4-20ma工作原理

4~20mA电流环工作原理

2008-04-07 22:40

在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。

为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。4～20mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。

4～20mA电流环有两种类型：二线制和三线制。当监控系统需要通过长线驱动现场的驱动器件如阀门等时，一般采用三线制变送器，这里XTR位于监控的系统端，由系统直接向XTR供电，供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。二线系统是XTR和传感器位于现场端，由于现场供电问题的存在，一般是接收端利用4～20mA的电流环向远端的XTR供电，通过4～20mA来反映信号的大小。

4～20mA产品的典型应用是传感和测量应用，见图1。在工业现场有许多种类的传感器可以被转换成4～20mA的电流信号，TI拥有一些很方便的用于RTD和电桥的变送器芯片。由于TI的变送器芯片含有通用的功能电路比如电压激励源、电流激励流、稳压电路、仪表放大器等，所以可以很方便地把许多传感器的信号转化为4～20mA的信号。

图1 (略)

电桥传感器的大多数应用是用于测量压力。在一个实际电路中，如果惠斯登电桥每条臂上的电阻为2k ，那么无论从激励电压端或差分输出端看进去，它的等效电阻都是2k 。在没有压力的时候，它的电桥是平衡的，输出电压为0。当施加压力时，由于电桥失衡，会产生一个差分电压，差分电压便会反映这个压力的大小。

满度和调是压力传感器的两个主要技术指标，现实世界里使用着的传感器都存在着一定的非线性，它的输出电压会随着温度的变化而变化。输出电压随温度的变化不是线性的，满度和调都具有这种性质。

4～20mA的传感器信号调理解决方案

4～20mA电流环在结构上由两部分即变送器和接收器组成，变送器一般位于现场端、传感器端或模块端，而接收器一般在PLC和计算机端，它一般在控制器内。

二线制4～20mA电路应用，其工作电源和信号共用一根导线，工作电源由接收端提供。为了避免50/60Hz的工频干扰，采用电流来传输信号。二线制方案需要考虑的主要问题：确定所用接收器的数量，当有多个接收器时，它将要求变送器拥有一个较低的工作电源电压。另外一种考虑是降低回路电流在接收端的压降。

二线制方案设计需要考虑：

（1）电路环中的接收器的数量：更多的接收器将要求变送器有较低的工作电压；

（2）变送器所必需的工作电压要有一定的余量；

（3）决定传感器的激励方法是电压还是电流。

图2 (略)

图2为TI提供的带有电压调节和参考电路的二线制方案。图中XTR115/116是用于4～20mA信号的精密的信号转换器，它包含有5V电压的稳压电路，可以向外部电路供电。一个精密的片上基准电压可以用于电压偏置或者传感器的激励。

三线制4～20mA电路在设计上是由变送器端提供工作电源，为避免50/60Hz的工频干扰，采用电流来传输信号。XTR调节器和现场的负载共用一个地接。方案设计需要考虑：

（1）电流环路中的接收器的数量；

（2）更多的接收器要求变送器拥有更高的工作电压；

（3）保证变送器所必需的工作电压，并应该有一定的余量。

TI提供的三线制的变送器应用方案如图3所示，图中XTR110是一个用于模拟信号传送的精密的电压-电流转换器，它可以将0～5V或0～10V的输入电压直接转换到4～20mA、0～20mA、5～25mA的输出信号。XTR110含有精密的电阻网络，以适应不同的输入输出要求。一个10V的电压参考可以用于驱动外部电路。

图3(略)

4～20mA的校正

传统的4～20mA校正，要求特殊的夹具固定，需要特别的激光或手动电阻器调整，而调整是相互影响的，需要一个测试、调整，再测试、再调整的过程，调整次数和范围有限。电子器件和传感器调整起来不够方便。

现代的数字化4～20mA校正，它允许电子器件和传感器在封装之后进行调整；可通过计算机计算出校正系数来简化数值调整；可以有无限的调整次数，并且有很好的分辨率和较宽的调整范围；调整过程中不存在相互影响；电子器件和传感器可以很方便地调整。

XTR108是TI提供的校正4～20mA的解决方法。它具有480 A的电流参考，它提供RTD的非线性校正，不需要外加可调电阻器。XTR108的特点有：
（1）具有传感器的线性化电路；

（2）数字校正。通过SPI接口可以直接对XTR108设置，通过SPI接口可直接编程EEPROM；

（3）自动稳零的可编程增益的应用放大器的增益范围为6.26～400倍；

（4）RTD激励的可编程电流的分辨率为1.54 A；

（5）校正参数存储在外接的EEPROM中；

（6）可编程的过量程和欠量程的输出。

此外，TI还提供一款桥路传感器的数字校正解决方案——PGA309，它是专为压力桥路传感器设计的可编程模拟信号调节器。它模拟放大器传感信号并提供对调电压和满度电压的数字校正，由于避免了手动调整而获得了长期的稳定性，并将输出电压信号转换成4～20mA的输出。

问答选编

问：电流变送器与普通的电流霍尔传感器有什么不同？

答：霍尔传感器是传感器件，而电流变送器是将传感器产生的信号直接转换为4~20mA的电流信号进行传输，因此它们两个一个是传感器，另一个是电流变送器。

问：4~20mA信号是否存在温漂？如何解决？

答：实际上，4~20mA信号内部是用集成电路芯片来制作的。集成电路芯片随着温度的变化在遇到放大器、电压到电流的转换时，会存在温漂，但这种温漂如果在TI的PGA309中则是可以解决的，因为PGA309中采用的是零漂移的仪表放大器作为前置放大，同时PGA309中还有温度的校准，它是每采集一个温度点来查表，进行温度满度或调电压的校准，从而解决温度的漂移问题。

问：应该采取哪些措施实现4～20mA变送器的信号隔离？

答：对4~20mA变送器的安全隔离可以有两种方法：一是变送器端的隔离，一是接收端的隔离。现在若有24V电压供给一个XTR115的芯片，XTR115 内部可以将24V电压直接转换为一个5V稳压电压输出，对这个5V的稳压电压进行展波，经过一个脉冲电压器由此可以向前面提供一个隔离电源，然后再把模拟信号转换成数字信号，再经过一个隔离以后再提供给XTR115，再进行长线传输，这个时候就完成了模拟信号到4~20mA环路里面的隔离。如果对4~20mA变送器不进行隔离的话，也可以在接收端加一个RCV420将电流转换成电压，再经过一个ISO124隔离放大器进行隔离，同时再经过一个DC/AC转换器向电路进行退电供电，这样也能完成对4～20mA变送器信号的隔离。

问：变送器传输过来的信号应该怎么处理？是不是先要经过电流到电压的变化然后再到ADC？对 ADC的选择有什么特殊的考虑？

答：变送器传输的信号主要是一个电流信号，如果要　采集它，一般要经过电流到电压的转换，这个TI　有一个RCV420可以实现转换。对于ADC的选择，主要根据对信号精度的要求来考虑。

问：接收二线制4~20mA信号与三线制4~20mA信号，在接收方式和信号处理上有何不同？要注意些什么问题？

答：在接收方式上，如果是二线制4~20mA信号，由　接收端向SPI端提供电源，通过电源线经过4~20mA 信号线来提供电源。三线制4～20mA信号是由发生端（SPI）来提供电源的，所以说它们提供的电源是不同的，一个是由接收端而另一个是从远端来提供电源的。
它们在信号处理上都要将电流信号转换成电压信号，然后再经过AD转换器，这时候就牵扯到一个怎样向二线制变送器提供电源的问题。一般在工业上，它们会加一个推电器，就是在接收端同时提供一个24V的电源，通过4~20mA电流线向远端进行供电。

问：现在市场上的变送器是否有数字输出接口？比如RS-485或者RS-232？

答：现在市场上的变送器通常用标准的485或232通讯接口来传输，这个产品其实早在10年前就有了，它们把现场的信号模拟成传感器的信号，直接传数字量，然后经过485进行传输，这是比较多的。如果你是用TI的芯片，比如MSC12XX，它内置的8052\8952里面带16位或24位AD转换器及通信接口输出，如果用它来做的话，很容易把它做成一个485或232通信接口的数字变送器芯片。

问：在4~20mA变送器的信号传输过程中，如何有效地防止各类电磁、过电压对于接收装置造成的干扰？在系统故障状态，是否具有事故信息追忆功能？

答：如果有电磁干扰，首先说电磁的发射，当传感器接入的时候，如果具有很高的输入阻抗的时候，有可能产生电磁干扰，可以加一些电阻电容进行滤波，TI在这方面有一些应用电路的介绍可供大家参考。过电压的时候，4~20mA的长线输出的时候，可以借助36V的稳压块来进行过电压保护，如果极性接反的时候，可以在输入回路里加一个整流桥堆来对极性进行调整。

问：如何将接收端的电流转换成电压以便于ADC转换？主要是精度方面，是否能给一个具体例子？

答：如果将4~20mA电流转换成电压再经过ADC转换时，TI有一个专用芯片RCV420，它里面采用的是一个精密的电子网络还有一个精密比例的运算放大器和一个精密的基准电压器，即10V的基准电压，这个10V基准电压大概是5个或10个 TTN的温度系数，用这个片子就可以很精确地将前面的4~20mA电流转换成一个电压输出了。

问：有没有串行接口出来就是4~20mA？最好能出来 0~20mA，类似于ADI的AD420，但AD420太贵，而且外围东西太多。

答：也可以用TI的产品来完成这个功能。用一个 XTR110，它是一个很廉价的电压到电流的转换，前面或者用一个DA转换器，或者用一个长线驱动器PWM 的信号来完成DA转换。将FSK信号直接经过一个电阻接到XTR115的输入端，这样就可以满足HART协议来替换AD420，这时的成本应该是很低的，应用也很方便。

问：使用4~20mA变送器时，是否需要通过控制器对其进行编程？

答：TI变送器电流环有几类产品，有的可以通过控制器进行编程校正，也有的可以通过模拟的、通过外部设置来进行校正。

问：如何用PWM信号控制4～20mA电流？

答：用PWM信号控制4～20mA电流很常用，通常采用一个单片机放在前面对传感器进行测量，测量好后把模拟信号转换成数字信号，但是它内部不包含DA转换器，它是用一个PWM信号来输出。像TI的XTR115芯片，它包含一个典型电路：把PWM信号经整流滤波后直接输出一个4~20mA 的信号。因此直接使用TI的XTR115或XTR116即可完成电路的控制。

问：是否有办法从4~20mA 线缆中取电，同时又不影　响模拟信号的转换和采集结果？

答：如果是二线制的时候，因为是通过电源来向远端的SPI 芯片来进行供电的，若采用的是XTR115或其他XTR芯片，可以把24V电源转换成一个稳压电源的信号，一般都是5.1V的信号，使用5.1V的信号对前面的芯片进行供电，这时候应该没有这种问题。TI的XTR芯片专门考虑了这个问题，所以在芯片内部提供了一组稳压电源来提供前面的电路供电，而不会影响模拟信号的转换和采集结果

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