4～20mA電流變送器的工業控制應用

4~20ma電流環工作原理

在工業現場,用一個儀表放大器來完成信號的調理并進行長線傳輸,會產生以下問題：第一,由于傳輸的信號是電壓信號,傳輸線會受到噪聲的干擾;第二,傳輸線的分布電阻會產生電壓降;第三,在現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的信號用于各種故障的報警。

4～20ma電流環有兩種類型：二線制和三線制。當監控系統需要通過長線驅動現場的驅動器件如閥門等時,一般采用三線制變送器,這里xtr位于監控的系統端,由系統直接向xtr供電,供電電源是二根電流傳輸線以外的第三根線。二線系統是xtr和傳感器位于現場端,由于現場供電問題的存在,一般是接收端利用4～20ma的電流環向遠端的xtr供電,通過4～20ma來反映信號的大小。

4～20ma產品的典型應用是傳感和測量應用,見圖1。在工業現場有許多種類的傳感器可以被轉換成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化為4～20ma的信號。

電橋傳感器的大多數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。

滿度和色調是壓力傳感器的兩個主要技術指標,現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,滿度和色調都具有這種性質。

4～20ma的傳感器信號調理解決方案

4～20ma電流環在結構上由兩部分即變送器和接收器組成,變送器一般位于現場端、傳感器端或模塊端,而接收器一般在plc和計算機端,它一般在控制器內。

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50/60hz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）電路環中的接收器的數量：更多的接收器將要求變送器有較低的工作電壓; （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為ti提供的帶有電壓調節和參考電路的二線制方案。圖中xtr115/116是用于4～20ma信號的精密的信號轉換器,它包含有5v電壓的穩壓電路,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50/60hz的工頻干擾,采用電流來傳輸信號。xtr調節器和現場的負載共用一個地接。方案設計需要考慮：

（1）電流環路中的接收器的數量;

（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-電流轉換器,它可以將0～5v或0～10v的輸入電壓直接轉換到4～20ma、0～20ma、5～25ma的輸出信號。xtr110含有精密的電阻網絡,以適應不同的輸入輸出要求。一個10v的電壓參考可以用于驅動外部電路。

4～20ma的校正

傳統的4～20ma校正,要求特殊的夾具固定,需要特別的激光或手動電阻器調整,而調整是相互影響的,需要一個測試、調整,再測試、再調整的過程,調整次數和范圍有限。電子器件和傳感器調整起來不夠方便。

現代的數字化4～20ma校正,它允許電子器件和傳感器在封裝之后進行調整;可通過計算機計算出校正系數來簡化數值調整;可以有無限的調整次數,并且有很好的分辨率和較寬的調整范圍;調整過程中不存在相互影響;電子器件和傳感器可以很方便地調整。

xtr108是ti提供的校正4～20ma的解決方法。它具有480 a的電流參考,它提供rtd的非線性校正,不需要外加可調電阻器。xtr108的特點有：
（1）具有傳感器的線性化電路;

（2）數字校正。通過spi接口可以直接對xtr108設置,通過spi接口可直接編程eeprom;

（3）自動穩零的可編程增益的應用放大器的增益范圍為6.26～400倍;

（4）rtd激勵的可編程電流的分辨率為1.54 a;

（5）校正參數存儲在外接的eeprom中;

（6）可編程的過量程和欠量程的輸出。

此外,ti還提供一款橋路傳感器的數字校正解決方案——pga309,它是專為壓力橋路傳感器設計的可編程模擬信號調節器。它模擬放大器傳感信號并提供對色調電壓和滿度電壓的數字校正,由于避免了手動調整而獲得了長期的穩定性,并將輸出電壓信號轉換成4～20ma的輸出。