西安科技大学高新学院本科毕业设计
一、内容要求
(一)题目：电流变送器.
(二)论文摘要：电力变送器是一种将电流、电压、频率、功率因数、电能等电参量，经隔离变送成线性的直流模拟信号或者数字信号的再传送至显示端或者控制端的装置。本课题将详细介绍一款电力变送器即电量变送器。电量变送器是一种能够将被测量参数（如交流电流、电压，直流电流、电压，有功功率，无功功率，有功电能，无功电能，频率相位）按线性比例转化成直流电流或者电压的装置。它被广泛应用于电力、石油、煤炭等部门的电气测量、自动控制以及调度部门。
电量变送器是现代工业现场较为常用的模拟通讯方案之一。本课题以当前广泛应用的集成化精密电路XTR系列芯片介绍了以4-20mA专用两线制U/I集成电路XTR115为核心的电量变送器，主要介绍了XTR115的工作原理、计算方法和该变送器的工作原理、简单内部结构及应用电路、各项指标的性能参数。
(三)关键词：电力变送器；电量变送器； XTR； XTR115
目录
1 绪论 ................................................................................................................ 错误！未定义书签。
1.1课题背景 (3)
1.2课题研究的目的和意义............................................................................... 错误！未定义书签。
1.3国内外研究现状........................................................................................... 错误！未定义书签。
1.4 电流变送器的简单介绍 (2)
1.5本课题研究的主要内容 (6)
2 系统总体设计 (7)
2.1整体设计思路 (7)
2.2 电压转化单元电路的设计 (7)
2.2.1 各种电压转化电路的介绍 (7)
2.3 精密全波整流单元电路设计...................................................................... 错误！未定义书签。
2.3.1 整流电路的介绍 (8)
3 整体分析电路图 (9)
结束语 (11)
参考文献 (12)
致谢…………………………………………………………………………………………12..13
1.1课题背景
电力工业中各种自动化系统已得到广泛应用。在工业现场，一般需用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，这就对于信号稳定性的要求较高。如果信号对于各种干扰因素的影响非常明显，例如外界噪声、外部温度湿度、传输线的分布电阻等因素。显然此类信号会导致接收端对于现场参数的错误监测与判断，从而接收端分析后会做出错误控制。一般选择此信号为电压或者电流来进行传输，由此电量变送器的作用凸显。
1.2课题研究的目的和意义
为了解决上述问题影响，一般选用电流或者电压进行传输信号。而电量变送器是一种将被测电量参数（如电流、电压、功率、频率、功率因数等信号）转换成直流电流、直流电压并隔离输出模拟信号或数字信号的装置。因为电量变送器能够稳定的输出或者接收电流、电压信号，所以非常适合此类场合。
当今市场上的电量变送器是一类高科技产品,它是一种集合了多种不同功能电路于一体的功能模块电路。或者是由为数不多的高性能、多功能电路组成。新型变送器国际标准输出的模拟信号电流值为4—20mA 两线制的环路在发送数据以及控制那些易于以这一标准接受指令的某些执行器的过程中有广泛的应用。目前在国际上已作为模拟信号中的电流遥测技术唯一标准。在利用两根导线的电流遥测电路中，变送器工作电源与示读装置，包括传感器工作电源和发送导线的任何其它电阻都是相串联在环路内的。
1.3国内外研究现状:
我国于50年代中期开始生产电量变送器，最初运用于近距离遥测，后来逐步在电气测量、巡回检测及计算机监测中得到广泛应用。 在我国50年代中期,由于近距离遥测的需要,电力部技术改进局在国内最先研制了整流型电流、电压变送器和感应整流型功率变送器,并且在电力系统中应用，随h 后由上海电表厂定型生产1JL 型电压变送器、2JL 型电流变送器和VAR W JD /2 型有功功率及无功功率变送器。
60年代初期,随着远动技术的发展,强度（幅度）遥测被脉冲频率和脉冲编码制遥测所代替,对电量变送器的精度和使用环境提出了新的要求。
80年代以来,相继又有长沙国营韶光电工仪器厂生产了SY 系列电量变送器和安徽屯溪稽灵仪表电器厂生产了G 系列电量变送器。1986年上海浦江电表厂又从罗切斯特公司引进了(RIS)TD-1000系列电量变送器制造技术、设备及散装件。随着我国的电力工业和仪表工业的迅速发展，对电力系统各种参数的测量也提出了更高的要求。
随着我国的电力工业和仪表工业的迅速发展，对电力系统各种参数的测量也提出了更高的要求。国内的电力变送器生产厂家、型号品牌繁多，主要的产品有：深圳亚特尔、丹东华通测控、昆明阳光、上海二工、南自电力仪表等众多品牌。生产的变送器中一般分为温度/
湿度变送器，压力变送器，差压变送器，液位变送器，电流变送器，电量变送器，流量变送器以及重量变送器等。
1.4 电量变送器的简单介绍
电量变送器是一种将各种电气参量（如电流、电压、功率、频率、电能等电力参数）变换为成线性比例的直流电流或直流电压的装置，它广泛应用于发电厂、变电站的电气测量、巡回检测、计算机监测和电网调度自动化的数据采集。随着电力工业的发展,对电量变送器的需求量日益增加。
电量变送器根据转换原理的不同可划分成以下两种类型：一种电压/电流转换器，亦称电流环发生器，它能将输入电压转换成4-20mA的电流信号（典型产品有1B21、1B22、AD693、AD694、XTR101、XTR106和XTR115）；另一种属于电流／电压转换器，亦称电流环接收器（典型产品为RCV420）可将4-20mA输入信号转化成0-5V输出信号，具有很高的性能比。一般电量变送器可分为二线制电量变送器和三线制或者多线制电量变送器。二线制电量变送器是指变送器和传感器位于现场端，在二线制进行传输工作时，供电电源、负载电阻、变送器是串联的即两根导线同时进行传送变送器所需要的工作电源和输出电流信号，其工作电源线和信号线为同一根导线，工作电源由接收端提供。而对于三线制变送器是由系统供电，供电电源是两根电流传输线以外的第三根导线。二线制电量变送器和三线制或者多线制电量变送器简化图如下图所示：
二线制变送器框图如图1.1所示：
24V
三线制变送器框图如图1.2所示：
24V
图1.2 三线制变送器框图
四线制变送器框图如图1.3所示：
24V
电流输出型电量变送器将物理量转换成4—20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。电流输出可以与电源公用一根线(公用VCC或者GND)，可节省一根线，称之为三线制变送器。4—20mA电流本身就可以为变送器供电。变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4—20mA之间是根据传感器输出而变化的。这种变送器只需接2根线，因而被称为二线制变送器。工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。这使得二线制变送器的设计和使用成为可能。而且二线制变送器具有无可比拟的优点：
（1）不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的较细的导线，可节省大量电缆线和安装费用。
（2）在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰，二线制与三线制必须用屏蔽线，屏蔽线的屏蔽层要妥善接地。
（3）电容性干扰会导致接收器电阻产生有关误差，对于4—20mA二线制环路，接收器
U=1—5V)这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许电阻通常为250 ( 取样
in
的电线长度比电压遥测系统更长更远。
（4）各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等而造成精度的差异，从而实现分散采集、集中控制。
（5）将4mA用于零电平，判断开路与短路或传感器损坏(0mA状态)十分方便。
（6）在两线输出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件，有利于安全防雷防爆。
三线制和四线制变送器均不具上述优点，将被二线制变送器所取代，从国外的行业动态及变送器芯片供求量即可略知一斑，电流变送器在使用时要安装在现场设备的动力线上，而以单片机为核心的监测系统则位于较远离设备现场的监控室里，两者一般相距几十到几百米甚至更远。设备现场的环境较为恶劣，强电信号会产生各种电磁干扰，雷电感应会产生强浪涌脉冲，在这种情况下，单片机应用系统中遇到的一个棘手问题就是如何在恶劣环境下远距离可靠地传送微小信号。二线制变送器件的出现使这个问题得到了较好地解决。
电量变送器能将电压信号变换为标准的电流信号从环路一端传送到另一端，从而实现长距离通讯，且不易受干扰，因而在工业现场中得到广泛的应用，特别是在传感和测量应用方面。
近年来电量变送器的大体发展有以下几个方向：
（1）向多单元和多量纲组合式方向发展
所谓向多单元和多量纲组合式方向发展是指电量变送器由过去一个测量单元采用一个变送器和一个变送器只能变换一种测量,发展为一个变送器可变换多个单元的测量及一个变送器可变换几个不同量纲的测量。这样可以尽量减少现场安装变送器的数量,简化安装接线,减少电流互感器（CT）和电压互感器(PT)的负载。
（2）变送器的输出向多输出和多量程发展
随着电量变送器应用范围的扩大，发电厂和变电站的电气测量计算机监测和远动的遥测系统均需通过变送器进行采样。这样就要求变送器具有多个输出，并且相互之间要隔离。另外,为了满足不同系统对变送器输出量量程的不同需要,还要求变送器能有不同量程的输出,0—±1mA,0—±10mA,4—20mA,0—±5V,0—±10V等。
（3）微机电量变送器的应用与发展
随着微机在远动技术中的广泛应用，国内一些厂家和科研单位着手研制微机电量变送器。如烟台计算机公司研制的WDB-1型微机电量变送器、北京自动化研究所与湖南水利水电勘测设计院共同研制的FR-100远方终端装置模拟量采样系统、南京自动化设备厂正在研制的微机电量变送器等,都是直接取自电压互感器的电压(100V)和电流互感器的电流（5A）,通过微机进行A/D变换和数据处理后以总线方式输出。对于微机电量变送器的生产应用,应采取比较慎重的态度,因为传统的电量变送器是一种单一的电气测量变换装置,长期投入现场运行,要求可靠性高。而微机电量变送器是一种综合测量装置,它由交流采样、A/D变换和数据处理及输出等几部分组成,因而难以保证整个系统具有高可靠性。另外,微机电量变送器的应用范围也有局限性,它只适宜与具有总线方式输入的远动装置和计算机相连,而无法与指示仪表连接[17]。
1.5本课题研究的主要内容
本课题研究的主要内容有以下几个方面：
1、电量变送器的整体设计方案
（1）需求分析，环境分析及国内外资料的查找。
（2）多种设计方案的分析对比。
2、集成电路的选择
（1）自制电路与集成电路的对比。
（2）查找国内外资料，确定集成电路XTR系列。
3、分析集成电路XTR工作原理及工作环境
（1）分析集成电路XTR115内部结构及工作原理。
（2）设计集成电路XTR115可用环境及其连接电路。
2 系统总体设计
2.1整体设计思路
整个产品由电压电流转化环节电路、整流电路、滤波电路、放大电路和输出电路五部分组成，原理框图如图2.1所示：
图2.1 系统原理框图
电压转化电路能够将高电压转化为适合变送器电路工作的较低电压，整流电路可将交流变为直流，由于整流电路输出电压的脉动较大为了减小其脉动在负载两端并联电容即构成滤波电路。如果滤波电路输出的信号过小，一般在输出电路中加入由两个放大三极管构成的放大电路。
2.2 电压转化单元电路的设计
2.2.1 各种电压转化电路的介绍
一般电压转化器件有变压器、电压互感器、电压转化器等器件。变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器主要是由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。因为由于本课题的输入并不属于高电压，所以一般不会前置一个变送器。
电压互感器能够将高电压按比例关系变换成100V或者更低等级的标准二次电压，供保护、计量、仪表装置等器件使用。同时电压互感器可以将高电压与电气人员隔离，确保了人员的安全。电压互感器的原理是高电压对电压的比值等于高压侧的绕组匝数除以低压侧的绕组匝数，也就是电压比等于匝数比。而电流互感器的一次侧线圈匝数放的很少，一般也就是一根导线，二次侧放很多匝，这样从电压互感器的原理上来分析，如果一次感应到低电压，
那么二次侧如果开路的话就会感应到很高的电压，而二次侧的电压是不能超过2000V的，所以二次侧是坚决不可以开路的。从另一个方面因为一次和二次都是串联接法从而形成了回路，所以一次侧感应到的电压就等于一次侧的电阻流过的电流，二次侧的电流就等于二次侧感应到的电压除以二次侧的电阻，当一次侧流过大电流的时候，因为一次侧感应到的电压就等于一次侧的电阻乘以流过的电流，所以一次电压就增大，一次电压增大，二次感应到的电压也增大，而二次侧电流等于电压除以二次侧电阻，所以二次侧感应到的电流也就增大了。一般电压互感器具备以下特点：
（1）电压互感器又称仪表变压器，是一种电压变换装置。
（2）电压互感器的容量很小，通常只有几十到几百伏安。
（3）电压互感器一次侧电压即电网电压，不受二次负荷影响，并且大多数情况下其负荷是恒定的。
（4）二次侧负荷主要是仪表、继电器线圈，它们的阻抗很大，通过的电流很少。如果无限期增加二次负荷，二次电压会降低，造成测量误差增大。
（5）用电压互感器来间接测量电压，能准确反映高压侧的量值，保证测量精度。
（6）不管电压互感器初级电压有多高，其次级额定电压一般都是100V，使得测量仪表和继电器电压线圈制造上得以标准化。而且保证了仪表测量和继电保护工作的安全，也解决了高压测量的绝缘、制造工艺等困难。
（7）电压互感器常用于变电、配电仪表测量和继电保护等回路。
市场上的电压互感器有很多，一般情况下可分成以下几种：
（1）按安装地点可分为户内式和户外式。35kV及以下多制成户内式；35kV以上则制成户外式。
（2）按相数可分为单相和三相式，35kV及以上不能制成三相式。
（3）按绕组数目可分为双绕组和三绕组电压互感器，三绕组电压互感器除一次侧和基本二次侧外，还有一组辅助二次侧，供接地保护用。
（4）按绝缘方式可分为干式、浇注式、油浸式和充气式，干式浸绝缘胶电压互感器结构简单、无着火和爆炸危险，但绝缘强度较低，只适用于6kV以下的户内式装置；浇注式电压互感器结构紧凑、维护方便，适用于3kV～35kV户内式配电装置；油浸式电压互感器绝缘性能较好，可用于10kV以上的户外式配电装置；充气式电压互感器用于SF6全封闭电器中。
（5）此外，还有电容式电压互感器，电容式电压互感器实际上是一个单相电容分压管，由若干个相同的电容器串联组成，接在高压相线与地面之间，它广泛用于110kV—330kV的中性点直接接地的电网中。
2.3.整流电路的介绍
电力网供给用户的是交流电，而很多装置需要用直流电。整流，就是把交流电变成直流电的过程。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛的应用。生产和生活中我们需要直流电，获得直流电的整流电路有很多种。根据不同的特点，整流电路有以下不同的分类方法：
（1）按组成器件可分为不可控整流电路、半控整流电路、全控整流电路。
（2）按电路结构分为零式整流和桥式整流电路。
（3）按电网交流输入相数分为单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路。
（4）按变压器二次侧电流的方向分为单拍整流电路和双拍整流电路。
（5）按控制方式分为相控式整流电路和斩波式整流电路。
（6）按引出方式的不同分为中点引出整流电路、桥式整流电路、带平衡电抗器整流电路、环形整流电路、十二相整流电路。
总结
变送器将现场传感器采集到的微弱的电信号放大由现场传送至控制端或者显示端的主要环节，起的主要作用就是进行信号的传输。由于现场传输信号的不同种类从而诞生了不同种类的变送器。主要有电流、电压、频率、功率因数、电能等类型不同的变送器。随着我国电力技术的不断发展，我相信对于现场传输信号至控制端这类模式将得到广泛应用。这类模式大大的减少了人工人力，并能保证工作人员的安全性，同时大大提高了系统的控制稳定性。因此电力变送器作为主要的传输环节一定会得到更加广泛的应用。随着我国电力企业的高速发展，集成化的精密度高、稳定性能强、多输入端口、输入范围大，体积小的变送器必定也会得到越来越多企业的认可。
毕业设计是一项系统工程，既要熟悉课题的要求，又要读书查资料，还要撰写论文，在这一系列的环节中，任何细节都不能马虎，唯有脚踏实地。因此，通过这一次毕业设计，我感觉学到了许多许多，以前虽然学习了数字电路和模拟电路等课程，但书本知识只有通过和实际的结合才能真正变成为我所用。通过此次实践创新项目设计，我感觉自己对电路已有了更深的认识，对于设计变送器的思路已经比较熟悉，希望在工作中能够更多的得到锻炼。
毕业设计，也许是我大学生涯交上的最后一个作业了。三年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无限的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。
这次做毕业设计的经历也会使我终身受益，我感受到做设计是要真真正正用心去做的一件事情，是真正的自己学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研
究的能力，没有自己的研究，就不会有所突破，那也就不叫设计了。希望这次的经历能让我在以后学习中激励我继续进步。
参考文献
[1] 虞晓英.YDE-U/I型交流电压/电流变送器方案设计.2005
[2] 李雪瑶.电工电子实验技术.重庆大学出版社，1995.
[3] 王雨.变送器常见问题解析.2009
[4] 张福学.现代实用传感器电路.北京：中国计量出版社，1997
[5] 乐嘉谦.仪表工手册.北京：化学工业出版社，1998
[6] 贾正春.电力电子学.北京：中国电力出版社，2001
[7] 沙占友，白云飞，安国臣.集成化精密电流变送器的原理与应用.2004,(3)
[8] 林勇.工业控制用4-20mA电流变送器.2006,(7)
[9] XTR115数据手册.
[10] JJG（电力）01-1994电测量变送器检定规程.1994.
[11] 露勇，佟毅等.电子电路实验及仿真.清华大学出版社.1997
[12] 寇戈，蒋立平.模拟电路与数字电路.电子工业出版社.2004
[13] 杨龙麟.电子测量技术.电子工业出版社.1998
[14] 康华光.电子技术基础.高等教育出版社.2005
[15] 邱关源.电路.高等教育出版社.2006
致谢
经过近一个月的忙碌，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有指导老师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。
我要向所有在学习、工作和生活中给我以帮助和支持的人表示衷心的感谢。
首先要感谢是我的指导老师，他从设计开始就严格要求我，使我时刻不敢放松对自己的要求，并且在设计过程中热诚的帮助我，老师都倾注了大量的心血，并且陈老师在设计过程中每周都给我面对面的辅导，而且我在设计过程中遇到的问题也及时帮我解决。在设计过程中，陈老师给了我很大的帮助，特在此向老师表示深深地感谢！
不积跬步何以至千里，本设计能够顺利完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的毕业设计顺利完成，在此向学院的全体老师表示由衷的谢意。感谢他们三年来的辛勤栽培。