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WB121高速寬帶跟蹤型電量隔離傳感器原理及其應用

   2012年02月02日 10:48  
  在各種自動檢測、控制系統中,常常需要對高速變化的交直流電流、電壓信號作跟蹤采集,對比較復雜的波形作頻譜分析。這類信號可能是高壓、大電流等強電,也可能是負載能力很差的弱電,或是幅值很小的信號。它們的一個共同特點是不宜直接與計算機類的系統相接,怕計算機干擾它,或是怕它干擾計算機,或是因信號太強、太弱,難于與計算機匹配。WB121高速寬帶跟蹤型電量隔離傳感器正是針對用戶的這種需求而設計的。本文將對該產品的性能及應用范圍作概略介紹。
  
  WB121高速寬帶跟蹤型電量隔離傳感器采用線性光電隔離原理,對電網或電路中的交流、直流或交直流混合的電流、電壓信號進行實時測量,經隔離轉換成跟蹤輸入信號的、有一定驅動能力的、標準的輸出電壓信號。WB121具有交直流通用、高精度、高隔離、寬頻響、快響應時間、低漂移、低功耗、寬溫度范圍等特點;能直接與計算機、可編程控制器或其他數據采集器連接,用于各種快速反應波形的隔離跟蹤測量;特別是可以在模擬量的高速數據采集系統、變頻調速設備、可控硅控制設備及其他電氣設備中用作跟蹤測量。
  
  工作原理
  
  WB121電量隔離傳感器主要分為兩類,即WBV121電壓隔離傳感器和WBI121電流隔離傳感器。二者的工作原理,除輸入電路略有不同外,其他都相同,原理框圖如圖1所示。輸入電壓Vin(或電流Iin)信號送至輸入電路,后者將信號轉換成某種標準電壓,并賦予較強的驅動能力;光電隔離電路實現輸入信號的線性變換及隔離處理;輸出電路將信號進一步放大,同時實現整個傳感器的量程調節,輸出是跟蹤輸入信號、具有較強的驅動能力的標準化電壓,方便用戶使用。傳感器內部還配備了DC/DC轉換器,從輔助電源+E提取能量,供輸入電路使用。
  
  主要技術指標
  
  輸入規格:輸入電壓0~50mV到0~1000V;輸入電流0~1mA到0~;如外接分流器,輸入電流可高達上千安培。
  
  輸出電壓:0~3.5V,0~5V,0~10V;
  
  精度等級:0.2級;
  
  溫度漂移:150×10-6/℃;
  
  線性范圍:0~120%標稱輸入;
  
  頻率響應:DC~30kHz,zui高可達100kHz;
  
  響應時間:15μs,zui低可達4μs;
  
  輸入阻抗:Ri=Vi×10kΩ/V,當Vx>1V時;Ri>1MΩ,當Vx≤1V時;也可在整個輸入范圍實現高阻輸入;
  
  過載能力:10倍標稱輸入值,持續5s;特制品也可承受長期輸入過載;
  
  負載能力:5mADC;
  
  輔助電源:±12V;
  
  靜態功耗:400mW;
  
  隔離耐壓:>1.5kVDC,1分鐘;
  
  輸出紋波:<5mVAC;
  
  環境溫度:0~+50℃;
  
  外型尺寸:S型:99(寬)×63(高)×24(深)mm;E型:59(寬)×46(高)×21(深)mm;D型:32(寬)×23(高)×29(深)mm。
  
  典型頻率特性
  
  作為跟蹤型傳感器,其zui重要的性能就是對輸入信號的快速響應,有很寬的通頻帶。
  
  WB121典型特性如表1所示。其中方案3為標準型,方案1、方案2為特制型。其輸出幅頻特性和相頻特性如圖2、圖3所示。圖中,輸入為正弦波,Vgi為跟蹤電壓輸出有效值,Di為輸出電壓正弦波滯后輸入電壓正弦波的角度。Vgi0為輸入50Hz信號時的輸出電壓有效值。Vg1、D1,Vg2、D2及Vg3、D3分別對應方案1、2及3。注意,為方便用戶在較低頻率下的應用,兩圖中橫坐標標尺是不均勻的。
  
  其中響應時間是輸入直流階躍信號,輸出電壓達到滿度輸出值的90%時的延遲時間。
  
  輸出紋波是當輸入電壓為0時,輸出噪聲電壓有效值與滿度輸出電壓有效值之比。
  
  表1
   
  圖2WB121傳感器幅頻特性曲線圖3WB121傳感器相頻特性曲線
  
  從圖2和圖3可見,在很寬的頻率范圍內,輸出電壓的幅度及相位都有很平坦的特性。這為用戶進一步分析信號波形提供了方便。
  
  應用簡介
  
  WB121高速寬帶跟蹤型電量隔離傳感器可以實時、準確地跟蹤測量任意波形的電流、電壓信號,將其隔離后輸出具有標準值的電壓信號。傳感器可用于晶閘管輸出的已嚴重失真的正弦波信號檢測,經脈寬調制處理的PWM波檢測,電力系統畸變波形檢測,功率設備中的高速閉環反饋控制等。傳感器實現了輸入信號和輸出信號的電隔離,其隔離絕緣電壓達1.5kV以上。因此,輸出信號與后續設備可直接連接。通常,后續設備可以是巡回檢測裝置、計算機控制系統、可編程控制器(PLC)及各種電力、電子控制設備等。
  
  WB121的典型應用如圖4所示。傳感器與后續設備靠近,輸出端可接至設備的高速A/D等電路,信號由計算機等控制采樣、處理。
  
  傳感器典型的傳遞函數可近似表達為K=Vg/X,或Vg=K·X
  
  這里X表示輸入電量,可以是交流、直流或交直流混合的電流、電壓信號。Vg是有標準輸出量程的電壓量。一般地,K是一個與用戶要求有關的正常數,即輸出緊緊跟蹤輸入電量的變化。當輸入信號頻率高時,K不可再簡化為一個常數,而與輸入頻率有關,如圖2、圖3所示。
  
  靈活應用
  
  實現公式Vg=-K·X
  
  這里K為正常數,即輸出量與輸入量正好反向。這只要將輸入信號的兩端反接即可。
  
  實現公式Vg=K·X+A
  
  這里K、A為正常數,即輸出量為在K·X的基礎上再向上平移A大小的電壓。例如,可將雙向直流電量轉換成單向直流電壓;將交流電量轉換成同樣波形的直流電壓。有的A/D轉換器僅允許單向輸入電壓信號,這種變換有利于直接與A/D轉換器相連。A值一般由用戶提出,生產廠實現。
  
  實現公式Vg=-K·X+A
  
  這里K、A為正常數,即輸出量為在-K·X的基礎上再向上平移A大小的電壓。舉例,有個用戶提出這樣的要求:輸入電壓X變化范圍是0~10V,要求輸出對應電壓是5~0V。從上式可見,只需取K=0.5和A=5V即可。
  
  靈活運用方式還有一些,不再細述。一般地,上述公式中的參數K、A,由用戶提出,生產廠調校。如果用戶需要臨時對K、A作一些微調,也可打開傳感器上的窗口,按使用說明書要求調整。

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