隔離變送器知識淺談

                什么是變送器的二線制和四線制信號傳輸方式？......什么是......

 

        二線制傳輸方式中，供電電源、負(fù)載電阻、變送器是串聯(lián)的，即二根導(dǎo)線同時(shí)傳送變送器所需的電源和輸出電流信號，目前大多數(shù)變送器均為二線制變送器；四線制方式中，供電電源、負(fù)載電阻是分別與變送器相連的，即供電電源和變送器輸出信號分別用二根導(dǎo)線傳輸。......請看變送器八問八答。

    一．什么是兩線制電流變送器?

        什么是兩線制?兩線制有什么優(yōu)點(diǎn)?

        兩線制是指現(xiàn)場變送器與控制室儀表聯(lián)系僅用兩根導(dǎo)線，這兩根線既是電源線，又是信號線。兩線制與三線制  (一根正電源線，兩根信號線,其中一根共GND)  和四線制(兩根正負(fù)電源線，兩根信號線,其中一根GND)相比，兩線制的優(yōu)點(diǎn)是：

    1、不易受寄生熱電偶和沿電線電阻壓降和溫漂的影響，可用非常便宜的更細(xì)的導(dǎo)線；可節(jié)省大量電纜線和安裝費(fèi)用；

    2、在電流源輸出電阻足夠大時(shí)，經(jīng)磁場耦合感應(yīng)到導(dǎo)線環(huán)路內(nèi)的電壓，不會產(chǎn)生顯著影響，因?yàn)楦蓴_源引起的電流極小，一般利用雙絞線就能降低干擾；兩線制與三線制必須用屏蔽線,屏蔽線的屏蔽層要妥善接地。

    3、電容性干擾會導(dǎo)致接收器電阻有關(guān)誤差，對于4～20mA兩線制環(huán)路，接收器電阻通常為250Ω（取樣Uout=1～5V）這個(gè)電阻小到不足以產(chǎn)生顯著誤差，因此，可以允許的電線長度比電壓遙測系統(tǒng)更長更遠(yuǎn)；

   4、各個(gè)單臺示讀裝置或記錄裝置可以在電線長度不等的不同通道間進(jìn)行換接，不因電線長度的不等而造成精度的差異，實(shí)現(xiàn)分散采集，分散式采集的好處就是：分散采集，集中控制....

    5、將4mA用于零電平，使判斷開路與短路或傳感器損壞（0mA狀態(tài)）十分方便。

    6,在兩線輸出口非常容易增設(shè)一兩只防雷防浪涌器件,有利于安全防雷防爆。

        三線制和四線制變送器均不具上述優(yōu)點(diǎn)即將被兩線制變送器所取代，從國外的行業(yè)動態(tài)及變送器心片供求量即可略知一斑，電流變送器在使用時(shí)要安裝在現(xiàn)場設(shè)備的動力線上，而以單片機(jī)為核心的監(jiān)測系統(tǒng)則位于較遠(yuǎn)離設(shè)備現(xiàn)場的監(jiān)控室里，兩者一般相距幾十到幾百米甚至更遠(yuǎn)。設(shè)備現(xiàn)場的環(huán)境較為惡劣，強(qiáng)電信號會產(chǎn)生各種電磁干擾，雷電感應(yīng)會產(chǎn)生強(qiáng)浪涌脈沖，在這種情況下，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中遇到的一個(gè)棘手問題就是如何在惡劣環(huán)境下遠(yuǎn)距離可靠地傳送微小信號。

        兩線制變送器件的出現(xiàn)使這個(gè)問題得到了較好地解決。它把現(xiàn)場設(shè)備動力線的電流隔離轉(zhuǎn)換成4～20 mA的按線性比例變化的標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出，然后通過一對雙絞線送到監(jiān)測系統(tǒng)的輸入接口上，雙絞線同時(shí)也將位于監(jiān)測系統(tǒng)的24V工作電源送到電流變送器中。測量信號和電源在雙絞線上同時(shí)傳送，既省去了昂貴的傳輸電纜，而且信號是以電流的形式傳輸，抗干擾能力得到極大的加強(qiáng)。

    二.電流變送器的4-20mA輸出如何轉(zhuǎn)換?

        兩線制電流變送器的輸出為4～20mA，通過250Ω的精密電阻轉(zhuǎn)換成1～5V或2-10V的模擬電壓信號.轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號有多種方法，如果系統(tǒng)是在環(huán)境較為惡劣的工業(yè)現(xiàn)場長期使用，因此需考慮硬件系統(tǒng)工作的安全性和可靠性。系統(tǒng)的輸入模塊采用壓頻轉(zhuǎn)換器件LM２31將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成頻率信號，用光電耦合器件TL117進(jìn)行模擬量與數(shù)字量的隔離。

        同時(shí)模擬信號處理電路與數(shù)字信號處理電路分別使用兩組獨(dú)立的電源，模擬地與數(shù)字地相互分開，這樣可提高系統(tǒng)工作的安全性。利用壓頻轉(zhuǎn)換器件LM231也有一定的抗高頻干擾的作用。

 

    三.電流輸出型與電壓輸出型有哪些優(yōu)劣比較?

        在單片機(jī)控制的許多應(yīng)用場合,都要使用變送器來將單片機(jī)不能直接測量的信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的電模擬信號，如電流變送器,壓力變送器、溫度變送器、流量變送器等。

        早期的變送器大多為電壓輸出型，即將測量信號轉(zhuǎn)換為0-5V電壓輸出，這是運(yùn)放直接輸出,信號功率<0.05W,通過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換數(shù)字信號供單片機(jī)讀取、控制。但在信號需要遠(yuǎn)距離傳輸或使用環(huán)境中電網(wǎng)干擾較大的場合，電壓輸出型傳感器的使用受到了極大限制，暴露了抗干擾能力較差,線路損耗破壞了精度等等等缺點(diǎn)，而兩線制電流輸出型變送器以其具有極高的抗干擾能力得到了廣泛應(yīng)用。

        電壓輸出型變送器抗干擾能力極差，線路損耗的破壞,談不上精度有多高,有時(shí)輸出的直流電壓上還疊加有交流成分，使單片機(jī)產(chǎn)生誤判斷，控制出現(xiàn)錯誤，嚴(yán)重時(shí)還會損壞設(shè)備，輸出0-5V絕對不能遠(yuǎn)傳，遠(yuǎn)傳后線路壓降大，精確度大打折扣。現(xiàn)在很多的ADC,PLC,DCS的輸入信號端口都作成兩線制電流輸出型變送器4-20mA的,證明了電壓輸出型變送器被淘汰的必然趨勢。

 

    四.4～20mA電流輸出型到接口一般有哪些處理方法?

        電流輸出型變送器的輸出范圍常用的有0～20mA及4～20mA兩種，電流變送器輸出最小電流及最大電流時(shí)，分別代表電流變

 送器所標(biāo)定的最小及最大額定輸出值。

        下面以測量范圍為以0～100A的電流變送器為例進(jìn)行敘述。對于輸出0～20mA的變送器0mA電流對應(yīng)輸入0A值，輸出4～20mA的變送器4mA電流對應(yīng)輸入0A值，兩類傳感器的20mA電流都對應(yīng)100A值。

        對于輸出0～20mA的變送器，在電路設(shè)計(jì)上我們只需選擇合適的降壓電阻，在A/D轉(zhuǎn)換器輸入接口直接將電阻上的0-5V或0-10V電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號即可，電路調(diào)試及數(shù)據(jù)處理都比較簡單。但劣勢是無法判別變送器的損壞,無法辨別變送器輸出開路和短路。

        對于輸出4～20mA的變送器，電路調(diào)試及數(shù)據(jù)處理上都比較煩瑣。但這種變送器能夠在變送器線路不通時(shí),短路時(shí)或損壞時(shí)通過能否檢測到正常范圍內(nèi)的電流(正常時(shí)最小值也有4mA)，來判斷電路是否出現(xiàn)故障，變送器是否損壞,因此得到更為廣泛普遍的使用。

        由于4～20mA變送器輸出4mA時(shí)，在取樣電阻上的電壓不等于0，直接經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量也不為0，單片機(jī)無法直接利用，通過公式計(jì)算過于復(fù)雜。因此一般的處理方法是通過硬件電路將4mA在取樣電阻上產(chǎn)生的電壓降消除，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。這類硬件電路首推RCV420,是一種精密的I/V轉(zhuǎn)換電路,

        還有應(yīng)用LM258自搭的I/V轉(zhuǎn)換電路,這個(gè)電路由兩線制電流變送器產(chǎn)生的4～20mA電流與24V以及取樣電阻形成電流回路，從而在取樣電阻上產(chǎn)生一個(gè)1-5V壓降，并將此電壓值輸入到放大器LM258的3腳。電阻分壓電路用來在集成電路LM258的2腳產(chǎn)生一個(gè)固定的電壓值，用于抵消在取樣電阻上4mA電流產(chǎn)生的壓降。所以當(dāng)兩線制電流變送器為最小值4mA時(shí)，LM258的3腳與2腳電壓差基本為0V。LM258與其相連接的電阻構(gòu)成可調(diào)整電壓放大電路，將兩線制電流變送器電流在取樣電阻上的電壓值進(jìn)行放大并通過LM258的1腳輸出至模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，供單片機(jī)CPU讀入，通過數(shù)據(jù)處理方法將兩線制電流變送器的4-20mA電流在LCD/LED屏幕上以0-100A值的形式顯示出來。(圖2)

    五.什么是兩線制電流變送器的6大全面保護(hù)功能：

     (1)、輸入過載保護(hù)；

     (2)、輸出過流限制保護(hù)；

     (3)、輸出電流長時(shí)間短路保護(hù)；

     (4)、兩線制端口瞬態(tài)感應(yīng)雷與浪涌電流TVS抑制保護(hù)；

     (5)、工作電源過壓極限保護(hù)≤35V；

     (6)、工作電源反接保護(hù)。

    六.怎樣辨別真假優(yōu)劣的電流電壓變送器?

        生產(chǎn)資料市場化以后，加劇激烈的競爭，真假優(yōu)劣難辨，又因變送器是邊緣學(xué)科，很多工程設(shè)計(jì)人員對此較陌生，有些廠家產(chǎn)品工業(yè)級別和民用商用級別指標(biāo)混淆（工業(yè)級的價(jià)格是民用商用級的2-3倍）有些廠家產(chǎn)品用幾角錢的LM324和LM431加一個(gè)線性光偶就可以做出一只變送器，不信的話您打開看看，你幾百元買來的是不是用的LM324和LM431，這樣的變送器送您，您敢不敢用呵！

         筆者試以常用的0.5級精度的電流電壓變送器為例，從以下方法著手來辨別真假優(yōu)劣。

    (1) 基準(zhǔn)要穩(wěn),４mA是對應(yīng)的輸入零位基準(zhǔn)，基準(zhǔn)不穩(wěn)，談何精度線性度，冷開機(jī)３分鍾內(nèi)４mA的零位漂移變化不超過4.000mA0.5%以內(nèi);(即3.98-4.02mA),負(fù)載250Ω上的壓降為0.995-1.005V，國外IC心片多用昂貴的能隙基準(zhǔn)，溫漂系數(shù)每度變化10ppm；

    (2) 內(nèi)電路總計(jì)消耗電流<4mA,加整定后等于4.000mA,而且有源整流濾波放大恒流電路不因原邊輸入變化而消耗電流也隨之變化，國外IC心片采用恒流供電；

    (3) 當(dāng)工作電壓24.000V時(shí),滿量程20.000mA時(shí),滿量程20.000mA的讀數(shù)不會因負(fù)載0-500Ω變化而變化;變化不超過20.000mA0.5%以內(nèi)；

    (4) 當(dāng)滿量程20.000mA時(shí),負(fù)載250Ω時(shí),滿量程20.000mA的讀數(shù)不會因工作電壓15.000V-30.000V變化而變化;變化不超過20.000mA0.5%以內(nèi)；

    (5) 當(dāng)原邊過載時(shí)，輸出電流不超過25.000mA+10%以內(nèi)，否則PLC/DCS內(nèi)供變送器用的24V工作電源和A/D輸入箝位電路因功耗過大而損壞，另外變送器內(nèi)的射隨輸出亦因功耗過大而損壞，無A/D輸入箝位電路的更遭殃；

   (6) 當(dāng)工作電壓24V接反時(shí)不得損壞變送器,必須有極性保護(hù);

   (7) 當(dāng)兩線之間因感應(yīng)雷及感應(yīng)浪涌電壓超過24V時(shí)要箝位,不得損壞變送器；一般在兩線之間并聯(lián)1-2只TVS瞬態(tài)保護(hù)二極管 1.5KE可抑制每20秒間隔一次的20毫秒脈寬的正反脈沖的沖擊,瞬態(tài)承受沖擊功率1.5KW-3KW;

   (8) 產(chǎn)品標(biāo)示的線性度0.5％是絕對誤差還是相對誤差,可以按以下方法來辨別方可一目了然:符合下述指標(biāo)是真的線性度0.5％.

               原邊輸入為零時(shí)輸出4mA正負(fù)0.5%(3.98-4.02mA),負(fù)載250Ω上的壓降為0.995-1.005V

               原邊輸入10％時(shí)輸出5.6mA正負(fù)0.5%(5.572-5.628mA)負(fù)載250歐姆上的壓降為1.393-1.407V

               原邊輸入25％時(shí)輸出8mA正負(fù)0.5%(7.96-8.04mA)負(fù)載250Ω上的壓降為1.990-2.010V 

               原邊輸入50％時(shí)輸出12mA正負(fù)0.5%(11.94-12.06mA)負(fù)載250Ω上的壓降為2.985-3.015V 

               原邊輸入75％時(shí)輸出16mA正負(fù)0.5%(15.92-16.08mA)負(fù)載250Ω上的壓降為3.980-4.020V  

               原邊輸100％時(shí)輸出20mA正負(fù)0.5%(19.90-20.10mA)負(fù)載250Ω上的壓降為4.975-5.025V 

    (9) 原邊輸入過載時(shí)必須限流:原邊輸入過載大于125%時(shí)輸出過流限制25mA+10%(25.00-27.50mA)負(fù)載250Ω上的壓降為6.250-6.875V；

    (10) 感應(yīng)浪涌電壓超過24V時(shí)有無箝位的辨別:在兩線輸出端口并一個(gè)交流50V指針式表頭,用交流50V接兩根線去瞬間碰一下兩線輸出端口,看有無箝位,箝位多少伏可一目了然啦;

   (11) 有無極性保護(hù)的辨別:用指針式萬用表Ω乘10K檔正反測量兩線輸出端口,總有一次Ω阻值無限大,就有極性保護(hù)；

   (12) 有無極輸出電流長時(shí)間短路保護(hù)：原邊輸入100％時(shí)或過載大于125%-200%時(shí)，將負(fù)載250Ω短路，測量短路保護(hù)限制是否在25mA+10%；

   (13) 工業(yè)級別和民用商用級別的辨別:工業(yè)級別工作溫度范圍是-25度到+70度，溫漂系數(shù)是每度變化100ppm,即溫度每度變化1度,精度變化為萬分之一；民用商用級別工作溫度范圍是0度（或-10度）到+70度（或+50度）,溫漂系數(shù)是每度變化250ppm,即溫度每度變化1度,精度變化為萬分之二點(diǎn)五；電流電壓變送器的溫漂系數(shù)可以用恒溫箱或高低溫箱來試驗(yàn)驗(yàn)證較繁瑣。

   上述13種方法同樣可用與其它變送器真假優(yōu)劣的辨別。