4-20mA電流環(huán)路發(fā)送器入門知識

　　在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，4-20 mA電流環(huán)路發(fā)送器一直是在控制中心和現(xiàn)場傳感器/執(zhí)行器之間進行數(shù)據(jù)傳輸最為常用的發(fā)送器，主要是因其便于安裝、使用和維護。隨著氣動信號被用于控制執(zhí)行器，并在早期工業(yè)自動化現(xiàn)場作為比例控制之后，4-20 mA電流環(huán)路發(fā)送器開始被大量應用［1］。典型的壓力范圍是3 PSI – 15 PSI，其中3 PSI代表零度輸入/輸出，15 PSI代表滿量輸入/輸出。如果氣動管路發(fā)生破裂，壓力將降至0 PSI，表示出現(xiàn)需要修復的故障。電子化開始普及之后，氣動管路逐漸被替代，取而代之的是由放大器、晶體管和其他分立電子元件組成的4-20 mA電流環(huán)路。

　　您可能會問“為什么要使用電流環(huán)路？”基爾霍夫定律中指出電流在閉合環(huán)路中是恒定的。由此便可以在很長的距離內(nèi)使用4-20 mA電流環(huán)路，而且環(huán)路中任一點的電流都是恒定的，不受導線電阻的影響。當然，歐姆定律有效性的前提是具備充分的環(huán)路電壓。類似于氣動系統(tǒng)，線路斷裂或斷開會使環(huán)路電流降為0 mA，必須對故障進行修復。另外，電流環(huán)路還可以相對簡單地防止電氣暫態(tài)導致的破壞，而且對無線電頻率干擾或電磁干擾也具備天然的抵抗能力［2］。

　　最常見的4-20 mA發(fā)送器類型是雙線拓撲，或雙線傳感器發(fā)送器（見圖1）。

　　圖 1帶有雙線模擬輸入模塊的簡化雙線4-20 mA傳感器發(fā)送器

　　雙線傳感器發(fā)送器用于將現(xiàn)場的物理參數(shù)發(fā)送回模擬輸入模塊，以進行處理和控制。物理參數(shù)包括壓力、位置、溫度、電平、應變、荷載、流量、成分/雜質(zhì)等。正如產(chǎn)品名稱的表述一樣，該款發(fā)送器為雙線。因此，傳感器的電源線與傳送4-20 mA信號的兩條線路相同，這也是雙線4-20 mA發(fā)送器的主要設計要求。傳感器、傳感器調(diào)理電路和4-20 mA傳送電路的工作電流必須小于4 mA，否則發(fā)送器便無法輸出4 mA零度電平［3］。

　　請注意，VLOOP GND不是雙線發(fā)送器的接線。因此，發(fā)送器必須創(chuàng)建一條局部接地線（GND）或雙線GND。當發(fā)送器輸出電流改變接收器阻抗回輸（RTN）接頭的電壓時，該雙線GND必須相對VLOOP GND上下浮動［3］。如果傳感器可以電氣性連接至相對VLOOP GND的電勢，則此時需要采取隔離措施。該情形在熱耦傳感器發(fā)送器中比較常見，因為熱電偶通常熱短接或電氣性短接至其所測量溫度的材料。

　　雙線發(fā)送器只有一種可行性隔離拓撲：輸入隔離雙線發(fā)送器（見圖2）。輸入隔離雙線發(fā)送器從環(huán)形電源生成一個局部隔離電源，該環(huán)形電源為傳感器、傳感器調(diào)理電路和隔離通信供電。隔離勢壘與發(fā)送器輸出級之間最常用的數(shù)據(jù)傳送方法是數(shù)字隔離寬脈調(diào)制、單線或串行外圍接口（SPI）的信號。

　　圖 2　簡化的輸入隔離雙線4-20 ma傳感器發(fā)送器

　　如上文所述，雙線傳感器發(fā)送器具有一定的局限性，主要原因是傳感器發(fā)送器的總消耗電流必須小于4mA。這就意味著很多類型的傳感器無法使用，包括不限制電橋電流的低電阻電橋（例如100 Ω、120 Ω、350 Ω），因其會降低電橋的敏感性和精確度。三線傳感器發(fā)送器拓撲（見圖3）支持工作電流超過4mA的傳感器發(fā)送器設計。

　　圖 3 簡化的三線4-20 mA傳感器發(fā)送器（雙線模擬輸入模塊）

　　三線傳感器發(fā)送器從三線模擬輸入模塊接收供電，與GND連接以支持傳感器和調(diào)理電路的供電要求。這樣可使傳感器功率達到要求的水平，同時不會對傳感器的輸出范圍造成影響（保持歐姆定律）。這樣還可以使三線發(fā)送器創(chuàng)建0-20 mA和0-24 mA等常用的輸出電流范圍。當需要電壓輸出時（例如 0-10 V、±10 V），也會使用到三線傳感器發(fā)送器。

　　如果傳感器必須與模擬輸出模塊供電和GND電勢隔離，三線發(fā)送器則也有一個隔離拓撲：輸入隔離三線發(fā)送器。輸入隔離三線發(fā)送器的隔離結構與輸入隔離雙線發(fā)送器相類似。在傳感器信息經(jīng)隔離勢壘發(fā)送至三線發(fā)送器輸出級之前，會為傳感器和傳感器調(diào)理電路生成一個局部隔離供電。

　　圖 4　簡化的輸入隔離三線傳感器發(fā)送器

　　結論

　　盡管4-20 mA電流環(huán)路發(fā)送器已問世數(shù)十年，但它至今仍被廣泛用于工業(yè)工廠自動化和控制應用中?，F(xiàn)場級雙線和三線傳感器發(fā)送器占據(jù)了應用三線可編程邏輯控制器（PLC）模擬輸入市場的大部分市場份額，其余則被四線傳感器發(fā)送器占據(jù)。

　　下期我們將討論精確電流測量如何優(yōu)化電機控制，歡迎您繼續(xù)關注。

　　參考文獻

　　4-20 mA 發(fā)送器應用注釋，Dataforth 公司。

　　Duke， Kevin。工業(yè)DACs：如何保護雙線發(fā)送器，模擬精密技術雜談，德州儀器，2015。

　　Wells， Collin。雙線4-20 mA傳感器發(fā)送器博客系列，模擬精密技術雜談，德州儀器，2015。
作者：Collin Wells, 德州儀器精密模擬應用工程師