CN102519575B - 真有效值振动烈度二线制变送器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真有效值振动烈度二线制变送器，其电路包括放大电路和均方根值转换电路，所述均方根值电路包括绝对值电路、乘方除法电路和滤波电路，所述绝对值电路的信号输入端与振动速度传感器的信号输出端连接，所述绝对值电路的信号输出端与所述乘方除法电路的信号输入端连接，所述乘方除法电路的信号输出端与所述滤波电路的信号输入端连接，所述所述滤波电路的信号输出端与所述放大电路的信号输入端连接。本发明的电路简单并且能够在低功耗要求下实现了对复杂交变信号真有效值的准确转换。

Description

真有效值振动烈度二线制变送器

技术领域

本发明涉及一种变送器，特别是涉及一种真有效值振动烈度二线制变送器，属于电气自动化领域。

背景技术

在工业现场有各种机器设备，为保证这些设备长时间稳定可靠的运行，需要很多状态监测仪表对这些设备的关键部位进行实时监测。同时，各种监测仪表的测量数据需要与控制中心的***共享。利用4～20mA电流或0-10V、1～5V电压是目前工业现场最常见的一种监测数据共享的方式。在计算机自动测控***中，通常把温度、压力、流量等各种物理量变化变成符合工业标准4～20mA电流信号。随着微控制器技术的发展，出现了符合这一工业标准不使用额外电源供电的低功耗智能型设备，被称作智能型二线制设备。振动烈度二线制变送器就是一种智能二线制设备。

振动烈度二线制变送器通常用来监测轮机、发电机、鼓风机等旋转机械运行中的振动烈度。振动烈度即振动速度的均方根值，这个指标直接反映了振动的能量大小，较振动位移幅度更能适应不同转速下的机器振动评价，在很多领域已经逐步替代传统习惯的振动位移幅度作为机器振动监测的主要特征量。

在实际使用中，振动二线制变送器没有温度、压力一类的二线制变送器效果好，主要问题在于二线制变送器自身的供电是和4-20mA电流环线路共用的两条导线，这一点就决定了二线制变送器的基本功耗必须小，维持自身运行的基础电流必须小于4mA。将二线制变送器技术用在振动监测领域，则与温度、压力类的变送器不同，需要解决更多的问题。振动烈度定义为振动速度的均方根值，需要通过电路极性精确的转换，而电源功耗的限值，使电路不能复杂化。一些产品对振动信号进行了近似处理，造成了实际使用中对稍复杂的振动信号不能精确转换的问题。

在二线制变送器类的产品中，温度、压力等变送器因为所监测的物理量为缓变过程量，处理方法简单，已经是比较成熟的技术。而振动烈度监测则存在一些问题：

1、振动信号时波形复杂的交变信号，可能是单一频率的正弦波形，也可能是含有多种频率分量的复杂波形，要得出这些信号的真实有效值，必须有比较复杂的电路。

2、二线制变送器由于供电特点的限制，为真有效值电路的设计带来很多难度，所以目前市场上很多振动烈度二线制变送器不是反映的真正意义上的速度有效值，而是做了一些近似处理，在复杂波形下应用时造成较大的误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题而提供一种电路简单，能在低功耗要求下实现了对复杂交变信号真有效值的准确转换的真有效值振动烈度二线制变送器。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种真有效值振动烈度二线制变送器，其电路包括放大电路和均方根值转换电路，所述均方根值电路包括绝对值电路、乘方除法电路和滤波电路，所述绝对值电路的信号输入端与振动速度传感器的信号输出端连接，所述绝对值电路的信号输出端与所述乘方除法电路的信号输入端连接，所述乘方除法电路的信号输出端与所述滤波电路的信号输入端连接，所述所述滤波电路的信号输出端与所述放大电路的信号输入端连接。

所述绝对值电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一二极管VD1、第二二极管VD2和第一放大器A1，所述第一电阻R1的第一端为所述绝对值电路的信号输入端，所述第一电阻R1的第二端与所述第一放大器A1的正极输入端连接，所述第一放大器A1的负极输入端接地，所述第一放大器A1的输出端同时与所述第一二极管VD1的负极和所述第二二极管VD2的正极连接，所述第一二极管VD1的正极同时与所述第一放大器A1的正极输入端和所述第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端同时与所述第二二极管VD2的负极和所述第三电阻R3的第一端连接，所述第四电阻R4的两端分别与第一电阻R1的第一端和所述第三电阻R3的第二端连接，所述第三电阻R3的第二端为所述绝对值电路的信号输出端。

所述乘方除法电路包括第二放大器A2、第三放大器A3、第一晶体管VT1、第二晶体管VT2、第三晶体管VT3和第四晶体管VT4，所述第二放大器A2的正极输入端为所述乘方除法电路的信号输入端，所述第二放大器A2的正极输入端同时与所述第三电阻R3的第二端和第一晶体管VT1的集电极连接，所述第二放大器A2的负极输入端接地，所述第二放大器A2的输出端同时与第二晶体管VT2的发射极和第三晶体管VT3的发射极连接，所述第二晶体管VT3的基极同时与所述第二晶体管VT2的集电极和所述第一晶体管VT1的发射极连接，所述第一晶体管VT1的基极接地，所述第三晶体管VT3的基极同时与所述第三放大器A3的输出端和所述第四晶体管VT4的发射极连接，所述第三放大器A3的负极输入端与所述第四晶体管VT4的集电极连接，所述第四晶体管VT4的基极接地，所述第三放大器A3的正极输入端接地，所述第三晶体管VT3的集电极为乘方除法电路的信号输出端。所述滤波电路包括第四放大器A4、第五电阻R5和电容C，所述第四放大器A4的负极输入端为所述滤波电路的信号输入端，所述第四放大器A4的负极输入端与所述第三晶体管VT3的集电极连接，所述第四放大器A4的正极输入端与所述第三放大器A3的正极输入端连接后接地，所述第五电阻R5与所述电容C并联后其两端分别与所述第四放大器A4的负极输入端和第四放大器A4的输出端连接，所述第四放大器A4的输出端与所述第三放大器A3的负极输入端之间连接有第六电阻R6，所述第四放大器A4的输出端为所述滤波电路的信号输出端。

进一步地，所述第二电阻R2和所述第三电阻R3的阻值相同，所述第一电阻R1的阻值是所述第二电阻R2的两倍，所述第四电阻R4、所述第五电阻R5和所述第六电阻R6的阻值是所述第二电阻R2的四倍。

更近一步地，所述第一晶体管VT1、第二晶体管VT2、第三晶体管VT3和第四晶体管VT4均为NPN晶体管。

本发明的有益效果是：

本发明采用上述技术方案，具有以下优点：(1)可以实现对复杂交变信号真有效值的准确转换；(2)基本功耗小，各部分电路的基本功耗电流小于4mA；(3)电路简单、成本低。

附图说明

图1是本发明的电路图；

图2是本发明的均方根值电路的电路图；

图3是本发明的线性度试验电流输出与输入信号的对应关系图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1和图2所示，本发明一种真有效值振动烈度二线制变送器，其电路包括放大电路和均方根值转换电路，所述均方根值转换电路的信号输入端与振动速度传感器的信号输出端连接，振动速度传感器输出反映振动速度的电压形波，输入到均方根值转换电路中，转换为等效的直流电压输出信号；所述均方根值转换电路的信号输出端与所述放大电路的信号输入端连接，所述放大电路将均方根值电路输出的直流电压信号经过适当放大后，施加在外部上，转换为电流信号。

所述均方根值电路包括绝对值电路、乘方除法电路和滤波电路。所述绝对值电路的信号输出端与所述乘方除法电路的信号输入端连接，所述乘方除法电路的信号输出端与所述滤波电路的信号输入端连接。

所述绝对值电路包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一二极管VD1、第二二极管VD2和第一放大器A1，所述第一电阻R1的第一端与与振动速度传感器的信号输出端连接，所述第一电阻R1的第二端与所述第一放大器A1的正极输入端连接，所述第一放大器A1的负极输入端接地，所述第一放大器A1的输出端同时与所述第一二极管VD1的负极和所述第二二极管VD2的正极连接，所述第一二极管VD1的正极同时与所述第一放大器A1的正极输入端和所述第二电阻R2的一端连接，所述第二电阻R2的另一端同时与所述第二二极管VD2的负极和所述第三电阻R3的第一端连接，所述第四电阻R4的两端分别与第一电阻R1的第一端和所述第三电阻R3的第二端连接。

所述乘方除法电路包括第二放大器A2、第三放大器A3、第一晶体管VT1、第二晶体管VT2、第三晶体管VT3和第四晶体管VT4，所述第二放大器A2的正极输入端同时与所述第三电阻R3的第二端和第一晶体管VT1的集电极连接，所述第二放大器A2的负极输入端接地，所述第二放大器A2的输出端同时与第二晶体管VT2的发射极和第三晶体管VT3的发射极连接，所述第二晶体管VT3的基极同时与所述第二晶体管VT2的集电极和所述第一晶体管VT1的发射极连接，所述第一晶体管VT1的基极接地，所述第三晶体管VT3的基极同时与所述第三放大器A3的输出端和所述第四晶体管VT4的发射极连接，所述第三放大器A3的负极输入端与所述第四晶体管VT4的集电极连接，所述第四晶体管VT4的基极接地，所述第三放大器A3的正极输入端接地。

所述滤波电路包括第四放大器A4、第五电阻R5和电容C，所述第四放大器A4的正极输入端与所述第三放大器A3的正极输入端连接，所述第四放大器A4的负极输入端与所述第三晶体管VT3的集电极连接，所述第五电阻R5与所述电容C并联后其两端分别与所述第四放大器A4的负极输入端和第四放大器A4的输出端连接，所述第四放大器A4的输出端与所述第三放大器A3的负极输入端之间连接有第六电阻R6，所述第四放大器A4的输出端与所述放大电路的信号输入端连接。

作为优选，所述第二电阻R2和所述第三电阻R3的阻值相同，所述第一电阻R1的阻值是所述第二电阻R2的两倍，所述第四电阻R4、所述第五电阻R5和所述第六电阻R6的阻值是所述第二电阻R2的四倍。所述第一晶体管VT1、第二晶体管VT2、第三晶体管VT3和第四晶体管VT4均为NPN晶体管。

以下是对均方根值转换电路原理的分析说明：

输入信号电压Vin被绝对值电路转换为单极性的电流I1，

$I1=\frac{\left|\mathrm{Vin}\right|}{4R}$ 公式1

I1流经VT1、VT2两个三极管，利用三极管的特性，得到放大器A2的输出电压U2。U2与I1的关系如公式2：

$U_2=-U_T\mathrm{In}\frac{I_1}{\mathrm{Is}}-U_T\mathrm{In}\frac{I_1}{\mathrm{Is}}=-U_T\mathrm{In}\frac{{I_1}^2}{{\mathrm{Is}}^2}$ 公式2

I3是从输出的直流电压Uo反馈的电流信号，二者之间的关系为：

$I3=\frac{\mathrm{Uo}}{4R}$ 公式3

I3流经三极管VT4，利用三极管特性，得到放大器A3的输出电压U3，U3与I3的关系为：

$U_3=-U_T\mathrm{In}\frac{I_3}{\mathrm{Is}}$ 公式4

U2与U3分别作用于三极管VT3的发射极和基极，利用三极管特性，可得到I4与U2、U3的关系：

$I_4=I_S{e}^{\frac{u_{\mathrm{BE}}}{U_T}}=I_S{e}^{\frac{U_3-U_2}{U_T}}=I_S\frac{\frac{U_3}{e^{U_T}}}{\frac{U_3}{e^{U_T}}}$ 公式5

将公式2和公式4代入公式5，即可得到I4与I1、I3的关系为：

$I_4=\frac{{I_1}^2}{I_3}$ 公式6

I4驱动由A4放大器组成的低通滤波器，则I3实际上就是I4的平均值，这样就有

$I_3=\mathrm{avg}\left(I_4\right)=\mathrm{avg}\left(\frac{{I_1}^2}{I_3}\right)=\sqrt{\mathrm{avg}\left({I_1}^2\right)}$ 公式7

再根据公式3和公式1，即可得到均方根电路输出Uo和输入Vin的关系为：

$U_O=\sqrt{\mathrm{avg}\left({\mathrm{Vin}}^2\right)}$ 公式8

公式8说明了均方根值转换电路的输出直流电压Uo和输入的交变电压信号Vin满足均方根值数学定义的关系，是真正的有效值转换。该电路是严格的均方根值转换电路，试验表明，从5Hz-1000Hz范围内，无论输入信号的波形中含有几种频率成分，输出的直流电压大小是严格正比于按照信号均方根值的。电路中的运放需要正负两个电源供电，而二线制变送器只通过两根导线供电并传递输出电流信号。所以在设计中设置了二极管串(如图1所示)，利用二极管正向导通电压基本稳定的特点，为需要正负双电源供电的元件提供适当的负电源电压。将均方根值转换电路和电压电流转换电路集成在一起，适当调节电压电流转换电路的增益和偏置，即可输出4-20mA的电流，直接对应振动速度的均方根值。由图1可看出，最终流经负载电阻RL的电流I是电流信号I1与各部分电路基本功耗电流I0的和，所以各部分电路的基本功耗电流必须小于4mA，才可能实现二线制变送器4-20mA电流的输出要求。

本发明真有效值振动烈度二线制变送器的检测试验及结果：

对本发明的变送器进行了检测试验，包括线性度试验，波形比对试验和温度特性试验，以验证设计的有效性。通过一个函数发生器模拟振动速度信号，以电流表mA档测试该变送器在不同激励下的电流输出值。

线性度试验：

通过函数发生器发出变送器量程内自小到大的正弦波电压波形，分析电流输出与输入信号的对应关系，结果如表1所示。

从表1和图3可以看出，该变送器在不同激励下的电流的实际输出值与电流的理论输出值之间的误差范围在-0.643％-0.7299％之间，误差很小，表明采用本发明的变送器能很好地实现对振动速度信号真有效值的准确转换。

表1线性度试验结果

波形对比试验

通过函数发生器发出正弦波形，记录此时有效值电路的输出电压；再通过函数发生器发出同频率、同幅度方波，记录此时有效值电路的输出电压。以此验证变送器中有效值转换电路是否对复杂波形也能准确反映其真有效值。试验表明(见表2)：当函数发生器发出正弦波，变送器均方根值转换电路的输出电压与波形有效值之间的误差仅为0.3％，当函数发生器发方波，变送器均方根值转换电路的输出电压与波形有效值之间的误差仅为0.6％，综上所述，变频器中均方根值转换电路能够对复杂波形准确反映其真有值。

表2波形对比试验结果

温度试验

将变送器电路置于恒温试验箱中，施加一稳定输入信号，记录其在25-65摄氏度下的输出值，观察其在不同温度下的稳定性。

表3温度试验结果

信号零峰值Vin(mV)	温度(℃)	输出电流值(Hz)
			800	25	18.19
800	65	18.10
			800	25	18.19

试验结果表明(见表3所示)，变送器经过在25和65摄氏度之间的温度循环，其输出值稳定，受温度变化的影响小于％1。

Claims (6)

1.一种真有效值振动烈度二线制变送器，其电路包括放大电路，其特征在于：还包括均方根值转换电路，所述均方根值电路包括绝对值电路、乘方除法电路和滤波电路，所述绝对值电路的信号输入端与振动速度传感器的信号输出端连接，所述绝对值电路的信号输出端与所述乘方除法电路的信号输入端连接，所述乘方除法电路的信号输出端与所述滤波电路的信号输入端连接，所述所述滤波电路的信号输出端与所述放大电路的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的真有效值振动烈度二线制变送器，其特征在于：所述绝对值电路包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一二极管(VD1)、第二二极管(VD2)和第一放大器(A1)，所述第一电阻(R1)的第一端为所述绝对值电路的信号输入端，所述第一电阻(R1)的第二端与所述第一放大器(A1)的正极输入端连接，所述第一放大器(A1)的负极输入端接地，所述第一放大器(A1)的输出端同时与所述第一二极管(VD1)的负极和所述第二二极管(VD2)的正极连接，所述第一二极管(VD1)的正极同时与所述第一放大器(A1)的正极输入端和所述第二电阻(R2)的一端连接，所述第二电阻(R2)的另一端同时与所述第二二极管(VD2)的负极和所述第三电阻(R3)的第一端连接，所述第四电阻(R4)的两端分别与第一电阻(R1)的第一端和所述第三电阻(R3)的第二端连接，所述第三电阻(R3)的第二端为所述绝对值电路的信号输出端。

3.根据权利要求2所述的真有效值振动烈度二线制变送器，其特征在于：

所述乘方除法电路包括第二放大器(A2)、第三放大器(A3)、第一晶体管(VT1)、第二晶体管(VT2)、第三晶体管(VT3)和第四晶体管(VT4)，所述第二放大器(A2)的正极输入端为所述乘方除法电路的信号输入端，所述第二放大器(A2)的正极输入端同时与所述第三电阻(R3)的第二端和第一晶体管(VT1)的集电极连接，所述第二放大器(A2)的负极输入端接地，所述第二放大器(A2)的输出端同时与第二晶体管(VT2)的发射极和第三晶体管(VT3)的发射极连接，所述第二晶体管(VT2)的基极同时与所述第二晶体管(VT2)的集电极和所述第一晶体管(VT1)的发射极连接，所述第一晶体管(VT1)的基极接地，所述第三晶体管(VT3)的基极同时与所述第三放大器(A3)的输出端和所述第四晶体管(VT4)的发射极连接，所述第三放大器(A3)的负极输入端与所述第四晶体管(VT4)的集电极连接，所述第四晶体管(VT4)的基极接地，所述第三放大器(A3)的正极输入端接地，所述第三晶体管(VT3)的集电极为乘方除法电路的信号输出端。

4.根据权利要求3所述的真有效值振动烈度二线制变送器，其特征在于：所述滤波电路包括第四放大器(A4)、第五电阻(R5)和电容(C)，所述第四放大器(A4)的负极输入端为所述滤波电路的信号输入端，所述第四放大器(A4)的负极输入端与所述第三晶体管(VT3)的集电极连接，所述第四放大器(A4)的正极输入端与所述第三放大器(A3)的正极输入端连接后接地，所述第五电阻(R5)与所述电容(C)并联后其两端分别与所述第四放大器(A4)的负极输入端和第四放大器（A4）输出端连接，所述第四放大器(A4)的输出端与所述第三放大器（A3）的负极输入端之间连接有第六电阻（R6），所述第四放大器(A4)的输出端与所述放大电路的信号输入端连接，所述第四放大器(A4)的输出端为所述滤波电路的信号输出端。

5.根据权利要求4所述的真有效值振动烈度二线制变送器，其特征在于：所述第二电阻(R2)和所述第三电阻(R3)的阻值相同，所述第一电阻(R1)的阻值是所述第二电阻(R2)的两倍，所述第四电阻(R4)、所述第五电阻(R5)和所述第六电阻(R6)的阻值是所述第二电阻(R2)的四倍。

6.根据权利要求3所述的真有效值振动烈度二线制变送器，其特征在于：所述第一晶体管(VT1)、第二晶体管(VT2)、第三晶体管(VT3)和第四晶体管(VT4)均为NPN晶体管。

Images