4-20mA電流環(huán)路發(fā)送器入門(mén)

在現代工業(yè)控制系統中，4-20 mA電流環(huán)路發(fā)送器一直是在控制中心和現場(chǎng)傳感器/執行器之間進(jìn)行數據傳輸最為常用的發(fā)送器，主要是因其便于安裝、使用和維護。隨著(zhù)氣動(dòng)信號被用于控制執行器，并在早期工業(yè)自動(dòng)化現場(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(mǎn)量輸入/輸出。如果氣動(dòng)管路發(fā)生破裂，壓力將降至0 PSI，表示出現需要修復的故障。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(cháng)的距離內使用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，不受導線(xiàn)電阻的影響。當然，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，線(xiàn)路斷裂或斷開(kāi)會(huì )使環(huán)路電流降為0 mA，必須對故障進(jìn)行修復。另外，電流環(huán)路還可以相對簡(jiǎn)單地防止電氣暫態(tài)導致的破壞，而且對無(wú)線(xiàn)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(xiàn)拓撲，或雙線(xiàn)傳感器發(fā)送器(見(jiàn)圖1)。

圖 1

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

雙線(xiàn)傳感器發(fā)送器用于將現場(chǎng)的物理參數發(fā)送回模擬輸入模塊，以進(jìn)行處理和控制。物理參數包括壓力、位置、溫度、電平、應變、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(xiàn)。因此，傳感器的電源線(xiàn)與傳送4-20 mA信號的兩條線(xiàn)路相同，這也是雙線(xiàn)4-20 mA發(fā)送器的主要設計要求。傳感器、傳感器調理電路和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]。

請注意，VLOOP GND不是雙線(xiàn)發(fā)送器的接線(xiàn)。因此，發(fā)送器必須創(chuàng )建一條局部接地線(xiàn)(GND)或雙線(xiàn)GND。當發(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(xiàn)GND必須相對VLOOP GND上下浮動(dòng)[3]。如果傳感器可以電氣性連接至相對VLOOP GND的電勢，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)，因為熱電偶通常熱短接或電氣性短接至其所測量溫度的材料。

雙線(xiàn)發(fā)送器只有一種可行性隔離拓撲：輸入隔離雙線(xiàn)發(fā)送器(見(jiàn)圖2)。輸入隔離雙線(xiàn)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、傳感器調理電路和隔離通信供電。隔離勢壘與發(fā)送器輸出級之間最常用的數據傳送方法是數字隔離寬脈調制、單線(xiàn)或串行外圍接口(SPI)的信號。

圖 2

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

如上文所述，雙線(xiàn)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(zhù)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(xiàn)傳感器發(fā)送器拓撲(見(jiàn)圖3)支持工作電流超過(guò)4mA的傳感器發(fā)送器設計。

圖 3

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

三線(xiàn)傳感器發(fā)送器從三線(xiàn)模擬輸入模塊接收供電，與GND連接以支持傳感器和調理電路的供電要求。這樣可使傳感器功率達到要求的水平，同時(shí)不會(huì )對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(xiàn)發(fā)送器創(chuàng )建0-20 mA和0-24 mA等常用的輸出電流范圍。當需要電壓輸出時(shí)(例如 0-10 V、±10 V)，也會(huì )使用到三線(xiàn)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電勢隔離，三線(xiàn)發(fā)送器則也有一個(gè)隔離拓撲：輸入隔離三線(xiàn)發(fā)送器。輸入隔離三線(xiàn)發(fā)送器的隔離結構與輸入隔離雙線(xiàn)發(fā)送器相類(lèi)似。在傳感器信息經(jīng)隔離勢壘發(fā)送至三線(xiàn)發(fā)送器輸出級之前，會(huì )為傳感器和傳感器調理電路生成一個(gè)局部隔離供電。

圖 4

簡(jiǎn)化的輸入隔離三線(xiàn)傳感器發(fā)送器

結論

盡管4-20 mA電流環(huán)路發(fā)送器已問(wèn)世數十年，但它至今仍被廣泛用于工業(yè)工廠(chǎng)自動(dòng)化和控制應用中?，F場(chǎng)級雙線(xiàn)和三線(xiàn)傳感器發(fā)送器占據了應用三線(xiàn)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(xiàn)傳感器發(fā)送器占據。