兩線制" title="兩線制">兩線制4/20mA" title="4/20mA">4/20mA變送器" title="變送器">變送器的電路設(shè)計(jì)

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(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?yàn)榉辣囊螅?0mA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(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(shí)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(jì)成為可能。

在工業(yè)應(yīng)用中，測量點(diǎn)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)難點(diǎn)。下面將逐一分析各個部分電路的原理與設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

3. 兩線制V/I變換器 V/I 變換器是一種可以用電壓信號控制輸出電流的電路。兩線制V/I變換器與一般V/I變換電路不同點(diǎn)在：電壓信號不是直接控制輸出電流，而是控制整個電路自身耗電電流。同時，還要從電流環(huán)路上提取穩(wěn)定的電壓為調(diào)理電路和傳感器供電。附圖是兩線制V/I變換電路的基本原理圖：圖中OP1、Q1、R1、R2、Rs構(gòu)成了V/I變換器。分析負(fù)反饋過程：若A點(diǎn)因?yàn)槟撤N原因高于0V，則運(yùn)放OP1輸出升高，Re兩端電壓升高，通過 Re的電流變大。相當(dāng)于整體耗電變大，通過采樣電阻Rs的電流也變大，B點(diǎn)電壓變低（負(fù)更多）。結(jié)果是通過R2將A點(diǎn)電壓拉下來。反之，若A點(diǎn)因某種原因低于0V，也會被負(fù)反饋抬高回0V。

總之，負(fù)反饋的結(jié)果是運(yùn)放OP1虛短，A點(diǎn)電壓＝0V。下面分析Vo對總耗電的控制原理：假設(shè)調(diào)理電路輸出電壓為Vo，則流過R1的電流 I1=Vo/R1 運(yùn)放輸入端不可能吸收電流，則I1全部流過R2，那么B點(diǎn)電壓 VB= -I1*R2 = -Vo*R2/R1 取R1=R2時，有VB=-Vo 電源負(fù)和整個便送器電路之間只有Rs、R2兩個電阻，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兩端電壓完全一樣,都等于VB 。

相當(dāng)于Rs與 R2并聯(lián)作為電流采樣電阻。因此電路總電流： Is=Vo/(Rs//R2) 如果取R2>>Rs，Is=Vo/Rs 因此，圖3中取Rs=100歐，當(dāng)調(diào)理電路輸出0.4~2V的時候，總耗電電流4~20mA. 若不能滿足R2>>Rs也沒關(guān)系，Rs與 R2并聯(lián)（Rs//R2）是個固定值，Is與Vo仍然是線性關(guān)系，誤差比例系數(shù)在校準(zhǔn)時可以消除。除了電路正確以外，該電路正常工作還需要2個條件：首先要自身耗電盡量小，省下的電流還要供給調(diào)理電路以及變送器。其次要求運(yùn)放能夠單電源工作，即在沒有負(fù)電源情況下，輸入端仍能夠接受0V輸入，并能正常工作。 LM358/324是最常見也是價格最低的單電源運(yùn)放，耗電400uA/每運(yùn)放，基本可以接受。