兩線制4-20mA變送器工作原理
更新時間：2011-06-11 點擊次數：3002
工(gong)業上(shang)普遍需要測量各(ge)類非電物理(li)量，例如溫(wen)度、壓力、速度、角度等，都需要轉(zhuan)換成模擬量電信號才能傳輸(shu)到幾百米外的(de)控制室或(huo)顯示設(she)(she)備上(shang)。這種將物理(li)量轉(zhuan)換成電信號的(de)設(she)(she)備稱為(wei)變送器。工(gong)業上(shang)zui廣泛(fan)采(cai)用的(de)是(shi)用4~20mA電流來傳輸模擬量。
采用電(dian)流信(xin)號的原(yuan)因是不(bu)容(rong)易受干擾。并且電(dian)流源內阻無窮(qiong)大，導線電(dian)阻串(chuan)聯(lian)在回路中不(bu)影響(xiang)精度，在普通雙絞線上可以傳輸數百米(mi)。上限取20mA是(shi)因(yin)為防(fang)爆(bao)的(de)要求：20mA的電流通斷引起的火花能(neng)量不足以引燃瓦斯(si)。下限沒有取0mA的原因是為(wei)了能檢測(ce)斷線：正常(chang)工作時不會低于4mA，當(dang)傳(chuan)輸線(xian)因故障斷(duan)路，環路電(dian)流(liu)降為(wei)0。常取2mA作(zuo)為斷線報(bao)警值。
電流型變送(song)器將物理量轉換成4~20mA電(dian)(dian)流輸出，必然(ran)要有(you)外電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)為其供(gong)電(dian)(dian)。zui典(dian)型的是變送器需(xu)要兩根電(dian)(dian)源(yuan)(yuan)線(xian)(xian)，加上兩根電(dian)(dian)流輸出線(xian)(xian)，總(zong)共要接(jie)4根線(xian)，稱(cheng)之為(wei)四線(xian)制(zhi)變送器。當然，電流輸出可以與電源公用(yong)一根線(xian)（公用(yong)VCC或(huo)者GND），可節省(sheng)一根(gen)線，稱之為三(san)線制(zhi)變送(song)器。
其實大家可能(neng)注意到， 4-20mA電(dian)流本身就(jiu)可(ke)以為變送器供電(dian)，如圖1C所示。變(bian)(bian)送器在電路中相當于一個特殊的負載，特殊之(zhi)處在于變(bian)(bian)送器的耗電電流在4~20mA之間根據傳感器輸出而變化。顯示(shi)儀表只(zhi)需(xu)要串在電路中(zhong)即可(ke)。這種變送器只(zhi)需(xu)外接(jie)2根線，因而被(bei)稱為(wei)兩線制變(bian)送(song)器(qi)。工業電流(liu)環標準下限為(wei)4mA，因此只要(yao)在量(liang)程范圍內，變送器(qi)至少有(you)4mA供電。這使得(de)兩線制傳感器的(de)設計成為可(ke)能。
在(zai)工業(ye)應(ying)用(yong)中，測量點(dian)一般在(zai)現(xian)場，而顯示設備(bei)或者控制設備(bei)一般都在(zai)控制室或控制柜上(shang)。兩者之(zhi)間距(ju)離(li)(li)可能數十至數百米。按一百米距(ju)離(li)(li)計算，省(sheng)去2根導線意味著成(cheng)本(ben)降低(di)近百元！因此在應用中兩線制傳感器必然是。
2.兩線制變送器的結(jie)構與原理兩線(xian)制變送(song)器(qi)的(de)原理(li)是利用了4~20mA信號為(wei)自(zi)身(shen)提供電(dian)能。如果(guo)變送器自(zi)身(shen)耗電(dian)大(da)于(yu)4mA，那么將不(bu)可(ke)能輸出(chu)下(xia)限(xian)4mA值。因(yin)此一般要求兩線(xian)制變送器自(zi)身耗電（包括傳感(gan)器在(zai)內的全(quan)部電路）不大于(yu)3.5mA。這是兩線制變(bian)送器的設計根本原則之一。從整體(ti)結構(gou)上來看(kan)，兩(liang)線制(zhi)變送器由三(san)大部分組成(cheng)：傳感器、調理(li)電路、兩(liang)線制(zhi)V/I變換器(qi)構(gou)成。傳感(gan)器(qi)將(jiang)溫度、壓力(li)等物理量轉化為(wei)電(dian)(dian)參(can)量，調理電(dian)(dian)路(lu)將(jiang)傳感(gan)器(qi)輸出的微弱或非線性(xing)(xing)的電(dian)(dian)信號進行放(fang)大、調理、轉化為(wei)線性(xing)(xing)的電(dian)(dian)壓輸出。兩(liang)線制V/I變換電(dian)路根據信號調理電(dian)路的輸(shu)出(chu)控制(zhi)總體耗電(dian)電(dian)流；同時從環路上獲得電(dian)壓(ya)并穩壓(ya)，供調理電(dian)路和傳(chuan)感器使(shi)用。除了V/I變(bian)換(huan)電路(lu)之(zhi)外(wai)，電路(lu)中每個部分都有其自身的(de)耗電電流，兩線(xian)制變(bian)送器(qi)的(de)核心(xin)設計思想是將所有的(de)電流都包括在V/I變換的反饋(kui)環路內。如圖(tu)，采樣電阻Rs串聯在電(dian)路的低(di)端，所(suo)有的電(dian)流都(dou)將通過(guo)Rs流回到電源負(fu)極。從Rs上取到的(de)(de)反饋信號(hao)，包(bao)含了所有電(dian)(dian)路的(de)(de)耗(hao)電(dian)(dian)。在(zai)兩線制(zhi)變送器中(zhong)，所有的(de)(de)電(dian)(dian)路總功耗(hao)不能(neng)大于3.5mA，因此(ci)電路(lu)(lu)的低功耗成為(wei)主要的設計難點(dian)。下面將逐(zhu)一分析各個部分電路(lu)(lu)的原理與(yu)設計要點(dian)。
3.兩線制V/I變換(huan)器 V/I 變換器是一種可(ke)以用電壓信號控制輸出電流的(de)電路(lu)。兩(liang)線(xian)制V/I變換器與一般V/I變換電(dian)路(lu)不同點在：電(dian)壓信號不是直接控制輸出電(dian)流，而是控制整(zheng)個電(dian)路(lu)自身耗電(dian)電(dian)流。同時，還要從電(dian)流環路(lu)上提取穩定的電(dian)壓為(wei)調理電(dian)路(lu)和傳感器供電(dian)。附圖是兩線制V/I變換電路的(de)基本(ben)原(yuan)理圖：圖中OP1、Q1、R1、R2、Rs構成了(le)V/I變換器。分析負反(fan)饋(kui)過程(cheng)：若(ruo)A點因為(wei)某種原(yuan)因高于0V，則(ze)運放OP1輸出升高，Re兩(liang)端電壓升高，通過(guo)Re的電(dian)(dian)流變大。相(xiang)當于整體耗電(dian)(dian)變大，通過采(cai)樣電(dian)(dian)阻Rs的電(dian)流也變大，B點(dian)電壓變低（負更多）。結果(guo)是通過R2將A點電壓拉下來。反之，若A點因(yin)某種原因(yin)低于0V，也(ye)會被負反饋抬高回(hui)0V。總之，負反饋的結(jie)果是運放(fang)OP1虛短，A點電壓＝0V。下面分(fen)析(xi)Vo對總耗電的控制原理：假設調理電(dian)路(lu)輸出電(dian)壓為Vo，則流(liu)過R1的電流 I1=Vo/R1 運放輸入端不可能吸收電流，則I1全部流過R2，那么B點電壓 VB= -I1*R2 = -Vo*R2/R1 取R1=R2時，有VB=-Vo 電源負(fu)和(he)整個便(bian)送器電路之(zhi)間(jian)只有(you)Rs、R2兩(liang)個(ge)電阻(zu)，因此所有的電流都流過Rs和R2。R2上端是虛地（0V），Rs上端是GND。因此R2、Rs兩端電壓*一樣,都等于VB 。相(xiang)當于(yu)Rs與(yu) R2并(bing)聯(lian)作為電(dian)流采樣(yang)電(dian)阻。因此電(dian)路總電(dian)流： Is=Vo/（Rs//R2）如果取R2>>Rs，Is=Vo/Rs 因此，圖3中取(qu)Rs=100歐，當調理(li)電路(lu)輸出0.4~2V的時候，總耗電電流4~20mA. 若(ruo)不能滿(man)足R2>>Rs也沒(mei)關系，Rs與 R2并聯（Rs//R2）是個固定值(zhi)，Is與Vo仍然是線性關系，誤差比(bi)例系數在校準時可以消除(chu)。除(chu)了(le)電路正確以外，該(gai)電路正常工作還需要(yao)2個條件：首先要自身(shen)耗電(dian)盡量小(xiao)，省(sheng)下(xia)(xia)的電(dian)流還(huan)要供給調理電(dian)路以及變(bian)送器。其次要求運放(fang)能(neng)夠單電(dian)源工作，即在(zai)沒(mei)有(you)負電(dian)源情況下(xia)(xia)，輸入端仍(reng)能(neng)夠接受0V輸入，并能正(zheng)常工作。 LM358/324是zui常(chang)見(jian)也是的單電源(yuan)運放，耗電400uA/每運放(fang)，基本(ben)可以接受(shou)。單(dan)電源(yuan)供電時，輸入端從-0.3V~Vcc-1.5V范(fan)圍內(nei)都能正常工作。如果換成OP07等精密放大器，因為輸入不允(yun)許低至(zhi)0V，在(zai)該電路中反而無(wu)法工作。 R5和U1構成(cheng)基準源，產生(sheng)2.5V穩定的基準電(dian)壓。LM385是低(di)成本的微功耗基準，20uA以(yi)上(shang)(shang)即可工作，手冊上(shang)(shang)給(gei)出的(de)曲線在(zai)100uA附近zui平坦，所(suo)以通過R5控制電流(liu)100uA左右(you)。OP2構成一個同向放(fang)大器，將(jiang)基準放(fang)大，向調理電路及傳感器供電。因為寬輸(shu)入(ru)電壓、低功耗(hao)的穩(wen)壓器，成本高；將(jiang)基準放(fang)大作為穩(wen)壓電源(yuan)是一個廉價的方案(an)。該部分(fen)電路也可以選擇現成的集成電路。比如XTR115/116/105等，精度和穩定性(xing)比(bi)自制的好，自身功耗也更(geng)低（意味著能留(liu)更(geng)多(duo)電(dian)流給調理電(dian)路，調理部分更(geng)容易設計）。但成本比(bi)上(shang)述方案高10倍以上(shang).
4.兩線制壓力變送器設計(ji)壓力(li)橋、稱重傳感器輸出(chu)信(xin)號微(wei)弱，都屬于mV級(ji)信號(hao)。這(zhe)一類小信號(hao)一般都要求用(yong)差動放(fang)大器(qi)對其進行*級(ji)放(fang)大。一般選用(yong)低失調、低溫(wen)飄的(de)差動放(fang)大器(qi)。另外在兩線(xian)制應用(yong)中，低功耗(hao)也是必(bi)需(xu)的(de)。AD623是常用(yong)的(de)低功耗精密差(cha)動放(fang)大器(qi)，常用(yong)在差(cha)分輸出(chu)前級的(de)放(fang)大。 AD623失(shi)調zui大200uV，溫飄(piao)1uV/度(du)(du)，在一般(ban)壓力變送應用保證了(le)精度(du)(du)足夠。 R0將(jiang)0.4V疊加在(zai)AD623的(de)REF腳(jiao)（5腳）上，在壓力=0情況下通過調整R0使(shi)輸出4mA，再調整RG輸出20.00mA，完成校準(zhun)。電(dian)(dian)路設計(ji)時需注意，壓(ya)力橋傳(chuan)感器相當于一個千歐級(ji)的(de)電(dian)(dian)阻，耗(hao)電(dian)(dian)一般比(bi)較(jiao)大。適當降低壓(ya)力橋的(de)激勵電(dian)(dian)壓(ya)可以減小(xiao)耗(hao)電(dian)(dian)電(dian)(dian)流。但是輸出(chu)幅度(du)也(ye)隨之下(xia)降，需要提(ti)高AD623的增(zeng)益。圖(tu)6給(gei)出的傳感器采用(yong)恒(heng)壓(ya)供電(dian)(dian)，實際應用(yong)中大部分半導體(ti)壓(ya)力傳感器需要恒(heng)流(liu)供電(dian)(dian)才能獲得較好的溫度(du)特(te)性(xing)，可以用(yong)一個運放構成恒(heng)流(liu)源為其提供激勵。
5.穩定(ding)性和(he)安全(quan)性的考(kao)慮工業環境下環境惡劣且(qie)對可靠性要求(qiu)高，因此(ci)兩(liang)線制變送(song)器的設(she)計上需要考慮一定的保護(hu)和增(zeng)強穩定性措施。 1．電源保(bao)護。電(dian)(dian)源(yuan)接(jie)(jie)反、超壓(ya)、浪涌是工業上常見(jian)的電(dian)(dian)源(yuan)問題。電(dian)(dian)源(yuan)接(jie)(jie)反是設備安裝接(jie)(jie)線時zui容(rong)易發生的錯誤(wu)，輸入口(kou)串一(yi)只二極管即可防止接(jie)(jie)反電(dian)(dian)源(yuan)時損(sun)壞(huai)電(dian)(dian)路。如果輸入端加(jia)一(yi)個全橋整流器，那(nei)么即使電(dian)(dian)源(yuan)接(jie)(jie)反仍(reng)能(neng)正常工作。為防止雷擊(ji)、靜電(dian)(dian)放電(dian)(dian)、浪涌等能(neng)量損(sun)壞(huai)變(bian)送器，變(bian)送器入口(kou)處(chu)可以加(jia)裝一(yi)只TVS管來吸(xi)收瞬間過壓(ya)的(de)能(neng)量。一(yi)般(ban)TVS電(dian)(dian)壓值(zhi)取(qu)比運(yun)放極限電(dian)(dian)壓略低，才能起到(dao)保護作用。如果(guo)可能遭受雷擊，TVS可能(neng)吸收容(rong)量不夠，壓敏(min)電(dian)阻(zu)也是(shi)必(bi)需的，但是(shi)壓敏(min)電(dian)阻(zu)本身漏電(dian)會帶來一定誤差。 2．寬(kuan)電壓(ya)適應能力。一般兩線(xian)制變(bian)送器都能(neng)(neng)適應(ying)大(da)范圍的(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)變(bian)化而不(bu)影響精度(du)。這(zhe)樣(yang)可以適用(yong)各(ge)類電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)，同時能(neng)(neng)夠適應(ying)大(da)的(de)負載電(dian)(dian)(dian)阻。對電(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)zui敏感的(de)部分是基準(zhun)源(yuan)(yuan)，同時基準(zhun)源(yuan)(yuan)也是決定精度(du)的(de)主要元件。3樓圖中基準(zhun)通過R5限流，當(dang)電(dian)源電(dian)壓變(bian)化時，R5上電流也隨之改(gai)變，對基(ji)準(zhun)穩定性影響很大。附圖(tu)中(zhong)利用恒流源LM334為基準(zhun)供電(dian)，電(dian)壓大范圍變(bian)(bian)化時，電(dian)流基本(ben)不變(bian)(bian)，保證了基準(zhun)的穩定性。 3．退藕(ou)電容一般的電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路設計中(zhong)，每(mei)個集成電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路的電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源端(duan)都會(hui)有(you)退藕(ou)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)。在(zai)兩線制變(bian)送器上電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)，這些(xie)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)的充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)會(hui)在(zai)瞬間導致(zhi)大電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流，有(you)可能會(hui)損壞遠(yuan)方儀表(biao)。因(yin)此(ci)每(mei)個退藕(ou)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容(rong)一般不超過(guo)10nF，總(zong)退(tui)藕電容不宜超過50nF。入口處一(yi)個10nF電容是必(bi)需的，保(bao)證長線感(gan)性負載下，電路不震蕩。
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