4-20ma工作原理

4 20mA 电流环工作原理 2008 04 07 22 40 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 图 1 略 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 略 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 图 3 略 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 问答选编 问 电流变送器与普通的电流霍尔传感器有什么不 同 答 霍尔传感器是传感器件 而电流变送器是将传 感器产生的信号直接转换为 4 20mA 的电流信 号进行传输 因此它们两个一个是传感器 另一 个是电流变 送器 问 4 20mA 信号是否存在温漂 如何解决 答 实际上 4 20mA 信号内部是用集成电路芯片来 制作的 集成电路芯片随着 温度的变化在遇到 放大器 电压到电流的转换时 会存在温漂 但 这种温漂 如果在 TI 的 PGA309 中则是可以解决的 因为 PGA309 中采用的是零漂移的仪 表放大器作 为前置放大 同时 PGA309 中还有温度的校准 它 是每采集一个温 度点来查表 进行温度满度或色 调电压的校准 从而解决温度的漂移问题 问 应该采取哪些措施实现 4 20mA 变送器的信号 隔离 答 对 4 20mA 变送器的安全隔离可以有两种方法 一是变送器端的隔离 一 是接收端的隔离 现 在若有 24V 电压供给一个 XTR115 的芯片 XTR115 内部可 以将 24V 电压直接转换为一个 5V 稳压电 压输出 对这个 5V 的稳压电压进行展 波 经过一 个脉冲电压器由此可以向前面提供一个隔离电 源 然后再把模拟 信号转换成数字信号 再经过 一个隔离以后再提供给 XTR115 再进行长线传 输 这个时候就完成了模拟信号到 4 20mA 环路 里面的隔离 如果对 4 20mA 变送器不进行隔 离的话 也可以在接收端加一个 RCV420 将电流 转换成电压 再经过一个 ISO124 隔离放大器进行 隔离 同时再经过一个 DC AC 转换器向电 路进 行退电供电 这样也能完成对 4 20mA 变送器 信号的隔离 问 变送器传输过来的信号应该怎么处理 是不是 先要经过电流到电压的变化 然后再到 ADC 对 ADC 的选择有什么特殊的考虑 答 变送器传输的信号主要是一个电流信号 如果要 采集它 一般要经过电 流到电压的转换 这个 TI 有一个 RCV420 可以实现转换 对于 ADC 的选 择 主要根据对信号精度的要求来考虑 问 接收二线制 4 20mA 信号与三线制 4 20mA 信 号 在接收方式和信号处理上 有何不同 要注 意些什么问题 答 在接收方式上 如果是二线制 4 20mA 信号 由 接收端向 SPI 端提供电 源 通过电源线经过 4 20mA 信号线来提供电源 三线制 4 20mA 信号是由 发 生端 SPI 来提供电源的 所以说它们提供的 电源是不同的 一个是由接收 端而另一个是从远 端来提供电源的 它们在信号处理上都要将电流信号转换成电压 信号 然后再经过 AD 转换器 这时候就牵扯到 一个怎样向二线制变送器提供电源的问题 一般 在工业上 它们会加一个推电器 就是在接收端 同时提供一个 24V 的电源 通过 4 20mA 电流线 向远端进行供电 问 现在市场上的变送器是否有数字输出接口 比 如 RS 485 或者 RS 232 答 现在市场上的变送器通常用标准的 485 或 232 通 讯接口来传输 这个产品 其实早在 10 年前就有 了 它们把现场的信号模拟成传感器的信号 直 接传数 字量 然后经过 485 进行传输 这是比较 多的 如果你是用 TI 的芯片 比如 MSC12XX 它 内置的 8052 8952 里面带 16 位或 24 位 AD 转换 器及通信接口输 出 如果用它来做的话 很容易 把它做成一个 485 或 232 通信接口的数字变送 器芯片 问 在 4 20mA 变送器的信号传输过程中 如何有效 地防止各类电磁 过电压 对于接收装置造成的干 扰 在系统故障状态 是否具有事故信息追忆功 能 答 如果有电磁干扰 首先说电磁的发射 当传感器 接入的时候 如果具有很 高的输入阻抗的时候 有可能产生电磁干扰 可以加一些电阻电容进行 滤波 TI 在这方面有一些应用电路的介绍可供大 家参考 过电压的时候 4 20mA 的 长线输出的 时候 可以借助 36V 的稳压块来进行过电压保 护 如果极性接反 的时候 可以在输入回路里加 一个整流桥堆来对极性进行调整 问 如何将接收端的电流转换成电压以便于 ADC 转 换 主要是精度方面 是否 能给一个具体例子 答 如果将 4 20mA 电流转换成电压再经过 ADC 转 换时 TI 有一个专用芯片 RCV420 它里面采用的 是一个精密的电子网络还有一个精密比例的运 算放大 器和一个精密的基准电压器 即 10V 的基 准电压 这个 10V 基准电压大概是 5 个或 10 个 TTN 的温度系数 用这个片子就可以很精确地 将前面的 4 20mA 电流 转换成一个电压输出了 问 有没有串行接口出来就是 4 20mA 最好能出来 0 20mA 类似于 ADI 的 AD420 但 AD420 太贵 而且外围东西太多 答 也可以用 TI 的产品来完成这个功能 用一个 XTR110 它是一个很廉价的 电压到电流的转换 前面或者用一个 DA 转换器 或者用一个 PWM 的信号来完 成 DA 转换 将 FSK 信号直接经过 一个电阻接到 XTR115 的输入端 这样就可以 满 足 HART 协议来替换 AD420 这时的成本应该是 很低的 应用也很方便 问 使用 4 20mA 变送器时 是否需要通过控制器对 其进行编程 答 TI 变送器电流环有几类产品 有的可以通过控 制器进行编程校正 也有的 可以通过模拟的 通 过外部设置来进行校正 问 如何用 PWM 信号控制 4 20mA 电流 答 用 PWM 信号控制 4 20mA 电流很常用 通常采 用一个单片机放在前面对传 感器进行测量 测 量好后把模拟信号转换成数字信号 但是它内 部不包含 DA 转换器 它是用一个 PWM 信号来输 出 像 TI 的 XTR115 芯片 它包含一个典型 电路 把 PWM 信号经整流滤波后直接输出一个 4 20mA 的信号 因此直接使用 TI 的 XTR115 或 XTR116 即 可完成电路的控制