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4-20mA电流工作原理

更新时间:2023-07-24 浏览次数:667

4~20mA电流环工作原理

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。

4-20ma相关电路示意图

4-20ma相关电路示意图


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。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。


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。


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