两线制电流信号的优点与高精度4-20mA变送器的电路设计

发布时间：2011-10-31 发布人：泽天传感点击：

工业上广泛采用4-20mA电流信号来传输模拟量，例如温度、压力、液位等传感器信号。采用电流信号不容易受干扰，且导线电阻串联在回路中不影响传感器精度，可以在普通双绞线上传输数百米等优点。两线制4-20mA变送器输出上限电流取20mA是因为防爆的要求，20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。两线制4-20m变送器输出下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：两线制4-20mA压力变送器输出正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。实践中，常取2mA作为断线报警值。

两线制4-20mA变送器将物理量转换成4-20mA电流信号输出，必然要有外部电源为其供电。4-20mA电流本身就可以为变送器供电。变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4-20mA之间根据传感器输出而变化，显示仪表只需要串在电路中即可。这种变送器只需外接两根线，因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。这使得两线制传感器的设计成为可能。在工业应用中，压力、温度、液位等测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。两者之间距离可能长达数百米。这样可以降低传输线缆的成本。

两线制变送器在原理上是利用了4-20mA信号为自身提供电能。如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器）不大于4mA。这是两线制变送器的设计根本原则之一。从电路整体结构上来看，两线制变送器由传感器、调理电路、两线制V/I变换器构成。传感器将温度、压力、液位等物理量转化为电测量，调理电路将传感器输出的微弱电信号进行放大、调理、转化为线性的电压输出。两线制V/I变换电路根据信号调理电路的输出控制总体耗电电流；同时从环路上获得电压并稳压，供调理电路和传感器使用。除了V/I变换电路之外，电路中每个部分都有其自身的耗电电流，两线制变送器的核心设计思想是将所有的电流都包括在V/I变换的反馈环路内。在两线制变送器中，所有的电路总功耗不能大于4mA，因此电路的低功耗成为主要的设计难点。

另外，处于稳定性和安全性的考虑，工业环境下，环境恶劣对两线制4-20mA变送器输出可靠性要求高，因此两线制变送器的设计上需要考虑一定的保护和增强稳定性措施。电源接反、超压、浪涌是工业上常见的电源问题，电源接反是设备安装接线时最容易发生的错误，输入口串一只二极管即可防止接反电源时损坏电路。如果输入端加一个全桥整流器，那么即使电源接反仍能正常工作。为防止雷击、静电放电、浪涌等能量损坏变送器，变送器入口处可以加装一只TVS管来吸收瞬间过压的能量。一般TVS电压值取比运放极限电压略低，才能起到保护作用。如果可能遭受雷击，TVS可能吸收容量不够，压敏电阻也是必需的，但是压敏电阻本身漏电会带来一定误差。设备运行过程中可能有传感器断线、短路等错误情况发生。或者输入量本身很有可能超量程，变送器必须保证任何情况下输出不会无限制上升，否则有可能损坏变送器本身、电源或者二次显示仪表。

在4-20mA的电流输出的电路设计中，我们可以采用集成电路AD421芯片来设计，这可以轻易实现一个16位的DA输出电路，但是经济成本很高，在很多的高性价比的传感器应用中用不上如此昂贵的芯片。

目前，很多的传感器变送器仪表中都使用了单片机，那么，为何不用单片机的PWM输出来做一个DA呢？实践表明，采用MCU来实现高精度的DA完全可行，单片机的PWM可以通过定时器来产生，然后经过一个转换电路，可以实现一个隔离的DA输出。下图为一典型DA输出电路：

高精度4-20mA输出变送电路

该电路在泽天传感的压力、液位、温度变送器中广泛应用，利用该电路设计的隔离的4-20mA或者是1-5V的变换电路，完全可以达到0.5‰的精度，同时电路成本适宜。如上图，PWM经过光耦隔离后，由于波形可能发生畸变，所以，经过一个门电路来整形。然后经过两个一阶滤波电路得到一个直流电平信号。改信号经过运放和反馈回来的信号做一个比较，产生一个控制电平来控制达林顿接法的三极管。输出部分可以选择4-20mA或者是1-5V输出。