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，用一個儀表放大器來完成信號的調(diào)理并進行長線傳輸，會產(chǎn)生以下問題：第一，由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘枺瑐鬏斁€會受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會產(chǎn)生電壓降；第三，在現(xiàn)場如何提供儀表放大器的工作電壓也是個問題。為了解決上述問題和避開相關噪聲的影響，我們用電流來傳輸信號，因為電流對噪聲并不敏感。4～20mA的電流環(huán)便是用4mA表示零信號，用20mA表示信號的滿刻度，而低于4mA高于20mA的

2、信號用于各種故障的報警。4～20mA電流環(huán)有兩種類型：二線制和三線制。當監(jiān)控系統(tǒng)需要通過長線驅(qū)動現(xiàn)場的驅(qū)動器件如閥門等時，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)場端，由于現(xiàn)場供電問題的存在，一般是接收端利用4～20mA的電流環(huán)向遠端的XTR供電，通過4～20mA來反映信號的大小。4～20mA產(chǎn)品的典型應用是傳感和測量應用，見圖1。在

3、工業(yè)現(xiàn)場有許多種類的傳感器可以被轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號，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源、電流激勵流、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轉(zhuǎn)化為4～20mA的信號。圖1(略)電橋傳感器的大多數(shù)應用是用于測量壓力。在一個實際電路中，如果惠斯登電橋每條臂上的電阻為2k，那么無論從激勵電壓端或差分輸出端看進去，它的等效電阻都是2k。在沒有壓力的時

4、候，它的電橋是平衡的，輸出電壓為0。當施加壓力時，由于電橋失衡，會產(chǎn)生一個差分電壓，差分電壓便會反映這個壓力的大小。滿度和色調(diào)是壓力傳感器的兩個主要技術指標，現(xiàn)實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的傳感器信號調(diào)理解決方案的傳感器信號調(diào)理解決方案4～20mA電流環(huán)在結構上由兩部分即變送器和接收器組成，變送器一般位于現(xiàn)場端、傳感

5、器端或模塊端，而接收器一般在PLC和計算機端，它一般在控制器內(nèi)。二線制4～20mA電路應用，其工作電源和信號共用一根導線，工作電源由接收端提供。為了避免5060Hz的工頻干擾，采用電流來傳輸信號。二線制方案需要考慮的主要問題：確定所用接收器的數(shù)量，當有多個接收器時，它將要求變送器擁有一個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。二線制方案設計需要考慮：（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）決定傳感器的激勵方法是電壓還是電流。圖2(略)圖2為TI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信號的精密的信號轉(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。一個精密的片上基準電壓可以用于電壓偏置或者傳感器的激勵。三線制4～20mA電路在設計上是由變送器端提供工作電源，為避免5060Hz的工頻干擾，采用電流來傳輸信號。XTR調(diào)節(jié)器

7、和現(xiàn)場的負載共用一個地接。方案設計需要考慮：（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，并應該有一定的余量。TI提供的三線制的變送器應用方案如圖3所示，圖中XTR110是一個用于模擬信號傳送的精密的電壓電問：變送器傳輸過來的信號應該怎么處理？是不是先要經(jīng)過電流到電壓的變化然后再到ADC？對ADC的選擇有什么特殊的考慮？答：變送器傳輸?shù)男盘栔饕且粋€電流信號，如果要采集

8、它，一般要經(jīng)過電流到電壓的轉(zhuǎn)換，這個TI有一個RCV420可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。對于ADC的選擇，主要根據(jù)對信號精度的要求來考慮。問：接收二線制4~20mA信號與三線制4~20mA信號，在接收方式和信號處理上有何不同？要注意些什么問題？答：在接收方式上，如果是二線制4~20mA信號，由接收端向SPI端提供電源，通過電源線經(jīng)過4~20mA信號線來提供電源。三線制4～20mA信號是由發(fā)生端（SPI）來提供電源的，所以說它們提供的電源是不同的，一個是

9、由接收端而另一個是從遠端來提供電源的。它們在信號處理上都要將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器，這時候就牽扯到一個怎樣向二線制變送器提供電源的問題。一般在工業(yè)上，它們會加一個推電器，就是在接收端同時提供一個24V的電源，通過4~20mA電流線向遠端進行供電。問：現(xiàn)在市場上的變送器是否有數(shù)字輸出接口？比如RS485或者RS232？答：現(xiàn)在市場上的變送器通常用標準的485或232通訊接口來傳輸，這個產(chǎn)品其實早在10年前就有了，它們

10、把現(xiàn)場的信號模擬成傳感器的信號，直接傳數(shù)字量，然后經(jīng)過485進行傳輸，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，如果用它來做的話，很容易把它做成一個485或232通信接口的數(shù)字變送器芯片。問：在4~20mA變送器的信號傳輸過程中，如何有效地防止各類電磁、過電壓對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，首先說電磁

11、的發(fā)射，當傳感器接入的時候，如果具有很高的輸入阻抗的時候，有可能產(chǎn)生電磁干擾，可以加一些電阻電容進行濾波，TI在這方面有一些應用電路的介紹可供大家參考。過電壓的時候，4~20mA的長線輸出的時候，可以借助36V的穩(wěn)壓塊來進行過電壓保護，如果極性接反的時候，可以在輸入回路里加一個整流橋堆來對極性進行調(diào)整。問：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，是否能給一個具體例子？答：如果將4~20mA電流轉(zhuǎn)換成電壓再經(jīng)過ADC

12、轉(zhuǎn)換時，TI有一個專用芯片RCV420，它里面采用的是一個精密的電子網(wǎng)絡還有一個精密比例的運算放大器和一個精密的基準電壓器，即10V的基準電壓，這個10V基準電壓大概是5個或10個TTN的溫度系數(shù)，用這個片子就可以很精確地將前面的4~20mA電流轉(zhuǎn)換成一個電壓輸出了。問：有沒有串行接口出來就是4~20mA？最好能出來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)品來完成這個功能。用一個X

13、TR110，它是一個很廉價的電壓到電流的轉(zhuǎn)換，前面或者用一個DA轉(zhuǎn)換器，或者用一個PWM的信號來完成DA轉(zhuǎn)換。將FSK信號直接經(jīng)過一個電阻接到XTR115的輸入端，這樣就可以滿足HART協(xié)議來替換AD420，這時的成本應該是很低的，應用也很方便。問：使用4~20mA變送器時，是否需要通過控制器對其進行編程？答：TI變送器電流環(huán)有幾類產(chǎn)品，有的可以通過控制器進行編程校正，也有的可以通過模擬的、通過外部設置來進行校正。問：如何用PWM信號控

14、制4～20mA電流？答：用PWM信號控制4～20mA電流很常用，通常采用一個單片機放在前面對傳感器進行測量，測量好后把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，但是它內(nèi)部不包含DA轉(zhuǎn)換器，它是用一個PWM信號來輸出。像TI的XTR115芯片，它包含一個典型電路：把PWM信號經(jīng)整流濾波后直接輸出一個4~20mA的信號。因此直接使用TI的XTR115或XTR116即可完成電路的控制。問：是否有辦法從4~20mA線纜中取電，同時又不影響模擬信號的轉(zhuǎn)換和采集結果