基于二线制、三线制、四线制的压力/差压/液位变送器应用说明

 　　一. 概述
1.1 传感器和变送器的区别与联系传感器是能够将规定的被测量按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置的总称，通常由敏感元件和转换元件组成。当传感器的输出为规定的标准信号时，则称为变送器。我们常见的变送器包括差压变送器，液位变送器，温度变送送器等等，变送器是将各种物理量转换成电信号，是将非标准电信号转换为标准电信号的仪器， 传感器则是将物理信号转换为电信号的器件。一次仪表指现场测量仪表或基地控制表， 二次仪表指利用一次表信号完成其他功能：诸如控制，显示等功能的仪表。


 
传感器和变送器本是热工仪表的概念。传感器是把非电物理量如温度、压力、液位、物料、气体特性等转换成电信号或把物理量如压力、液位等直接送到变送器。变送器则是把传感器采集到的微弱的电信号放大以便转送或启动控制元件，或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源。
 
根据需要还可将模拟量变换为数字量，当然把电气模拟量变换成数字量的也可以叫变送器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。本文介绍了两线制、三线制、四线制模拟直流信号变送器的工作原理和结构，以及各种变送器在仪表中的应用。
 
　　1.2 电流传输DC （4-20mA） 和电压接收DC （1-5V）信号优点
　　在过程控制系统中，现场的液位变送器和差压变送器等仪表与控制室仪表之间的联络信号采用（4-20mA）DC 的理由是：因为现场与控制室之间的距离较远，连接电线的电阻较大，如果用电压源信号远传，由于电线电阻与接收仪表输入电阻的分压，将产生较大的误差，而用恒电流源信号作为远传，只要传送回路不出现分支，回路中的电流就不会随电线长短而改变，从而保证了传送的精度。
控制室仪表之间的联络信号采用（1-5V）DC 的理由是：为了便于多台仪表共同接收同一个信号，并有利于接线和构成各种复杂的控制系统。如果用电流源作联络信号，当多台仪表共同接收同一个信号时，它们的输入电阻必须串联起来，这会使大负载电阻超过变送仪表的负载能力，而且各接收仪表的信号负端电位各不相同，会引入干扰，而且不能做到单一集中供电。
 
　　1.3 　DC(4-20mA)与DC(1-5V)传输、接收信号的标准在过程控制系统中，模拟信号（4-20mA）DC 或(1-5V) DC 信号制是国内电工委员会(IEC)过程控制系统模拟信号标准。我国从DDZ-Ⅲ型电动仪表开始采用这一国内标准信号制， 仪表传输信号采用（4-20mA）DC，联络信号采用（1-5V）DC，即采用电流传输、电压接收的信号系统。

采用电压源信号联络，与现场液位变送器和差压变送器的联络用的电流信号必须转换为电压信号，简单的方法就是：在电流传送回路中串接一个250 欧姆的标准电阻，把（4-20mA）DC 转换为（1-5V）DC，通常由配电器来完成这一任务。
 
　　二． 二线制/三线制/四线制变送器
　　2.1 二线制/三线制/四线制变送器满足条件信号变换器是将接入的位移传感器等模拟信号，变换为标准的模拟电流/电压信号输出。电流信号输出,采用二线制；电压信号输出，采用三线制、四线制。
　　要实现两线制变送器必须同时满足以下条件:
　　1）V≤Emin-ImaxRLmax变送器的输出端电压V 等于规定的低电源电压减去电流在负载电阻和传输导线电阻上的压降。
　　2）I≤Imin变送器的正常工作电流I 必须小于或等于变送器的输出电流。
　　3）P＜Imin(Emin-IminRLmax)变送器的小消耗功率P 不能超过上式, 通常＜90mW。
　　式中:Emin=低电源电压， 对多数仪表而言Emin=24(1-5%)=22.8V，5%为24V 电源允许的负向变化量；
　　Imax=20mA
　　Imin=4mARLmax=250Ω+传输导线电阻
　　2.2 二线制/三线制/四线制变送器的连接
图1 为二线制变换器的接线图。

直流电源U（24V）通过两根线向现场的变换器供电，同时这两根线又是输出信号（4～20mA）的传输线。输出的电流信号需经过标准电阻RL=250Ω 转换为电压UL=IRL=（1～5）U 送至控制器。这种二线制变换器的特点是只用于检测信号而没有控制功能。三线制变换器的接线图如图2 所示，

电流输出系统除了两根电流传输线以外，还有一根电源线向变压器提供电源。三线制就是电源正端用一根线，信号输出正端用一根线，电源负端和信号负端共用一根线。其供电大多为DC 24V， 输出信号有DC4-20mA，负载电阻为250Ω 或者DC0-10mA，负载电阻为0-1.5kΩ；有的还有mA 和mV 信号，但负载电阻或输入电阻，因输出电路形式不同而数值有所不同。由于DC4-20mA 、DC 1-5V 信号制的普及和应用，在控制系统应用中为了便于连接，就要求信号制的统一， 为此要求一些非电动单元组合的仪表， 如在线分析、机械量、电量等仪表， 能采用输出为DC4-20mA 信号制，但是由于其转换电路复杂、功耗大等原因，难于全部满足上述的三个条件而无法做到两线制，就只能采用外接电源的方法来做输出为DC4-20mA 的四线制变送器了。四线制变送器供电大多为AC 220V，也有供电为DC24V 的。输出信号有DC 4-20mA， 负载电阻为250Ω， 或者DC 0-10mA， 负载电阻为0-1.5kΩ； 的还有mA 和mV 信号，但负载电阻或输入电阻，因输出电路形式不同而数值有所不同，如图3 所示。

输入接收仪表的是电流信号， 如将电阻RL 并联接入时，则接收的就是电压信号了。由于各种变送器的工作原理和结构不同，从而出现了不同的产品，也就决定了变送器的两线制、三线制、四线制接线形式。
 
　　2.3 二线/三线制/四线制变送器设计原则
　　1）电流信号转成电压信号，或电压信号转成电流信号，实质就是信号传输中的阻抗变换问题；
　　2）信号传输阻抗匹配，就是满足信号源输出大信号能量的条件；
　　3）信号传输阻抗匹配，就是信号传输能流大、衰减小、畅通无阻、失真变形小；
　　4）电流信号转成电压信号，就是低阻抗传输转换为高阻抗传输；
　　5）这种阻抗变换，一定要通过阻抗变换设备、阻抗变换电路来实现；
　　6） 常用阻抗变换的设备有阻抗变换变压器，例如音响系统的输入输出变压器；
　　7）常用阻抗变换电路，如射极输出电路，在模拟电子电路中经常用作输出级、输入级、中间转换级等；
　　8）超高频闭路电视系统，信号分流用的三通、四通分配器，就是信号匹配阻抗转换器，通过它实现闭路电视系统的阻抗匹配，否则信号将受阻传不出去，或信号失真变形；
　　9）4-20mA 电流信号转成0-5V 或0-10V 电压信号，用什么样的阻抗变换电路、设备，关键看信号的性质，是高频还是低频，是交流还是直流；
10）这种在电流信号回路中串入电阻的方法，是错误的， 不可取的， 是不懂信号传输匹配意义的做法。
 
　　三. 简单的4～20mA 输入/0～5V 输出的I/V 或V/I 转换电路
　　在与电流输出的传感器接口的时候， 为了把传感器或变送器输出的0-20mA 或者4-20mA 电流信号转换成为电压信号， 往往都会在后级电路的前端配置一个I/V 转换电路。自己搭建电路, 节省成本，但不推荐直接串联精密电阻的方式，用运放搭建电路就非常好。
　　1）0－5V/0－10mA 的V/I 变换电路
图4 是由运放和阻容等元件组成的V/I 变换电路， 能将0-5V 的直流电压信号线性地转换成0－10mA 的电流信号，A1 是比较器，A3 是电压跟随器，构成负反馈回路，输入电压Vi 与反馈电压Vf 比较，在比较器A1 的输出端得到输出电压VL，V1 控制运放A1 的输出电压V2， 从而改变晶体管T1 的输出电流IL 而输出电流IL 又影响反馈电压Vf， 达到跟踪输入电压Vi 的目的。输出电流IL 的大小可通过下式计算：IL＝Vf/(Rw+R7)， 由于负反馈的作用使Vi=Vf，因此IL＝Vi/(Rw+R7)，当Rw+R7 取值为500Ω时,可实现0－5V/0－10mA 的V/I 转换，如果所选用器件的性能参数比较稳定，故运放A1、A2 的放大倍数较大，那么这种电路的转换精度，一般能够达到较高的要求。
　　2）0－10V/0－10mA 的V/I 变换电路Vf 是输出电流IL 流过电阻Rf 产生的反馈电压，即V1 与V2 两点之间的电压差，此信号经电阻R3、R4 加到运放A1 的两个输入端Vp 与Vn， 反馈电压Vf=V1－V2， 对于运放A1， 有VN＝Vp；Vp＝V1/(R2+R3)×R2，VN＝V2＋(Vi-V2)×R4/(R1 +R4)， 所以V1/(R2+R3)×R2＝V2＋(Vi-V2)×R4/(R1+R4)，依据Vf＝V1-V2 及上式可推导出：
　　若式中R1＝R2＝100kΩ，R1＝R4=20kΩ， 则有：Vf×R1＝Vi×R4，
　　得出：Vf＝R4/R1×Vi＝1/5Vi， 如果忽略流过反馈回路R3、R4 的电流，则有：IL＝Vf/Rf＝Vi/5Rf，由此可以看出． 当运放的开环增益足够大时， 输出电流IL与输入电压Vi 满足线性关系，而且关系式中只与反馈电阻Rf 的阻值有关．显然，当Rf＝200Ω 时，此电路能实现0－10v/0－10mA 的V/I 变换，如图5 所示3）

1－5V/4－20mA 的V/I 变换电路输入电压Vi 是叠加在基准电压VB (VB=10V)上， 从运放A1 的反向输入VN 端输入的， 晶体管T1、T2 组成复合管，作为射极跟随器，起到降低T1基极电流的作用(即忽略反馈电流I2)，使得IL≈I1，而运放A1 满足VN≈Vp，如果电路图中R1＝R2＝R，R4＝R5＝kR，则有如下表达式：
　　由式①②③可推出：
　　若Rf＝62.5Ω,k=0.25,Vi=1－5V， 则I1＝4－20mA，而实际变换电流IL 比I1 小， 相差I2 (IL=I1-I2)，I2是一个随输入电压Vi 变化的变量，输入电压小时(Vi=1V),误差大，在实际应用中，为了使误差降到小， 一般R1，R2，Rf 的阻值分别选取40.25kΩ,40kΩ,62.5Ω。如图5 所示。图6　
　　4）0－10mA/0－5V 的I/V 变换电路
　　由运放组成的0－10mA/0－5V 的I/V 变换电路
如图7 所示。

在图7 中， 运放A1 的放大倍数为A＝(R1+Rf)/R1, 若R1＝100kΩ，Rf＝150kΩ， 则A＝2.5； 若R4＝200Ω，对于0－10mA 的电流输入信号，将在R4 上产生0－2V 的电压信号， 由A＝2.5 可知，0－10mA 的输入电流对应0－5V 的输出电压信号。图中电流输入信号Ii 是从运放A1 的同相输入端输入的，因此要求选用具有较高共模抑制比的运算放大器，例如，OP-07、OP-27 等。
 
　　5）4－20mA/0－5V 的I/V 变换电路如图8 所示，流过反馈电阻Rf 的电流为(Vo-VN)/Rf，与VN/R1(VN-Vf)/R5 相等，由此，可推出输出电压Vo 的表达式：Vo=(1+Rf/R1+Rf/R5)×VN-(R4/R5)×Vf由于VN≈Vp＝Ii×R4， 上式中的VN 即可用Ii×R4 替换， 若R4＝200Ω，R1＝18kΩ，Rf＝7.14kΩ，R5＝43kΩ，并调整Vf≈7.53V，输出电压Vo 的表达式可写成如下的形式:当输入4－20mA 电流信号时，对应输出0－5V 的电压信号。

　　四． 常用二线制/三线制/四线制变送器专用芯片介绍
　　1）深圳顺源科技有限公司
　　（4-20mA/0-5V） 直流电流信号隔离（I/V）转换器
　　ISO-A4-P1-O1 4-20mA 24VDC 4-20mA
　　ISO-A4-P2-O2 4-20mA 12VDC 0-20mA
　　ISO-A4-P1-O4 4-20mA 24VDC 0-5V
　　ISO-A4-P3-O5 4-20mA 5VDC 0-10V
　　2）MAXIUM 美信如：MAXIM MAX472
　　3）TEXA INSTRUMENTS 德州仪器
德州仪器公司针对各种数据采集与监控中抗恶劣电磁干扰环境的需求， 给出一种基于XTR115 的低功耗两线4～20 mA 电流环数据传输电路，*先讨论了XTR115 的性能特点和工作原理， 随后针对其在温度传感器中的典型应用，详细描述了传感器内部电流环的原理电路， 给出了典型应用电路的详细设计过程。实际测量结果表明基于XTR115 的电流环电路具有抗干扰能力强，数据传输准确的特点，在工业测量中具有广阔的应用前景。
 
在各种数据采集与监控中通常用一个仪表放大器来完成信号的调理， 但是工业现场进行长线传输时，往往会产生以下问题：1）由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；2）传输线的分布电阻会产生电压降；3） 现场无法提供仪表放大器的工作电压。
 
为了解决上述问题并避开相关噪声的影响，通常用电流来传输信号， 这是因为电流对噪声并不敏感。4～20 mA 的电流环便是用4 mA 表示零信号，用20 mA 表示信号的满刻度， 而将低于4 mA 和高于20 mA 的信号用作各种故障的报警。
 
电流环电路， 根据转换原理的不同可划分成以下两种类型：一种是电压／ 电流转换器，亦称电流环发生器，它能将输入电压转换成4～20 mA 的电流信号（典型产品有1B21，1B22，AD693，AD694，XTR115和XTR116）； 另一种属于电流／ 电压转换器， 也叫电流环接收器（典型产品为RCV420），上述产品可满足不同用户的需要。
 
电流环电路， 根据器件位置的不同又可划分成以下两种类型：两线制和三线制。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，电流环器件位于监控的系统端， 由系统直接向电流环器件供电，供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。两线系统是电流环器件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4～20 mA 的电流环向远端的电流环器件供电，通过4～20 mA 来反映信号的大小。XTR 系列是美国BB（BURR-BROWN）公司生产的精密电流变送器， 该公司现已并入美国TexasInstruments 公司。该系列产品包括XTR101，XTR105，XTR106，XTR110，XTR115 和XTR116 共6种型号。其特点是能完成电压／ 电流（或电流／ 电流）转换，适配各种传感器构成测试系统、工业过程控制系统、电子秤重仪等。其中，XTR115 和XTR116 能够满足工业测量标准的两线4～20 mA 电流环电路，该电路设计巧妙、使用方便、超低静态电流，非常适合于变送器等典型工业测量应用之中。
 
下面介绍XTR115 所构成的变换器XTR115 性能特点：1)XTR115 属于二线制电流变送器，内部的2．5 V 基准电压可作为传感器的激励源。XTR115 可将传感器产生的40～200μA 弱电流信号放大100 倍，获得4～20 mA 的标准输出。当环路电流接近32 mA 时能自动限流。如果在3 脚与5 脚之间并联一只电阻，就可以改变限流值。2) 芯片中增加了+5 V 精密稳压器，其输出电压精度为±0．05％，电压温度系数仅为20x10-6 ／℃，可给外部电路(例如前置放大器)单独供电，从而简化了外部电源的设计。3)精度高，非线性误差小。转换精度可达±0．05％， 非线性误差仅为±0．003％。4)环路电源电压的允许范围宽为7．5～36 V。XTR115 由环路电源供电。工作温度范围是-40～+85℃。5)专门设计了功率管接口，适配外部NPN 型功率晶体管，它与内部输出晶体管并联后可降低芯片的功耗。
 
五． XTR115 两线制电流环应用注意事项利用XTR115 构成两线制电流环时， 其工作电源和信号共用一根导线， 工作电源由接收端提供。该方案需要考虑的主要问题： 一是确定所用接收器的数量，即当有多个接收器时，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。
 
　　通常情况下，利用两线制设计方案时，均需要考虑以下几点：
　　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。


上一条：投入式液位变送器等智能化仪表在现代农业灌溉系统中设计与实现
下一条：金属管转子流量计产品特点及使用规范