电量变送器是一种把被测电量——交流电压、电流、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能、频率、相位、功率因数以及直流电压、电流等——转换成与之成线性比例的直流电流或电压输出（电能量则输出脉冲）的测量仪表。它广泛应用于电力、石油、煤炭、冶金、铁道、市政等部门的电气测量、自动控制和调度系统，是连接一次设备与自动化装置的重要环节。
一、基本测量电路的组成
电量变送器的基本测量电路通常由信号输入隔离、电量转换和输出电路三部分组成，如图 1 所示。
图 1 电量变送器的测量电路组成
1. 信号输入隔离
被测量的电量一般为高电压（57.7～380 V）、大电流（1～10 A），如果不加隔离并降低幅值，会危及人身安全和设备安全。信号输入隔离一般采用电压互感器（PT）和电流互感器（CT），对这一部分的要求主要有三点：
（1）绝缘耐压性能好，隔离耐压应不低于 2 kV；
（2）线性度好。PT、CT 均采用铁磁材料制成，本身线性较差，且难以在后级电路中补偿，因此必须选用优质材料、先进工艺制造的高线性度互感器，才能保证变送器的测量线性度；
（3）输出负载小。受体积限制，变送器所用 PT、CT 的铁心截面较小，输出负载增大时非线性会急剧增加，一般要求 PT 的输出电流不大于 1 mA，CT 的输出电流不大于 10 mA（通常取 5 mA 左右），取样电阻不大于 200 Ω。
2. 电量转换电路
这是电量变送器的核心部分，作用是把不同的被测电量转换成相应的输出电量，针对不同被测电量采用不同的转换电路，具体电路在后文分别介绍。
3. 输出电路
输出电路的作用是把变送器需要输出的电量送出，基本要求有两条：一是具有一定的带载能力；二是输出恒定，即在一定的负载范围内输出值不受负载变化影响，电压输出时为恒压输出，电流输出时为恒流输出。常见的输出电路如图 2、图 3 所示。
图 2 电压输出电路
图 3 电流输出电路
图中 N 为运算放大器，V 为晶体三极管，用于扩大运算放大器的输出电流。在一些变送器中，输出电路与电量转换电路是合并在一起的。
二、交流电压、电流变送器
交流电压变送器与交流电流变送器除输入隔离部分不同外，其余电路基本相同，输入隔离部分的电路分别如图 4、图 5 所示。
图 4 电压变送器的输入隔离部分
图 5 电流变送器的输入隔离部分
两者的差别在于：电压变送器采用 PT，其二次输出电压可以直接送入后级转换电路；电流变送器采用 CT，二次输出电流需先经电阻 R 变换为电压后再送入后级。这样处理的好处是，只要选择合适的二次电流值和变换电阻 R，后级电路就可以与电压变送器完全一致，便于统一设计。
目前电压、电流变送器的测量大多采用平均值转换，其基本电路如图 6 所示。
图 6 平均值转换电路（精密全波整流）
该电路实质上是一个精密全波整流电路，线路简单、线性度好，缺点是受波形失真度影响较大。在波形失真较大的场合（例如负载为可控硅），与采用真有效值变换的测量仪器比对时会产生一定误差；现场在线校验这类变送器时，如果标准表采用真有效值变换，测量结果可能与实验室测试结果不一致。因此这类变送器的校准应在波形失真度小于 0.2% 的电源上进行。
三、有功功率变送器
1. 单相有功功率变送器
单相有功功率变送器应用较少，但它是三相有功／无功功率变送器的基础，其基本电路如图 7 所示。
图 7 单相有功功率变送器基本电路
电路中 PT、CT 的作用与电压、电流变送器相同，用于输入隔离；PT 的二次电压和 CT 的二次电流经变换得到的电压均送入乘法器。乘法器输出的直流电压为
Up = k·Un·Ui·cos φ
式中：Up 为乘法器输出电压；Un 为 PT 二次电压；Ui 为 CT 二次电流经电阻 R 变换后的电压；φ 为 Un 与 Ui 的夹角。这样就实现了把功率变换为直流电压的目的。
目前功率变送器大多采用时分割乘法器，其特点是工作频率较低（一般在 1 kHz 以下），但线性度很好，最高可达 0.01% 以上，非常适合电网电量测量；高标准的功率、电能标准器也大多采用这类乘法器。电路中的相位补偿电路用于补偿功率因数带来的影响，通常由 RC 元件加在电压回路中。
2. 三相有功功率变送器
三相有功功率变送器可分为三相三线（三相二元件）和三相四线（三相三元件）两类，两者测量原理相同，仅接线方式不同。其实现方法是将两个（二元件）或三个（三元件）单相功率变送器的输出电压相加，从而得到三相功率，基本电路如图 8 所示。
图 8 三相有功功率变送器基本电路
四、无功功率变送器
无功功率的测量按接线方式不同，可分为跨相法和 90° 移相法两种。
1. 跨相 90° 无功功率测量
跨相 90° 无功功率测量的基本原理与有功功率测量相同，只是改变了电压的输入方式，电路如图 9 所示。
图 9 跨相 90° 无功功率测量电路
乘法器的输出电压为
Uout = k·Ubc·Ia·cos φ
式中 k 为比例系数，可由电路设定。由于 Ubc 滞后 Ua 90°，上式可变换为
Uout = k·√3·Ua·Ia·cos(90°−φ) = k·√3·Ua·Ia·sin φ
即输出电压正比于 A 相的无功功率。由于跨相法中输入的线电压幅值为相电压的 √3 倍，可在变送器内部调整电路参数，使比例系数调整为有功功率测量系数的 1/√3，从而保持原有的转换比例系数不变。如果用有功功率变送器改变外接线的方式测量无功功率，则必须引入相应的接线系数，这在相关检定规程中已有规定。
2. 移相 90° 无功功率测量
移相 90° 无功功率测量又称正弦法无功功率测量，其基本电路如图 10 所示。
图 10 移相 90° 无功功率测量电路
乘法器的输出电压为
Uout = k·Ua·Ia·cos(90°−φ) = k·Ua·Ia·sin φ
90° 移相电路一般采用 RC 元件，使移相电路的输出电压滞后于输入电压 90°。
3. 两种测量方式的比较
跨相 90° 法输入的电压、电流不属同一相，因此受三相电压不对称的影响较大；移相 90° 法的电压回路采用 RC 元件，因此受输入频率的影响较大。两种测量方式的特点对比如表 1 所示。
| 比较项目 | 跨相 90° 法 | 移相 90° 法（正弦法） |
|---|---|---|
| 取样方式 | 跨相接线，电压、电流不同相 | 同相取样，内部移相 |
| 主要附加误差来源 | 三相电压不对称 | 输入频率变化 |
| 内部电路 | 无需移相网络 | 需要 RC 移相网络 |
表 1 两种无功功率测量方式的对比
目前国内的无功功率测量仍大部分采用跨相 90° 无功功率变送器。由于无功功率测量的特点，在校准和检测时应注意以下两点，以免引入较大的附加误差：一是被测变送器与标准表应采用同一种测量方式；二是如果不能保证两者的测量方式一致，则应将测试电源的三相对称度尽可能调至接近完全对称。
五、电路结构的发展
电量变送器的电路结构大致经历了三代：第一代为分立元件电路（如早期的 FS 系列变送器），第二代为小规模集成电路（如改进后的 FS 系列变送器），第三代为 ASIC 电路（如 FP、GP 系列变送器）。分立元件变送器由于稳定性、可靠性较差已逐步淘汰，目前大量使用的是第二代和第三代电路。
ASIC 是专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit）的缩写，是 20 世纪 80 年代末迅速发展起来的一类产品，从设计思想、研制手段到测试方法都与传统的通用集成电路有质的区别，是超大规模集成电路（VLSI）工艺技术、计算机辅助设计（CAD）和自动测试技术（ATE）三者结合的成果。应用于变送器时，即为变送器专用厚膜电路：把变送器的转换电路与输出电路（即大部分电子电路）全部集成到一块定制芯片上，大大减少了元器件数量，整台变送器仅剩 CT、PT、电源、大容量电容和 ASIC 芯片等少数几个器件，从而显著提高了整机的可靠性和长期稳定性。