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兩線製變送器和兩線製傳感器的結構與原理

開篇:認識兩線製傳感器

工業上普遍需要測量各類非電物理量,例如溫度、壓力、速度、角度等,都需要轉換成模擬電信號才能傳輸到幾百米外的顯示設備或控制室上。這種將物理量轉換成電信號的設備稱為變送器。工業上最廣泛採用4~20mA電流來傳輸模擬量。

採用電流信號的原因是不容易受干擾。並且電流源內阻無窮大,導線電阻串聯在迴路中不影響精度,在普通雙絞線上可以傳輸數百米。上限取20mA是因為防爆的要求:20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線:正常工作時不會低於4mA,當傳輸線因故障斷路,環路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。

電流型變送器將物理量轉換成4~20mA電流輸出,必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線,加上兩根電流輸出線,總共要接4根線,稱之為四線製變送器。當然,電流輸出可以與電源公用一根線(公用VCC或者GND),可節省一根線,稱之為三線製變送器。

其實大家可能注意到, 4-20mA電流本身就可以為變送器供電,如圖1C所示。變送器在電路中相當於一個特殊的負載,特殊之處在於變送器的耗電電流在4~20mA之間根據傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線,因而被稱為兩線製變送器。工業電流環標準下限為4mA,因此只要在量程範圍內,變送器至少有4mA供電。這使得兩線製傳感器的設計成為可能。

在工業應用中,測量點一般在現場,而顯示設備或者控制設備一般都在控制室或控制櫃上。兩者之間距離可能數十至數百米。按一百米距離計算,省去2根導線意味著成本降低近百元!因此在應用中兩線製傳感器必然是首選。

圖1

兩線製變送器的結構與原理

兩線製變送器的原理是利用了4~20mA信號為自身提供電能。如果變送器自身耗電大於4mA,那麼將不可能輸出下限4mA值。因此一般要求兩線製變送器自身耗電(包括傳感器在內的全部電路)不大於3.5mA。這是兩線製變送器的設計根本原則之一。

從整體結構上來看,兩線製變送器由三大部分組成:傳感器、調理電路、兩線製V/I變換器構成。傳感器將溫度、壓力等物理量轉化為電參量,調理電路將傳感器輸出的微弱或非線性的電信號進行放大、調理、轉化為線性的電壓輸出。兩線製V/I變換電路根據信號調理電路的輸出控制總體耗電電流;同時從環路上獲得電壓並穩壓,供調理電路和傳感器使用。

除了V/I變換電路之外,電路中每個部分都有其自身的耗電電流,兩線製變送器的核心設計思想是將所有的電流都包括在V/I變換的反饋環路內。如圖2,採樣電阻Rs串聯在電路的低端,所有的電流都將通過Rs流回到電源負極。從Rs上取到的反饋信號,包含了所有電路的耗電。

在兩線製變送器中,所有的電路總功耗不能大於3.5mA,因此電路的低功耗成為主要的設計難點。下面將逐一分析各個部分電路的原理與設計要點。圖2兩線

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兩線製V/I變換器

V/I變換器是一種可以用電壓信號控制輸出電流的電路。兩線製V/I變換器與一般V/I變換電路不同點在:電壓信號不是直接控制輸出電流,而是控制整個電路自身耗電電流。同時,還要從電流環路上提取穩定的電壓為調理電路和傳感器供電。圖3是兩線製V/I變換電路的基本原理圖:

圖中OP1、Q1、R1、R2、Rs構成了V/I變換器。分析負反饋過程:若A點因為某種原因高於0V,則運放OP1輸出升高,Re兩端電壓升高,通過Re的電流變大。相當於整體耗電變大,通過採樣電阻Rs的電流也變大,B點電壓變低(負更多)。結果是通過R2將A點電壓拉下來。反之,若A點因某種原因低於0V,也會被負反饋抬高回0V。總之,負反饋的結果是運放OP1虛短,A點電壓=0V。下面分析Vo對總耗電的控制原理:

  • 假設調理電路輸出電壓為Vo,則流過R1的電流
  • n
  • I1=Vo/R1
  • 運放輸入端不可能吸收電流,則I1全部流過R2,那麼B點電壓
  • VB= -I1*R2 = -Vo*R2/R1
  • 取R1=R2時,有VB=-Vo

電源負和整個便送器電路之間只有Rs、R2兩個電阻,因此所有的電流都流過Rs和R2。 R2上端是虛地(0V),Rs上端是GND。因此R2、Rs兩端電壓完全一樣,都等於VB 。相當於Rs與R2並聯作為電流採樣電阻。因此電路總電流:

  • Is=Vo/(Rs//R2)
  • 如果取R2>> Rs,Is=Vo/Rs
  • 如果取R2>>Rs,Is=Vo/Rs因此,圖3中取Rs=100歐,當調理電路輸出0.4~2V的時候,總耗電電流4~20mA.

若不能滿足R2>>Rs也沒關係,Rs與R2並聯(Rs//R2)是個固定值,Is與Vo仍然是線性關係,誤差比例係數在校準時可以消除。

除了電路正確以外,該電路正常工作還需要2個條件:首先要自身耗電盡量小,省下的電流還要供給調理電路以及變送器。其次要求運放能夠單電源工作,即在沒有負電源情況下,輸入端仍能夠接受0V輸入,並能正常工作。

LM358/324是最常見也是價格最低的單電源運放,耗電400uA/每運放,基本可以接受。單電源供電時,輸入端從-0.3V~Vcc-1.5V範圍內都能正常工作。如果換成OP07等精密放大器,因為輸入不允許低至0V,在該電路中反而無法工作。

R5和U1構成基準源,產生2.5V穩定的基準電壓。 LM385是低成本的微功耗基準,20uA以上即可工作,手冊上給出的曲線在100uA附近最平坦,所以通過R5控制電流100uA左右。 OP2構成一個同向放大器,將基準放大,向調理電路及傳感器供電。因為寬輸入電壓、低功耗的穩壓器稀少,成本高;將基準放大作為穩壓電源是一個廉價的方案。

該部分電路也可以選擇現成的集成電路。比如XTR115/116/105等,精度和穩定性比自製的好,自身功耗也更低(意味著能留更多電流給調理電路,調理部分更容易設計)。但成本比上述方案高10倍以上。


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