兩線制4/20mA變送器的電路設計

兩線制4/20mA變送器的電路設計

工業(yè)上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設備上。這種將物理量轉(zhuǎn)換成電信號的設備稱為變送器。工業(yè)上最廣泛采用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量。
采用電流信號的原因是不容易受干擾。并且電流源內(nèi)阻無窮大，導線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低于4mA，當傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。
電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線，加上兩根電流輸出線，總共要接4根線，稱之為四線制變送器。當然，電流輸出可以與電源公用一根線（公用VCC或者GND），可節(jié)省一根線，稱之為三線制變送器。
其實大家可能注意到， 4-20mA電流本身就可以為變送器供電，如圖1C所示。變送器在電路中相當于一個特殊的負載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4~20mA之間根據(jù)傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業(yè)電流環(huán)標準下限為 4mA，因此只要在量程范圍內(nèi)，變送器至少有4mA供電。這使得兩線制傳感器的設計成為可能。
在工業(yè)應用中，測量點一般在現(xiàn)場，而顯示設備或者控制設備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能數(shù)十至數(shù)百米。按一百米距離計算，省去2根導線意味著成本降低近百元！因此在應用中兩線制傳感器必然是首選。

2. 兩線制變送器的結構與原理兩線制變送器的原理是利用了4~20mA信號為自身提供電能。如果變送器自身耗電大于4mA，那么將不可能輸出下限4mA值。因此一般要求兩線制變送器自身耗電（包括傳感器在內(nèi)的全部電路）不大于3.5mA。這是兩線制變送器的設計根本原則之一。從整體結構上來看，兩線制變送器由三大部分組成：傳感器、調(diào)理電路、兩線制V/I變換器構成。傳感器將溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)化為電參量，調(diào)理電路將傳感器輸出的微弱或非線性的電信號進行放大、調(diào)理、轉(zhuǎn)化為線性的電壓輸出。兩線制V/I變換電路根據(jù)信號調(diào)理電路的輸出控制總體耗電電流；同時從環(huán)路上獲得電壓并穩(wěn)壓，供調(diào)理電路和傳感器使用。除了V/I變換電路之外，電路中每個部分都有其自身的耗電電流，兩線制變送器的核心設計思想是將所有的電流都包括在V/I變換的反饋環(huán)路內(nèi)。如圖，采樣電阻Rs串聯(lián)在電路的低端，所有的電流都將通過Rs流回到電源負極。從Rs上取到的反饋信號，包含了所有電路的耗電。在兩線制變送器中，所有的電路總功耗不能大于3.5mA，因此電路的低功耗成為主要的設計難點。下面將逐一分析各個部分電路的原理與設計要點。