4～20mA电流变送器的工业控制应用

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1、一、4〜20mA电流环工作原理在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阴会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。4~20mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。4〜20mA电流环有两种类型：二线制和三线制。当监控系统需要通过长线驱动现场的驱动器件如阀门等时，一般采用三线制变

2、送器，这里XTR位于监控的系统端，由系统直接向XTR供电，供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。二线系统是XTR和传感器位于现场端，由于现场供电问题的存在，一般是接收端利用4〜20mA的电流环向远端的XTR供电，通过4〜20mA来反映信号的大小。4〜20mA产品的典型应用是传感和测量应用，见图K在工业现场有许多种类的传感器可以被转换成4〜20mA的电流信号，TI拥有一些很方便的用于RTD和电桥的变送器芯片。由于TI变送器芯片含有通用的功能电路比如电压激励源、电流激励流、稳压电路、仪表放大器等，所以可以很方便地把许多传感器的信号转化为4〜20mA的信号。电桥传感器

3、的大多数应用是用于测量压力。在一个实际电路中，如果惠斯登电桥每条臂上的电阴为2k,那么无论从激励电压端或差分输出端看进去，它的等效电阴都是2kQo在没有压力的时候，它的电桥是平衡的，输出电压为零。当施加压力时，由于电桥失衡，会产生一个差分电压，差分电压、便会反映这个压力的大小。满度和色调是压力传感器的两个主要技术指标，现实世界里使用着的传感器都存在着一定的非线性，它的输出电压会随着温度的变化而变化。输出电压随温度的变化不是线性的，满度和色调都具有这种性质。二、4~20mA的传感器信号调理解决方案4〜20mA电流环在结构上由两部分即变送器和接收器组成，变送器一般位于

4、现场端、传感器端或模块端，而接收器一般在PLC和计算机端，它一般在控制器内。二线制4〜20mA电路应用，其工作电源和信号共用一根导线，工作电源由接收端提供。为了避免50/60HZ的工频干扰，采用电流来传输信号。二线制方案需要考虑的主要问题：确定所用接收器的数量，当有多个接收器时，它将要求变送器拥有一个较低的工作电源电压。另外一种考虑是降低回路电流在接收端的压降。二线制方案设计需要考虑：1.电路环中的接收器的数量：更多的接收器将要求变送器有较低的工作电压；2•变送器所必需的工作电压要有一定的余量；3.决定传感器的激励方法是电压还是电流。图2为TI提供的带有电压调节和

5、参考电路的二线制方案。图中XTR115/116是用于4〜20mA信号的精密的信号转换器，它包含有5V电压的稳压电路，可以向外部电路供电。一个精密的片上基准电压可以用于电压偏置或者传感器的激励。三线制4〜20mA电路在设计上是由变送器端提供工作电源，为避免50/60HZ的工频干扰，采用电流来传输信号。XTR调节器和现场的负载共用一个地接。方案设计需要考虑：1.电流环路中的接收器的数量；2•更多的接收器要求变送器拥有更高的工作电压；3•保证变送器所必需的工作电压，并应该有一定的余量。TI提供的三线制的变送器应用方案如图3所示，图中XTR110是一个用于模拟信号传送的精

6、密的电压-电流转换器，它可以将0-5V或0/0V的输入电压直接转换到4〜20mA、0〜20mA、5〜25mA的输岀信号。XTR110含有精密的电阻网络，以适应不同的输入输岀要求。一个10V的电压参考可以用于驱动外部电路。三、4~20mA的校正传统的4〜20mA校正，要求特殊的夹具固定，需要特别的激光或手动电阴器调整，而调整是相互影响的，需要一个测试、调整，再测试、再调整的过程，调整次数和范围有限。电子器件和传感器调整起来不够方便。现代的数字化4〜20mA校正，它允许电子器件和传感器在封装之后进行调整：可通过计算机计算出校正系数来简化数值调整：可以有无限的调整次数，

7、并且有很好的分辨率和较宽的调整范围；调整过程中不存在相互影响；电子器件和传感器可以很方便地调整。XTR108是TI提供的校正4〜20mA的解决方法。它具有480µA的电流参考，它提供RTD的非线性校正，不需要外加可调电阻器。XTR108的特点有：1.具有传感器的线性化电路；2.数字校正。通过SPI接口可以直接对XTR108设置，通过SPI接口可直接编程EEPROM3.自动稳零的可编程增益的应用放大器的增益范围为6.26〜400倍；4.RTD激励的可编程电流的分辨率为1.54µA；5.校正参数存储在外接的EEPROM中；6•可编程的过量程和欠

8、量程的输出