【導讀】在過程控制系統中，測量信號通常轉換為模擬升高零電流：4 至 20 毫安 （4-20 mA）。信號在范圍的低端 （0%） 為 4 mA，在滿量程 （100%） 時為 20 mA。
在過程控制系統中，測量信號通常轉換為模擬升高零電流：4 至 20 毫安 （4-20 mA）。信號在范圍的低端 （0%） 為 4 mA，在滿量程 （100%） 時為 20 mA。
除非您一直在工業環境中工作，否則您所見過的大多數電子系統都會傳輸 0 到某個滿量程范圍的電壓信號。例如，0 至 5 V。
為什么是 4-20mA 電流信號？
因此，您可能想知道，“為什么要使用電流進行信號傳輸？”和“為什么是 4-20 mA 的范圍？答案是：電流信號在長距離和嘈雜環境中的性能優于電壓。此外，升高的零點允許測量低于 0% 并檢測斷線。
轉換由稱為過程變送器或信號調節器的儀器完成。它們的輸入通常來自初級傳感器，例如熱電偶、力或壓力傳感器、轉速計、電位計、滑絲等。4-20 mA 輸出通過一對電線“傳輸”。一些發射器由交流供電，其他發射器使用 24 伏直流電，并且通常配有電池，以防止停電期間信號丟失。
電源和信號如何在同一兩條線路上傳輸？
回路供電變送器（也稱為兩線制變送器）從遠程電源接收直流電源。如圖 1 所示，它們通過控制來自該電源的電流，通過同一對線對傳輸輸出，無需單獨的電源線。
圖 1.環路供電的發射器通過同一對電線接收電源并傳輸其輸出。作者的圖片。
變送器通常位于現場，靠近測量點，而電源來自控制室的直流電源。控制或讀出儀器串聯以讀取電流，形成電流回路。電源電壓通常（但并非總是）為 24 VDC。
圖 2 顯示了典型環路供電發射器的內部操作。它的功率被穩壓器電路從環路電流中“竊取”，用于為電路的其余部分供電。整個電路必須設計為以小于 4 mA 的電流運行。
圖 2.典型回路供電發射器的框圖。
信號調節電路（根據輸入類型而變化）驅動電流輸出電路，進而驅動輸出晶體管。總電流（包括電源）流經一個輸出檢測電阻器，該電阻器提供反饋以控制電流。盡管發射器的電源輸入電壓發生變化，反饋仍能保持適當的電流。
環路功率變送器的應用
常見的應用可能是溫度測量。工業溫度探頭（熱電偶和 RTD（熱電阻溫度計））通常包括用于現場布線的連接外殼（連接“頭”）。可以在頭部內部安裝一個小型發射器，然后，到控制室的布線可以簡單地是一對銅線，而不是熱電偶線，或者對于 RTD，則需要三根或四根線。
如前所述，發射器可用于許多其他輸入。傳感器輸入包括應變計或稱重傳感器、電位計或滑絲位置傳感器、轉速計或電機驅動器的脈搏率或頻率等。一些公司為其化學傳感器提供兩線制變送器。甚至還有回路供電的流量變送器。帶直流毫伏輸入或帶直流或交流電壓和電流輸入的變送器均可用。
帶信號隔離的回路供電變送器
輸入通常必須與電源和輸出進行電氣隔離。這意味著輸入和 4-20 mA 回路之間沒有電氣連接。這種孤立有兩個原因。首先，如果 output loop 接地，則 input 也不能接地。再看一下圖 2。電路公共端與輸出不同。如果輸入公共端和負輸出都接地，它們將被連接，使電流檢測電阻器短路并產生嚴重誤差。這是接地熱電偶探頭的常見問題。
其次，隔離增強了安全性。如果 input 是高電壓或大電流，則不得將其連接到輸出環路。假設使用交流輸入發射器來監控電源電壓或電流。如果連接到輸出環路，則環路或發射器可能會被銷毀。有人也可能受傷或觸電。
幸運的是，環路供電的變送器具有輸入/輸出隔離功能，如圖 4 所示。操作相同，但電源和信號路徑增加了隔離。電源隔離通常使用變壓器完成。直流電壓被斬波以產生交流電，然后通過變壓器饋電并在輸出側整流回直流。
帶 I/O 隔離的環路供電發射器框圖
圖 4.具有輸入/輸出隔離和可選顯示屏的環路供電變送器框圖。
信號可以通過多種方式進行隔離。在較舊的設計中，使用變壓器隔離，但光耦合器和電容隔離是現代設備的典型解決方案。經過調節的輸入信號轉換為脈沖或頻率調制，通過光耦合器或小型高壓電容器饋送，然后轉換回直流。現代發射器通常使用微處理器或微控制器，而不是全模擬電路，因此耦合脈沖是顯而易見的選擇。
帶 LCD 顯示屏的變送器
一些變送器提供可選的內置顯示器，通常是用于電流使用的 LCD。圖 3 包含此選項。這在配備微控制器的發射器中很容易實現，但也可以使用模擬到顯示 IC。
顯示屏可以縮放為讀取“工程單位”，而不是簡單地讀取 4-20 mA 或 0% 到 100%。工程單位是表示物理過程的實際過程值，例如度或千克。過程值可以在測量點和控制室中看到。
可選變送器功能
一些基于微處理器的變送器可以由用戶更改其范圍。HART（高速可尋址遠程傳感器）變送器在 4-20 mA 電流之上施加數字通信脈沖，允許遠程重新校準、量程更改和其他選項。
根據其批準，如果正確安裝在指定系統中，一些變送器已獲得支持在危險（爆炸性）場所使用的批準。這些選項不在本文的討論范圍之內。
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