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基于二線制、三線制,、四線制的壓力/差壓/液位變送器應(yīng)用
傳感器和變送器的區(qū)別與聯(lián)系傳感器是能夠?qū)⒁?guī)定的被測量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置的總稱,，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。當(dāng)傳感器的輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號時,，則稱為變送器,。我們常見的變送器包括差壓變送器，液位變送器,，溫度變送送器等等,，變送器是將各種物理量轉(zhuǎn)換成電信號，是將非標(biāo)準(zhǔn)電信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號的儀器,， 傳感器則是將物理信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件,。一次儀表指現(xiàn)場測量儀表或基地控制表， 二次儀表指利用一次表信號完成其他功能：諸如控制,，顯示等功能的儀表,。
傳感器和變送器本是熱工儀表的概念。傳感器是把非電物理量如溫度,、壓力,、液位、物料,、氣體特性等轉(zhuǎn)換成電信號或把物理量如壓力,、液位等直接送到變送器。變送器則是把傳感器采集到的微弱的電信號放大以便轉(zhuǎn)送或啟動控制元件,，或?qū)鞲衅鬏斎氲姆请娏哭D(zhuǎn)換成電信號同時放大以便供遠(yuǎn)方測量和控制的信號源,。
根據(jù)需要還可將模擬量變換為數(shù)字量，當(dāng)然把電氣模擬量變換成數(shù)字量的也可以叫變送器,。傳感器和變送器一同構(gòu)成自動控制的監(jiān)測信號源,。不同的物理量需要不同的傳感器和相應(yīng)的變送器,。本文介紹了兩線制、三線制,、四線制模擬直流信號變送器的工作原理和結(jié)構(gòu),，以及各種變送器在儀表中的應(yīng)用。
1.2 電流傳輸DC （4-20mA） 和電壓接收DC （1-5V）信號優(yōu)點
在過程控制系統(tǒng)中,，現(xiàn)場的液位變送器和差壓變送器等儀表與控制室儀表之間的聯(lián)絡(luò)信號采用（4-20mA）DC 的理由是：因為現(xiàn)場與控制室之間的距離較遠(yuǎn),，連接電線的電阻較大，如果用電壓源信號遠(yuǎn)傳,，由于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓,，將產(chǎn)生較大的誤差，而用恒電流源信號作為遠(yuǎn)傳,，只要傳送回路不出現(xiàn)分支,，回路中的電流就不會隨電線長短而改變，從而保證了傳送的精度,。
控制室儀表之間的聯(lián)絡(luò)信號采用（1-5V）DC 的理由是：為了便于多臺儀表共同接收同一個信號,，并有利于接線和構(gòu)成各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)。如果用電流源作聯(lián)絡(luò)信號,，當(dāng)多臺儀表共同接收同一個信號時,，它們的輸入電阻必須串聯(lián)起來，這會使大負(fù)載電阻超過變送儀表的負(fù)載能力,，而且各接收儀表的信號負(fù)端電位各不相同,，會引入干擾，而且不能做到單一集中供電,。
1.3 DC(4-20mA)與DC(1-5V)傳輸、接收信號的標(biāo)準(zhǔn)在過程控制系統(tǒng)中,，模擬信號（4-20mA）DC 或(1-5V) DC 信號制是電工委員會(IEC)過程控制系統(tǒng)模擬信號標(biāo)準(zhǔn),。我國從DDZ-Ⅲ型電動儀表開始采用這一標(biāo)準(zhǔn)信號制， 儀表傳輸信號采用（4-20mA）DC,，聯(lián)絡(luò)信號采用（1-5V）DC,，即采用電流傳輸、電壓接收的信號系統(tǒng),。
采用電壓源信號聯(lián)絡(luò),，與現(xiàn)場液位變送器和差壓變送器的聯(lián)絡(luò)用的電流信號必須轉(zhuǎn)換為電壓信號，簡單的方法就是：在電流傳送回路中串接一個250 歐姆的標(biāo)準(zhǔn)電阻,，把（4-20mA）DC 轉(zhuǎn)換為（1-5V）DC,，通常由配電器來完成這一任務(wù)。
二． 二線制/三線制/四線制變送器
2.1 二線制/三線制/四線制變送器滿足條件信號變換器是將接入的位移傳感器等模擬信號,，變換為標(biāo)準(zhǔn)的模擬電流/電壓信號輸出,。電流信號輸出,采用二線制,；電壓信號輸出，采用三線制,、四線制,。
要實現(xiàn)兩線制變送器必須同時滿足以下條件:
1）V≤Emin-ImaxRLmax變送器的輸出端電壓V 等于規(guī)定的低電源電壓減去電流在負(fù)載電阻和傳輸導(dǎo)線電阻上的壓降。
2）I≤Imin變送器的正常工作電流I 必須小于或等于變送器的輸出電流,。
3）P＜Imin(Emin-IminRLmax)變送器的小消耗功率P 不能超過上式, 通常＜90mW,。
式中:Emin=低電源電壓， 對多數(shù)儀表而言Emin=24(1-5%)=22.8V,，5%為24V 電源允許的負(fù)向變化量,；
Imax=20mA
Imin=4mARLmax=250Ω+傳輸導(dǎo)線電阻
2.2 二線制/三線制/四線制變送器的連接
圖1 為二線制變換器的接線圖。
直流電源U（24V）通過兩根線向現(xiàn)場的變換器供電,，同時這兩根線又是輸出信號（4～20mA）的傳輸線,。輸出的電流信號需經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)電阻RL=250Ω 轉(zhuǎn)換為電壓UL=IRL=（1～5）U 送至控制器。這種二線制變換器的特點是只用于檢測信號而沒有控制功能,。三線制變換器的接線圖如圖2 所示,，
電流輸出系統(tǒng)除了兩根電流傳輸線以外，還有一根電源線向變壓器提供電源,。三線制就是電源正端用一根線,，信號輸出正端用一根線，電源負(fù)端和信號負(fù)端共用一根線,。其供電大多為DC 24V,， 輸出信號有DC4-20mA，負(fù)載電阻為250Ω 或者DC0-10mA,，負(fù)載電阻為0-1.5kΩ,；有的還有mA 和mV 信號，但負(fù)載電阻或輸入電阻,，因輸出電路形式不同而數(shù)值有所不同,。由于DC4-20mA 、DC 1-5V 信號制的普及和應(yīng)用,，在控制系統(tǒng)應(yīng)用中為了便于連接,，就要求信號制的統(tǒng)一， 為此要求一些非電動單元組合的儀表,， 如在線分析,、機(jī)械量、電量等儀表,， 能采用輸出為DC4-20mA 信號制,，但是由于其轉(zhuǎn)換電路復(fù)雜、功耗大等原因,，難于全部滿足上述的三個條件而無法做到兩線制,，就只能采用外接電源的方法來做輸出為DC4-20mA 的四線制變送器了,。四線制變送器供電大多為AC 220V，也有供電為DC24V 的,。輸出信號有DC 4-20mA,， 負(fù)載電阻為250Ω， 或者DC 0-10mA,， 負(fù)載電阻為0-1.5kΩ,； 的還有mA 和mV 信號，但負(fù)載電阻或輸入電阻,，因輸出電路形式不同而數(shù)值有所不同,，如圖3 所示。
輸入接收儀表的是電流信號,， 如將電阻RL 并聯(lián)接入時,，則接收的就是電壓信號了。由于各種變送器的工作原理和結(jié)構(gòu)不同,，從而出現(xiàn)了不同的產(chǎn)品,，也就決定了變送器的兩線制、三線制,、四線制接線形式,。
2.3 二線/三線制/四線制變送器設(shè)計原則
1）電流信號轉(zhuǎn)成電壓信號，或電壓信號轉(zhuǎn)成電流信號,，實質(zhì)就是信號傳輸中的阻抗變換問題,；
2）信號傳輸阻抗匹配，就是滿足信號源輸出大信號能量的條件,；
3）信號傳輸阻抗匹配,，就是信號傳輸能流大、衰減小,、暢通無阻,、失真變形小,；
4）電流信號轉(zhuǎn)成電壓信號,，就是低阻抗傳輸轉(zhuǎn)換為高阻抗傳輸,；
5）這種阻抗變換,，一定要通過阻抗變換設(shè)備、阻抗變換電路來實現(xiàn),；
6） 常用阻抗變換的設(shè)備有阻抗變換變壓器,，例如音響系統(tǒng)的輸入輸出變壓器；
7）常用阻抗變換電路,，如射極輸出電路,，在模擬電子電路中經(jīng)常用作輸出級,、輸入級、中間轉(zhuǎn)換級等,；
8）超高頻閉路電視系統(tǒng),，信號分流用的三通、四通分配器,，就是信號匹配阻抗轉(zhuǎn)換器,，通過它實現(xiàn)閉路電視系統(tǒng)的阻抗匹配，否則信號將受阻傳不出去,，或信號失真變形,；
9）4-20mA 電流信號轉(zhuǎn)成0-5V 或0-10V 電壓信號，用什么樣的阻抗變換電路,、設(shè)備,，關(guān)鍵看信號的性質(zhì)，是高頻還是低頻,，是交流還是直流,；
10）這種在電流信號回路中串入電阻的方法，是錯誤的,， 不可取的,， 是不懂信號傳輸匹配意義的做法。
三. 簡單的4～20mA 輸入/0～5V 輸出的I/V 或V/I 轉(zhuǎn)換電路
在與電流輸出的傳感器接口的時候,， 為了把傳感器或變送器輸出的0-20mA 或者4-20mA 電流信號轉(zhuǎn)換成為電壓信號,， 往往都會在后級電路的前端配置一個I/V 轉(zhuǎn)換電路。自己搭建電路, 節(jié)省成本,，但不推薦直接串聯(lián)精密電阻的方式,，用運放搭建電路就非常好。
1）0－5V/0－10mA 的V/I 變換電路
圖4 是由運放和阻容等元件組成的V/I 變換電路,， 能將0-5V 的直流電壓信號線性地轉(zhuǎn)換成0－10mA 的電流信號,，A1 是比較器，A3 是電壓跟隨器,，構(gòu)成負(fù)反饋回路,，輸入電壓Vi 與反饋電壓Vf 比較，在比較器A1 的輸出端得到輸出電壓VL,，V1 控制運放A1 的輸出電壓V2,， 從而改變晶體管T1 的輸出電流IL 而輸出電流IL 又影響反饋電壓Vf， 達(dá)到跟蹤輸入電壓Vi 的目的,。輸出電流IL 的大小可通過下式計算：IL＝Vf/(Rw+R7),， 由于負(fù)反饋的作用使Vi=Vf，因此IL＝Vi/(Rw+R7),，當(dāng)Rw+R7 取值為500Ω時,可實現(xiàn)0－5V/0－10mA 的V/I 轉(zhuǎn)換,，如果所選用器件的性能參數(shù)比較穩(wěn)定,，故運放A1、A2 的放大倍數(shù)較大,，那么這種電路的轉(zhuǎn)換精度,，一般能夠達(dá)到較高的要求。
圖4
2）0－10V/0－10mA 的V/I 變換電路Vf 是輸出電流IL 流過電阻Rf 產(chǎn)生的反饋電壓,，即V1 與V2 兩點之間的電壓差,，此信號經(jīng)電阻R3、R4 加到運放A1 的兩個輸入端Vp 與Vn,， 反饋電壓Vf=V1－V2,， 對于運放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),，依據(jù)Vf＝V1-V2 及上式可推導(dǎo)出：
若式中R1＝R2＝100kΩ,，R1＝R4=20kΩ， 則有：Vf×R1＝Vi×R4,，
得出：Vf＝R4/R1×Vi＝1/5Vi,， 如果忽略流過反饋回路R3、R4 的電流,，則有：IL＝Vf/Rf＝Vi/5Rf,，由此可以看出． 當(dāng)運放的開環(huán)增益足夠大時， 輸出電流IL與輸入電壓Vi 滿足線性關(guān)系,，而且關(guān)系式中只與反饋電阻Rf 的阻值有關(guān)．顯然,，當(dāng)Rf＝200Ω 時，此電路能實現(xiàn)0－10v/0－10mA 的V/I 變換,，如圖5 所示3）
1－5V/4－20mA 的V/I 變換電路輸入電壓Vi 是疊加在基準(zhǔn)電壓VB (VB=10V)上,， 從運放A1 的反向輸入VN 端輸入的， 晶體管T1,、T2 組成復(fù)合管,，作為射極跟隨器，起到降低T1基極電流的作用(即忽略反饋電流I2),，使得IL≈I1,，而運放A1 滿足VN≈Vp，如果電路圖中R1＝R2＝R,，R4＝R5＝kR,，則有如下表達(dá)式：
由式①②③可推出：
若Rf＝62.5Ω,k=0.25,Vi=1－5V,， 則I1＝4－20mA,，而實際變換電流IL 比I1 小,， 相差I(lǐng)2 (IL=I1-I2)，I2是一個隨輸入電壓Vi 變化的變量,，輸入電壓小時(Vi=1V),誤差大,，在實際應(yīng)用中，為了使誤差降到小,， 一般R1,，R2，Rf 的阻值分別選取40.25kΩ,40kΩ,62.5Ω,。如圖5 所示,。圖6 
4）0－10mA/0－5V 的I/V 變換電路
由運放組成的0－10mA/0－5V 的I/V 變換電路
如圖7 所示。
在圖7 中,， 運放A1 的放大倍數(shù)為A＝(R1+Rf)/R1, 若R1＝100kΩ,，Rf＝150kΩ， 則A＝2.5,； 若R4＝200Ω,，對于0－10mA 的電流輸入信號，將在R4 上產(chǎn)生0－2V 的電壓信號,， 由A＝2.5 可知,，0－10mA 的輸入電流對應(yīng)0－5V 的輸出電壓信號。圖中電流輸入信號Ii 是從運放A1 的同相輸入端輸入的,，因此要求選用具有較高共模抑制比的運算放大器,，例如，OP-07,、OP-27 等,。
5）4－20mA/0－5V 的I/V 變換電路如圖8 所示，流過反饋電阻Rf 的電流為(Vo-VN)/Rf,，與VN/R1(VN-Vf)/R5 相等,，由此，可推出輸出電壓Vo 的表達(dá)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 替換,， 若R4＝200Ω，R1＝18kΩ,，Rf＝7.14kΩ,，R5＝43kΩ，并調(diào)整Vf≈7.53V,，輸出電壓Vo 的表達(dá)式可寫成如下的形式:當(dāng)輸入4－20mA 電流信號時,，對應(yīng)輸出0－5V 的電壓信號。
四． 常用二線制/三線制/四線制變送器芯片介紹
1）深圳順源科技有限公司
（4-20mA/0-5V） 直流電流信號隔離（I/V）轉(zhuǎn)換器
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 德州儀器
德州儀器公司針對各種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中抗惡劣電磁干擾環(huán)境的需求,， 給出一種基于XTR115 的低功耗兩線4～20 mA 電流環(huán)數(shù)據(jù)傳輸電路,，首先討論了XTR115 的性能特點和工作原理， 隨后針對其在溫度傳感器中的典型應(yīng)用,，詳細(xì)描述了傳感器內(nèi)部電流環(huán)的原理電路,， 給出了典型應(yīng)用電路的詳細(xì)設(shè)計過程。實際測量結(jié)果表明基于XTR115 的電流環(huán)電路具有抗干擾能力強(qiáng),，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確的特點,，在工業(yè)測量中具有廣闊的應(yīng)用前景。
在各種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中通常用一個儀表放大器來完成信號的調(diào)理,， 但是工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行長線傳輸時,，往往會產(chǎn)生以下問題：1）由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘枺瑐鬏斁€會受到噪聲的干擾,；2）傳輸線的分布電阻會產(chǎn)生電壓降,；3） 現(xiàn)場無法提供儀表放大器的工作電壓。
為了解決上述問題并避開相關(guān)噪聲的影響,，通常用電流來傳輸信號,， 這是因為電流對噪聲并不敏感。4～20 mA 的電流環(huán)便是用4 mA 表示零信號,，用20 mA 表示信號的滿刻度,， 而將低于4 mA 和高于20 mA 的信號用作各種故障的報警。
電流環(huán)電路,， 根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同可劃分成以下兩種類型：一種是電壓／ 電流轉(zhuǎn)換器,，亦稱電流環(huán)發(fā)生器，它能將輸入電壓轉(zhuǎn)換成4～20 mA 的電流信號（典型產(chǎn)品有1B21,，1B22,，AD693，AD694,，XTR115和XTR116）,； 另一種屬于電流／ 電壓轉(zhuǎn)換器， 也叫電流環(huán)接收器（典型產(chǎn)品為RCV420）,，上述產(chǎn)品可滿足不同用戶的需要,。
電流環(huán)電路， 根據(jù)器件位置的不同又可劃分成以下兩種類型：兩線制和三線制,。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)需要通過長線驅(qū)動現(xiàn)場的驅(qū)動器件（如閥門等）時,，一般采用三線制變送器，這里,，電流環(huán)器件位于監(jiān)控的系統(tǒng)端,， 由系統(tǒng)直接向電流環(huán)器件供電,，供電電源是二根電流傳輸線以外的第三根線。兩線系統(tǒng)是電流環(huán)器件和傳感器位于現(xiàn)場端,，由于現(xiàn)場供電問題的存在,，一般是接收端利用4～20 mA 的電流環(huán)向遠(yuǎn)端的電流環(huán)器件供電，通過4～20 mA 來反映信號的大小,。XTR 系列是美國BB（BURR-BROWN）公司生產(chǎn)的精密電流變送器， 該公司現(xiàn)已并入美國TexasInstruments 公司,。該系列產(chǎn)品包括XTR101,，XTR105，XTR106,，XTR110,，XTR115 和XTR116 共6種型號。其特點是能完成電壓／ 電流（或電流／ 電流）轉(zhuǎn)換,，適配各種傳感器構(gòu)成測試系統(tǒng),、工業(yè)過程控制系統(tǒng)、電子秤重儀等,。其中,，XTR115 和XTR116 能夠滿足工業(yè)測量標(biāo)準(zhǔn)的兩線4～20 mA 電流環(huán)電路，該電路設(shè)計巧妙,、使用方便,、超低靜態(tài)電流，非常適合于變送器等典型工業(yè)測量應(yīng)用之中,。
下面介紹XTR115 所構(gòu)成的變換器XTR115 性能特點：1)XTR115 屬于二線制電流變送器,，內(nèi)部的2．5 V 基準(zhǔn)電壓可作為傳感器的激勵源。XTR115 可將傳感器產(chǎn)生的40～200μA 弱電流信號放大100 倍,，獲得4～20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)輸出,。當(dāng)環(huán)路電流接近32 mA 時能自動限流。如果在3 腳與5 腳之間并聯(lián)一只電阻,，就可以改變限流值,。2) 芯片中增加了+5 V 精密穩(wěn)壓器，其輸出電壓精度為±0．05％,，電壓溫度系數(shù)僅為20x10-6 ／℃,，可給外部電路(例如前置放大器)單獨供電，從而簡化了外部電源的設(shè)計,。3)精度高,，非線性誤差小。轉(zhuǎn)換精度可達(dá)±0．05％,， 非線性誤差僅為±0．003％,。4)環(huán)路電源電壓的允許范圍寬為7．5～36 V,。XTR115 由環(huán)路電源供電。工作溫度范圍是-40～+85℃,。5)專門設(shè)計了功率管接口,，適配外部NPN 型功率晶體管，它與內(nèi)部輸出晶體管并聯(lián)后可降低芯片的功耗,。
五． XTR115 兩線制電流環(huán)應(yīng)用注意事項利用XTR115 構(gòu)成兩線制電流環(huán)時,， 其工作電源和信號共用一根導(dǎo)線， 工作電源由接收端提供,。該方案需要考慮的主要問題： 一是確定所用接收器的數(shù)量,，即當(dāng)有多個接收器時，它將要求變送器擁有一個較低的工作電源電壓,。另外一種考慮是降低回路電流在接收端的壓降,。
通常情況下，利用兩線制設(shè)計方案時,，均需要考慮以下幾點：
1)電路環(huán)中的接收器的數(shù)量,，更多的接收器將要求變送器有較低的工作電壓；
2)變送器所必需的工作電壓要有一定的余量,；
3)決定傳感器的激勵方法是電壓還是電流,。