用于模拟传感器的环路供电(两线)变送器

时间:2024-07-15
  在过程控制系统中,测量信号通常被转换为模拟高零电流:4 至 20 毫安 (4-20 mA)。信号在范围低端 (0%) 为 4 mA,在满量程 (100%) 为 20 mA。
  除非您一直在工业环境中工作,否则您见过的大多数电子系统传输的电压信号范围都是 0 到某个满量程。例如,0 到 5 V。
  为什么采用4-20mA电流信号?
  因此,您可能会想,“为什么使用电流进行信号传输?”和“为什么是 4-20 mA 范围?”答案是:在长距离和嘈杂环境中,电流信号优于电压。此外,升高的零点允许测量低于 0% 并检测断线。
  转换由称为过程变送器或信号调节器的仪器完成。它们的输入通常来自主要传感器,例如热电偶、力或压力传感器、转速计、电位计、滑线等。4-20 mA 输出通过一对电线“传输”。一些变送器采用交流供电,另一些使用 24 伏直流电,并且它们通常使用电池备用,以防止断电期间信号丢失。
  电力和信号如何在同一两根电线上传输?
  环路供电发射器(也称为双线发射器)从远程电源接收直流电。如图 1 所示,它们通过控制来自该电源的电流在同一对电线上传输输出,无需单独的电源线。

  环路供电发射器电源和信号传输

  图 1.环路供电发射器通过同一对电线接收电源并传输输出。作者提供的图片。
  变送器通常位于现场,靠近测量点,而电源则来自控制室的直流电源。控制或读数仪器串联起来读取电流,形成电流环路。电源电压通常(但并非总是)为 24 VDC。
  图 2 显示了典型环路供电发射器的内部工作原理。其电源由稳压器电路从环路电流中“窃取”,用于为其余电路供电。整个电路必须设计为以小于 4 mA 的电流运行。

 

  图2.典型环路供电发射器的框图。
  信号调节电路根据输入类型而变化,它驱动电流输出电路,进而驱动输出晶体管。包括电源在内的总电流流过输出检测电阻,该电阻提供反馈以控制电流。尽管变送器的电源输入电压发生变化,反馈仍能保持适当的电流。
  环路电源发送器的应用
  常见的应用可能是温度测量。工业温度探头(热电偶和 RTD(电阻温度计))通常包括用于现场接线的连接外壳(连接“头”)。一个小型变送器可以安装在头部内部,这样,到控制室的接线就可以只是一对铜线,而不是热电偶线,或者对于 RTD,则需要三根或四根线。
  如前所述,变送器可用于许多其他输入。传感器输入包括应变计或称重传感器、电位计或滑线位置传感器、转速表或电机驱动器的脉冲率或频率等。一些公司为其化学传感器提供双线变送器。甚至还有环路供电流量变送器。具有直流毫伏输入或直流或交流电压和电流输入的变送器均可使用。
  带信号隔离的环路供电变送器
  输入通常必须与电源和输出进行电气隔离。这意味着输入和 4-20 mA 环路之间没有电气连接。这种隔离有两个原因。首先,如果输出环路接地,则输入也不能接地。再看图 2。电路公共端与输出不同。如果输入公共端和负输出都接地,它们将连接在一起,导致电流检测电阻短路并产生严重错误。这是接地热电偶探头的常见问题。
  其次,隔离可增强安全性。如果输入是高电压或高电流,则不得将其连接到输出回路。假设使用交流输入变送器来监测电源电压或电流。如果将其连接到输出回路,回路或变送器可能会被损坏。还可能会有人受伤或触电。
  幸运的是,环路供电发射器具有输入/输出隔离功能,如图 4 所示。操作相同,但电源和信号路径增加了隔离。电源隔离通常使用变压器完成。直流电压被斩波以产生交流电,然后通过变压器馈送并在输出端整流回直流电。

  图 4.具有输入/输出隔离和可选显示的环路供电发射器的框图。
  信号隔离有多种方式。在较旧的设计中,使用变压器隔离,但光耦合器和电容隔离是现代设备的典型解决方案。经过调节的输入信号被转换为脉冲或频率调制,通过光耦合器或小型高压电容器馈送,然后转换回直流。现代发射器通常使用微处理器或微控制器而不是全模拟电路,因此耦合脉冲是显而易见的选择。
  带 LCD 显示屏的变送器
  一些变送器提供可选的内置显示器,通常是 LCD,用于电流使用。图 3 包括此选项。这在配备微控制器的变送器中很容易实现,但也可以使用模拟显示 IC。
  显示屏可以缩放以读取“工程单位”,而不是简单的 4-20 mA 或 0% 到 100%。工程单位是 代表物理过程的实际过程值,例如度或千克。过程值可以在测量点和控制室中看到。
  可选发射机功能
  某些基于微处理器的变送器的范围可由用户更改。HART(高速可寻址远程传感器)变送器在 4-20 mA 之上施加数字通信脉冲,允许远程重新校准、范围更改和其他选项。
  一些变送器已获得,只要按照要求正确安装在指定系统中,即可支持在危险(爆炸性)场所使用。这些选项超出了本文的讨论范围。
  双线外壳和安装方式
  大多数环路供电/两线变送器有三种类型:
  头戴式,如上图3所示
  DIN 导轨安装,可夹在标准工业安装导轨上
  接线端子式,看起来像工业接线端子,可以与工业接线端子一起安装。
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