吳元良 上海鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所

電流變送器分為直流電流變送器和交流電流變送器兩種。交流電流變送器是一種能將被測(cè)交流電流轉(zhuǎn)換成按線性比例輸出直流電壓或者直流電流的儀器。它可直接與PLC、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)記錄儀等等配套使用組成各種自動(dòng)化電氣監(jiān)控設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)電控設(shè)備自動(dòng)化不可缺少的儀器之一。

1 簡(jiǎn)介

LR1200鋼軌閃光對(duì)接焊機(jī)的自動(dòng)焊接程序是以焊接電流作為控制焊機(jī)前進(jìn)速度的依據(jù)。電控柜中被測(cè)焊接電流經(jīng)過1 500/5的電流互感器輸出0 A～5 A的交流信號(hào)。如果要被系統(tǒng)中PLC采集就必須經(jīng)過電流變送器的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后輸出4 mA～20 mA(DC)。電流變送器轉(zhuǎn)換時(shí)間的快慢直接影響到焊機(jī)的焊接質(zhì)量。因?yàn)樵诤附舆^程中，焊接電流是瞬息萬變的。如果焊機(jī)前進(jìn)速度變大，則焊縫間距變窄，回路阻抗變小，焊接電流變大，當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)，經(jīng)過反饋信號(hào)，減小焊機(jī)前進(jìn)速度；反之如果焊縫的熱熔金屬飛濺出去，焊縫間距變大，電流變小，當(dāng)小于設(shè)定值，則要減慢焊機(jī)前進(jìn)速度。這個(gè)過程大部分是隨機(jī)的，焊機(jī)自動(dòng)焊接程序就是要很快測(cè)定焊接電流的有效值，跟上過程的變化，才能保證焊機(jī)質(zhì)量?，F(xiàn)在市場(chǎng)上普通電流變送器的轉(zhuǎn)換時(shí)間都在300 ms以上，而焊機(jī)對(duì)電流變送器轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求在100 ms以內(nèi)，遠(yuǎn)不能滿足焊機(jī)的要求。此外，由于焊機(jī)正常工作時(shí)，交流電的信號(hào)波形為非正弦波，如果要正確描述鋼軌焊接燒化過程中所使用的功率，普通平均響應(yīng)的電流表不能客觀的反應(yīng)出電流與功率的關(guān)系，要使用真有效值電流表示法才行。因此必須設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)換速度快，并且能夠正確測(cè)量波形真有效值的電流變送器，才能滿足整個(gè)焊機(jī)系統(tǒng)的需要。

2 工作原理

電流變送器主要由I/V轉(zhuǎn)換、真有效值轉(zhuǎn)換、以及V/I轉(zhuǎn)換三個(gè)電路組成。其電路圖如圖1所示：

圖1 電流變送器電路圖

2.1 I/V轉(zhuǎn)換電路

I/V轉(zhuǎn)換電路的主要作用是將輸入的0A～5A交流電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?V～2V的交流電壓信號(hào)，并且有著隔離輸入信號(hào)的作用。這個(gè)環(huán)節(jié)主要由電流互感器，運(yùn)算放大器和一些阻容件組成。

電流互感器的輸入端接入一個(gè)被測(cè)的0 A～5 A交流電流信號(hào)，其輸出端接著低輸入阻抗運(yùn)放負(fù)載，輸出0mA～2.5mA的交流電流信號(hào)。記電流互感器輸出端的電流為Iu1in，則運(yùn)放輸出電壓為Vu1out=-Iu1inR4，R4的取值是800Ω，輸出的電壓值范圍在 0～2V。

2.2 真有效值轉(zhuǎn)換電路

交流信號(hào)的真有效值用公式可以表示為 。隨著集成電路的迅速發(fā)展，近年來出現(xiàn)了各種真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器。在LR1200鋼軌閃光對(duì)接焊機(jī)的電流變送器中，采用了美國(guó)AD公司的AD736芯片作為真有效值轉(zhuǎn)換器。

AD736是經(jīng)過激光修正的單片精密真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換器。其主要特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高，靈敏性好，測(cè)量速度快，適用波形廣，頻率特性好，輸入阻抗高，輸出阻抗低，電源范圍寬，功耗低。用它來測(cè)量正弦波的電信號(hào)綜合誤差不超過 ±0.3%。AD736的邏輯圖和引腳排列如圖2所示。

圖2 AD736的內(nèi)部框圖

它主要由輸入放大器，全波整流器，真有效值單元，偏置電路，輸出放大器等組成。芯片2號(hào)引腳Vin為被測(cè)信號(hào)的輸入端，工作時(shí)，被測(cè)信號(hào)電壓加到輸入放大器的同相輸入端，而輸出電壓經(jīng)全波整流后送到真有效值單元并將其轉(zhuǎn)換成代表真有效值的直流電壓，然后再通過輸出放大器的Vo端輸出。偏置電路的作用是為芯片內(nèi)部各單元電路提供合適的偏置電壓。

系統(tǒng)中采用雙電源供電的電路，如圖1所示：電路中＋Vs與COM之間、-Vs與COM之間都并聯(lián)了一個(gè)0.1uF的電容，作用是降低電源高頻內(nèi)阻。隔直電容C2是讓芯片選擇AC方式。電阻R6為限流電阻。D3和D4是雙向限幅二極管，起到過壓保護(hù)的作用。電容C4是平均電容，用以進(jìn)行平均值計(jì)算，其大小直接影響到測(cè)量精度，電容值取大，其精度會(huì)升高，但是響應(yīng)速度也會(huì)變慢，因此其取值要適當(dāng)。經(jīng)過試驗(yàn)證明，當(dāng)C4取值為33uF時(shí)，電流變送器轉(zhuǎn)換時(shí)間在50ms左右，精確度優(yōu)于0.5%，滿足焊機(jī)的要求。反饋電容C6起到濾波作用，減小輸出紋波，使輸出更平穩(wěn)。C5和C7為薄膜電容器，它的作用是彌補(bǔ)電解電容高頻特性的不足，其容量可取0.1uf～2.2uf。

2.3 V/I轉(zhuǎn)換電路

如圖1所示，由真有效值轉(zhuǎn)換電路輸出的信號(hào)經(jīng)過由U3B等元器件組成的二階低通濾波器，過濾掉紋波，使輸出的直流信號(hào)更純。該直流信號(hào)經(jīng)V1進(jìn)行放大，由R20輸出信號(hào)，再經(jīng)由U3A，R22和V2組成的恒流源電路輸出4mA～20mA直流電流信號(hào)。

偏置電路中W1為增益調(diào)整電位器，W2為零點(diǎn)調(diào)整電位器。

3 在LR1200鋼軌閃光對(duì)接焊機(jī)中的應(yīng)用

焊接電流是自動(dòng)焊接程序的主要參考依據(jù)，它必須通過電流變送器的轉(zhuǎn)換才能被PLC采集處理。只有轉(zhuǎn)換速度在100ms以內(nèi)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)真有效值轉(zhuǎn)換的電流變送器才能滿足焊機(jī)的要求。以往使用市面上的電流變送器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間一般在300ms以上，焊接時(shí)焊接記錄曲線稀疏，不能有效保障焊接質(zhì)量?，F(xiàn)在針對(duì)LR1200鋼軌閃光對(duì)接焊機(jī)設(shè)計(jì)的專用電流變送器，不僅能夠轉(zhuǎn)換電流的真有效值，而且經(jīng)過測(cè)試其轉(zhuǎn)換時(shí)間在50ms左右，精度優(yōu)于0.5%，滿足焊機(jī)的要求。實(shí)際應(yīng)用也證明該電流變送器在LR1200鋼軌閃光對(duì)接焊機(jī)中的工作情況良好，能有效的保證鋼軌焊接質(zhì)量。

圖3和圖4對(duì)比了使用焊機(jī)專用電流變送器的焊接曲線與使用普通電流變送器焊接曲線的情況。從曲線圖上可以看出，使用了焊機(jī)專用的電流變送器之后，由于其轉(zhuǎn)換速度比普通的電流變送器快，因此它的電流曲線密度要比使用普通電流變送器的大，證明了該電流變送器在LR1200鋼軌閃光對(duì)接焊機(jī)上的良好應(yīng)用。

圖3 使用普通電流變送器焊接曲線

圖4 使用焊機(jī)專用電流變送器焊接曲線