专利名称：配电隔离安全栅的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电气工程和电子工程领域，涉及一种配电隔离安全栅。本配电隔离安全栅，可以广泛用于冶金、电力、石化、轻工、建材、环保等各行各业。凡根据需要，将生产现场的各种不同的物理量，例如温湿度、压力、液位、流量，还有速度、行程、重量、电压和电流等，转化成为能够让计算机接收处理的信息，都可以使用创新型设计的二线制配电隔离安全栅，它是工业自动领域的核心部件，是数据采集环节上的万能接头。
背景技术：
工业自动控制中的数据采集环节，由于技术发展的不同，它所构成的要素和标准也是各种各样，种类繁多。 一般来说，先由国际上著名公司如美国ABB，德国西门子和日本索尼公司等在前面领跑，其它的在后面紧追。国内在这个行业领域犹为落后，80%以上的中、大型自控系统均直接选用昂贵的进口设备，只有20%使用国内仿制的便宜产品。国外数据采集远传方式有二线制、三线制、四线制和补偿导线等，国内也同样有这几种标准，因此而派生出来的传感变送器更是品种繁多，使用户难以适从。
传统配电器的精度，国外0.2% 0.3%，国内0.25% 0.5%，配电电压降MJ国内外均为10V(18.5V 28.5V)。本配电隔离安全栅精度为0.05% 0.1%，配电压降AU=0.8V(19.0V 19.8V)。综合工业过程自动控制的数据采取环节需要测量许多不同的物理量，通常包括有压力、液位、重量、温湿度、流量、电量等等。因不同物理量间的远传方式不同，则又分为二线制(压力配电器)，三线制(热电阻温度变送器)，补偿导线(热电偶温度变送器)，四线制(电量变送器)。从节约投资与节约能源来讲无疑二线制是最好，但是在实际使用中，它所占用的市场份额却又是最少的，仅用在那些要求不高，测压力、液位的场所，这又是为什么呢？主要是传统配电器的性能普遍做不高，而三线制、四线制、补偿导线等所使用变送器精度国外能做到0.1%，国内也有0.15% 0.2%，它们所使用的电源是另外供给的，没有压降的问题。正因为和传统二线制配电器相比具有性能高的优点，所以它的市场占有份额反而逐步在增长，甚至一些著名的厂家如ABB公司就己不生产配电器类似的产品，而完全用三、四线制的各种类型变送器代替。

实用新型内容
本实用新型的所要解决的技术问题是提供一种配电隔离安全栅，该配电隔离安全栅在采用二线制的同时可以达到高精度。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为
一种配电隔离安全栅，其特征在于，包括正负电源形成电路、正弦波振荡电路、调制频率整形电路、配电电压形成电路、信号采集器、I/I转换放大驱动器和隔离整流输出电路；所述的正负电源形成电路、正弦波振荡电路、调制频率整形电路和配电电压形成电路依次串接后输出电压到现场传感器；所述的I/I转换放大驱动器的一端通过第一变压器(即图1和图2中的F1)与调制频率整形电路的输出端电连接；所述的I/I转换放大驱动器的另一端通过第二变压器(即图1和图2中的F2)接隔离整流输出电路；所述的信号采集器接入来自现场传感器输出的电流信号，其输出端接所述的I/I转换放大驱动器的信号叠加端。
所述的信号采集器采用镜像电路；该镜像电路的一个镜像端接现场传感器输出的电流信号，另一个镜像端接所述的M转换放大驱动器的信号叠加端。
所述的镜像电路由2个NPN型的三极管T2和T3组成，三极管T2和T3的b极短接，三极管T2和T3的e极均接地，三极管T3的b和c极短接并接现场传感器的信号输出端；三极管T2的c极接I/I转换放大驱动器的信号叠加端。
所述的I/I转换放大驱动器为所述第一变压器的副边的一端通过第一二极管(即图2中的DS3)接第二变压器的一端，所述第一变压器的副边的另一端通过第二二极管(即图2中的DS4)接第二变压器的另一端，第一变压器副边和第二变压器原边的抽头间并联有电容和变阻器，第二变压器副边的抽头引出所述的信号叠加端。
所述的正负电源形成电路的采用2个运算放大器分别输出正、负参考电压。
所述的调制频率整形电路采用TCA965芯片。
所述的配电电压形成电路通过第三变压器(即图1和图2中的F3)与调制频率整
4形电路相接；所述的配电电压形成电路的输出级电路采用7820芯片。 本实用新型所具有的有益效果有
本配电隔离安全栅综合了数据采集环节远传和变送上的诸多弊端，从二线制的优点 入手，主攻二线制精度不够(0.2% 0.5%)和配电电压降幅过大(AU-10V)的缺点， 创新设计了许多独特电路，使其精度达到0.05% 0.1%，降幅AU-0.8V，因此使用配电 隔离安全栅这种产品的二线制，整体性能项项都高于三、四线制，它节约了一半以上的 远传导线和一半以上的能源，前者显而易见，后者也容易理解，因为用一个配电隔离安 全栅可代替传感变送器和隔离器两件产品。不但如此，对于采取现场任何物理量数据都 只使用唯一配电隔离安全栅，而实现对温度、压力、电量等传感用的不同输入，不是直 接接到配电器的二线制上，它们都是现场传感变送器的输入，现场传感变送器从配电器 获得一个稳定20V配电电压，在输入端和热电阻、热电偶、桥电路，甚至改变电容的 传感器连接都是十分方便的。上面所指万能接头就是指的这里。现场传感器将这些不同 输入统一调制出4 20mA信号在二线制上传送。这种用易代繁的方法使用户选择和备 用产品变得简单容易，定会受到市场用户的欢迎。
本配电隔离安全栅摒除了传统二线制的缺点，使其转换精度比国外三、四线制的变 送器的精度还要高(0.05% 0.1%)，且配电电压压降仅为0.8V，完全能满足传感变送 器的电源要求。缺点变优点，优点就显得更为突出，用同一对线完成供电与信号远距离 传输，其投资节约与能源节约意义非常巨大，使工厂里用于自控的电线网络无形中减少 一半以上，所以毫不夸张的讲，它是工业自动控制体制结构上的一项重大变革，绝不能 把它看做简单的某一个元素在性能上的改善，它在工业自动控制的发展提高方面起着里 程碑的作用。我们希望得到专利机构的严格审査认可，再将它普遍推入市场。在市场里 收集到足够的反馈信息，然后在全国召开同行业科研机构的理论峰会，通过讨论并确定 为行业标准，为国家甚至国际上的自控事业作出应有的贡献。


图l为本实用新型的原理框图； 图2为本实用新型的原理图。
具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步说明。 实施例1 :
如图1和图2所示，各部分电路具体分析如下
(1) 、正负电源形成电路+24V DC输入经过简单的Dr,、 Dr2 、 C5、 C6和Ru产
生一个一般性能的正负11VDC供给l^LM833运放，再经过116、 Dw获得一个10V的
参比电压，通过Rn和R^调整在不同位置，分别在Uu和U;,两个运放输出端获得一 个稳定高精度的10V正负电源，为其它各要素供电。
(2) 、压控LC正弦波振荡电路(即IOKC调制频率产生器)它由R,、 Cp L、 Tl
和耦合电容<:9、 C^组成，靠电容耦合的LC压控振荡器，有频率稳定的特点，这就为
后面调制频率整形电路输出稳定的方波奠定了一个很重要的基础。
(3) 、调制频率整形电路，使用了一个高精度的窗口元件TCA965，它从线圈L的次
边引入正弦波电压经过输入电阻R2送到TCA965的3、 9端，10、 7端短接，6、 11端 接+ 10VDC， l端接-10V， + 10V经过R3接13端，作为方波输出，13端经114接8 端，8端串电容C^接到-10V，改变^<:2的数值就改变了方波的占空比，13端输出
的方波分别向F,和F2送调制方波。
(4) 、配电电压形成电路如附图，F3的次边，从调制频率整形电路获得一个严格对 称的方波。又经过DS1、 Ds2全波整流和C3滤波送到7820三端稳压元件的输入1、 2
端,而在7820的输出3、 2端输出一个稳定的20VDC的配电电压，经过(:4滤波，再送
到外接线端子Ar A2上，因为集成电路7820本身具有短路保护的功能，从而保证送
到现场的电压电流总是在安全范围以内。
(5) 、附图所示的采集电路，实际上是常用的镜像分隔电路，它把从现场返回过来的 4 20mA信号经过T3、 丁2分隔，把等值的4 20mA电路转送到I/I转换电路上与调制
方波相叠加。特别要注意的是使用时要严格挑选对称的丁2与丁3曾，以免产生较大的误差。
(6) 、附图所示的I/I转换电路，与传统配电器的这部分电路相似，1/I转换是通过F2 的初次边进行的，Fl的次边有一个恒定的对称方波，经过DM和Dw整流并串接在F;
初边的上下端，再经过F2初边的中点，流经C,、 Rp3、 L回到F1次级中点GND。假
若输入的是一个20mA电流，经过上述电路流经F2初级也是20mA，初边通过电流大， 压降也大。因为F1方波电压恒定，那么留给丁2集电极(C,的正极)的电压自然就降
低了，因为F2初边的压降加上C,正负端压降和，等于F1次级上的恒定方波值。故称
之为叠加，但从直流信号跨过变压器隔离来讲，又可称之为调制。
(7) 、隔离整流输出电路，就比较直观简单，用D^、 DS5、 DS6、 Dw作桥式整流，
又经过Cs滤波接到B!(+)、 B3(—懒出端子，在B,、 B3之间跨接了一个6.0V的稳压 二极管D^，这是保护电路，用户使用4 20mA端口，又因某种故障使外部电路断开， 此时为了保证B,、 B3端不致出现过高电压损坏其他元件，让电流经过D,4，端电压维
持在6V， 一旦故障被排除则可恢复正常的4 20mA信号传输。如果用户的计算机的输 入AI端口为1 5V可将Bp B2短接，利用机内的250Q精密电阻，最后特别提醒用
户，您如果使用的4 20mA端口，其输入阻抗又为100 250Q范围，此时就需要搞一 下阻抗匹配以求得最高的输出精度。其方法是用您已知道的输入阻抗，例如R400Q, 再选用一只R,与Bp B3精密电阻250并联，使两个电阻并联值R^150Q，使得R+
R: =250 Q ，这时输出精度能保证在0.1%以上。
本配电隔离安全栅，其设计方案和电路组成是新颖的，完全不同于传统的配电器。 它由24VDC供电，允许电源有+5。/cr^一10%的误差，经过土10VDC形成电路，给后 面IOKC频率产生器(即正弦波振荡电路)等各个电路环节提供稳定的正负电源。10KC 调制频率产生器是由压控部件放大的LC自激震荡电路组成，它向整形电路输出一个峰 值为20V的正弦波，调制频率整形电路经过限幅、削波等多重措施形成一个峰-峰15V 的严格对称方形波，谐波比小于0.1%。 15V方波电压经过F1变压器提升，又经过整流、 稳压、闩锁，向现场传感器输送有短路保护的20VDC配电电压。由于本配电隔离安全栅的采集电路中，需要有0.8V的压降，所以现场传感变送器能使用的电源实际为 19.0V 19.8VDC，这与传统配电器中的18.5V 28.5V摆动的幅度AU-10V要小得多， 前者为后者的1/12.5，给现场传感变送器的设计提供了一个良好又方便的电源。1/1转换 与放大驱动电路，从F1取得方波电压与转换器送来的4 20mA信号叠加(也可称之为 调制)，再经过F2隔离。整流滤波向计算机的AI端口输送一个高精度、三隔离的纯净 信号，使计算机系统远离有着严重电子污染的工业环境，安全稳定不间断的操作运行。 本配电隔离安全栅，第一个电路模块就是正负10VDC电源形成电路，它并非简单 的将一般正负电源三端稳压元件，例如78、 79系列串接而成，因为用那种常规方法， 不能够稳定正负电源的中间接地点GND， GND会随着正负电源负载的变化亦正亦负上 下漂移。本电路采取了许多创新措施，稳定了GND的电平，由于有了稳定的正负电源 提供给了各个处理电路，因此大大的提高了配电隔离安全的整体精度，经测定其贡献为 0.05%。
调制频率整形电路模块它将一个20V的正弦波经过限幅、削波等许多创新措施产 生了一个谐波比小于0.1%的严格对称方波。它比常规用正弦波去调制信号精度要高出 许多，经测定对整体精度也有0.05的贡献率。
在I/I转换电路中，将经过Fl隔离的方波没有直接与从现场传送过来的4 20mA 信号叠加(调制)而是在信号采集电路中将反馈信号等比分开，取得一个完全相同的4 20mA信号，再与F1送来的方波叠加因而在采集电路中只引起0.8V的配电电压降，是 传统配电器压降的1/12.5，极大的方便了现场变送器的设计。上述创新电路，给本配电 隔离安全栅整体性能的提高提供了宝贵的贡献。
在I/I转换电路中，I/I转换是通过隔离换流器(即变压器)F3来实现的，F;换流器
的数学模型为N,I,I-N2l2,其中I是励磁电流，它是初边所独有的。很明显它给I/I转
换带来非线性，但在调制叠加电路中，低端4mA叠加在高电压5.5V上，而高端又叠加 在低电压3V上，利用这一特点进行非线性补偿，使得低端获高增益，高端获低增益， 经测定它给整机精度又提供了0.05的贡献率。权利要求2、 3、 4、 5是本配电隔离安全 栅的核心创新电路，特别需要得到专利保护，其中2、 3、 5三项又各自对整体精度提高 0.05%，因此就使整机精度从国内外传统的0.2% 0.25%提高到了 0.05%,在同类产品 中成为一家独秀的佼佼者。
权利要求1. 一种配电隔离安全栅，其特征在于，包括正负电源形成电路、正弦波振荡电路、调制频率整形电路、配电电压形成电路、信号采集器、I/I转换放大驱动器和隔离整流输出电路；所述的正负电源形成电路、正弦波振荡电路、调制频率整形电路和配电电压形成电路依次串接后输出电压到现场传感器；所述的I/I转换放大驱动器的一端通过第一变压器与调制频率整形电路的输出端电连接；所述的I/I转换放大驱动器的另一端通过第二变压器接隔离整流输出电路；所述的信号采集器接入来自现场传感器输出的电流信号，其输出端接所述的I/I转换放大驱动器的信号叠加端。
2. 根据权利要求1所述的配电隔离安全栅，其特征在于，所述的信号采集器采用镜像 电路；该镜像电路的一个镜像端接现场传感器输出的电流信号，另一个镜像端接所 述的I/I转换放大驱动器的信号叠加端。
3. 根据权利要求2所述的配电隔离安全栅，其特征在于，所述的镜像电路由2个NPN 型的三极管T2和T3组成，三极管T2和T3的b极短接，三极管T2和T3的e极均 接地，三极管T3的b和c极短接并接现场传感器的信号输出端；三极管T2的c极 接I/I转换放大驱动器的信号叠加端。
4. 根据权利要求2所述的配电隔离安全栅，其特征在于，所述的I/I转换放大驱动器为 所述第一变压器的副边的一端通过第一二极管接第二变压器的一端，所述第一变压 器的副边的另一端通过第二二极管接第二变压器的另一端，第一变压器副边和第二 变压器原边的抽头间并联有电容和变阻器，第二变压器副边的抽头引出所述的信号 叠加端。
5. 根据权利要求1所述的配电隔离安全栅，其特征在于，所述的正负电源形成电路的 采用2个运算放大器分别输出正、负参考电压。
6. 根据权利要求1所述的配电隔离安全栅，其特征在于，所述的调制频率整形电路采 用TCA965芯片。
7. 根据权利要求1 6任一项所述的配电隔离安全栅，其特征在于，所述的配电电压形 成电路通过第三变压器与调制频率整形电路相接；所述的配电电压形成电路的输出 级电路采用7820芯片。
专利摘要本实用新型提供了一种配电隔离安全栅，其特征在于，正负电源形成电路、正弦波振荡电路、调制频率整形电路和配电电压形成电路依次串接后输出电压到现场传感器；I/I转换放大驱动器的一端通过第一变压器与调制频率整形电路的输出端电连接；I/I转换放大驱动器的另一端通过第二变压器接隔离整流输出电路；信号采集器接入来自现场传感器输出的电流信号，其输出端接I/I转换放大驱动器的信号叠加端。本配电隔离安全栅摒除了传统二线制的缺点，使其转换精度比国外三、四线制的变送器的精度还要高，能达到0.05％～0.1％，且配电电压压降仅为0.8V，完全能满足传感变送器的电源要求。
文档编号G01D5/12GK201273818SQ20082015876
公开日2009年7月15日 申请日期2008年10月15日 优先权日2008年10月15日
发明者兴 余, 波 龙, 龙得云 申请人:龙得云