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電流變送器原理及接線方式

更新時間:2017年03月18日 所屬類別:知識百科 閱讀量:

電流變送器接線方式

  變送器是把傳感器采集到的微弱的電信號放大以便轉送或啟動控制元件,或將傳感器輸入的非電量轉換成電信號同時放大以便供遠方測量和控制的信號源。根據需要還可將摸擬量變換為數字量。

  集成電流變送器亦稱電流環電路,根據轉換原理的不同可劃分成以下兩種類型:一種電壓/電流轉換器,亦稱電流環發生器,它能將翰入電壓轉換成4-20mA的電流信號(典型產品為1B21等);另一種屬于電流/電壓轉換器,也叫電流環接收器(典型產品為RCV420)。是現代工業現場較為常用模擬通訊方案之一。它將電壓信號變換為標準的電流信號從環路一端傳送到另一端,可實現長距離通訊,且不易受干擾,因而在工業現場中得到廣泛的應用,特別是在傳感和測量應用方面。

  電流變送器使用標準的4-20mA電流信號。電流變送器有兩種類型:二線制和三線制。二線制電流變送器是電流變送器和傳感器位于現場端,在二線制傳輸方式中,供電電源、負載電阻、電流變送器是串聯的,即二根導線同時傳送電流變送器所需的電源和輸出電流信號,其工作電源和信號共用一根導線,工作電源由接收端提供,如圖I(a)所示。三線制電流變送器,這里電流變送器位于監控的系統端,由系統直接向電流變送器供電。供電電源是二根電流傳輸線以外的第三根線。如圖1(b)所示。

電流變送器接線方框圖

電流變送器接線方框圖

  電流變送器主要采用V-I變換器來設計,將電壓信號變換成電流信號。目前,市面上有集成電流變IC供工程師使用,如TI的XTR系列、ADI的AD694、Analog Microelectronics的AM462等。不過相對來說,這些IC的成本較高。因此,在工業上,對于成本要求嚴格的電路設計,用集成運放來自定義設計電流變送器是一個不錯的選擇。

  電流變送器使用電流信號作為傳輸信號,有較高的抗干擾能力,但由于傳輸距離較遠,加上工業現場的復雜性,電流變送器在設計上還要考慮電氣隔離,抗干擾措施。

電流變送器工作原理

電流變送器主要由電壓信號調理、VI變換、功率輸出和隔離等電路構成。

1.1電壓信號調理電路

  對于被變送對象是模擬信號時,信號調理電路的作用是信號放大或衰減;對于被變送對象是數字信號時,信號調理電路的作用是D/A轉換。

  在模擬電路中,如要將電橋、壓力傳感器、熱電偶等輸出信號變換??梢允褂貌罘址糯箅娐?、儀表放大器等放大,例知測量PT100的電路,如圖2所示。

PT100的測量電路圖

PT100的測量電路圖

  對于數字量輸出傳感器或設備,那只有采用D/A轉換技術了,包括使用DAC和PWM。如圖3所示。

DAC和PWM原理框圖

DAC和PWM原理框圖

  使用DAC設計要考慮DAC位數(分辨率)、線性度和參考電壓的溫漂,例如設計0.5%的電流變送器至少需要I0位的ADC,線性度小于2LBS。

  使用PWM方式要考慮PWM的位數,因為PWM方式要加一個低通濾波器才能得到平直的直流電壓信號,所以低通濾波器的響應速度、線性度都要考慮。

  兩者相比來說,PWM方式比DAC方式有成本優勢,故在廉價的電流變送器,響應速度要求不高情況下,PWM方式是不錯的選擇。

1.2 V-I轉換電路

典型的V-I轉換電路,如圖4所示。

典型的V-I轉換電路圖

  V-I轉換電路也叫恒流源電路。先簡單分析一下其原理:由于運放虛短虛斷特性可知,V2等于Vin,流過RL的電流(Iout)等于流過R1的電流。很容易得到:

V-I轉換電路公式

  可見,負載電流Iout 與負載無關,只要R1不變,負載電流Iout跟輸入電壓Vin成正比。

  在實際使用中,R1要選取高精度低溫漂的電阻。

3.擴流電路

  由于在實際應用中運放的輸出能力有限制,一般都很小,不宜直接驅動負載,因此要用擴流電路,如圖4所示。

電流變送器擴流電路圖

圖4 電流變送器擴流電路圖

  需要說明的一點是,V-I轉換電路的負載并不能任意取值的,只能在允許范圍內取值,這就是V-I轉換電路的帶負載能力。以圖4為例,假如電路的負載電流(流過RL的電流)為20mA時,輸入電壓為2.5V,運放LM358 最大輸出電壓為12V-1.5V=10.5V,Q1 的Vbe=0.7V,那么RL兩端電壓最大為10.5-0.7-2.5=7.3V,最大RL=7.3V/20mA=365歐。這就意味當RL大于365歐,且輸入電壓為2.5V時,將無法再輸出20mA。

  三極管Q1的耗散功率也需要考慮在內。當RL=0時,Q1的耗散功率最大為(12V-2.5V)*0.02A=0.19W.因此要選用功率大于0.2W的三極管。

1.4保護電路

電流保護電路結構圖

圖5:電流保護電路結構圖

  電源接反、超壓、浪涌是工業上常見的電源問題。電源接反是設備安裝接線時最容易發生的錯誤,輸入口串聯一只二極管即可防止接反電源時損壞電路。如果輸入端加一個全橋整流器,那么即使電源接反仍能正常工作。為防止雷擊、靜電放電、浪涌等能量損壞變送器,電流變送器入口處可以加裝一只TVS管來吸收瞬間過壓的能量。一般TVS電壓值取比運放極限電壓略低,才能起到保護作用。如果可能遭受雷擊,TVS 可能吸收容量不夠,壓敏電阻也是必需的,但是壓敏電阻本身漏電會帶來一定誤差,如圖5所示。

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