变送器常见问题解析

　　摘要： 介绍了变送器的构成及工作原理， 对其在生产应用中常见的问题进行了深入解析， 并提供了实用且便于操作的品质辨别方法。

　　1 前言

　　电力工业中各种自动化系统已得到广泛应用，具有将各类物理量信号标准化、信号隔离以及方便信号传输等多种优点的变送器已被普遍使用。

　　以下以典型的应用较为广泛的电量（电流）变送器为例， 进行介绍。

　　2 变送器结构和工作原理

图1 交流电流变送器原理图。

　　如图1所示， 系统电流I1 经电流互感器变换为标准二次电流I2 （ 5A、1A ）。I2 经变送器输入端进入变送器， 首先流经二极管D1 - D4 组成的桥式整流电路， 实现AC /DC转换， 其中压敏电阻RV对输入信号起过压保护作用。整流后的直流信号经电容C1 滤波后再经采样电阻RL生成0 - 5V 直流电压信号， 然后经电容C2 二级滤波后由DH420变送模块变换为4- 20mA 直流电流信号， 由变送器输出端输出， 进入DCS /PLC系统， 从而实现对系统电流I1 的测量。其中， 多圈可调电位器RP1、RP2 分别实现对满度20mA 和零位4mA 的整定功能； 二极管D6 实现对输出信号的极性保护功能； 瞬态保护管TVS对输出信号端起瞬态感应雷与浪涌电流的过压抑制保护作用。

　　值得说明的是TVS二极管是一种专门用来抑制过电压的二极管。它是在普通稳压二极管的基础上发展起来的。与普通稳压二极管相比， TVS二极管具有较大截面积的硅PN结， 该PN 结工作在雪崩状态时， 脉冲吸收能力较普通二极管强。

　　TVS二极管有单极性和双极性两种。单极性TVS二极管只对一个方向的冲击电压起保护作用， 相当于一个稳压二极管， 靠它的伏安特性起箝位作用。双极性TVS二极管的工作原理相当于两只稳压二极管反向串联， 对正、负极性的冲击电压均能起到保护作用。TVS二极管的箝位电压低（可低达12V ） 响应时间快（可达10- 12 s）， 极间电容小， 可用于信号和数据线的保护。但由于其通流能力较小（为101 ~ 102A ）， 一般不宜用于电源等的初级和次级保护。

　　3 两种变送器的比较

　　电力系统多数自动化设备的控制内核均采用单片机。在单片机控制的许多应用场合， 都要使用变送器来将单片机不能直接测量的信号转换成单片机可以处理的电模拟信号， 如电流型4 -20mA 或电压型0- 5V.

　　电压输出型变送器抗干扰能力极差， 加上线路损耗的破坏， 准确度不可能很高。有时输出的直流电压上还叠加有交流分量， 使单片机产生误判断， 控制出现错误， 严重时还会损坏设备； 输出0- 5V 限制了传送距离， 因为传送距离远， 线路压降增大， 将严重影响准确度。

　　采用电流信号传输则不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大， 导线电阻串联在回路中不影响， 在普通双绞线上可以传输数百米。

　　现在很多的ADC、PLC、DCS 的输入信号端口都做成两线制电流输出型变送器了， 电压输出型变送器是被淘汰的必然趋势。

　　4 电流输出型变送器信号接线方式

　　目前电力系统中使用的电流输出型变送器有四线制、三线制和两线制等信号接线方式， 见图2.

图2 信号接线方式图

　　电流输出型变送器将物理量转换成4 - 20mA电流输出， 必然要有外电源为其供电。典型的是变送器需要两根电源线， 加上两根电流输出线，总共要接4根线， 称之为四线制变送器。

　　电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND ）， 可节省一根线， 称之为三线制变送器。

　　4- 20mA电流本身就可以为变送器供电， 见图2.变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4- 20mA 之间是根据传感器输出而变化的。这种变送器只需外接2根线， 因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA, 因此只要在量程范围内， 变送器至少有4mA 供电。这使得两线制变送器的设计和使用成为可能。而且两线制变送器具有无可比拟的优点：

　　1） 不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响， 可用非常便宜的较细的导线； 可节省大量电缆线和安装费用。

　　2） 在电流源输出电阻足够大时， 经磁场耦合感应到导线环路内的电压， 不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小， 一般利用双绞线就能降低干扰； 两线制与三线制必须用屏蔽线， 屏蔽线的屏蔽层要妥善接地。

　　3） 电容性干扰会导致接收器电阻产生有关误差， 对于4~ 20mA 两线制环路， 接收器电阻通常为2508 （取样Uou t= 1~ 5V ） 这个电阻小到不足以产生显著误差， 因此， 可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远。

　　4） 各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接， 不因电线长度的不等而造成的差异， 从而实现分散采集、集中控制。

　　5） 将4mA 用于零电平， 使判断开路与短路或传感器损坏（ 0mA 状态） 十分方便。

　　6） 在两线输出口非常容易增设一两只防雷防浪涌器件， 有利于安全防雷防爆。

　　三线制和四线制变送器均不具上述优点， 将被两线制变送器所取代， 从国外的行业动态及变送器芯片供求量即可略知一斑， 电流变送器在使用时要安装在现场设备的动力线上， 而以单片机为的监测系统则位于较远离设备现场的监控室里， 两者一般相距几十到几百米甚至更远。设备现场的环境较为恶劣， 强电信号会产生各种电磁干扰， 雷电感应会产生强浪涌脉冲， 在这种情况下， 单片机应用系统中遇到的一个棘手问题就是如何在恶劣环境下远距离可靠地传送微小信号。

　　两线制变送器件的出现使这个问题得到了较好地解决。

　　5 电量变送器的选型方法

　　以常用的015 级的电量变送器为例， 从以下方法着手来对变送器的真假优劣进行辨别。

　　1） 基准要稳： 冷开机3分钟内， 4mA 的零位漂移变化不超过41000mA 的？ 015% 以内（即3198- 4102mA） , 负载2508 上的压降为01995-11005V, 国外IC 芯片多用昂贵的能隙基准， 温漂系数每度变化10ppm.

　　2） 内电路总计消耗电流< 4mA, 加整定后等于41000mA, 而且有源整流滤波放大恒流电路，不因原边输入的变化而消耗电流也随之变化， 国外IC芯片采用恒流供电。

　　3 ） 当工作电压为241000V, 满量程为201000mA时， 满量程201000mA 的读数不会因负载0- 7508 的变化而变化； 变化在201000mA 的015%以内。

　　4） 当满量程为201000mA, 负载为2508 时，满量程201000mA 的读数不会因工作电压的变化（ 151000V - 301000V） 而变化； 变化在201000mA的015%以内。

　　5 ） 当原边过载时， 输出电流不超过251000mA的10%, 否则PLC /DCS内供变送器用的24V工作电源和A /D输入箝位电路因功耗过大而损坏。

　　6） 当工作电压24V 接反时不得损坏变送器，必须有极性保护功能。

　　7） 当输出两线之间因感应雷及感应浪涌电压超过24V时， 不得损坏变送器； 一般在两线之间并联1- 2只TVS 瞬态保护二极管可抑制每20秒间隔的20毫秒脉宽的正反脉冲的冲击， 瞬态承受冲击功率115kW - 3kW.

　　8） 产品标示的线性度015% 是误差还是相对误差， 可以按以下方法来辨别， 符合下述指标的则满足线性度015% .

　　原边输入为零时输出在4mA 的？ 015% 之间（ 3198- 4102mA ）， 负载2508 上的压降为01995- 11005V.

　　原边输入10% 时输出在516mA 的？ 015% 之间（ 51572 - 51628mA ） 负载2508 上的压降为11393- 11407V.

　　原边输入25% 时输出在8mA 的？ 015% 之间（ 7196- 8104mA ） 负载2508 上的压降为11990- 21010V.

　　原边输入50%时输出在12mA 的？ 015% 之间（ 11194- 12106mA） 负载2508 上的压降为21985- 31015V.

　　原边输入75%时输出在16mA 的？ 015% 之间（ 15192- 16108mA） 负载2508 上的压降为31980- 41020V.

　　原边输入100% 时输出在20mA 的？ 015% 之间（ 19190 - 20110mA ） 负载2508 上的压降为41975- 51025V.

　　9） 原边输入过载时必须限流： 原边输入过载大于125% 时输出过流限制25mA 的10%（ 25100- 27150mA ） 负载2508 上的压降为61250- 61875V.

　　10） 感应浪涌电压超过24V 时有无箝位的辨别： 在两线输出端口并一个交流50V 指针式表头， 用交流50V 接两根线去瞬间碰一下两线输出端口， 看有无箝位， 箝位多少伏。

　　11） 有无极性保护的辨别： 用指针式万用表8 @ 10K档正反测量两线输出端口， 出现欧姆阻值无限大， 则证明有极性保护。

　　12） 有无极输出电流长时间短路保护： 原边输入100%时或过载大于125% - 200% 时， 将负载2508 短路， 测量短路保护限制是否在25mA@ 110% .

　　13） 工业级别和民用商用级别的辨别： 工业级别工作温度范围是- 25e 到+ 70e , 温漂系数是每摄氏度变化100ppm, 即温度每变化1 摄氏度， 准确度变化为万分之一； 民用商用级别工作温度范围是0e （或- 10e ） 到+ 70e （或+50e ） , 温漂系数是每摄氏度变化250ppm, 即温度每变化1摄氏度， 准确度变化为万分之二点五；电流电压变送器的温漂系数可以用恒温箱或高低温箱来试验， 验证较为繁琐。

　　6 结束语

　　以上对变送器工作原理、实际应用中出现的问题以及如何选型购置进行了浅析， 提出了建议。