今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道 摘 要：由于工業(yè)上對低耗能和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊笤絹碓礁撸瑑删€制儀表的應(yīng)用也越來越廣。本文通過比較說明了兩線制變送器的優(yōu)點，并介紹了兩線制變送器的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了其工作原理。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了由壓力橋、調(diào)理電路和兩線制V/I變換電路構(gòu)成的兩線制壓力變送器，并對如何增強(qiáng)穩(wěn)定性和安全性做了討論。
關(guān)鍵詞：兩線制變送器；V/I變換電路；調(diào)理電路；傳感器
1 概述
工業(yè)上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設(shè)備上。這種將物理量轉(zhuǎn)換成電信號的設(shè)備稱為變送器。工業(yè)上最廣泛采用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量。
采用電流信號的原因是不容易受干擾。并且電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低于4mA，當(dāng)傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。
電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線，加上兩根電流輸出線，總共要接4根線，稱之為四線制變送器，如圖1（a）所示。當(dāng)然，電流輸出可以與電源共用一根線（共用Vcc或者GND），可節(jié)省一根線，稱之為三線制變送器，如圖1（b）所示。
其實大家可能注意到，4-20mA電流本身就可以為變送器供電，如圖1（c）所示。變送器在電路中相當(dāng)于一個特殊的負(fù)載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4~20mA之間根據(jù)傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業(yè)電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)下限為4mA，因此只要在量程范圍內(nèi)，變送器至少有4mA供電。這使得兩線制傳感器的設(shè)計成為可能。
在工業(yè)應(yīng)用中，測量點一般在現(xiàn)場，而顯示設(shè)備或者控制設(shè)備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能數(shù)十至數(shù)百米。按一百米距離計算，省去2根導(dǎo)線意味著成本降低近百元！因此在應(yīng)用中兩線制傳感器必然是首選。
a 四線制變送器 b 三線制變送器 c 兩線制變送器
圖1 變送器原理圖
圖1 變送器原理圖
2 兩線制變送器的結(jié)構(gòu)與原理
兩線制變送器的原理是利用了4~20mA信號為自身提供電能。如果變送器自身耗電大于4mA，那么將不可能輸出下限4mA值。因此一般要求兩線制變送器自身耗電（包括傳感器在內(nèi)的全部電路）不大于3.5mA。這是兩線制變送器的設(shè)計根本原則之一。
從整體結(jié)構(gòu)上來看，兩線制變送器由三大部分組成：傳感器、調(diào)理電路、兩線制V/I變換器構(gòu)成。傳感器將溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)化為電參量；調(diào)理電路將傳感器輸出的微弱或非線性的電信號進(jìn)行放大、調(diào)理、轉(zhuǎn)化為線性的電壓輸出；兩線制V/I變換電路根據(jù)信號調(diào)理電路的輸出控制總體耗電電流，同時從環(huán)路上獲得電壓并穩(wěn)壓，供調(diào)理電路和傳感器使用。 除了V/I變換電路之外，電路中每個部分都有其自身的耗電電流，兩線制變送器的核心設(shè)計思想是將所有的電流都包括在V/I變換的反饋環(huán)路內(nèi)。如圖2所示，采樣電阻Rs串聯(lián)在電路的低端，所有的電流都將通過Rs流回到電源負(fù)極。從Rs上取到的反饋信號，包含了所有電路的耗電。在兩線制變送器中，所有的電路總電流不能大于3.5mA，因此電路的低功耗成為主要的設(shè)計難點。下面將逐一分析各個部分電路的原理與設(shè)計要點。
圖2 兩線制變送器結(jié)構(gòu)圖
3 兩線制V/I變換器
V/I 變換器是一種可以用電壓信號控制輸出電流的電路。兩線制V/I變換器的電壓信號不是直接控制輸出電流，而是控制整個電路自身耗電電流，同時，還要從電流環(huán)路上提取穩(wěn)定的電壓為調(diào)理電路和傳感器供電。圖3是兩線制V/I變換電路的基本原理圖：圖中OP1、Q1、R1、R2、Rs構(gòu)成了V/I變換器。分析工作過程：若A點因為某種原因高于0V，使運放OP1輸出升高，Re兩端電壓升高，通過Re的電流變大，相當(dāng)于整個電路耗能增大，則通過采樣電阻Rs的電流變大，B點電壓減小。結(jié)果是通過R2將A點電壓拉低。反之，若A點因某種原因低于0V，也會被抬高回0V。總之是使運放OP1同相輸入端A虛地。
下面分析Vo的控制原理：假設(shè)調(diào)理電路輸出電壓為Vo，則流過R1的電流 I1=Vo/R1。運放輸入端不可能吸收電流，則I1全部流過R2，那么B點電壓 VB=－I1×R2=－Vo×R2/R1。取R1=R2時，有VB=－Vo相當(dāng)于Rs與 R2并聯(lián)作為電流采樣電阻。因此電路總電流：Is=Vo/(Rs//R2)。如果取R2>>Rs，Is=Vo/Rs 。取Rs=100Ω，當(dāng)調(diào)理電路輸出0.4~2V的時候，總耗電電流4~20mA。另外電路自身耗電盡量小，并且要求運放能夠單電源工作，LM358/324是最常見也是價格最低的單電源運放，耗電400uA，基本可以接受。單電源供電時，輸入端從－0.3V~－1.5V范圍內(nèi)都能正常工作。R5和U1構(gòu)成基準(zhǔn)源，產(chǎn)生2.5V穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。
LM385是低成本的微功耗基準(zhǔn)，20uA以上即可工作，手冊上給出的曲線在100uA附近最平坦，所以通過R5控制電流100uA左右。OP2構(gòu)成一個同相放大器，將基準(zhǔn)電壓放大，向調(diào)理電路及傳感器供電。因為寬輸入電壓、低功耗的穩(wěn)壓器稀少，成本高；將基準(zhǔn)放大作為穩(wěn)壓電源是一個廉價的方案。該部分電路也可以選擇現(xiàn)成的集成電路，比如XTR115/116/105等，精度和穩(wěn)定性比自制的好，自身功耗也更低，但成本較高。
圖3 兩線制V/I變換電路原理圖
4 兩線制壓力變送器設(shè)計
壓力橋、稱重傳感器輸出信號微弱，都屬于mV級信號。這一類小信號一般都要求用差動放大器對其進(jìn)行第一級放大。一般選用低失調(diào)、低溫漂的差動放大器。另外在兩線制應(yīng)用中，低功耗也是必需的。AD623是常用的低功耗精密差動放大器，常用在差分輸出前級的放大。 AD623失調(diào)最大200μV，溫漂1μV/度，為一般壓力變送應(yīng)用保證了足夠的精度。R0將0.4V疊加在AD623的REF腳（5腳）上，在壓力F=0情況下通過調(diào)整R0使輸出4mA，再調(diào)整RG輸出20.00mA，完成校準(zhǔn)。 電路設(shè)計時需注意，壓力橋傳感器相當(dāng)于一個千歐級的電阻，耗電一般比較大。適當(dāng)降低壓力橋的激勵電壓可以減小耗電電流。但是輸出幅度也隨之下降，需要提高AD623的增益。圖4給出的傳感器采用恒壓供電，實際應(yīng)用中大部分半導(dǎo)體壓力傳感器需要恒流供電才能獲得較好的溫度特性，可以用一個運放構(gòu)成恒流源為其提供激勵。
圖4 兩線制壓力變送器調(diào)理電路原理圖
5 穩(wěn)定性和安全性的考慮
工業(yè)環(huán)境下環(huán)境惡劣且對可靠性要求高，因此兩線制變送器的設(shè)計上需要考慮一定的保護(hù)和增強(qiáng)穩(wěn)定性措施。
a 電源保護(hù)
電源接反、超壓、浪涌是工業(yè)上常見的電源問題。電源接反是設(shè)備安裝接線時最容易發(fā)生的錯誤，輸入口串一只二極管即可防止接反電源時損壞電路。如果輸入端加一個全橋整流器，那么即使電源接反仍能正常工作。為防止雷擊、靜電放電、浪涌等能量損壞變送器，變送器入口處可以加裝一只TVS管來吸收瞬間過壓的能量。一般TVS電壓值取比運放極限電壓略低，才能起到保護(hù)作用。如果可能遭受雷擊，TVS可能吸收容量不夠，壓敏電阻也是必需的，但是壓敏電阻本身漏電會帶來一定誤差。
b 過流保護(hù)
設(shè)備運行過程中可能有傳感器斷線、短路等錯誤情況發(fā)生，或者輸入量本身很有可能超量程，變送器必須保證任何情況下輸出不會無限制上升。否則有可能損壞變送器本身、電源、或遠(yuǎn)方顯示儀表。 圖5中Rb和Z1構(gòu)成了過流保護(hù)電路。無論什么原因?qū)е翺P1輸出大于6.2V（1N4735是6.2V穩(wěn)壓管），都會被Z1鉗位，Q1的基極不可能高于6.2V。因此Re上電壓不可能高于6.2－0.6=5.6V，因此總電流不會大于Ue/Re = 5.6V/200=28mA。
圖5 有過流保護(hù)的兩線制V/I變換電路
c 寬電壓適應(yīng)能力
一般兩線制變送器都能適應(yīng)大范圍的電壓變化而不影響精度。這樣可以適用各類電源，同時能夠適應(yīng)大的負(fù)載電阻。對電源最敏感的部分是基準(zhǔn)源，同時基準(zhǔn)源也是決定精度的主要元件。圖3中基準(zhǔn)通過R5限流，當(dāng)電源電壓變化時，R5上電流也隨之改變，對基準(zhǔn)穩(wěn)定性影響很大。附圖中利用恒流源LM334為基準(zhǔn)供電，電壓大范圍變化時，電流基本不變，保證了基準(zhǔn)的穩(wěn)定性。
d 退藕電容
一般的電路設(shè)計中，每個集成電路的電源端都會有退藕電容。在兩線制變送器上電時，這些電容的充電會在瞬間導(dǎo)致大電流，有可能會損壞遠(yuǎn)方儀表。因此每個退藕電容一般不超過10nF，總退藕電容不宜超過50nF。入口處一個10nF電容是必需的，保證長線感性負(fù)載下，電路不震蕩。
參考文獻(xiàn)
[1] 兩線制傳感器設(shè)計．[J]．自動化信息，2008（5）
[2] 梁森，王侃夫，黃杭美．自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)(第二版)[M]機(jī)械工業(yè)出版社，2005
[3] 吳建軍．一種新穎的智能兩線制壓力變送器．[J]．自動化儀表，2003（1）
[4] 嚴(yán)重光．兩線制變送器電路（上）．[J]．儀表技術(shù)，1995（5）
[5] 嚴(yán)重光．兩線制變送器電路（下）．[J]．儀表技術(shù)，1995（6）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號