偏置电压产生电路、共模阻容网络组成，被测电流im穿过c形磁环，霍尔传感器安装于c形磁环的气隙中，霍尔传感器的电压输出端接至差动放大电路的输入端，差动放大电路的输出端接至有效值检波电路的输入端，有效值检波电路的输出端接至v/i转换电路的输入端，偏置电压产生电路的输出端接至差动放大电路及有效值检波电路的偏置电压输入端，v/i转换电路的输出端接至两线制输出回路，并且v/i转换电路的恒流源输出端接至霍尔传感器的激励电流输入端，v/i转换电路的恒压源输出端接至差动放大电路、有效值检波电路及偏置电压产生电路的电源端，共模阻容网络接在霍尔传感器的激励电流返回端与v/i转换电路的恒压源及恒流源返回的参考地端之间。

测量过程中，穿过c形磁环的被测电流im在磁环中产生与被测电流im大小成正比的环形磁场，该磁场垂直穿过霍尔传感器，且霍尔传感器通入由v/i转换电路提供的激励电流，故霍尔传感器的电压输出端输出与被测电流im的瞬时值成正比的微弱电压信号，该电压信号经过差动放大电路放大后输入至有效值检波电路，有效值检波电路将输入的交流信号转换为与被测电流im的有效值成正比的直流电压信号，并输入至v/i转换电路，v/i转换电路将输入的电压信号转换为4～20ma电流信号，并由两线制输出回路进行信号传输，且偏置电压产生电路输出的电压信号输入至差动放大电路及有效值检波电路的偏置电压输入端，为有效值检波过程提供适当的共模偏置电压，并且v/i转换电路输出恒流源为霍尔传感器提供激励电流信号，该恒流源从霍尔传感器的激励电流返回端流出后再流经共模阻容网络而产生的压降为差动放大电路提供适当的共模输入电压，v/i转换电路输出恒压源为差动放大电路、有效值检波电路及偏置电压产生电路提供工作电源。

所述差动放大电路主要由高精度、微功耗仪表放大器ad627组成，所述有效值检波电路主要由精密微功耗有效值检波器ltc1966组成，霍尔传感器输出的差动电压信号接至ad627的差分输入端，并且ad627的输出偏置端接入由偏置电压产生电路产生的偏置电压，ad627的1号和8号脚之间接入增益调整电位器，该电位器可用于变送器测量量程的调整，ad627的输出端接至ltc1966的正相输入端，偏置电压产生电路输出的偏置电压同时接入ltc1966的反相输入端和输出偏置端，该偏置电压为ltc1966提供适当的共模工作电压，同时在ltc1966的输出端和输出偏置端之间并接入检波周期电容。

所述v/i转换电路主要由电压/电流变换芯片xtr105组成，其将输入电压线性地转换为4～20ma电流进行输出，有效值检波电路输出的直流电压输入至xtr105的正相输入端，并且v/i转换电路中接有由2个固定电阻以及1个电位器串联构成的电压调整电路，电位器中心抽头接至xtr105的反相输入端，电位器中心抽头输出的调整电压可为xtr105提供适当的共模工作电压，并可用于变送器测量零点的调整，另外，有固定电阻接至xtr105的放大倍数调整端，该电阻决定了xtr105的电压/电流转换系数，同时，xtr105输出2路0.8ma恒流源，将2路恒流源并联后输入至霍尔传感器，作为霍尔传感器的激励电流源，该芯片还输出1路5.1v、1ma容量的恒压源，作为差动放大电路、有效值检波电路及偏置电压产生电路的工作电源。

所述偏置电压产生电路由2个串联分压电阻以及低功耗运算放大器max4480构成的跟随器组成，2个串联电阻接在v/i转换电路产生的5.1v电压源之间，串联点接至max4480的正相输入端，反相输入端和输出端相连，在输出端产生1.6v偏置电压。

所述差动放大电路、有效值检波电路及偏置电压产生电路的总功耗极低，变送器内部工作回路的总电流小于4ma，从而可以实现以4ma为测量零点的两线制电流输出。

所述两线制输出回路主要由npn型驱动三极管、过压保护二极管、二极管整流桥、负载电阻及外接电源组成，回路中的二极管整流桥具有反接保护作用，外接电源可按任意方向接入两线制输出回路，通过两线制输出回路输出并传输4～20ma电流信号，同时为内部工作回路供电。

所述共模阻容网络由1个电位器和1个电容并联构成，并且串联在霍尔传感器的激励电流返回端和v/i转换电路的恒压源及恒流源返回的参考地端之间，v/i转换电路输出的1.6ma恒流源流过共模阻容网络，从而可通过调整电位器的阻值为差动放大器的工作提供适当的共模电压，且电容可滤除该共模电压的纹波。

本发明专利至少包括以下有益效果：

(1)在霍尔式瞬时电流检测的基础上增加了有效值检波功能，可用于交流和直流电流有效值的测量。

(2)采用两线制接线方式和4～20ma标准电流信号传输方式，其供电回路与信号回路合二为一，共用一个回路，在输出回路中接有二极管整流桥堆，两个接线端子无正反之分，使得接线更为简洁、方便、可靠。

(3)采用纯模拟电路对霍尔传感器的测量输出信号进行处理和变换，无需模/数转换和数字信号处理器，也无复杂的闭环反馈电路，其工作电路结构简单，成本低廉，性价比高。

(4)变送器电路中接有零点与量程调整电位器，变送器的测量零点和量程调整方便，使用灵活、方便。

(5)霍尔传感器的不等位电势以及差动放大器、有效值检波器和v/i转换器的失调电压均可以通过零点调整电压进行抵消，且霍尔传感器采用恒流源激励，而使温度系数大大降低，故该电流变送器测量精度高。

(6)系统中接有偏置电压产生电路及共模阻容网络，各信号变换电路环节的共模偏置电压适当，系统静态工作点合理，测量电路精度高、线性度好。

本发明专利的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明专利的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明专利所述的两线制霍尔式有效值电流变送器的组成原理示意图。

图2为本发明专利所述的两线制霍尔式有效值电流变送器的具体实施电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

为了解决所述技术问题，本发明专利提供了一种两线制霍尔式有效值电流变送器，如图1所示，该变送器主要由c形磁环1、霍尔传感器2、差动放大电路3、有效值检波电路4、v/i转换电路5、两线制输出回路6、偏置电压产生电路7、共模阻容网络8组成，被测电流im穿过c形磁环1，霍尔传感器2安装于c形磁环1的气隙中，霍尔传感器2的电压输出端接至差动放大电路3的输入端，差动放大电路3的输出端接至有效值检波电路4的输入端，有效值检波电路4的输出端接至v/i转换电路5的输入端，偏置电压产生电路7的输出端接至差动放大电路3及有效值检波电路4的偏置电压输入端，v/i转换电路5的输出端接至两线制输出回路6，并且v/i转换电路5的恒流源输出端接至霍尔传感器2的激励电流输入端，v/i转换电路5的恒压源输出端接至差动放大电路3、有效值检波电路4及偏置电压产生电路7的电源端，共模阻容网络8接在霍尔传感器2的激励电流返回端与v/i转换电路5的恒压源及恒流源返回的参考地端之间。

如图1所示，测量过程中，穿过c形磁环1的被测电流im在磁环中产生与被测电流im大小成正比的环形磁场，该磁场垂直穿过霍尔传感器2，且霍尔传感器2通入由v/i转换电路5提供的激励电流，故霍尔传感器2的电压输出端输出与被测电流im的瞬时值成正比的微弱电压信号，该电压信号经过差动放大电路3放大后输入至有效值检波电路4，有效值检波电路4将输入的交流信号转换为与被测电流im的有效值成正比的直流电压信号，并输入至v/i转换电路5，v/i转换电路5将输入的电压信号转换为4～20ma电流信号，并由两线制输出回路6进行信号传输，且偏置电压产生电路7输出的电压信号输入至差动放大电路3及有效值检波电路4的偏置电压输入端，为有效值检波过程提供适当的共模偏置电压，并且v/i转换电路5输出恒流源为霍尔传感器2提供激励电流信号，该恒流源从霍尔传感器2的激励电流返回端流出后再流经共模阻容网络8而产生的压降为差动放大电路3提供适当的共模输入电压，v/i转换电路5输出恒压源为差动放大电路3、有效值检波电路4及偏置电压产生电路7提供工作电源。

如图1所示，所述c形磁环1采用锌锰铁氧体磁环，磁环沿径向开有2mm气隙，所述霍尔传感器2采用to-92封装线性霍尔传感器hg-302c，薄片状的霍尔传感器2平行安装于c形磁环1的气隙中央。被测电流im在c形磁环1中激励产生的磁场通过气隙并垂直穿过霍尔传感器2的上下两个表面，其气隙磁场强度b与被测电流im成正比，且霍尔传感器2通入由v/i转换电路5提供的激励电流ih，霍尔传感器2的电压输出端输出与被测电流im瞬时值成正比的微弱电压信号uh可表示为

uh＝uh+-uh-＝kihb(1)

式中，k为霍尔传感器的霍尔系数。可知，霍尔传感器的输出电压uh与被测电流im成正比。

如图2所示，所述差动放大电路3主要由高精度、微功耗仪表放大器ad627组成，所述有效值检波电路4主要由精密微功耗有效值检波器ltc1966组成，霍尔传感器2输出的差动电压信号接至ad627的差分输入端，并且ad627的输出偏置端接入由偏置电压产生电路7产生的偏置电压uref，ad627的1号和8号脚之间接入增益调整电位器r3，则差动放大电路3的输出电压ud可表示为

ud＝uh×(5+200/r3)+uref(2)

式中，ru为接在ad627的1脚和8脚之间的增益调整电位器的阻值，其取值范围为0～1kω，该电位器可用于变送器测量量程的调整，uref为偏置电压产生电路7产生的偏置电压。ad627的输出端接至ltc1966的正相输入端in1，偏置电压产生电路7输出的偏置电压uref同时接入ltc1966的反相输入端in2和输出偏置端vout_rtn，该偏置电压为ltc1966提供适当的共模工作电压，同时在ltc1966的输出端vout和输出偏置端vout_rtn之间并接入1μf检波周期电容cave，则有效值检波电路4输出的直流电压urms可表示为

式中，t＝rocave为由ltc1966的内部输出电阻ro＝85kω及外接电容cave＝1μf决定的检波周期，uref为偏置电压产生电路7产生的偏置电压。

如图2所示，所述v/i转换电路5主要由电压/电流变换芯片xtr105组成，其将输入电压线性地转换为4～20ma电流进行输出，有效值检波电路4输出的直流电压urms输入至xtr105的正相输入端vin+，并且v/i转换电路5中接有由r4＝2.2mω、r6＝1mω固定电阻以及r5＝200kω电位器串联构成的电压调整电路，电位器中心抽头接至xtr105的反相输入端vin-，电位器中心抽头输出的调整电压uoff可为xtr105提供1.5～1.8v范围内适当的共模工作电压，并可用于变送器测量零点的调整。另外，有固定电阻r7＝1kω接至xtr105的放大倍数调整端，该电阻决定了xtr105的电压/电流转换系数，则xtr105输出至两线制输出回路6的电流i0为

i0＝4+40×(urms-uoff)/r7(4)

式中，urms为有效值检波电路4输出的直流电压，uoff为电位器r5中心抽头输出的调整电压，其调整范围在1.5～1.8v之间，i0为输出电流，r7＝1kω为xtr105的增益调整电阻的阻值。同时，xtr105输出2路0.8ma恒流源，将2路恒流源并联后输入至霍尔传感器2，作为霍尔传感器2的激励电流源，该芯片还输出1路5.1v、1ma容量的恒压源，作为差动放大电路3、有效值检波电路4及偏置电压产生电路7的工作电源。

如图2所示，所述偏置电压产生电路7由r1＝2.2mω和r2＝1mω串联分压电阻以及低功耗运算放大器max4480构成的跟随器组成，2个串联电阻接在v/i转换电路5产生的5.1v电压源之间，串联点接至max4480的正相输入端，反相输入端和输出端相连，故在其输出端产生的偏置电压uref＝1.6v，可为有效值检波过程提供适当的共模偏置电压。

所述差动放大电路3、有效值检波电路4及偏置电压产生电路7的总功耗极低，变送器内部工作回路的总电流小于4ma，从而可以实现以4ma为测量零点的两线制电流输出。

所述两线制输出回路6主要由npn型驱动三极管、过压保护二极管、二极管整流桥、负载电阻及外接电源组成，回路中的二极管整流桥具有反接保护作用，外接电源可按任意方向接入两线制输出回路6，通过两线制输出回路6输出并传输4～20ma电流信号，同时为内部工作回路供电。具体实施方式如图2所示，所述npn型驱动三极管q1采用9014，以提高变送器电流输出能力，减少xtr105芯片发热，三极管q1的基极与xtr105的9号引脚相连，q1的射极与xtr105的8号引脚相连，q1的集电极与xtr105的10号引脚相连并接至二极管整流桥的一个顶点；所述过压保护二极管d5采用36v齐纳二极管1n4753，可吸收回路浪涌电流，起到过压保护作用，并且在过压保护二极管d5两端并联了0.1μf电容c3，起到了滤波作用；所述二极管整流桥d1～d4由4个整流二极管1n4007构成，按图中所示连接方式构成整流桥堆，可防止电源反接，使得该变送器电源接线方向可任意交换；此外，还需要在变送器的远程终端接入+24vdc外接电源和负载电阻rl，构成完整的两线制输出回路6。在+24vdc电源电势的作用下，电荷流经由输出回路(6)中的外接电源、二极管整流桥、xtr105和驱动三极管9014并联回路、负载电阻rl，从而形成一个电流信号传输通路，最终在该电流信号传输通路中流过4～20ma电流信号，同时+24vdc外接电源通过输出回路(6)中的电流信号传输通路为内部工作回路供电。

如图2所示，所述共模阻容网络8由1个电位器rcm＝2kω和1个电容ccm＝0.1μf并联构成，并且串联在霍尔传感器2的激励电流返回端和v/i转换电路5的恒压源及恒流源返回的参考地端之间，v/i转换电路5输出的1.6ma恒流源流过共模阻容网络8，从而可通过调整电位器rcm的阻值为差动放大器的工作提供0～3.2v范围内适当的共模电压，且ccm可滤除该共模电压的纹波。

此外，在实施方案中，在恒压源vcc和参考地端gnd之间还并联了如图2所示的c1＝10μf、c2＝0.1μf两个电容，以滤除纹波提高电压源的稳定性。

尽管本发明专利的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明专利的领域。对于熟悉本领域的人员而言可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明专利并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。