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基于二線制、三線制、四線制的壓力/差壓/液位變送器應用
傳感器和變送器的區別與聯系傳感器是能夠將規定的被測量按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置的總稱，通常由敏感元件和轉換元件組成。當傳感器的輸出為規定的標準信號時，則稱為變送器。我們常見的變送器包括差壓變送器，液位變送器，溫度變送送器等等，變送器是將各種物理量轉換成電信號，是將非標準電信號轉換為標準電信號的儀器， 傳感器則是將物理信號轉換為電信號的器件。一次儀表指現場測量儀表或基地控制表， 二次儀表指利用一次表信號完成其他功能：諸如控制，顯示等功能的儀表。
傳感器和變送器本是熱工儀表的概念。傳感器是把非電物理量如溫度、壓力、液位、物料、氣體特性等轉換成電信號或把物理量如壓力、液位等直接送到變送器。變送器則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。
根據需要還可將模擬量變換為數字量，當然把電氣模擬量變換成數字量的也可以叫變送器。傳感器和變送器一同構成自動控制的監測信號源。不同的物理量需要不同的傳感器和相應的變送器。本文介紹了兩線制、三線制、四線制模擬直流信號變送器的工作原理和結構，以及各種變送器在儀表中的應用。
1.2 電流傳輸DC （4-20mA） 和電壓接收DC （1-5V）信號優點
在過程控制系統中，現場的液位變送器和差壓變送器等儀表與控制室儀表之間的聯絡信號采用（4-20mA）DC 的理由是：因為現場與控制室之間的距離較遠，連接電線的電阻較大，如果用電壓源信號遠傳，由于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產生較大的誤差，而用恒電流源信號作為遠傳，只要傳送回路不出現分支，回路中的電流就不會隨電線長短而改變，從而保證了傳送的精度。
控制室儀表之間的聯絡信號采用（1-5V）DC 的理由是：為了便于多臺儀表共同接收同一個信號，并有利于接線和構成各種復雜的控制系統。如果用電流源作聯絡信號，當多臺儀表共同接收同一個信號時，它們的輸入電阻必須串聯起來，這會使大負載電阻超過變送儀表的負載能力，而且各接收儀表的信號負端電位各不相同，會引入干擾，而且不能做到單一集中供電。
1.3 DC(4-20mA)與DC(1-5V)傳輸、接收信號的標準在過程控制系統中，模擬信號（4-20mA）DC 或(1-5V) DC 信號制是電工委員會(IEC)過程控制系統模擬信號標準。我國從DDZ-Ⅲ型電動儀表開始采用這一標準信號制， 儀表傳輸信號采用（4-20mA）DC，聯絡信號采用（1-5V）DC，即采用電流傳輸、電壓接收的信號系統。
采用電壓源信號聯絡，與現場液位變送器和差壓變送器的聯絡用的電流信號必須轉換為電壓信號，簡單的方法就是：在電流傳送回路中串接一個250 歐姆的標準電阻，把（4-20mA）DC 轉換為（1-5V）DC，通常由配電器來完成這一任務。
二． 二線制/三線制/四線制變送器
2.1 二線制/三線制/四線制變送器滿足條件信號變換器是將接入的位移傳感器等模擬信號，變換為標準的模擬電流/電壓信號輸出。電流信號輸出,采用二線制；電壓信號輸出，采用三線制、四線制。
要實現兩線制變送器必須同時滿足以下條件:
1）V≤Emin-ImaxRLmax變送器的輸出端電壓V 等于規定的低電源電壓減去電流在負載電阻和傳輸導線電阻上的壓降。
2）I≤Imin變送器的正常工作電流I 必須小于或等于變送器的輸出電流。
3）P＜Imin(Emin-IminRLmax)變送器的小消耗功率P 不能超過上式, 通常＜90mW。
式中:Emin=低電源電壓， 對多數儀表而言Emin=24(1-5%)=22.8V，5%為24V 電源允許的負向變化量；
Imax=20mA
Imin=4mARLmax=250Ω+傳輸導線電阻
2.2 二線制/三線制/四線制變送器的連接
圖1 為二線制變換器的接線圖。
直流電源U（24V）通過兩根線向現場的變換器供電，同時這兩根線又是輸出信號（4～20mA）的傳輸線。輸出的電流信號需經過標準電阻RL=250Ω 轉換為電壓UL=IRL=（1～5）U 送至控制器。這種二線制變換器的特點是只用于檢測信號而沒有控制功能。三線制變換器的接線圖如圖2 所示，
電流輸出系統除了兩根電流傳輸線以外，還有一根電源線向變壓器提供電源。三線制就是電源正端用一根線，信號輸出正端用一根線，電源負端和信號負端共用一根線。其供電大多為DC 24V， 輸出信號有DC4-20mA，負載電阻為250Ω 或者DC0-10mA，負載電阻為0-1.5kΩ；有的還有mA 和mV 信號，但負載電阻或輸入電阻，因輸出電路形式不同而數值有所不同。由于DC4-20mA 、DC 1-5V 信號制的普及和應用，在控制系統應用中為了便于連接，就要求信號制的統一， 為此要求一些非電動單元組合的儀表， 如在線分析、機械量、電量等儀表， 能采用輸出為DC4-20mA 信號制，但是由于其轉換電路復雜、功耗大等原因，難于全部滿足上述的三個條件而無法做到兩線制，就只能采用外接電源的方法來做輸出為DC4-20mA 的四線制變送器了。四線制變送器供電大多為AC 220V，也有供電為DC24V 的。輸出信號有DC 4-20mA， 負載電阻為250Ω， 或者DC 0-10mA， 負載電阻為0-1.5kΩ； 的還有mA 和mV 信號，但負載電阻或輸入電阻，因輸出電路形式不同而數值有所不同，如圖3 所示。
輸入接收儀表的是電流信號， 如將電阻RL 并聯接入時，則接收的就是電壓信號了。由于各種變送器的工作原理和結構不同，從而出現了不同的產品，也就決定了變送器的兩線制、三線制、四線制接線形式。
2.3 二線/三線制/四線制變送器設計原則
1）電流信號轉成電壓信號，或電壓信號轉成電流信號，實質就是信號傳輸中的阻抗變換問題；
2）信號傳輸阻抗匹配，就是滿足信號源輸出大信號能量的條件；
3）信號傳輸阻抗匹配，就是信號傳輸能流大、衰減小、暢通無阻、失真變形小；
4）電流信號轉成電壓信號，就是低阻抗傳輸轉換為高阻抗傳輸；
5）這種阻抗變換，一定要通過阻抗變換設備、阻抗變換電路來實現；
6） 常用阻抗變換的設備有阻抗變換變壓器，例如音響系統的輸入輸出變壓器；
7）常用阻抗變換電路，如射極輸出電路，在模擬電子電路中經常用作輸出級、輸入級、中間轉換級等；
8）超高頻閉路電視系統，信號分流用的三通、四通分配器，就是信號匹配阻抗轉換器，通過它實現閉路電視系統的阻抗匹配，否則信號將受阻傳不出去，或信號失真變形；
9）4-20mA 電流信號轉成0-5V 或0-10V 電壓信號，用什么樣的阻抗變換電路、設備，關鍵看信號的性質，是高頻還是低頻，是交流還是直流；
10）這種在電流信號回路中串入電阻的方法，是錯誤的， 不可取的， 是不懂信號傳輸匹配意義的做法。
三. 簡單的4～20mA 輸入/0～5V 輸出的I/V 或V/I 轉換電路
在與電流輸出的傳感器接口的時候， 為了把傳感器或變送器輸出的0-20mA 或者4-20mA 電流信號轉換成為電壓信號， 往往都會在后級電路的前端配置一個I/V 轉換電路。自己搭建電路, 節省成本，但不推薦直接串聯精密電阻的方式，用運放搭建電路就非常好。
1）0－5V/0－10mA 的V/I 變換電路
圖4 是由運放和阻容等元件組成的V/I 變換電路， 能將0-5V 的直流電壓信號線性地轉換成0－10mA 的電流信號，A1 是比較器，A3 是電壓跟隨器，構成負反饋回路，輸入電壓Vi 與反饋電壓Vf 比較，在比較器A1 的輸出端得到輸出電壓VL，V1 控制運放A1 的輸出電壓V2， 從而改變晶體管T1 的輸出電流IL 而輸出電流IL 又影響反饋電壓Vf， 達到跟蹤輸入電壓Vi 的目的。輸出電流IL 的大小可通過下式計算：IL＝Vf/(Rw+R7)， 由于負反饋的作用使Vi=Vf，因此IL＝Vi/(Rw+R7)，當Rw+R7 取值為500Ω時,可實現0－5V/0－10mA 的V/I 轉換，如果所選用器件的性能參數比較穩定，故運放A1、A2 的放大倍數較大，那么這種電路的轉換精度，一般能夠達到較高的要求。
圖4
2）0－10V/0－10mA 的V/I 變換電路Vf 是輸出電流IL 流過電阻Rf 產生的反饋電壓，即V1 與V2 兩點之間的電壓差，此信號經電阻R3、R4 加到運放A1 的兩個輸入端Vp 與Vn， 反饋電壓Vf=V1－V2， 對于運放A1， 有VN＝Vp；Vp＝V1/(R2+R3)×R2，VN＝V2＋(Vi-V2)×R4/(R1 +R4)， 所以V1/(R2+R3)×R2＝V2＋(Vi-V2)×R4/(R1+R4)，依據Vf＝V1-V2 及上式可推導出：
若式中R1＝R2＝100kΩ，R1＝R4=20kΩ， 則有：Vf×R1＝Vi×R4，
得出：Vf＝R4/R1×Vi＝1/5Vi， 如果忽略流過反饋回路R3、R4 的電流，則有：IL＝Vf/Rf＝Vi/5Rf，由此可以看出． 當運放的開環增益足夠大時， 輸出電流IL與輸入電壓Vi 滿足線性關系，而且關系式中只與反饋電阻Rf 的阻值有關．顯然，當Rf＝200Ω 時，此電路能實現0－10v/0－10mA 的V/I 變換，如圖5 所示3）
1－5V/4－20mA 的V/I 變換電路輸入電壓Vi 是疊加在基準電壓VB (VB=10V)上， 從運放A1 的反向輸入VN 端輸入的， 晶體管T1、T2 組成復合管，作為射極跟隨器，起到降低T1基極電流的作用(即忽略反饋電流I2)，使得IL≈I1，而運放A1 滿足VN≈Vp，如果電路圖中R1＝R2＝R，R4＝R5＝kR，則有如下表達式：
由式①②③可推出：
若Rf＝62.5Ω,k=0.25,Vi=1－5V， 則I1＝4－20mA，而實際變換電流IL 比I1 小， 相差I2 (IL=I1-I2)，I2是一個隨輸入電壓Vi 變化的變量，輸入電壓小時(Vi=1V),誤差大，在實際應用中，為了使誤差降到小， 一般R1，R2，Rf 的阻值分別選取40.25kΩ,40kΩ,62.5Ω。如圖5 所示。圖6 
4）0－10mA/0－5V 的I/V 變換電路
由運放組成的0－10mA/0－5V 的I/V 變換電路
如圖7 所示。
在圖7 中， 運放A1 的放大倍數為A＝(R1+Rf)/R1, 若R1＝100kΩ，Rf＝150kΩ， 則A＝2.5； 若R4＝200Ω，對于0－10mA 的電流輸入信號，將在R4 上產生0－2V 的電壓信號， 由A＝2.5 可知，0－10mA 的輸入電流對應0－5V 的輸出電壓信號。圖中電流輸入信號Ii 是從運放A1 的同相輸入端輸入的，因此要求選用具有較高共模抑制比的運算放大器，例如，OP-07、OP-27 等。
5）4－20mA/0－5V 的I/V 變換電路如圖8 所示，流過反饋電阻Rf 的電流為(Vo-VN)/Rf，與VN/R1(VN-Vf)/R5 相等，由此，可推出輸出電壓Vo 的表達式：Vo=(1+Rf/R1+Rf/R5)×VN-(R4/R5)×Vf由于VN≈Vp＝Ii×R4， 上式中的VN 即可用Ii×R4 替換， 若R4＝200Ω，R1＝18kΩ，Rf＝7.14kΩ，R5＝43kΩ，并調整Vf≈7.53V，輸出電壓Vo 的表達式可寫成如下的形式:當輸入4－20mA 電流信號時，對應輸出0－5V 的電壓信號。
四． 常用二線制/三線制/四線制變送器芯片介紹
1）深圳順源科技有限公司
（4-20mA/0-5V） 直流電流信號隔離（I/V）轉換器
ISO-A4-P1-O1 4-20mA 24VDC 4-20mA
ISO-A4-P2-O2 4-20mA 12VDC 0-20mA
ISO-A4-P1-O4 4-20mA 24VDC 0-5V
ISO-A4-P3-O5 4-20mA 5VDC 0-10V
2）MAXIUM 美信如：MAXIM MAX472
3）TEXA INSTRUMENTS 德州儀器
德州儀器公司針對各種數據采集與監控中抗惡劣電磁干擾環境的需求， 給出一種基于XTR115 的低功耗兩線4～20 mA 電流環數據傳輸電路，首先討論了XTR115 的性能特點和工作原理， 隨后針對其在溫度傳感器中的典型應用，詳細描述了傳感器內部電流環的原理電路， 給出了典型應用電路的詳細設計過程。實際測量結果表明基于XTR115 的電流環電路具有抗干擾能力強，數據傳輸準確的特點，在工業測量中具有廣闊的應用前景。
在各種數據采集與監控中通常用一個儀表放大器來完成信號的調理， 但是工業現場進行長線傳輸時，往往會產生以下問題：1）由于傳輸的信號是電壓信號，傳輸線會受到噪聲的干擾；2）傳輸線的分布電阻會產生電壓降；3） 現場無法提供儀表放大器的工作電壓。
為了解決上述問題并避開相關噪聲的影響，通常用電流來傳輸信號， 這是因為電流對噪聲并不敏感。4～20 mA 的電流環便是用4 mA 表示零信號，用20 mA 表示信號的滿刻度， 而將低于4 mA 和高于20 mA 的信號用作各種故障的報警。
電流環電路， 根據轉換原理的不同可劃分成以下兩種類型：一種是電壓／ 電流轉換器，亦稱電流環發生器，它能將輸入電壓轉換成4～20 mA 的電流信號（典型產品有1B21，1B22，AD693，AD694，XTR115和XTR116）； 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），上述產品可滿足不同用戶的需要。
電流環電路， 根據器件位置的不同又可劃分成以下兩種類型：兩線制和三線制。當監控系統需要通過長線驅動現場的驅動器件（如閥門等）時，一般采用三線制變送器，這里，電流環器件位于監控的系統端， 由系統直接向電流環器件供電，供電電源是二根電流傳輸線以外的第三根線。兩線系統是電流環器件和傳感器位于現場端，由于現場供電問題的存在，一般是接收端利用4～20 mA 的電流環向遠端的電流環器件供電，通過4～20 mA 來反映信號的大小。XTR 系列是美國BB（BURR-BROWN）公司生產的精密電流變送器， 該公司現已并入美國TexasInstruments 公司。該系列產品包括XTR101，XTR105，XTR106，XTR110，XTR115 和XTR116 共6種型號。其特點是能完成電壓／ 電流（或電流／ 電流）轉換，適配各種傳感器構成測試系統、工業過程控制系統、電子秤重儀等。其中，XTR115 和XTR116 能夠滿足工業測量標準的兩線4～20 mA 電流環電路，該電路設計巧妙、使用方便、超低靜態電流，非常適合于變送器等典型工業測量應用之中。
下面介紹XTR115 所構成的變換器XTR115 性能特點：1)XTR115 屬于二線制電流變送器，內部的2．5 V 基準電壓可作為傳感器的激勵源。XTR115 可將傳感器產生的40～200μA 弱電流信號放大100 倍，獲得4～20 mA 的標準輸出。當環路電流接近32 mA 時能自動限流。如果在3 腳與5 腳之間并聯一只電阻，就可以改變限流值。2) 芯片中增加了+5 V 精密穩壓器，其輸出電壓精度為±0．05％，電壓溫度系數僅為20x10-6 ／℃，可給外部電路(例如前置放大器)單獨供電，從而簡化了外部電源的設計。3)精度高，非線性誤差小。轉換精度可達±0．05％， 非線性誤差僅為±0．003％。4)環路電源電壓的允許范圍寬為7．5～36 V。XTR115 由環路電源供電。工作溫度范圍是-40～+85℃。5)專門設計了功率管接口，適配外部NPN 型功率晶體管，它與內部輸出晶體管并聯后可降低芯片的功耗。
五． XTR115 兩線制電流環應用注意事項利用XTR115 構成兩線制電流環時， 其工作電源和信號共用一根導線， 工作電源由接收端提供。該方案需要考慮的主要問題： 一是確定所用接收器的數量，即當有多個接收器時，它將要求變送器擁有一個較低的工作電源電壓。另外一種考慮是降低回路電流在接收端的壓降。
通常情況下，利用兩線制設計方案時，均需要考慮以下幾點：
1)電路環中的接收器的數量，更多的接收器將要求變送器有較低的工作電壓；
2)變送器所必需的工作電壓要有一定的余量；
3)決定傳感器的激勵方法是電壓還是電流。