4-20ma電流環(huán)工作原理

1、420mA電流環(huán)工作原理電流環(huán)工作原理在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，用一個(gè)儀表放大器來(lái)完成信號(hào)的調(diào)理并進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸，會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：第一，由于傳輸?shù)男盘?hào)是電壓信號(hào)，傳輸線會(huì)受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降；第三，在現(xiàn)場(chǎng)如何提供儀表放大器的工作電壓也是個(gè)問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題和避開(kāi)相關(guān)噪聲的影響，我們用電流來(lái)傳輸信號(hào)，因?yàn)殡娏鲗?duì)噪聲并不敏感。4～20mA的電流環(huán)便是用4mA表示零信號(hào)，用20mA表示信號(hào)的滿刻度，而低于4mA高于20mA的

2、信號(hào)用于各種故障的報(bào)警。4～20mA電流環(huán)有兩種類型：二線制和三線制。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)需要通過(guò)長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)器件如閥門(mén)等時(shí)，一般采用三線制變送器，這里XTR位于監(jiān)控的系統(tǒng)端，由系統(tǒng)直接向XTR供電，供電電源是二根電流傳輸線以外的第三根線。二線系統(tǒng)是XTR和傳感器位于現(xiàn)場(chǎng)端，由于現(xiàn)場(chǎng)供電問(wèn)題的存在，一般是接收端利用4～20mA的電流環(huán)向遠(yuǎn)端的XTR供電，通過(guò)4～20mA來(lái)反映信號(hào)的大小。4～20mA產(chǎn)品的典型應(yīng)用是傳感和測(cè)量應(yīng)用，見(jiàn)圖1。在

3、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有許多種類的傳感器可以被轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號(hào)，TI擁有一些很方便的用于RTD和電橋的變送器芯片。由于TI的變送器芯片含有通用的功能電路比如電壓激勵(lì)源、電流激勵(lì)流、穩(wěn)壓電路、儀表放大器等，所以可以很方便地把許多傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20mA的信號(hào)。圖1(略)電橋傳感器的大多數(shù)應(yīng)用是用于測(cè)量壓力。在一個(gè)實(shí)際電路中，如果惠斯登電橋每條臂上的電阻為2k，那么無(wú)論從激勵(lì)電壓端或差分輸出端看進(jìn)去，它的等效電阻都是2k。在沒(méi)有壓力的時(shí)

4、候，它的電橋是平衡的，輸出電壓為0。當(dāng)施加壓力時(shí)，由于電橋失衡，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)差分電壓，差分電壓便會(huì)反映這個(gè)壓力的大小。滿度和色調(diào)是壓力傳感器的兩個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)，現(xiàn)實(shí)世界里使用著的傳感器都存在著一定的非線性，它的輸出電壓會(huì)隨著溫度的變化而變化。輸出電壓隨溫度的變化不是線性的，滿度和色調(diào)都具有這種性質(zhì)。4～20mA的傳感器信號(hào)調(diào)理解決方案的傳感器信號(hào)調(diào)理解決方案4～20mA電流環(huán)在結(jié)構(gòu)上由兩部分即變送器和接收器組成，變送器一般位于現(xiàn)場(chǎng)端、傳感

5、器端或模塊端，而接收器一般在PLC和計(jì)算機(jī)端，它一般在控制器內(nèi)。二線制4～20mA電路應(yīng)用，其工作電源和信號(hào)共用一根導(dǎo)線，工作電源由接收端提供。為了避免5060Hz的工頻干擾，采用電流來(lái)傳輸信號(hào)。二線制方案需要考慮的主要問(wèn)題：確定所用接收器的數(shù)量，當(dāng)有多個(gè)接收器時(shí)，它將要求變送器擁有一個(gè)較低的工作電源電壓。另外一種考慮是降低回路電流在接收端的壓降。二線制方案設(shè)計(jì)需要考慮：（1）電路環(huán)中的接收器的數(shù)量：更多的接收器將要求變送器有較低的工作

6、電壓；（2）變送器所必需的工作電壓要有一定的余量；（3）決定傳感器的激勵(lì)方法是電壓還是電流。圖2(略)圖2為T(mén)I提供的帶有電壓調(diào)節(jié)和參考電路的二線制方案。圖中XTR115116是用于4～20mA信號(hào)的精密的信號(hào)轉(zhuǎn)換器，它包含有5V電壓的穩(wěn)壓電路，可以向外部電路供電。一個(gè)精密的片上基準(zhǔn)電壓可以用于電壓偏置或者傳感器的激勵(lì)。三線制4～20mA電路在設(shè)計(jì)上是由變送器端提供工作電源，為避免5060Hz的工頻干擾，采用電流來(lái)傳輸信號(hào)。XTR調(diào)節(jié)器

7、和現(xiàn)場(chǎng)的負(fù)載共用一個(gè)地接。方案設(shè)計(jì)需要考慮：（1）電流環(huán)路中的接收器的數(shù)量；（2）更多的接收器要求變送器擁有更高的工作電壓；（3）保證變送器所必需的工作電壓，并應(yīng)該有一定的余量。TI提供的三線制的變送器應(yīng)用方案如圖3所示，圖中XTR110是一個(gè)用于模擬信號(hào)傳送的精密的電壓電問(wèn)：變送器傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)應(yīng)該怎么處理？是不是先要經(jīng)過(guò)電流到電壓的變化然后再到ADC？對(duì)ADC的選擇有什么特殊的考慮？答：變送器傳輸?shù)男盘?hào)主要是一個(gè)電流信號(hào)，如果要采集

8、它，一般要經(jīng)過(guò)電流到電壓的轉(zhuǎn)換，這個(gè)TI有一個(gè)RCV420可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。對(duì)于ADC的選擇，主要根據(jù)對(duì)信號(hào)精度的要求來(lái)考慮。問(wèn)：接收二線制4~20mA信號(hào)與三線制4~20mA信號(hào)，在接收方式和信號(hào)處理上有何不同？要注意些什么問(wèn)題？答：在接收方式上，如果是二線制4~20mA信號(hào)，由接收端向SPI端提供電源，通過(guò)電源線經(jīng)過(guò)4~20mA信號(hào)線來(lái)提供電源。三線制4～20mA信號(hào)是由發(fā)生端（SPI）來(lái)提供電源的，所以說(shuō)它們提供的電源是不同的，一個(gè)是

9、由接收端而另一個(gè)是從遠(yuǎn)端來(lái)提供電源的。它們?cè)谛盘?hào)處理上都要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后再經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換器，這時(shí)候就牽扯到一個(gè)怎樣向二線制變送器提供電源的問(wèn)題。一般在工業(yè)上，它們會(huì)加一個(gè)推電器，就是在接收端同時(shí)提供一個(gè)24V的電源，通過(guò)4~20mA電流線向遠(yuǎn)端進(jìn)行供電。問(wèn)：現(xiàn)在市場(chǎng)上的變送器是否有數(shù)字輸出接口？比如RS485或者RS232？答：現(xiàn)在市場(chǎng)上的變送器通常用標(biāo)準(zhǔn)的485或232通訊接口來(lái)傳輸，這個(gè)產(chǎn)品其實(shí)早在10年前就有了，它們

10、把現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)模擬成傳感器的信號(hào)，直接傳數(shù)字量，然后經(jīng)過(guò)485進(jìn)行傳輸，這是比較多的。如果你是用TI的芯片，比如MSC12XX，它內(nèi)置的80528952里面帶16位或24位AD轉(zhuǎn)換器及通信接口輸出，如果用它來(lái)做的話，很容易把它做成一個(gè)485或232通信接口的數(shù)字變送器芯片。問(wèn)：在4~20mA變送器的信號(hào)傳輸過(guò)程中，如何有效地防止各類電磁、過(guò)電壓對(duì)于接收裝置造成的干擾？在系統(tǒng)故障狀態(tài)，是否具有事故信息追憶功能？答：如果有電磁干擾，首先說(shuō)電磁

11、的發(fā)射，當(dāng)傳感器接入的時(shí)候，如果具有很高的輸入阻抗的時(shí)候，有可能產(chǎn)生電磁干擾，可以加一些電阻電容進(jìn)行濾波，TI在這方面有一些應(yīng)用電路的介紹可供大家參考。過(guò)電壓的時(shí)候，4~20mA的長(zhǎng)線輸出的時(shí)候，可以借助36V的穩(wěn)壓塊來(lái)進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)，如果極性接反的時(shí)候，可以在輸入回路里加一個(gè)整流橋堆來(lái)對(duì)極性進(jìn)行調(diào)整。問(wèn)：如何將接收端的電流轉(zhuǎn)換成電壓以便于ADC轉(zhuǎn)換？主要是精度方面，是否能給一個(gè)具體例子？答：如果將4~20mA電流轉(zhuǎn)換成電壓再經(jīng)過(guò)ADC

12、轉(zhuǎn)換時(shí)，TI有一個(gè)專用芯片RCV420，它里面采用的是一個(gè)精密的電子網(wǎng)絡(luò)還有一個(gè)精密比例的運(yùn)算放大器和一個(gè)精密的基準(zhǔn)電壓器，即10V的基準(zhǔn)電壓，這個(gè)10V基準(zhǔn)電壓大概是5個(gè)或10個(gè)TTN的溫度系數(shù)，用這個(gè)片子就可以很精確地將前面的4~20mA電流轉(zhuǎn)換成一個(gè)電壓輸出了。問(wèn)：有沒(méi)有串行接口出來(lái)就是4~20mA？最好能出來(lái)0~20mA，類似于ADI的AD420，但AD420太貴，而且外圍東西太多。答：也可以用TI的產(chǎn)品來(lái)完成這個(gè)功能。用一個(gè)X

13、TR110，它是一個(gè)很廉價(jià)的電壓到電流的轉(zhuǎn)換，前面或者用一個(gè)DA轉(zhuǎn)換器，或者用一個(gè)PWM的信號(hào)來(lái)完成DA轉(zhuǎn)換。將FSK信號(hào)直接經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻接到XTR115的輸入端，這樣就可以滿足HART協(xié)議來(lái)替換AD420，這時(shí)的成本應(yīng)該是很低的，應(yīng)用也很方便。問(wèn)：使用4~20mA變送器時(shí)，是否需要通過(guò)控制器對(duì)其進(jìn)行編程？答：TI變送器電流環(huán)有幾類產(chǎn)品，有的可以通過(guò)控制器進(jìn)行編程校正，也有的可以通過(guò)模擬的、通過(guò)外部設(shè)置來(lái)進(jìn)行校正。問(wèn)：如何用PWM信號(hào)控

14、制4～20mA電流？答：用PWM信號(hào)控制4～20mA電流很常用，通常采用一個(gè)單片機(jī)放在前面對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量好后把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，但是它內(nèi)部不包含DA轉(zhuǎn)換器，它是用一個(gè)PWM信號(hào)來(lái)輸出。像TI的XTR115芯片，它包含一個(gè)典型電路：把PWM信號(hào)經(jīng)整流濾波后直接輸出一個(gè)4~20mA的信號(hào)。因此直接使用TI的XTR115或XTR116即可完成電路的控制。問(wèn)：是否有辦法從4~20mA線纜中取電，同時(shí)又不影響模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換和采集結(jié)果