電(diàn)流變(biàn)送器(qì)接(jiē)綫(xiàn)方式

變送器是(shì)把傳(chuán)感器采集到的(dí)微弱的(dí)電信號放大(dà)以便(biàn)轉送或啟動(dòng)控製元件(jiàn)，或(huò)將(jiāng)傳感(gǎn)器(qì)輸入(rù)的非電量轉(zhuǎn)換成電(diàn)信號(hào)同時放大以(yǐ)便(biàn)供遠方(fāng)測(cè)量和控製(zhì)的信(xìn)號(hào)源。根(gēn)據(jù)需(xū)要還可將摸擬量變換為(wéi)數字量(liáng)。

集(jí)成(chéng)電(diàn)流(liú)變送器亦稱電流(liú)環電(diàn)路，根據轉換原(yuán)理(lǐ)的不同可(kě)劃分成(chéng)以下兩(liǎng)種(zhǒng)類型
：一(yī)種電(diàn)壓/電流(liú)轉(zhuǎn)換器，亦(yì)稱電流(liú)環發生器(qì)，它能將(jiāng)翰入電壓轉(zhuǎn)換(huàn)成4-20mA的電(diàn)流信號(典型(xíng)產(chǎn)品(pǐn)為1B21等）；另(lìng)一種(zhǒng)屬(shǔ)於電(diàn)流/電(diàn)壓轉換(huàn)器(qì)，也叫電流環接收(shōu)器(qì)(典型產(chǎn)品為(wéi)RCV420)。是(shì)現(xiàn)代工業(yè)現場較為常(cháng)用模(mó)擬(nǐ)通訊方(fāng)案(àn)之(zhī)一。它(tā)將(jiāng)電壓信號變(biàn)換為(wéi)標(biāo)準(zhǔn)的電(diàn)流信號從(cóng)環路一端傳(chuán)送到(dào)另一端，可(kě)實現(xiàn)長距(jù)離通訊，且(qiě)不易受幹擾，因(yīn)而在工業(yè)現(xiàn)場中得到(dào)廣泛的(dí)應(yīng)用(yòng)，特別是在傳感(gǎn)和測量應用(yòng)方麵。

電(diàn)流變送器(qì)使用(yòng)標準(zhǔn)的(dí)4-20mA電(diàn)流信號(hào)。電流變送(sòng)器有(yǒu)兩種(zhǒng)類型
：二綫製(zhì)和三綫製(zhì)。二(èr)綫製電流變送(sòng)器是電流(liú)變(biàn)送(sòng)器(qì)和傳感器位於(yú)現場(cháng)端(duān)，在二(èr)綫製(zhì)傳(chuán)輸方(fāng)式中(zhōng)，供電(diàn)電源，負載(zǎi)電(diàn)阻，電(diàn)流(liú)變(biàn)送(sòng)器是(shì)串聯(lián)的(dí)，即(jí)二根導綫同(tóng)時(shí)傳(chuán)送電(diàn)流變(biàn)送器(qì)所需(xū)的電(diàn)源和(hé)輸出電流(liú)信號，其(qí)工作(zuò)電源和信號(hào)共用一根(gēn)導綫(xiàn)，工作(zuò)電(diàn)源由接收端提供(gōng)，如圖I(a)所示(shì)。三(sān)綫製(zhì)電流(liú)變(biàn)送器(qì)，這裏電流變(biàn)送(sòng)器(qì)位於(yú)監(jiān)控(kòng)的(dí)係統(tǒng)端，由係統(tǒng)直接(jiē)向電流變(biàn)送(sòng)器供電(diàn)。供電(diàn)電源是二根(gēn)電(diàn)流(liú)傳(chuán)輸(shū)綫以外的第(dì)三根綫。如圖(tú)1(b)所示。

電(diàn)流(liú)變送器(qì)接綫(xiàn)方(fāng)框圖(tú)

電流(liú)變送(sòng)重視(shì)要采(cǎi)用(yòng)V-I變(biàn)換器(qì)來(lái)設(shè)計(jì)，將(jiāng)電(diàn)壓信號變換成電流信(xìn)號。目前，市麵(miàn)上(shàng)有集成(chéng)電流(liú)變IC供工程師使(shǐ)用，如TI的(dí)XTR係(xì)列，ADI的AD694，Analog Microelectronics的(dí)AM462等。不(bù)過相(xiāng)對來說，這(zhè)些IC的(dí)成(chéng)本(běn)較高(gāo)。因(yīn)此，在(zài)工業(yè)上，對於成本要求(qiú)嚴(yán)格的(dí)電路(lù)設計，用(yòng)集成(chéng)運放(fàng)來自(zì)定義設(shè)計(jì)電(diàn)流變送器是一(yī)個不錯(cuò)的選擇(zé)。

電(diàn)流變(biàn)送器使用電流信(xìn)號(hào)作為(wéi)傳(chuán)輸信(xìn)號，有較高(gāo)的抗幹擾能(néng)力(lì)，但(dàn)由(yóu)於(yú)傳(chuán)輸距離較遠，加上(shàng)工(gōng)業(yè)現場(cháng)的(dí)復雜性(xìng)，電(diàn)流變送器(qì)在設(shè)計(jì)上(shàng)還(huán)要考(kǎo)慮(lǜ)電(diàn)氣(qì)隔(gé)離(lí)，抗幹(gān)擾措(cuò)施(shī)。

電流(liú)變(biàn)送(sòng)器(qì)工作(zuò)原理

電流變送(sòng)重視(shì)要由電壓信(xìn)號調理，VI變(biàn)換，功率輸出和(hé)隔離等電路構(gòu)成(chéng)。

1.1電壓信號(hào)調(tiáo)理(lǐ)電(diàn)路(lù)

對(duì)於被(bèi)變(biàn)送對象是模擬信(xìn)號時(shí)，信號調理電路(lù)的作(zuò)用(yòng)是信號(hào)放(fàng)大(dà)或衰減(jiǎn)；對於被變送對(duì)象(xiàng)是數(shù)字信號時，信號調理(lǐ)電路的(dí)作(zuò)用是D/A轉(zhuǎn)換。

在(zài)模擬電路中，如(rú)要將電(diàn)橋，壓(yā)力(lì)傳(chuán)感器，熱電偶等(děng)輸出(chū)信(xìn)號(hào)變換。可以(yǐ)使(shǐ)用(yòng)差分放大(dà)電路，儀表放大器(qì)等放(fàng)大(dà)，例知(zhī)測量(liáng)PT100的(dí)電路，如圖2所示。

PT100的測(cè)量(liáng)電(diàn)路圖

對(duì)於數字量輸(shū)出(chū)傳感器(qì)或(huò)設備，那(nà)隻有采用(yòng)D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)了(liǎo)，包括使用(yòng)DAC和(hé)PWM。如(rú)圖(tú)3所(suǒ)示。

DAC和(hé)PWM原理(lǐ)框圖(tú)

使(shǐ)用(yòng)DAC設計要(yào)考(kǎo)慮(lǜ)DAC位(wèi)數(shù)(分(fēn)辨率(shuài))，綫性(xìng)度和參(cān)考電(diàn)壓的(dí)溫(wēn)漂(piāo)，例如(rú)設(shè)計(jì)0.5%的電(diàn)流變(biàn)送器(qì)至少需要(yào)I0位的ADC，綫(xiàn)性(xìng)度小於2LBS。

使(shǐ)用(yòng)PWM方(fāng)式要考(kǎo)慮(lǜ)PWM的(dí)位(wèi)數(shù)，因為(wéi)PWM方式要(yào)加(jiā)一個低通(tōng)濾波器(qì)才能得到(dào)平(píng)直的直流電(diàn)壓信號(hào)，所以低(dī)通濾波(bō)器(qì)的響應速(sù)度(dù)，綫性度(dù)都要(yào)考(kǎo)慮(lǜ)。

兩者(zhě)相(xiāng)比來說，PWM方(fāng)式比(bǐ)DAC方式有成(chéng)本(běn)優(yōu)勢，故在廉(lián)價的(dí)電流變送(sòng)器，響(xiǎng)應(yīng)速度要(yào)求(qiú)不高情況(kuàng)下，PWM方式是不錯(cuò)的(dí)選擇(zé)。

1.2 V-I轉(zhuǎn)換電路

典(diǎn)型的V-I轉換電路，如(rú)圖4所示。

V-I轉換(huàn)電路也叫恒(héng)流源電路(lù)。先(xiān)簡單(dān)分析一下其(qí)原理
：由於(yú)運放虛(xū)短虛斷特(tè)性可知(zhī)，V2等(děng)於Vin,流(liú)過RL的(dí)電流(liú)（Iout）等於流過(guò)R1的電流(liú)。很(hěn)容(róng)易得(dé)到
：

可見(jiàn)，負載(zǎi)電流Iout 與(yǔ)負(fù)載(zǎi)無關(guān)，隻要R1不變(biàn)，負(fù)載(zǎi)電流Iout跟(gēn)輸入電壓(yā)Vin成正比。

在實(shí)際使用中(zhōng)，R1要選取高精(jīng)度(dù)低(dī)溫(wēn)漂的(dí)電(diàn)阻。

3.擴流電(diàn)路(lù)

由於在實際應用(yòng)中(zhōng)運放的輸(shū)出(chū)能(néng)力有(yǒu)限製(zhì)，一般(bān)都很小，不宜(yí)直接(jiē)驅動(dòng)負載，因(yīn)此(cǐ)要用擴流電路(lù)，如圖(tú)4所示(shì)。

圖4 電(diàn)流(liú)變(biàn)送器擴流電路(lù)圖(tú)

需(xū)要說(shuō)明的一點是，V-I轉換電路的(dí)負載(zǎi)並(bìng)不能任意取值的，隻能(néng)在(zài)允許範圍內(nèi)取值，這就是V-I轉換(huàn)電路(lù)的(dí)帶(dài)負載(zǎi)能力(lì)。以圖(tú)4為(wéi)例，假如電(diàn)路的(dí)負載(zǎi)電(diàn)流（流過(guò)RL的電(diàn)流）為20mA時，輸(shū)入電壓(yā)為(wéi)2.5V,運(yùn)放LM358 zui大輸出(chū)電壓為(wéi)12V-1.5V=10.5V,Q1 的(dí)Vbe=0.7V,那麼RL兩端電(diàn)壓(yā)zui大(dà)為10.5-0.7-2.5=7.3V,zui大RL=7.3V/20mA=365歐(ōu)。這就(jiù)意(yì)味當RL大(dà)於365歐(ōu)，且輸入電(diàn)壓(yā)為(wéi)2.5V時，將無(wú)法再輸出20mA。

三極管(guǎn)Q1的耗散功率也需要考慮在內。當RL=0時(shí)，Q1的(dí)耗(hào)散(sàn)功(gōng)率zui大為（12V-2.5V）*0.02A=0.19W.因此要選用功率(shuài)大(dà)於0.2W的三(sān)極(jí)管(guǎn)。

1.4保(bǎo)護(hù)電(diàn)路

圖5
：電(diàn)流保(bǎo)護電路結(jié)構(gòu)圖(tú)

電源接(jiē)反(fǎn)，超(chāo)壓，浪湧是(shì)工業上常見的電源標(biāo)題。電源接反(fǎn)是設備安(ān)裝接(jiē)綫(xiàn)時zui容(róng)易(yì)發生的錯誤，輸(shū)入口串聯(lián)一(yī)隻(zhī)二極(jí)管即可防止(zhǐ)接反(fǎn)電(diàn)源時損(sǔn)壞(huài)電路(lù)。如(rú)果(guǒ)輸(shū)入端加(jiā)一個全橋(qiáo)整流器(qì)，那麼即(jí)使(shǐ)電源接反仍(réng)能正常(cháng)工作(zuò)。為防(fáng)止雷(léi)擊，靜電(diàn)放電，浪湧等能量(liáng)損壞(huài)變(biàn)送(sòng)器，電流變(biàn)送器入口處可(kě)以加(jiā)裝(zhuāng)一隻(zhī)TVS管來汲取瞬(shùn)間(jiān)過(guò)壓的(dí)能(néng)量。一般TVS電(diàn)壓值(zhí)取比運放極(jí)限電(diàn)壓略低，才能起到保(bǎo)護(hù)作(zuò)用。如果(guǒ)可能(néng)遭受(shòu)雷(léi)擊，TVS 可能(néng)汲取(qǔ)容量不(bù)夠，壓(yā)敏(mǐn)電阻(zǔ)也(yě)是(shì)必需的，但是(shì)壓敏(mǐn)電阻本身漏電會(huì)帶來一定誤差，如圖5所示。