返回主页 单片机教程XL2000开发板 单片机学习 自制编程器 单片机资料 软件下载 电子技术产品介绍如何购买 进入论坛

集成化电流变送器的原理



1 XTR系列产品的分类及性能特点

XTR系列精密电流变送器产品的分类及主要特点详见表1。

表1 XTR系列产品的分类及主要特点

产品
型号
满量程输入范围激励源输出输出电流Io/mA环路电源Us/V封装形式

主要特点

XTR10110mV或50mV两路1mA电
流源
4~2011.6~40DIP-14SOL-16能将各种传感器产生的微弱电压信号转换成4~20mA的电流信号,适配应变桥、热电偶及铂热
电阻
XTR1055mV~1V两路0.8mA电流源4~207.3~36DIP-14带2线制或3线制铂电阻接口,能实现温度/电流
转换
XTR106满量程范围由电阻Rs来设定2.5V及5V两路基准电压4~207.5~36DIP-14带2.5V或5V激励源,适配应变桥
XTR1100~5V或0~10V10V基准电压4~20或0~20或5~2513.4~40DIP-16可选择输入电压范围和输出电流范围
XTR11540~200μA2.5V基准电压4~207.5~36SO-8带2.5V激励源和+5V精密稳压器,可分别给应变桥和前置放大器单独供电,能简化电源设计
XTR11640~200μA4.096V基准电压4~207.5~36SO-8带4.096V激励源和+5V精密稳压器,可分别给应变桥和前置放大器单独供电,能简化电源设计


2 XTR115型电流变送器的工作原理


2.1 性能特点

1)它属于二线制电流变送器,内部的2.5V基准电压可作为传感器的激励源。XTR115可将传感器产生的40~200μA弱电流信号放大100倍,获得4~20mA的标准输出。当环路电流接近32mA时能自动限流。如果在脚3与脚5之间并联一只电阻,就可以改变限流值。

2)芯片中增加了+5V精密稳压器,其输出电压精度为±0.05%,电压温度系数仅为20×10-6/℃,可给外部电路(例如前置放大器)单独供电,从而简化了外部电源的设计。

3)精度高,非线性误差小。转换精度可达±0.05%,非线性误差仅为±0.003%。

4)环路电源电压的允许范围宽,Us=7.5~36V。XTR115由环路电源供电。工作温度范围是-40℃~+85℃。

5)专门设计了功率管接口,适配外部NPN型功率晶体管,它与内部输出晶体管并联后可降低芯片的功耗。

2.2 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。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。输出电流与输入电流、输入电压的关系由式(1)确定。

Io=100II=100UI/RI (1)



3 XTR系列产品的应用电路

3.1 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。

3.2 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。

3.3 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。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。