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4~20mA電流環(huán)工作原理

在工業(yè)現(xiàn)場，用一個儀表放大器來完成信號的調理并進行長線傳輸，會產生以下問題:第一，由于傳輸的信號是電壓信號，傳輸線會受到噪聲的干擾;第二，傳輸線的分布電阻會產生電壓降;第三，在現(xiàn)場如何提供儀表放大器的工作電壓也是個問題。

4-20ma相關電路示意圖

4-20ma相關電路示意圖

為了解決上述問題和避開相關噪聲的影響，我們用電流來傳輸信號，因為電流對噪聲并不敏感。4~20mA的電流環(huán)便是用4mA表示零信號，用20mA表示信號的滿刻度，而低于4mA高于20mA的信號用于各種故障的報警。

4~20mA電流環(huán)有兩種類型:二線制和三線制。當監(jiān)控系統(tǒng)需要通過長線驅動現(xiàn)場的驅動器件如閥門等時，一般采用三線制變送器，這里XTR位于監(jiān)控的系統(tǒng)端，由系統(tǒng)直接向XTR供電，供電電源是二根電流傳輸線以外的第三根線。二線系統(tǒng)是XTR和傳感器位于現(xiàn)場端，由于現(xiàn)場供電問題的存在，一般是接收端利用4~20mA的電流環(huán)向遠端的XTR供電，通過4~20mA來反映信號的大小。

4~20mA產品的典型應用是傳感和測量應用。在工業(yè)現(xiàn)場有許多種類的傳感器可以被轉換成4~20mA的電流信號，TI擁有一些很方便的用于RTD和電橋的變送器芯片。由于TI的變送器芯片含有通用的功能電路比如電壓激勵源、電流激勵流、穩(wěn)壓電路、儀表放大器等，所以可以很方便地把許多傳感器的信號轉化為4~20mA的信號。

電橋傳感器的大多數應用是用于測量壓力。在一個實際電路中，如果惠斯登電橋每條臂上的電阻為2k ，那么無論從激勵電壓端或差分輸出端看進去，它的等效電阻都是2k 。在沒有壓力的時候，它的電橋是平衡的，輸出電壓為0。當施加壓力時，由于電橋失衡，會產生一個差分電壓，差分電壓便會反映這個壓力的大小。

滿度和色調是壓力傳感器的兩個主要技術指標，現(xiàn)實世界里使用著的傳感器都存在著一定的非線性，它的輸出電壓會隨著溫度的變化而變化。輸出電壓隨溫度的變化不是線性的，滿度和色調都具有這種性質。

4~20mA的傳感器信號調理解決方案

4~20mA電流環(huán)在結構上由兩部分即變送器和接收器組成，變送器一般位于現(xiàn)場端、傳感器端或模塊端，而接收器一般在PLC和計算機端，它一般在控制器內。

二線制4~20mA電路應用，其工作電源和信號共用一根導線，工作電源由接收端提供。為了避免50/60Hz的工頻干擾，采用電流來傳輸信號。二線制方案需要考慮的主要問題:確定所用接收器的數量，當有多個接收器時，它將要求變送器擁有一個較低的工作電源電壓。另外一種考慮是降低回路電流在接收端的壓降。

二線制方案設計需要考慮:

(1)電路環(huán)中的接收器的數量:更多的接收器將要求變送器有較低的工作電壓; (2)變送器所必需的工作電壓要有一定的余量;

(3)決定傳感器的激勵方法是電壓還是電流。

圖2為TI提供的帶有電壓調節(jié)和參考電路的二線制方案。圖中XTR115/116是用于4~20mA信號的精密的信號轉換器，它包含有5V電壓的穩(wěn)壓電路，可以向外部電路供電。一個精密的片上基準電壓可以用于電壓偏置或者傳感器的激勵。

三線制4~20mA電路在設計上是由變送器端提供工作電源，為避免50/60Hz的工頻干擾，采用電流來傳輸信號。XTR調節(jié)器和現(xiàn)場的負載共用一個地接。方案設計需要考慮:

(1)電流環(huán)路中的接收器的數量;

(2)更多的接收器要求變送器擁有更高的工作電壓;

(3)保證變送器所必需的工作電壓，并應該有一定的余量。

TI提供的三線制的變送器應用方案如圖3所示，圖中XTR110是一個用于模擬信號傳送的精密的電壓-電流轉換器，它可以將0~5V或0~10V的輸入電壓直接轉換到4~20mA、0~20mA、5~25mA的輸出信號。XTR110含有精密的電阻網絡，以適應不同的輸入輸出要求。一個10V的電壓參考可以用于驅動外部電路。