Collin Wells 發表於 2016-07-13 14:52:09
在現代工業控制系統中，4-20 mA電流環路發送器一直是在控制中心和現場傳感器/執行器之間進行數據傳輸最為常用的發送器，主要是因其便於安裝、使用和維護。隨著氣動信號被用於控制執行器，並在早期工業自動化現場作為比例控制之後，4-20 mA電流環路發送器開始被大量應用［1］。典型的壓力範圍是3 PSI – 15 PSI，其中3 PSI代表零度輸入/輸出，15 PSI代表滿量輸入/輸出。如果氣動管路發生破裂，壓力將降至0 PSI，表示出現需要修復的故障。電子化開始普及之後，氣動管路逐漸被替代，取而代之的是由放大器、電晶體和其他分立電子元件組成的4-20 mA電流環路。
您可能會問「為什麼要使用電流環路？」基爾霍夫定律中指出電流在閉合環路中是恆定的。由此便可以在很長的距離內使用4-20 mA電流環路，而且環路中任一點的電流都是恆定的，不受導線電阻的影響。當然，歐姆定律有效性的前提是具備充分的環路電壓。類似於氣動系統，線路斷裂或斷開會使環路電流降為0 mA，必須對故障進行修復。另外，電流環路還可以相對簡單地防止電氣暫態導致的破壞，而且對無線電頻率幹擾或電磁幹擾也具備天然的抵抗能力［2］。
最常見的4-20 mA發送器類型是雙線拓撲，或雙線傳感器發送器（見圖1）。
圖 1 帶有雙線模擬輸入模塊的簡化雙線4-20 mA傳感器發送器
雙線傳感器發送器用於將現場的物理參數發送回模擬輸入模塊，以進行處理和控制。物理參數包括壓力、位置、溫度、電平、應變、荷載、流量、成分/雜質等。正如產品名稱的表述一樣，該款發送器為雙線。因此，傳感器的電源線與傳送4-20 mA信號的兩條線路相同，這也是雙線4-20 mA發送器的主要設計要求。傳感器、傳感器調理電路和4-20 mA傳送電路的工作電流必須小於4 mA，否則發送器便無法輸出4 mA零度電平［3］。
請注意，VLOOP GND不是雙線發送器的接線。因此，發送器必須創建一條局部接地線（GND）或雙線GND。當發送器輸出電流改變接收器阻抗回輸（RTN）接頭的電壓時，該雙線GND必須相對VLOOP GND上下浮動［3］。如果傳感器可以電氣性連接至相對VLOOP GND的電勢，則此時需要採取隔離措施。該情形在熱耦傳感器發送器中比較常見，因為熱電偶通常熱短接或電氣性短接至其所測量溫度的材料。
雙線發送器只有一種可行性隔離拓撲：輸入隔離雙線發送器（見圖2）。輸入隔離雙線發送器從環形電源生成一個局部隔離電源，該環形電源為傳感器、傳感器調理電路和隔離通信供電。隔離勢壘與發送器輸出級之間最常用的數據傳送方法是數字隔離寬脈調製、單線或串行外圍接口（SPI）的信號。
圖 2 簡化的輸入隔離雙線4-20 ma傳感器發送器
如上文所述，雙線傳感器發送器具有一定的局限性，主要原因是傳感器發送器的總消耗電流必須小於4mA。這就意味著很多類型的傳感器無法使用，包括不限制電橋電流的低電阻電橋（例如100 Ω、120 Ω、350 Ω），因其會降低電橋的敏感性和精確度。三線傳感器發送器拓撲（見圖3）支持工作電流超過4mA的傳感器發送器設計。
圖 3 簡化的三線4-20 mA傳感器發送器（雙線模擬輸入模塊）
三線傳感器發送器從三線模擬輸入模塊接收供電，與GND連接以支持傳感器和調理電路的供電要求。這樣可使傳感器功率達到要求的水平，同時不會對傳感器的輸出範圍造成影響（保持歐姆定律）。這樣還可以使三線發送器創建0-20 mA和0-24 mA等常用的輸出電流範圍。當需要電壓輸出時（例如 0-10 V、±10 V），也會使用到三線傳感器發送器。
如果傳感器必須與模擬輸出模塊供電和GND電勢隔離，三線發送器則也有一個隔離拓撲：輸入隔離三線發送器。輸入隔離三線發送器的隔離結構與輸入隔離雙線發送器相類似。在傳感器信息經隔離勢壘發送至三線發送器輸出級之前，會為傳感器和傳感器調理電路生成一個局部隔離供電。
圖 4 簡化的輸入隔離三線傳感器發送器
結論
儘管4-20 mA電流環路發送器已問世數十年，但它至今仍被廣泛用於工業工廠自動化和控制應用中。現場級雙線和三線傳感器發送器佔據了應用三線可編程邏輯控制器（PLC）模擬輸入市場的大部分市場份額，其餘則被四線傳感器發送器佔據。
下期我們將討論精確電流測量如何優化電機控制，歡迎您繼續關注。
參考文獻
4-20 mA 發送器應用注釋，Dataforth 公司。
Duke， Kevin。工業DACs：如何保護雙線發送器，模擬精密技術雜談，德州儀器，2015。
Wells， Collin。雙線4-20 mA傳感器發送器博客系列，模擬精密技術雜談，德州儀器，2015。
作者：Collin Wells, 德州儀器精密模擬應用工程師
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