ot;display: block;"> 1.工業(yè)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(zhuǎn)換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設(shè)備上。這種將物理量轉(zhuǎn)換成電信號的設(shè)備稱為變送器。工業(yè)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(nèi)阻無窮大,導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度,在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。上限取20mA是因?yàn)榉辣囊?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(shí)不會低于4mA,當(dāng)傳輸線因故障斷路,環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報(bào)警值。
電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)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(dāng)然,電流輸出可以與電源公用一根線(公用VCC或者GND),可節(jié)省一根線,稱之為三線制變送器。
其實(shí)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(dāng)于一個(gè)特殊的負(fù)載,特殊之處在于變送器的耗電電流在4~20mA之間根據(jù)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(yè)電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)下限為4mA,因此只要在量程范圍內(nèi),變送器至少有4mA供電。這使得兩線制傳感器的設(shè)計(jì)成為可能。
在工業(yè)應(yīng)用中,測量點(diǎn)一般在現(xiàn)場,而顯示設(shè)備或者控制設(shè)備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能數(shù)十至數(shù)百米。按一百米距離計(jì)算,省去2根導(dǎo)線意味著成本降低近百元!因此在應(yīng)用中兩線制傳感器必然是首選。
2.兩線制變送器的結(jié)構(gòu)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(nèi)的全部電路)不大于。這是兩線制變送器的設(shè)計(jì)根本原則之一。從整體結(jié)構(gòu)上來看,兩線制變送器由三大部分組成:傳感器、調(diào)理電路、兩線制V/I變換器構(gòu)成。傳感器將溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)化為電參量,調(diào)理電路將傳感器輸出的微弱或非線性的電信號進(jìn)行放大、調(diào)理、轉(zhuǎn)化為線性的電壓輸出。兩線制V/I變換電路根據(jù)信號調(diào)理電路的輸出控制總體耗電電流；同時(shí)從環(huán)路上獲得電壓并穩(wěn)壓,供調(diào)理電路和傳感器使用。除了V/I變換電路之外,電路中每個(gè)部分都有其自身的耗電電流,兩線制變送器的核心設(shè)計(jì)思想是將所有的電流都包括在V/I變換的反饋環(huán)路內(nèi)。如圖,采樣電阻Rs串聯(lián)在電路的低端,所有的電流都將通過Rs流回到電源負(fù)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,因此電路的低功耗成為主要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。下面將逐一分析各個(gè)部分電路的原理與設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
3.兩線制V/I變換器V/I變換器是一種可以用電壓信號控制輸出電流的電路。兩線制V/I變換器與一般V/I變換電路不同點(diǎn)在:電壓信號不是直接控制輸出電流,而是控制整個(gè)電路自身耗電電流。同時(shí),還要從電流環(huán)路上提取穩(wěn)定的電壓為調(diào)理電路和傳感器供電。附圖是兩線制V/I變換電路的基本原理圖:圖中OP1、Q1、R1、R2、Rs構(gòu)成了V/I變換器。分析負(fù)反饋過程:若A點(diǎn)因?yàn)槟撤N原因高于0V,則運(yùn)放OP1輸出升高,Re兩端電壓升高,通過Re的電流變大。相當(dāng)于整體耗電變大,通過采樣電阻Rs的電流也變大,B點(diǎn)電壓變低(負(fù)更多)。結(jié)果是通過R2將A點(diǎn)電壓拉下來。反之,若A點(diǎn)因某種原因低于0V,也會被負(fù)反饋抬高回0V。總之,負(fù)反饋的結(jié)果是運(yùn)放OP1虛短,A點(diǎn)電壓＝0V。下面分析Vo對總耗電的控制原理:假設(shè)調(diào)理電路輸出電壓為Vo,則流過R1的電流I1=Vo/R1運(yùn)放輸入端不可能吸收電流,則I1全部流過R2,那么B點(diǎn)電壓VB=-I1*R2=-Vo*R2/R1取R1=R2時(shí),有VB=-Vo電源負(fù)和整個(gè)便送器電路之間只有Rs、R2兩個(gè)電阻,因此所有的電流都流過Rs和R2。R2上端是虛地(0V),Rs上端是GND。因此R2、Rs兩端電壓完全一樣,都等于VB。相當(dāng)于Rs與R2并聯(lián)作為電流采樣電阻。因此電路總電流:Is=Vo/(Rs//R2)如果取R2>>Rs,Is=Vo/Rs因此,圖3中取Rs=100歐,當(dāng)調(diào)理電路輸出0.4~2V的時(shí)候,總耗電電流4~20mA.若不能滿足R2>>Rs也沒關(guān)系,Rs與R2并聯(lián)(Rs//R2)是個(gè)固定值,Is與Vo仍然是線性關(guān)系,誤差比例系數(shù)在校準(zhǔn)時(shí)可以消除。除了電路正確以外,該電路正常工作還需要2個(gè)條件:首先要自身耗電盡量小,省下的電流還要供給調(diào)理電路以及變送器。其次要求運(yùn)放能夠單電源工作,即在沒有負(fù)電源情況下,輸入端仍能夠接受0V輸入,并能正常工作。LM358/324是最常見也是價(jià)格最低的單電源運(yùn)放,耗電400uA/每運(yùn)放,基本可以接受。單電源供電時(shí),輸入端從~范圍內(nèi)都能正常工作。如果換成OP07等精密放大器,因?yàn)檩斎氩辉试S低至0V,在該電路中反而無法工作。R5和U1構(gòu)成基準(zhǔn)源,產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。LM385是低成本的微功耗基準(zhǔn),20uA以上即可工作,手冊上給出的曲線在100uA附近最平坦,所以通過R5控制電流100uA左右。OP2構(gòu)成一個(gè)同向放大器,將基準(zhǔn)放大,向調(diào)理電路及傳感器供電。因?yàn)閷捿斎腚妷骸⒌凸牡姆€(wěn)壓器稀少,成本高；將基準(zhǔn)放大作為穩(wěn)壓電源是一個(gè)廉價(jià)的方案。該部分電路也可以選擇現(xiàn)成的集成電路。比如XTR115/116/105等,精度和穩(wěn)定性比自制的好,自身功耗也更低(意味著能留更多電流給調(diào)理電路,調(diào)理部分更容易設(shè)計(jì))。但成本比上述方案高10倍以上。
