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4~20mA电流变送器的工业控制应用

The Industry Control Application of 4~20mA Current Transducer

德州仪器


4~20mA电流环工作原理

在工业现场,用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输,会产生以下问题:第一,由于传输的信号是电压信号,传输线会受到噪声的干扰;第二,传输线的分布电阻会产生电压降;第三,在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。

为了解决上述问题和避开相关噪声的影响,我们用电流来传输信号,因为电流对噪声并不敏感。4~20mA的电流环便是用4mA表示零信号,用20mA表示信号的满刻度,而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。

4~20mA电流环有两种类型:二线制和三线制。当监控系统需要通过长线驱动现场的驱动器件如阀门等时,一般采用三线制变送器,这里XTR位于监控的系统端,由系统直接向XTR供电,供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。二线系统是XTR和传感器位于现场端,由于现场供电问题的存在,一般是接收端利用4~20mA的电流环向远端的XTR供电,通过4~20mA来反映信号的大小。

4~20mA产品的典型应用是传感和测量应用,见图1。在工业现场有许多种类的传感器可以被转换成4~20mA的电流信号,TI拥有一些很方便的用于RTD和电桥的变送器芯片。由于TI的变送器芯片含有通用的功能电路比如电压激励源、电流激励流、稳压电路、仪表放大器等,所以可以很方便地把许多传感器的信号转化为4~20mA的信号。

图1 (略)

电桥传感器的大多数应用是用于测量压力。在一个实际电路中,如果惠斯登电桥每条臂上的电阻为2k ,那么无论从激励电压端或差分输出端看进去,它的等效电阻都是2k 。在没有压力的时候,它的电桥是平衡的,输出电压为0。当施加压力时,由于电桥失衡,会产生一个差分电压,差分电压便会反映这个压力的大小。

满度和色调是压力传感器的两个主要技术指标,现实世界里使用着的传感器都存在着一定的非线性,它的输出电压会随着温度的变化而变化。输出电压随温度的变化不是线性的,满度和色调都具有这种性质。


4~20mA的传感器信号调理解决方案

4~20mA电流环在结构上由两部分即变送器和接收器组成,变送器一般位于现场端、传感器端或模块端,而接收器一般在PLC和计算机端,它一般在控制器内。

二线制4~20mA电路应用,其工作电源和信号共用一根导线,工作电源由接收端提供。为了避免50/60Hz的工频干扰,采用电流来传输信号。二线制方案需要考虑的主要问题:确定所用接收器的数量,当有多个接收器时,它将要求变送器拥有一个较低的工作电源电压。另外一种考虑是降低回路电流在接收端的压降。

二线制方案设计需要考虑:

(1)电路环中的接收器的数量:更多的接收器将要求变送器有较低的工作电压;

(2)变送器所必需的工作电压要有一定的余量;

(3)决定传感器的激励方法是电压还是电流。

图2 (略)

图2为TI提供的带有电压调节和参考电路的二线制方案。图中XTR115/116是用于4~20mA信号的精密的信号转换器,它包含有5V电压的稳压电路,可以向外部电路供电。一个精密的片上基准电压可以用于电压偏置或者传感器的激励。

三线制4~20mA电路在设计上是由变送器端提供工作电源,为避免50/60Hz的工频干扰,采用电流来传输信号。XTR调节器和现场的负载共用一个地接。方案设计需要考虑:

(1)电流环路中的接收器的数量;

(2)更多的接收器要求变送器拥有更高的工作电压;

(3)保证变送器所必需的工作电压,并应该有一定的余量。

TI提供的三线制的变送器应用方案如图3所示,图中XTR110是一个用于模拟信号传送的精密的电压-电流转换器,它可以将0~5V或0~10V的输入电压直接转换到4~20mA、0~20mA、5~25mA的输出信号。XTR110含有精密的电阻网络,以适应不同的输入输出要求。一个10V的电压参考可以用于驱动外部电路。

图3(略)


4~20mA的校正

传统的4~20mA校正,要求特殊的夹具固定,需要特别的激光或手动电阻器调整,而调整是相互影响的,需要一个测试、调整,再测试、再调整的过程,调整次数和范围有限。电子器件和传感器调整起来不够方便。

现代的数字化4~20mA校正,它允许电子器件和传感器在封装之后进行调整;可通过计算机计算出校正系数来简化数值调整;可以有无限的调整次数,并且有很好的分辨率和较宽的调整范围;调整过程中不存在相互影响;电子器件和传感器可以很方便地调整。

XTR108是TI提供的校正4~20mA的解决方法。它具有480 A的电流参考,它提供RTD的非线性校正,不需要外加可调电阻器。XTR108的特点有:
(1)具有传感器的线性化电路;

(2)数字校正。通过SPI接口可以直接对XTR108设置,通过SPI接口可直接编程EEPROM;

(3)自动稳零的可编程增益的应用放大器的增益范围为6.26~400倍;

(4)RTD激励的可编程电流的分辨率为1.54 A;

(5)校正参数存储在外接的EEPROM中;

(6)可编程的过量程和欠量程的输出。

此外,TI还提供一款桥路传感器的数字校正解决方案——PGA309,它是专为压力桥路传感器设计的可编程模拟信号调节器。它模拟放大器传感信号并提供对色调电压和满度电压的数字校正,由于避免了手动调整而获得了长期的稳定性,并将输出电压信号转换成4~20mA的输出。


问答选编

问:电流变送器与普通的电流霍尔传感器有什么不 同?

答:霍尔传感器是传感器件,而电流变送器是将传 感器产生的信号直接转换为4~20mA的电流信 号进行传输,因此它们两个一个是传感器,另一 个是电流变送器。

问:4~20mA信号是否存在温漂?如何解决?

答:实际上,4~20mA信号内部是用集成电路芯片来 制作的。集成电路芯片随着温度的变化在遇到 放大器、电压到电流的转换时,会存在温漂,但 这种温漂如果在TI的PGA309中则是可以解决的, 因为PGA309中采用的是零漂移的仪表放大器作 为前置放大,同时PGA309中还有温度的校准,它 是每采集一个温度点来查表,进行温度满度或色 调电压的校准,从而解决温度的漂移问题。

问:应该采取哪些措施实现4~20mA变送器的信号 隔离?

答:对4~20mA变送器的安全隔离可以有两种方法: 一是变送器端的隔离,一是接收端的隔离。现 在若有24V电压供给一个XTR115的芯片,XTR115 内部可以将24V电压直接转换为一个5V稳压电 压输出,对这个5V的稳压电压进行展波,经过一 个脉冲电压器由此可以向前面提供一个隔离电 源,然后再把模拟信号转换成数字信号,再经过 一个隔离以后再提供给XTR115,再进行长线传 输, 这个时候就完成了模拟信号到4~20mA环路 里面的隔离。如果对4~20mA变送器不进行隔 离的话,也可以在接收端加一个RCV420将电流 转换成电压,再经过一个ISO124隔离放大器进行 隔离,同时再经过一个DC/AC转换器向电路进 行退电供电,这样也能完成对4~20mA变送器 信号的隔离。

问:变送器传输过来的信号应该怎么处理?是不是 先要经过电流到电压的变化然后再到ADC?对 ADC的选择有什么特殊的考虑?

答:变送器传输的信号主要是一个电流信号,如果要  采集它,一般要经过电流到电压的转换,这个TI  有一个RCV420可以实现转换。对于ADC的选 择,主要根据对信号精度的要求来考虑。

问:接收二线制4~20mA信号与三线制4~20mA信 号,在接收方式和信号处理上有何不同?要注 意些什么问题?

答:在接收方式上,如果是二线制4~20mA信号,由  接收端向SPI端提供电源,通过电源线经过4~20mA 信号线来提供电源。三线制4~20mA信号是由 发生端(SPI)来提供电源的,所以说它们提供的 电源是不同的,一个是由接收端而另一个是从远 端来提供电源的。
它们在信号处理上都要将电流信号转换成电压 信号,然后再经过AD转换器,这时候就牵扯到 一个怎样向二线制变送器提供电源的问题。一般 在工业上,它们会加一个推电器,就是在接收端 同时提供一个24V的电源,通过4~20mA电流线 向远端进行供电。

问:现在市场上的变送器是否有数字输出接口?比 如RS-485或者RS-232?

答:现在市场上的变送器通常用标准的485或232通 讯接口来传输,这个产品其实早在10年前就有 了,它们把现场的信号模拟成传感器的信号,直 接传数字量,然后经过485进行传输,这是比较 多的。如果你是用TI的芯片,比如MSC12XX,它 内置的8052\8952里面带16位或24位AD转换 器及通信接口输出,如果用它来做的话,很容易 把它做成一个485或232通信接口的数字变送 器芯片。

问:在4~20mA变送器的信号传输过程中,如何有效 地防止各类电磁、过电压对于接收装置造成的干 扰?在系统故障状态,是否具有事故信息追忆功 能?

答:如果有电磁干扰,首先说电磁的发射,当传感器 接入的时候,如果具有很高的输入阻抗的时候, 有可能产生电磁干扰,可以加一些电阻电容进行 滤波,TI在这方面有一些应用电路的介绍可供大 家参考。过电压的时候,4~20mA的长线输出的 时候,可以借助36V的稳压块来进行过电压保 护,如果极性接反的时候,可以在输入回路里加 一个整流桥堆来对极性进行调整。

问:如何将接收端的电流转换成电压以便于ADC转 换?主要是精度方面,是否能给一个具体例子?

答:如果将4~20mA电流转换成电压再经过ADC转 换时,TI有一个专用芯片RCV420,它里面采用的 是一个精密的电子网络还有一个精密比例的运 算放大器和一个精密的基准电压器,即10V的基 准电压,这个10V基准电压大概是5个或10个 TTN的温度系数,用这个片子就可以很精确地 将前面的4~20mA电流转换成一个电压输出了。

问:有没有串行接口出来就是4~20mA?最好能出来 0~20mA,类似于ADI的AD420,但AD420太贵, 而且外围东西太多。

答:也可以用TI的产品来完成这个功能。用一个 XTR110,它是一个很廉价的电压到电流的转换, 前面或者用一个DA转换器,或者用一个PWM 的信号来完成DA转换。将FSK信号直接经过 一个电阻接到XTR115的输入端,这样就可以满 足HART协议来替换AD420,这时的成本应该是 很低的,应用也很方便。

问:使用4~20mA变送器时,是否需要通过控制器对 其进行编程?

答:TI变送器电流环有几类产品,有的可以通过控 制器进行编程校正,也有的可以通过模拟的、通 过外部设置来进行校正。

问:如何用PWM信号控制4~20mA电流?

答:用PWM信号控制4~20mA电流很常用,通常采 用一个单片机放在前面对传感器进行测量,测 量好后把模拟信号转换成数字信号,但是它内 部不包含DA转换器,它是用一个PWM信号来输 出。像TI的XTR115芯片,它包含一个典型电路: 把PWM信号经整流滤波后直接输出一个4~20mA 的信号。因此直接使用TI的XTR115或XTR116即 可完成电路的控制。

问:是否有办法从4~20mA 线缆中取电,同时又不影  响模拟信号的转换和采集结果?

答:如果是二线制的时候,因为是通过电源来向远端 的SPI 芯片来进行供电的,若采用的是XTR115或 其他XTR芯片,可以把24V电源转换成一个稳压 电源的信号,一般都是5.1V的信号,使用5.1V的 信号对前面的芯片进行供电,这时候应该没有这 种问题。TI的XTR芯片专门考虑了这个问题, 所以在芯片内部提供了一组稳压电源来提供前 面的电路供电,而不会影响模拟信号的转换和采 集结果。

《世界电子元器件》2006.1
         
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