4～20mA电流变送器的工业控制应用

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,传输线的分布电阻会产生电压降;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1。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的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阻为2k ,那么无论从激励电压端或差分输出端看进去,它的等效电阻都是2k 。在没有压力的时候,它的电桥是平衡的,输出电压为0。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。

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密的电压-电流转换器,它可以将0～5v或0～10v的输入电压直接转换到4～20ma、0～20ma、5～25ma的输出信号。xtr110含有精密的电阻网络,以适应不同的输入输出要求。一个10v的电压参考可以用于驱动外部电路。
 

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阻器调整,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,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480 a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eeprom;

（3）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1.54 a;

（5）校正参数存储在外接的eeprom中;

（6）可编程的过量程和欠量程的输出。

此外,ti还提供一款桥路传感器的数字校正解决方案——pga309,它是专为压力桥路传感器设计的可编程模拟信号调节器。它模拟放大器传感信号并提供对色调电压和满度电压的数字校正,由于避免了手动调整而获得了长期的稳定性,并将输出电压信号转换成4～20ma的输出。