4-20mA電流環(huán)路發(fā)送器入門(mén)知識(shí)

　　在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中，4-20 mA電流環(huán)路發(fā)送器一直是在控制中心和現(xiàn)場(chǎng)傳感器/執(zhí)行器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸最為常用的發(fā)送器，主要是因其便于安裝、使用和維護(hù)。隨著氣動(dòng)信號(hào)被用于控制執(zhí)行器，并在早期工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)作為比例控制之后，4-20 mA電流環(huán)路發(fā)送器開(kāi)始被大量應(yīng)用［1］。典型的壓力范圍是3 PSI – 15 PSI，其中3 PSI代表零度輸入/輸出，15 PSI代表滿量輸入/輸出。如果氣動(dòng)管路發(fā)生破裂，壓力將降至0 PSI，表示出現(xiàn)需要修復(fù)的故障。電子化開(kāi)始普及之后，氣動(dòng)管路逐漸被替代，取而代之的是由放大器、晶體管和其他分立電子元件組成的4-20 mA電流環(huán)路。

　　您可能會(huì)問(wèn)“為什么要使用電流環(huán)路？”基爾霍夫定律中指出電流在閉合環(huán)路中是恒定的。由此便可以在很長(zhǎng)的距離內(nèi)使用4-20 mA電流環(huán)路，而且環(huán)路中任一點(diǎn)的電流都是恒定的，不受導(dǎo)線電阻的影響。當(dāng)然，歐姆定律有效性的前提是具備充分的環(huán)路電壓。類(lèi)似于氣動(dòng)系統(tǒng)，線路斷裂或斷開(kāi)會(huì)使環(huán)路電流降為0 mA，必須對(duì)故障進(jìn)行修復(fù)。另外，電流環(huán)路還可以相對(duì)簡(jiǎn)單地防止電氣暫態(tài)導(dǎo)致的破壞，而且對(duì)無(wú)線電頻率干擾或電磁干擾也具備天然的抵抗能力［2］。

　　最常見(jiàn)的4-20 mA發(fā)送器類(lèi)型是雙線拓?fù)?，或雙線傳感器發(fā)送器（見(jiàn)圖1）。

　　圖 1 帶有雙線模擬輸入模塊的簡(jiǎn)化雙線4-20 mA傳感器發(fā)送器

　　雙線傳感器發(fā)送器用于將現(xiàn)場(chǎng)的物理參數(shù)發(fā)送回模擬輸入模塊，以進(jìn)行處理和控制。物理參數(shù)包括壓力、位置、溫度、電平、應(yīng)變、荷載、流量、成分/雜質(zhì)等。正如產(chǎn)品名稱(chēng)的表述一樣，該款發(fā)送器為雙線。因此，傳感器的電源線與傳送4-20 mA信號(hào)的兩條線路相同，這也是雙線4-20 mA發(fā)送器的主要設(shè)計(jì)要求。傳感器、傳感器調(diào)理電路和4-20 mA傳送電路的工作電流必須小于4 mA，否則發(fā)送器便無(wú)法輸出4 mA零度電平［3］。

　　請(qǐng)注意，VLOOP GND不是雙線發(fā)送器的接線。因此，發(fā)送器必須創(chuàng)建一條局部接地線（GND）或雙線GND。當(dāng)發(fā)送器輸出電流改變接收器阻抗回輸（RTN）接頭的電壓時(shí)，該雙線GND必須相對(duì)VLOOP GND上下浮動(dòng)［3］。如果傳感器可以電氣性連接至相對(duì)VLOOP GND的電勢(shì)，則此時(shí)需要采取隔離措施。該情形在熱耦傳感器發(fā)送器中比較常見(jiàn)，因?yàn)闊犭娕纪ǔ岫探踊螂姎庑远探又疗渌鶞y(cè)量溫度的材料。

　　雙線發(fā)送器只有一種可行性隔離拓?fù)洌狠斎敫綦x雙線發(fā)送器（見(jiàn)圖2）。輸入隔離雙線發(fā)送器從環(huán)形電源生成一個(gè)局部隔離電源，該環(huán)形電源為傳感器、傳感器調(diào)理電路和隔離通信供電。隔離勢(shì)壘與發(fā)送器輸出級(jí)之間最常用的數(shù)據(jù)傳送方法是數(shù)字隔離寬脈調(diào)制、單線或串行外圍接口（SPI）的信號(hào)。

　　圖 2　簡(jiǎn)化的輸入隔離雙線4-20 ma傳感器發(fā)送器

　　如上文所述，雙線傳感器發(fā)送器具有一定的局限性，主要原因是傳感器發(fā)送器的總消耗電流必須小于4mA。這就意味著很多類(lèi)型的傳感器無(wú)法使用，包括不限制電橋電流的低電阻電橋（例如100 Ω、120 Ω、350 Ω），因其會(huì)降低電橋的敏感性和精確度。三線傳感器發(fā)送器拓?fù)洌ㄒ?jiàn)圖3）支持工作電流超過(guò)4mA的傳感器發(fā)送器設(shè)計(jì)。

　　圖 3 簡(jiǎn)化的三線4-20 mA傳感器發(fā)送器（雙線模擬輸入模塊）

　　三線傳感器發(fā)送器從三線模擬輸入模塊接收供電，與GND連接以支持傳感器和調(diào)理電路的供電要求。這樣可使傳感器功率達(dá)到要求的水平，同時(shí)不會(huì)對(duì)傳感器的輸出范圍造成影響（保持歐姆定律）。這樣還可以使三線發(fā)送器創(chuàng)建0-20 mA和0-24 mA等常用的輸出電流范圍。當(dāng)需要電壓輸出時(shí)（例如 0-10 V、±10 V），也會(huì)使用到三線傳感器發(fā)送器。

　　如果傳感器必須與模擬輸出模塊供電和GND電勢(shì)隔離，三線發(fā)送器則也有一個(gè)隔離拓?fù)洌狠斎敫綦x三線發(fā)送器。輸入隔離三線發(fā)送器的隔離結(jié)構(gòu)與輸入隔離雙線發(fā)送器相類(lèi)似。在傳感器信息經(jīng)隔離勢(shì)壘發(fā)送至三線發(fā)送器輸出級(jí)之前，會(huì)為傳感器和傳感器調(diào)理電路生成一個(gè)局部隔離供電。

　　圖 4　簡(jiǎn)化的輸入隔離三線傳感器發(fā)送器

　　結(jié)論

　　盡管4-20 mA電流環(huán)路發(fā)送器已問(wèn)世數(shù)十年，但它至今仍被廣泛用于工業(yè)工廠自動(dòng)化和控制應(yīng)用中?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)雙線和三線傳感器發(fā)送器占據(jù)了應(yīng)用三線可編程邏輯控制器（PLC）模擬輸入市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，其余則被四線傳感器發(fā)送器占據(jù)。

　　下期我們將討論精確電流測(cè)量如何優(yōu)化電機(jī)控制，歡迎您繼續(xù)關(guān)注。

　　參考文獻(xiàn)

　　4-20 mA 發(fā)送器應(yīng)用注釋?zhuān)珼ataforth 公司。

　　Duke， Kevin。工業(yè)DACs：如何保護(hù)雙線發(fā)送器，模擬精密技術(shù)雜談，德州儀器，2015。

　　Wells， Collin。雙線4-20 mA傳感器發(fā)送器博客系列，模擬精密技術(shù)雜談，德州儀器，2015。
作者：Collin Wells, 德州儀器精密模擬應(yīng)用工程師