4～20mA電流變送器的工業(yè)控制應(yīng)用

4~20ma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)問題。

為了解決上述問題和避開相關(guān)噪聲的影響,我們用電流來傳輸信號(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)需要通過長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)器件如閥門等時(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4～20ma來反映信號(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,見圖1。在工業(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)。

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 。在沒有壓力的時(shí)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

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50/60hz的工頻干擾,采用電流來傳輸信號(hào)。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(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xtr115/116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50/60hz的工頻干擾,采用電流來傳輸信號(hào)。xtr調(diào)節(jié)器和現(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-電流轉(zhuǎn)換器,它可以將0～5v或0～10v的輸入電壓直接轉(zhuǎn)換到4～20ma、0～20ma、5～25ma的輸出信號(hào)。xtr110含有精密的電阻網(wǎng)絡(luò),以適應(yīng)不同的輸入輸出要求。一個(gè)10v的電壓參考可以用于驅(qū)動(dòng)外部電路。
 

4～20ma的校正

傳統(tǒng)的4～20ma校正,要求特殊的夾具固定,需要特別的激光或手動(dòng)電阻器調(diào)整,而調(diào)整是相互影響的,需要一個(gè)測(cè)試、調(diào)整,再測(cè)試、再調(diào)整的過程,調(diào)整次數(shù)和范圍有限。電子器件和傳感器調(diào)整起來不夠方便。

現(xiàn)代的數(shù)字化4～20ma校正,它允許電子器件和傳感器在封裝之后進(jìn)行調(diào)整;可通過計(jì)算機(jī)計(jì)算出校正系數(shù)來簡(jiǎn)化數(shù)值調(diào)整;可以有無限的調(diào)整次數(shù),并且有很好的分辨率和較寬的調(diào)整范圍;調(diào)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(diào)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(diào)電阻器。xtr108的特點(diǎn)有：
（1）具有傳感器的線性化電路;

（2）數(shù)字校正。通過spi接口可以直接對(duì)xtr108設(shè)置,通過spi接口可直接編程eeprom;

（3）自動(dòng)穩(wěn)零的可編程增益的應(yīng)用放大器的增益范圍為6.26～400倍;

（4）rtd激勵(lì)的可編程電流的分辨率為1.54 a;

（5）校正參數(shù)存儲(chǔ)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(shù)字校正解決方案——pga309,它是專為壓力橋路傳感器設(shè)計(jì)的可編程模擬信號(hào)調(diào)節(jié)器。它模擬放大器傳感信號(hào)并提供對(duì)色調(diào)電壓和滿度電壓的數(shù)字校正,由于避免了手動(dòng)調(diào)整而獲得了長(zhǎng)期的穩(wěn)定性,并將輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20ma的輸出。