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用于模擬傳感器的回路供電(兩線)發(fā)射器

發(fā)布時(shí)間:2024-12-20 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在過程控制系統(tǒng)中,測量信號通常轉(zhuǎn)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(shí)為 20 mA。


在過程控制系統(tǒng)中,測量信號通常轉(zhuǎn)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(shí)為 20 mA。

除非您一直在工業(yè)環(huán)境中工作,否則您所見過的大多數(shù)電子系統(tǒng)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(jìn)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(huán)境中的性能優(yōu)于電壓。此外,升高的零點(diǎn)允許測量低于 0% 并檢測斷線。

轉(zhuǎn)換由稱為過程變送器或信號調(diào)節(jié)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(zhuǎn)速計(jì)、電位計(jì)、滑絲等。4-20 mA 輸出通過一對電線“傳輸”。一些發(fā)射器由交流供電,其他發(fā)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(yuǎn)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(dú)的電源線。


用于模擬傳感器的回路供電(兩線)發(fā)射器圖 1.環(huán)路供電的發(fā)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(xiàn)場,靠近測量點(diǎn),而電源來自控制室的直流電源??刂苹蜃x出儀器串聯(lián)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(huán)路供電發(fā)射器的內(nèi)部操作。它的功率被穩(wěn)壓器電路從環(huán)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(shè)計(jì)為以小于 4 mA 的電流運(yùn)行。


用于模擬傳感器的回路供電(兩線)發(fā)射器圖 2.典型回路供電發(fā)射器的框圖。


信號調(diào)節(jié)電路(根據(jù)輸入類型而變化)驅(qū)動電流輸出電路,進(jìn)而驅(qū)動輸出晶體管??傠娏鳎ò娫矗┝鹘?jīng)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(fā)射器的電源輸入電壓發(fā)生變化,反饋仍能保持適當(dāng)?shù)碾娏鳌?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
環(huán)路功率變送器的應(yīng)用

常見的應(yīng)用可能是溫度測量。工業(yè)溫度探頭(熱電偶和 RTD(熱電阻溫度計(jì)))通常包括用于現(xiàn)場布線的連接外殼(連接“頭”)。可以在頭部內(nèi)部安裝一個小型發(fā)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(fā)射器可用于許多其他輸入。傳感器輸入包括應(yīng)變計(jì)或稱重傳感器、電位計(jì)或滑絲位置傳感器、轉(zhuǎn)速計(jì)或電機(jī)驅(qū)動器的脈搏率或頻率等。一些公司為其化學(xué)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(jìn)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(fù)輸出都接地,它們將被連接,使電流檢測電阻器短路并產(chǎn)生嚴(yán)重誤差。這是接地?zé)犭娕继筋^的常見問題。

其次,隔離增強(qiáng)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(huán)路。假設(shè)使用交流輸入發(fā)射器來監(jiān)控電源電壓或電流。如果連接到輸出環(huán)路,則環(huán)路或發(fā)射器可能會被銷毀。有人也可能受傷或觸電。

幸運(yùn)的是,環(huán)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(chǎn)生交流電,然后通過變壓器饋電并在輸出側(cè)整流回直流。

帶 I/O 隔離的環(huán)路供電發(fā)射器框圖


用于模擬傳感器的回路供電(兩線)發(fā)射器圖 4.具有輸入/輸出隔離和可選顯示屏的環(huán)路供電變送器框圖。


信號可以通過多種方式進(jìn)行隔離。在較舊的設(shè)計(jì)中,使用變壓器隔離,但光耦合器和電容隔離是現(xiàn)代設(shè)備的典型解決方案。經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸入信號轉(zhuǎn)換為脈沖或頻率調(diào)制,通過光耦合器或小型高壓電容器饋送,然后轉(zhuǎn)換回直流。現(xiàn)代發(fā)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(nèi)置顯示器,通常是用于電流使用的 LCD。圖 3 包含此選項(xiàng)。這在配備微控制器的發(fā)射器中很容易實(shí)現(xiàn),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(shí)際過程值,例如度或千克。過程值可以在測量點(diǎn)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(yuǎn)程傳感器)變送器在 4-20 mA 電流之上施加數(shù)字通信脈沖,允許遠(yuǎn)程重新校準(zhǔn)、量程更改和其他選項(xiàng)。

根據(jù)其批準(zhǔn),如果正確安裝在指定系統(tǒng)中,一些變送器已獲得支持在危險(xiǎn)(爆炸性)場所使用的批準(zhǔn)。這些選項(xiàng)不在本文的討論范圍之內(nèi)。


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