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兩線制4/20mA變送器的電路設(shè)計

作者: 時間:2010-01-15 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

兩線制

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/181081.htm


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(shè)備上。這種將物理量轉(zhuǎn)換成電信號的設(shè)備稱為。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(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(dāng)于一個特殊的負(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計成為可能。
在工業(yè)應(yīng)用中,測量點一般在現(xiàn)場,而顯示設(shè)備或者控制設(shè)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(dǎo)線意味著成本降低近百元!因此在應(yīng)用中兩線制傳感器必然是首選。

2. 兩線制變送器的結(jié)構(gòu)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(shè)計根本原則之一。從整體結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jìn)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(shè)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(fù)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(shè)計難點。下面將逐一分析各個部分電路的原理與設(shè)計要點。


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