4～20mA电流变送器在工业控制中的应用

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。