4-20mA电流环原理

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1、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。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。420mA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

2、，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420mA的电流环向远端 的XTR供电，通过420mA来反映信号的大小。420mA 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420mA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 420mA 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

3、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。420mA的传感器信号调理解决方案420mA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、420mA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420mA信号的精密的

5、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 420mA 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05V或010V的输入电压直接转换到420mA、020mA、52

6、5mA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）420mA 的校正传统的420mA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420mA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

7、提供的校正420mA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6.26400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一GA309, 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

8、 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420mA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420mA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：420mA信号是否存在温漂？如何解决?答：实际上，420mA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

9、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420mA变送器的信号隔离？答：对420mA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

10、 成了模拟信号到420mA环路 里面的隔离。如果对420mA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420mA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 420mA

11、 信号与三线制 420mA 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420mA信号，由 接收端向SPI 端提供电源，通过电源线经过420mA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420mA电流线向远端进行供电。问：现在市场上的变送

12、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80528952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420mA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

13、：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，420mA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420mA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

14、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420mA电流转换成一个电压输出了。问：有没有串行接口出来就是420mA ?最好能出来020mA，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

15、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420mA电流？答：用PWM信号控制420mA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420mA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 420mA 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