電量隔離傳感器

能感受被測電壓、電流或電壓和電流等電量信號並轉換成可用輸出信號的測量裝置。

電量隔離傳感器/變送器是針對工程中的電量檢測(監測)，提高系統的整體抗干擾能力，而研製開發的一種小體積，高性能的電信號量測部件或模塊。 電量隔離傳感器/變送器可以對現場的大電流，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，將其調理後，變換成符合國際通用標準的電壓，電率等模擬信號或變換成數字量，開關量狀態等信號輸出。這些輸出信號可以和傳統的指針式儀表相接，也與現代的數字式自控儀表，各種A/D轉換器以及計算機系統直接配接，從而可以形成一個組成高可靠的工業檢測(監測)或控制系統。 由於電量隔離傳感器在應用中，用户不需做二次開發工作，高電壓或大電流信號可以直接接入產品，(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理，隔離和變換功能摸塊，是工業控制和數據採集系統中比較理想的變送器產品。 隨着科學技術的不斷髮展，工業控制或檢測(監測)系統對電量隔離傳感器的要求也越來越高，特別是在產品的穩定性，檢測精度和功能方面。由於數字化產品不論其性能還是功能，如非線性校正和小信號處理方面，模擬產品是不可比擬的。因此，電量隔離傳感器的數字化是一種必然趨勢。 ^[1] 

簡介

電量隔離傳感器/變送器是針對工程中的電量檢測(監測)，提高系統的整體抗干擾能力，而研製開發的一種小體積、高性能的電量測試部件(產品)。

電量隔離傳感器/變送器可以對現場的大電流、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，將其調理後，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字量、開關量狀態等信號輸出。這些輸出信號可以和傳統的指 針式儀表相接，也與現代的數字式自控儀表、各種A/D轉換器以及計算機系統直接配接，從而可以形成一個高可靠的工業檢測(監測)或控制系統。

由於電量隔離傳感器在應用中，用户不需做二次開發工作，高電壓或大電流信號可以直接接入產品，（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理、隔離和變換功能摸塊，是工業控制和數據採集系統中比較理想的變送器產品。

1、輸入電量與輸出模擬信號或數字信號之間有必要的電氣隔離；

2、供電電源與輸入電量之間有必要的電氣隔離；

3、輸入信號與一次迴路連接，輸出信號與二次儀表連接；

4、當輸出為數字編碼信號時，一般滿足相關協議要求。

由於電量隔離傳感器產品的被檢測對像主要是電流和電壓信號，所以下面主要介紹常見電流和電壓信號的檢測原理。

1 工頻交流信號檢測原理

工頻交流信號又分為工頻交流電壓和工頻電流信號。,圖1為工頻交流電流信號的檢測原理框圖，圖2為工頻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。

其中，CT為電流互感器，PT為電壓互感器，CT輸出一般為5A、PT輸出一般為100V，經整流放大等調理電路之後，輸出一般為0~5V或4~20mA。

2、直流信號檢測原理

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3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場信號與低壓數據採集系統完全隔離，避免系統受到強信號的干擾，從而提高系統的可靠性。

3、變頻電量隔離傳感器

考慮到變頻電量測量現場電磁環境較複雜，適宜採用數字量輸出傳感器。數字量傳輸採用光纖傳輸，一方面可以避免傳輸過程受電磁干擾的影響，另一方面又可在一次與二次迴路之間建立電氣隔離。

變頻電量隔離傳感器習慣稱為變頻電量傳感器或變頻電量變送器，對於數字量輸出的變頻電量傳感器，一般分為變頻電壓傳感器、變頻電流傳感器和變頻功率傳感器。

通過對變頻電量傳感器輸出的高速採樣的數字量進行分析、運算，可獲取被測變頻電量的基波有效值、真有效值、諧波、基波功率、有功功率等參數。

額定輸入：0.5～10～100mA AC；

額定輸出：0～5Vdc；0～20mA；4～20mA；

輸出紋波：≤10mV；

精度：1.0級；

線性範圍：0～120%；

響應時間：≤300mS ；

隔離耐壓： 2500V DC/1分鐘；

工作温度：-20℃～+70℃；

1、2、3、4、7腳：NC(禁用)；

5腳：VCC，輔助電源正端；

6腳：GND,輔助電源和電壓輸出公共接地端；

8腳：Vz，電壓輸出端； 9腳：Iy/Iz，電流輸出端；

產品採用DIN35導軌式安裝或螺釘固定安裝，其安裝尺寸如圖4所示。

交流信號數字式電量隔離傳感器一般由電壓/電流傳感器、信號調理、隔離放大、AD採樣、微處理器、通訊接口等部分組成。

電壓、電流傳感器依據測量信號特點可以是電壓互感器、電流互感器、霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器、羅氏線圈等等；

微處理器是產品數字化的核心部分，一般都選用帶A/D轉換器的單片機，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，因為其內部包含有兩個12位的D/A轉換器；

通訊接口部分是數字信號輸出的變換電路，廣泛採用的是RS-485總線接口，最常用的接口芯片為ADM483，它可以最多掛接32個節點，當然也有許多其它類似芯片。RS-232接口一般有兩種方式實現，一種就是在RS-485網絡總線上加一個RS-485/RS-232轉換器，另一種就是，直接把RS-232接口芯片放在產品中，後一種的缺點就是產品的應用將受到限制，不能組成網絡結構，只能點對點通訊。CAN-BUS是發展較快的一個總線，其優點是傳輸距離遠，可以達到10km，不會出現總線衝突，多主工作方式，通訊協議通用性好，當然其成本較高。採用光纖傳輸的通訊接口具有較強的電磁兼容能力，適用複雜電磁環境下的高精度測量。

軟件主要包含三個功能模塊，數據採集、數據處理和通訊協議。其中數據採集主要就是讀取A/D的轉換結果，由於單片機自帶A/D，因此程序比較簡單；

數據處理主要完成交流變直流的運算，由於單片機的運算速度有限，因此我們採用頻率跟蹤法，來完成變換的計算；

通訊協議一般由用户選定，如MODBUS協議，ASCII格式等。

由於數字式電量隔離傳感器可以直接輸出數字量，對於許多應用系統可以省去A/D採集模塊，所以，可以降低系統成本。因此，電量隔離傳感器的數字化，不僅提高產品穩定性，還可以使用户進一步降低成本。

由於電量隔離傳感器產品種類較多，本文僅介紹了一種交流信號電量隔離傳感器數字化技術。電量隔離傳感器實現數字化的方法較多，最普遍的是採用單片機技術，因為它的應用很靈活，可以實現各種不同功能。隨着集成電路不斷髮展，已經出現了許多專用的芯片，如電度表產品，已有許多專用芯片可選，有數字接口也有脈衝輸出等。