4-20mA電流環(huán)路發(fā)送器入門

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(jìn)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(hù)。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(yīng)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(fù)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(dǎo)線電阻的影響。當(dāng)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(jìn)行修復(fù)。另外，電流環(huán)路還可以相對簡單地防止電氣暫態(tài)導(dǎo)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?fù)?，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(jìn)行處理和控制。物理參數(shù)包括壓力、位置、溫度、電平、應(yīng)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(shè)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(dāng)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?fù)洌狠斎敫綦x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?fù)?見圖3)支持工作電流超過4mA的傳感器發(fā)送器設(shè)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(dá)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(dāng)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?fù)洌狠斎敫綦x三線發(fā)送器。輸入隔離三線發(fā)送器的隔離結(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng)用中。現(xiàn)場級雙線和三線傳感器發(fā)送器占據(jù)了應(yīng)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)。