【導讀】在過(guò)程控制系統中，測量信號通常轉換為模擬升高零電流：4 至 20 毫安 （4-20 mA）。信號在范圍的低端 （0%） 為 4 mA，在滿(mǎn)量程 （100%） 時(shí)為 20 mA。
在過(guò)程控制系統中，測量信號通常轉換為模擬升高零電流：4 至 20 毫安 （4-20 mA）。信號在范圍的低端 （0%） 為 4 mA，在滿(mǎn)量程 （100%） 時(shí)為 20 mA。
除非您一直在工業(yè)環(huán)境中工作，否則您所見(jiàn)過(guò)的大多數電子系統都會(huì )傳輸 0 到某個(gè)滿(mǎn)量程范圍的電壓信號。例如，0 至 5 V。
為什么是 4-20mA 電流信號？
因此，您可能想知道，“為什么要使用電流進(jìn)行信號傳輸？”和“為什么是 4-20 mA 的范圍？答案是：電流信號在長(cháng)距離和嘈雜環(huán)境中的性能優(yōu)于電壓。此外，升高的零點(diǎn)允許測量低于 0% 并檢測斷線(xiàn)。
轉換由稱(chēng)為過(guò)程變送器或信號調節器的儀器完成。它們的輸入通常來(lái)自初級傳感器，例如熱電偶、力或壓力傳感器、轉速計、電位計、滑絲等。4-20 mA 輸出通過(guò)一對電線(xiàn)“傳輸”。一些發(fā)射器由交流供電，其他發(fā)射器使用 24 伏直流電，并且通常配有電池，以防止停電期間信號丟失。
電源和信號如何在同一兩條線(xiàn)路上傳輸？
回路供電變送器（也稱(chēng)為兩線(xiàn)制變送器）從遠程電源接收直流電源。如圖 1 所示，它們通過(guò)控制來(lái)自該電源的電流，通過(guò)同一對線(xiàn)對傳輸輸出，無(wú)需單獨的電源線(xiàn)。
圖 1.環(huán)路供電的發(fā)射器通過(guò)同一對電線(xiàn)接收電源并傳輸其輸出。作者的圖片。
變送器通常位于現場(chǎng)，靠近測量點(diǎn)，而電源來(lái)自控制室的直流電源?？刂苹蜃x出儀器串聯(lián)以讀取電流，形成電流回路。電源電壓通常（但并非總是）為 24 VDC。
圖 2 顯示了典型環(huán)路供電發(fā)射器的內部操作。它的功率被穩壓器電路從環(huán)路電流中“竊取”，用于為電路的其余部分供電。整個(gè)電路必須設計為以小于 4 mA 的電流運行。
圖 2.典型回路供電發(fā)射器的框圖。
信號調節電路（根據輸入類(lèi)型而變化）驅動(dòng)電流輸出電路，進(jìn)而驅動(dòng)輸出晶體管?？傠娏鳎ò娫矗┝鹘?jīng)一個(gè)輸出檢測電阻器，該電阻器提供反饋以控制電流。盡管發(fā)射器的電源輸入電壓發(fā)生變化，反饋仍能保持適當的電流。
環(huán)路功率變送器的應用
常見(jiàn)的應用可能是溫度測量。工業(yè)溫度探頭（熱電偶和 RTD（熱電阻溫度計））通常包括用于現場(chǎng)布線(xiàn)的連接外殼（連接“頭”）?？梢栽陬^部?jì)炔堪惭b一個(gè)小型發(fā)射器，然后，到控制室的布線(xiàn)可以簡(jiǎn)單地是一對銅線(xiàn)，而不是熱電偶線(xiàn)，或者對于 RTD，則需要三根或四根線(xiàn)。
如前所述，發(fā)射器可用于許多其他輸入。傳感器輸入包括應變計或稱(chēng)重傳感器、電位計或滑絲位置傳感器、轉速計或電機驅動(dòng)器的脈搏率或頻率等。一些公司為其化學(xué)傳感器提供兩線(xiàn)制變送器。甚至還有回路供電的流量變送器。帶直流毫伏輸入或帶直流或交流電壓和電流輸入的變送器均可用。
帶信號隔離的回路供電變送器
輸入通常必須與電源和輸出進(jìn)行電氣隔離。這意味著(zhù)輸入和 4-20 mA 回路之間沒(méi)有電氣連接。這種孤立有兩個(gè)原因。首先，如果 output loop 接地，則 input 也不能接地。再看一下圖 2。電路公共端與輸出不同。如果輸入公共端和負輸出都接地，它們將被連接，使電流檢測電阻器短路并產(chǎn)生嚴重誤差。這是接地熱電偶探頭的常見(jiàn)問(wèn)題。
其次，隔離增強了安全性。如果 input 是高電壓或大電流，則不得將其連接到輸出環(huán)路。假設使用交流輸入發(fā)射器來(lái)監控電源電壓或電流。如果連接到輸出環(huán)路，則環(huán)路或發(fā)射器可能會(huì )被銷(xiāo)毀。有人也可能受傷或觸電。
幸運的是，環(huán)路供電的變送器具有輸入/輸出隔離功能，如圖 4 所示。操作相同，但電源和信號路徑增加了隔離。電源隔離通常使用變壓器完成。直流電壓被斬波以產(chǎn)生交流電，然后通過(guò)變壓器饋電并在輸出側整流回直流。
帶 I/O 隔離的環(huán)路供電發(fā)射器框圖
圖 4.具有輸入/輸出隔離和可選顯示屏的環(huán)路供電變送器框圖。
信號可以通過(guò)多種方式進(jìn)行隔離。在較舊的設計中，使用變壓器隔離，但光耦合器和電容隔離是現代設備的典型解決方案。經(jīng)過(guò)調節的輸入信號轉換為脈沖或頻率調制，通過(guò)光耦合器或小型高壓電容器饋送，然后轉換回直流?，F代發(fā)射器通常使用微處理器或微控制器，而不是全模擬電路，因此耦合脈沖是顯而易見(jiàn)的選擇。
帶 LCD 顯示屏的變送器
一些變送器提供可選的內置顯示器，通常是用于電流使用的 LCD。圖 3 包含此選項。這在配備微控制器的發(fā)射器中很容易實(shí)現，但也可以使用模擬到顯示 IC。
顯示屏可以縮放為讀取“工程單位”，而不是簡(jiǎn)單地讀取 4-20 mA 或 0% 到 100%。工程單位是表示物理過(guò)程的實(shí)際過(guò)程值，例如度或千克。過(guò)程值可以在測量點(diǎn)和控制室中看到。
可選變送器功能
一些基于微處理器的變送器可以由用戶(hù)更改其范圍。HART（高速可尋址遠程傳感器）變送器在 4-20 mA 電流之上施加數字通信脈沖，允許遠程重新校準、量程更改和其他選項。
根據其批準，如果正確安裝在指定系統中，一些變送器已獲得支持在危險（爆炸性）場(chǎng)所使用的批準。這些選項不在本文的討論范圍之內。
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