直流采样与电量变送器

第七节直流采样及电量变送器

“采样”是将现场连续不断变化的模拟量的某一瞬间值，作为“样本”采集下来，供计算机系统计算、分析和控制之用。采样分为“直流采样”和“交流采样”两种。

进行直流采样需要通过一种叫做变送器的设备。变送器是一种物理量变换器件，可以把输人的某种形式物理量按比例准确地变换为同一种形式或另外一种形式的物理量。本节主要介绍的是电量变送器，如电流变送器、电压变送器和功率变送器等。除电量变送器外，还有温度变送器、压力变送器等非电量变送器。非电量变送器一般被称为传感器。

一、直流采样及其优点

将u, i等交流模拟量经过电量变送器整流为相应的直流电压信号，再由模/数(A/D) 转换器转换成相应的数字量，就是直流采样。因为对于A/D来说，是对直流模拟信号进行采样和变换。

直流采样有如下优点:

(1)直流采样对A/D转换器的转换速率要求不高，因为变送器输出值是与交流电量的

有效值或平均值相对应，变化已很缓慢。

(2)直流采样后只要乘以相应的标度系数便可方便地得到电压、电流的有效值或功率值，使得采样程序简单。

(3)直流采样经过了变送器的整流、滤波等环节，抗干扰能力较强。

二、变送器的性能指标

变送器性能好坏对电网调度自动化系统的影响是非常大的，有时甚至成为电网调度自动化系统能否正常运行的关键问题，因此对其性能必须给予足够的重视。准确度和响应速度是对变送器的最基本技术要求。此外还要求变送器具有抗干扰能力、性能稳定、运行可靠、调试方便等。

变送器主要性能指标如下:

(1)准确等级。目前使用的有。.2级和。.5级，其含义是在标准条件下，变送器最大

误差不超过。.2%和。在运行现场，因温度、磁场等条件不同，允许有一定的附加

误差。

(2)抗干扰性能。主要指抗磁场干扰能力。当变送器选用0-}-5V直流电压输出时，受磁场干扰影响较大;而选用5mA恒流输出时，抗干扰能力较强。

(3)耐压性能。输人端对输出端应能承受交流1000V/min，输人端对外壳应能承受交流2000V/min。进行耐压实验时，短时耐受冲击电压按正、负二个方向加1. 2kV/50}cs尖脉冲5000V试验电压。

(4)抗电压、电流过载能力。事故情况下电压、电流超过正常许多倍，此时变送器应

具有输出饱和性能，以保证后面设备不受损害。一般过电压能力为允许短时1. 5倍呱10 次，长期1. 2倍UN2h;过电流能力为允许短时2倍IN 10次，10倍IN 5次，长期1. 2倍IN2ho

(5)温度影响。要求适应温度范围广，在温度变化时所引起的附加误差小。一般产品可适于在一10-v-h-55℃下可靠工作，其输出变化小于0. 50oa

(6)密封与抗潮性能。一般产品允许在相对湿度95%下正常工作。元件和印刷电路板表面应涂有防潮保护层。

(7)响应时间，反映了变送器的时间性能。它与时间常数既有联系又有区别，时间常数:是指接人输人信号后输出从0快速上升到稳定值的63%所需时间，而响应时间T则是输出从。上升到稳定值的99%所需时间，二者的区别可由图2一12表示出来。一般产品的响应时

间小于400ms o

(8)线性指标。变送器输出与输人应当是成正比的，亦即线性的。但实际上总存在非线性误差，用非线性度表示。一般产品其输人值在1. 2倍额定值以下范围时，非线性误差应符

(9)产品分散性。具有先进工艺和严格质量管理的厂家批量产品，其性能具有较好的一

致性;而工艺方面条件差，尤其是手工生产的厂家产品，则有很大的分散性。

(10)长期稳定性能。若所用均为优质元件并经严格老化筛选，铁芯冲剪后经过严格退火工艺，就能保证产品运行后长期性能稳定，甚至几年内不必重新调校。相反，有的产品一年甚至半年就要重新调校，否则就不准确了。

(11)通用性能。产品结构模块化，可更换性好，维修方便。

(12)输出性能与负荷能力。变送器有直流恒压输出与直流恒流输出两种方式，对负荷的要求也有所不同，如表2一2所示。(9)产品分散性。具有先进工艺和严格质量管理的厂家批量产品，其性能具有较好的一

致性;而工艺方面条件差，尤其是手工生产的厂家产品，则有很大的分散性。

(10)长期稳定性能。若所用均为优质元件并经严格老化筛选，铁芯冲剪后经过严格退火工艺，就能保证产品运行后长期性能稳定，甚至几年内不必重新调校。相反，有的产品一年甚至半年就要重新调校，否则就不准确了。

(11)通用性能。产品结构模块化，可更换性好，维修方便。

(12)输出性能与负荷能力。变送器有直流恒压输出与直流恒流输出两种方式，对负荷的要求也有所不同，如表2一2所示。三、交流电流变送器

交流电流变送器串接于电流互感器的二次回路中，将互感器二次侧交流电流((0-}5A) 变换成直流电压或直流电流输出，按其构成原理可分为简单型和需要辅助电源的改进型

两种。

(一)简单型

图2-14为FS-13型交流电流变送器原理图及其外部接线。由图2一14 (a)中可见，FS-

13型交流电流变送器主要由中间电流互感器TA、桥式整流电路和RC低通滤波电路组成。电流互感器来的二次侧交流电流(正常值。}5A)从中间电流互感器的一对端子输人(通常

用1-4端子)，经整流滤波后直流电流经端子5-6输出，直流电压则可从端子7-8(或9-10 ) 输出。电位器RPl用来调节输出直流电流值，RP2和RP3分别调节两对电压端子输出的电压值。中间电流互感器TA既可以降低电流，又可使输出回路与输人回路在电气上进一步隔离。整流桥每个桥臂用两只二极管串联，是为了提高承受反向电压的能力。

电阻R，的作用是防止整流桥二极管损坏造成TA二次开路。R:的变化将引起输出改变，因此R1应采用温度系数小的金属膜电阻。

电阻R:和与之串联的四个二极管构成了非线性补偿支路。TA的铁芯材料(一般用冷

轧硅钢片)磁化曲线是非线性的，特别是起始部分斜率小。当输人电流较大时，TA工作于磁化曲线的AB段，此时输出电压与输人电流是成正比的。但在输入小电流时对应磁化曲线的OA段，则此时的输出电压有较大的负误差。有了由二极管组成的补偿支路后，利用二极管伏安特性的非线性，在变送器输人小电流时，二极管受到电压低，使其内阻变大，这就使补偿支路所分流的电流更加减少，输出直流电压(或电流)稍有增大，刚好补偿了TA铁芯

非线性引起的额外负误差。非线性补偿情形见图2一150

(二)改进型

图2一16为改进型交流电流变送器原理框图。高性能中间电流互感器的铁芯具有线性磁化曲线，从根本上克服了非线性误差，并可以采用运算放大器构成恒流输出电路(或恒压输出电路)。