【導(dǎo)讀】在過(guò)程控制系統(tǒng)中，測(cè)量信號(hào)通常轉(zhuǎn)換為模擬升高零電流：4 至 20 毫安 （4-20 mA）。信號(hào)在范圍的低端 （0%） 為 4 mA，在滿(mǎn)量程 （100%） 時(shí)為 20 mA。
在過(guò)程控制系統(tǒng)中，測(cè)量信號(hào)通常轉(zhuǎn)換為模擬升高零電流：4 至 20 毫安 （4-20 mA）。信號(hào)在范圍的低端 （0%） 為 4 mA，在滿(mǎn)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(jiàn)過(guò)的大多數(shù)電子系統(tǒng)都會(huì)傳輸 0 到某個(gè)滿(mǎn)量程范圍的電壓信號(hào)。例如，0 至 5 V。
為什么是 4-20mA 電流信號(hào)？
因此，您可能想知道，“為什么要使用電流進(jìn)行信號(hào)傳輸？”和“為什么是 4-20 mA 的范圍？答案是：電流信號(hào)在長(zhǎng)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(cè)量低于 0% 并檢測(cè)斷線(xiàn)。
轉(zhuǎn)換由稱(chēng)為過(guò)程變送器或信號(hào)調(diào)節(jié)器的儀器完成。它們的輸入通常來(lái)自初級(jí)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(guò)一對(duì)電線(xiàn)“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(hào)丟失。
電源和信號(hào)如何在同一兩條線(xiàn)路上傳輸？
回路供電變送器（也稱(chēng)為兩線(xiàn)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(guò)控制來(lái)自該電源的電流，通過(guò)同一對(duì)線(xiàn)對(duì)傳輸輸出，無(wú)需單獨(dú)的電源線(xiàn)。
圖 1.環(huán)路供電的發(fā)射器通過(guò)同一對(duì)電線(xiàn)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(chǎng)，靠近測(cè)量點(diǎn)，而電源來(lái)自控制室的直流電源。控制或讀出儀器串聯(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(gè)電路必須設(shè)計(jì)為以小于 4 mA 的電流運(yùn)行。
圖 2.典型回路供電發(fā)射器的框圖。
信號(hào)調(diào)節(jié)電路（根據(jù)輸入類(lèi)型而變化）驅(qū)動(dòng)電流輸出電路，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)輸出晶體管。總電流（包括電源）流經(jīng)一個(gè)輸出檢測(cè)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(jiàn)的應(yīng)用可能是溫度測(cè)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(chǎng)布線(xiàn)的連接外殼（連接“頭”）。可以在頭部?jī)?nèi)部安裝一個(gè)小型發(fā)射器，然后，到控制室的布線(xiàn)可以簡(jiǎn)單地是一對(duì)銅線(xiàn)，而不是熱電偶線(xiàn)，或者對(duì)于 RTD，則需要三根或四根線(xiàn)。
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(chēng)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(dòng)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(xiàn)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(hào)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(méi)有電氣連接。這種孤立有兩個(gè)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(cè)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(jiàn)問(wèn)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(lái)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(huì)被銷(xiāo)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(hào)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(guò)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
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(hào)可以通過(guò)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(guò)調(diào)節(jié)的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖或頻率調(diào)制，通過(guò)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(jiàn)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(jiǎn)單地讀取 4-20 mA 或 0% 到 100%。工程單位是表示物理過(guò)程的實(shí)際過(guò)程值，例如度或千克。過(guò)程值可以在測(cè)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(hù)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(chǎng)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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