浅谈电压测量的几种方法

　　【仪表网 仪表科普】在工业控制中，电流是闭环反馈电流环中的重要参数，大家对电流测量都比较熟悉，也比较重视。在实际中由于电压的测量不会直接参与到反馈控制中，多数只用来监测电压的状态，所以大家谈论的较少。
 

　　虽然电压测量不是控制领域的主角，但不是不可或缺。接下来谈谈在工业控制电路中电压测量的几种方法：
 

　　常见的电压测量是采用电阻测量，即在被测电压点的两端并联大电阻，通过检测标准电阻两端的电压来计算被测电压的大小，如图1所示，通过检测标准电阻R3两端的电压V2，可以计算出被测的高压电压V1。
 

图1 电阻测量法
 

　　这种串并联电阻的电压测量方法，电路结构简单，价格便宜，在低压测量如小功率UPS,变频器等设备中普遍使用。在使用中，需要注意并联电阻的阻值要远远高于被测电路阻抗，电阻过小会对被测电路分流过多，消耗功率。通常会是兆欧级，高阻值的电阻精度都不高，需要采用多个电阻串、并联的方式，一是可以降低单个电阻的阻值，二是可以增加精度。但串联的电阻越多，又需要考虑整体PCB板的布局以及占板面积和安装位置。另外，这种结构简单的测量方法，无法实现电气上的隔离，除非后级增加隔离器件，但隔离器件的增加又增加了成本，有时还需要考虑涂三防漆等以降低安规方面的风险。
 

　　第二种是采用电压传感器测量。目前市面上用的比较多的直测型电压传感器有霍尔原理型。这一类传感器大多体积大，价格偏高，也很难批量使用在对成本要求比较高的工业控制中，一般都用于机车牵引系统、风电变流系统等这类电压等级高，柜体空间比较大的场合。
 

　　也有一些体积小的霍尔原理的电压传感器，利用霍尔闭环电流测量的原理，将电压的测量转换为电流，从而实现电压的隔离测量。这类传感器虽然体积小，可以焊接在PCB板上，也实现了电气的隔离。但为了照顾到交、直流的测量，都采用双电源供电，功耗比较大。由于要减小体积，传感器设计时都会把电压转换为电流的原边电阻外置。
 

　　谈到了外置的测量电阻，也是有一定的学问。除了简单的按照被测电压的等级与传感器所要求的额点电流来选取合适的阻值，还需要考虑配接电阻的功率，如果功率选的过小，会导致电阻发热严重，不仅影响测量精度，也会有电阻过热烧坏的风险。另外如何在PCB板上布局这些电阻与电压传感器的位置，也会对测量精度以及可靠性方面造成影响。
 

　　那么在使用小型的霍尔原理电压传感器时，为了避免电阻发热严重，很好地实现散热和增大安规距离，建议采用多个电阻串联。通常建议采用图3的对称布局，以有效的避免或改善共模特性，对称布局即把外接电阻对称分散布置在电压传感器的正负输入端，而不是采用图2这种只串联在其中一个输入端的方式。
 

图2                                图3
 

　　虽然按照图3的方式可以解决不少实际问题，但是，串接电阻与传感器内部电压转换电流的原边线圈，在物理意义上构成了RL电路，RL电路的存在也会降低传感器的带宽，这也是外置原边电阻霍尔电压传感器普遍带宽不高的原因，这种电压传感器的带宽通常都不高于20kHz。
 

　　这么看来，使用PCB型的霍尔原理电压传感器，加上配接的原边测量电阻，从器件的占板面积上与内置测量电阻的模块型电压传感器相当，不仅没有减少，还会有测量电阻发热问题，在一些环境比较恶劣的场合整个电路板还需要涂三防漆来防止电腐蚀来降低安全风险。
 

　　为了解决电阻法不隔离，霍尔传感器体积大的问题，LEM公司开发了小型化的光电隔离型电压传感器DVC1000-P(图4)，适用于交、直流电压的测量。从电气隔离的角度，避免了电阻法后级输出需要加隔离器件的复杂设计，从电路设计角度，避免了小体积霍尔电压传感器的PCB布板和电阻发热问题。传感器体积只有43x37x23.5mm。
 

　　这种电压传感器采用单5V供电，不需要配接原边测量电阻，被测1000V的交直流电压可以直接接入电压传感器的输入端。单一的器件既可以节省空间，又可以实现电气上的电压隔离测量，交流绝缘测试电压高达4.2kV rms/1min。另外DVC 1000-P另外一个比较突出的优势是带宽，在-3db的情况下可以达到47kHz，可以满足对频响特性要求高的场合。
 

图4
 

　　这种新的电压传感器在设计上也充分考虑了环保问题，符合日益严格的环保要求，不仅仅是选用材料和生产过程中符合RoHS和Reach指令要求，同时所有的材料可以实现100%的可回收和再利用。
 

　　当然，以上的几种电压测量方式各有利弊，在使用中还需要结合实际情况来选择适合的测量方式。尤其是现在的工业控制的设计，不仅仅是凭单一器件本身的性能来选型，更是要全面衡量系统的材料、设计、制造成本以及成套设备的整体特性等因素，高性价比的方式才是受欢迎的。