4-20mA二线制变送器设计

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1、两线制4/20mA变送器的电路设计两线制4/20mA变送器的电路设计T业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。工业上最广泛采用的是用4〜20mA电流来传输模拟量。采用电流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：止常工作时不会低于4mA,当传输线因故障断路，环路电流降为

2、0。常取2mA作为断线报警值。电流型变送器将物理量转换成4〜20mA电流输出，必然要冇外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND）,可节省一根线，称之为三线制变送器。其实大家可能注意到，4・20mA电流木身就可以为变送器供电，如图1C所示。变送器在电路屮相当于一个特殊的负载，特殊Z处在于变送器的耗电电流在4〜20mA之间根据传感器输出而变化。显示仪表只需要串在电路中即可。这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA,因此只要在量程范

3、围内，变送器至少冇4mA供电。这使得两线制传感器的设计成为可能。在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。两者之间距离可能数十至数百米。按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！因此在应用屮两线制传感器必然是首选。传感器传感器变送器变送器变送器Or^sH-v—T24V传感器2.两线制变送器的结构与原理两线制变送器的原理是利用了4〜2（）mA信号为口身提供电能。如果变送器口身耗电大于4mA,那么将不可能输出下限4mA值。因此一般要求两线制变送器口身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。这是两线制变送器的设计根本原则之一。从

4、整体结构上来看，两线制变送器由三大部分纽成：传感器、调理电路、两线制V/I变换器构成。传感器将温度、压力等物理量转化为电参量，调理电路将传感器输出的微弱或非线性的电信号进行放大、调理、转化为线性的电压输出。两线制V/I变换电路根据信号调理电路的输出控制总体耗电电流；同时从环路上获得电压并稳压，供调理电路和传感器使用。除了V/I变换电路Z外，电路中每个部分都冇其口身的耗电电流，两线制变送器的核心设计思想是将所冇的电流都包括在V/I变换的反馈环路内。如图，采样电阻Rs串联在电路的低端，所有的电流都将通过Rs流冋到电源负极。从Rs上取到的反馈信号，包含了所有屯路的耗屯。在两线制变送器中

5、，所有的电路总功耗不能大于3.5mA,因此电路的低功耗成为主要的设计难点。卜面将逐一分析各个部分电路的原理与设计要点。Vcc传感器Vo激励Vcc调理电路ViVoVo两线制V/I变换电路Vi电压反馈Rs——)两线制变送器2.两线制V/I变换器V/I变换器是一种可以用电压信号控制输出电流的电路。两线制V/I变换器与一般V/I变换电路不同点在：电压信号不是直接控制输出电流，而是控制整个电路自身耗电电流。同时，还要从电流环路上提取稳定的电压为调理电路和传感器供电。附图是两线制V/I变换电路的基本原理图：图屮OP1、QI、Rl、R2、Rs构成了V/I变换器。分析负反馈过程：若A点因为某种原

6、因高于0V,贝I」运放OP1输出升高，Re两端电压升高，通过Re的电流变大。相当于整体耗屯变大，通过采样屯阻Rs的电流也变大，B点电压变低(负更多)。结果是通过R2将A点电压拉下来。反之，若A点因某种原因低TOV,也会被负反馈抬高回OVo总之，负反馈的结果是运放OP1虚短，A点电压=0V。下面分析Vo対总耗电的控制原理：假设调理电路输出电压为Vo,则流过R1的电流II二Vo/Rl运放输入端不可能吸收电流，则II全部流过R2,那么B点电压VB=-I1*R2=-Vo*R2/Rl取R1二R2时，冇VB=-Vo电源负和整个便送器电路Z间只冇Rs、R2两个电阻，因此所有的电流都流过Rs和R

7、2。R2±端是虚地(0V),Rs上端是GND。因此R2、Rs两端电压完全一样,都等于VBo相当于Rs与R2并联作为电流采样电阻。因此电路总电流：Is=Vo/(Rs//R2)如果取R2»Rs,Is=Vo/Rs因此，图3中取Rs=100欧,当调理电路输出0・4~2V的时候，总耗电电流4〜20mA.若不能满足R2»Rs也没关系，Rs与R2并联(Rs//R2)是个固定值，Is与Vo仍然是线性关系，误差比例系数在校准时可以消除。除了电路正确以外，该电路正常工作还需要2个条件:首先要自身耗电