兩線制4/20mA變送器的電路設計

兩線制4/20mA變送器的電路設計

工業上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，都需要轉換成模擬量電信號才能傳輸到幾百米外的控制室或顯示設備上。這種將物理量轉換成電信號的設備稱為變送器。工業上最廣泛采用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量。
采用電流信號的原因是不容易受干擾。并且電流源內阻無窮大，導線電阻串聯在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數百米。上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低于4mA，當傳輸線因故障斷路，環路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。
電流型變送器將物理量轉換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線，加上兩根電流輸出線，總共要接4根線，稱之為四線制變送器。當然，電流輸出可以與電源公用一根線（公用VCC或者GND），可節省一根線，稱之為三線制變送器。
其實大家可能注意到， 4-20mA電流本身就可以為變送器供電，如圖1C所示。變送器在電路中相當于一個特殊的負載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4~20mA之間根據傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業電流環標準下限為 4mA，因此只要在量程范圍內，變送器至少有4mA供電。這使得兩線制傳感器的設計成為可能。
在工業應用中，測量點一般在現場，而顯示設備或者控制設備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能數十至數百米。按一百米距離計算，省去2根導線意味著成本降低近百元！因此在應用中兩線制傳感器必然是首選。

2. 兩線制變送器的結構與原理兩線制變送器的原理是利用了4~20mA信號為自身提供電能。如果變送器自身耗電大于4mA，那么將不可能輸出下限4mA值。因此一般要求兩線制變送器自身耗電（包括傳感器在內的全部電路）不大于3.5mA。這是兩線制變送器的設計根本原則之一。從整體結構上來看，兩線制變送器由三大部分組成：傳感器、調理電路、兩線制V/I變換器構成。傳感器將溫度、壓力等物理量轉化為電參量，調理電路將傳感器輸出的微弱或非線性的電信號進行放大、調理、轉化為線性的電壓輸出。兩線制V/I變換電路根據信號調理電路的輸出控制總體耗電電流；同時從環路上獲得電壓并穩壓，供調理電路和傳感器使用。除了V/I變換電路之外，電路中每個部分都有其自身的耗電電流，兩線制變送器的核心設計思想是將所有的電流都包括在V/I變換的反饋環路內。如圖，采樣電阻Rs串聯在電路的低端，所有的電流都將通過Rs流回到電源負極。從Rs上取到的反饋信號，包含了所有電路的耗電。在兩線制變送器中，所有的電路總功耗不能大于3.5mA，因此電路的低功耗成為主要的設計難點。下面將逐一分析各個部分電路的原理與設計要點。