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模擬量4~20mA電流環(huán)工作原理和應(yīng)用

在工業(yè)現(xiàn)場，用一個(gè)儀表放大器來完成信號(hào)的調(diào)理并進(jìn)行長線傳輸，會(huì)產(chǎn)生以下問題：第一，由于傳輸?shù)男盘?hào)是電壓信號(hào)，傳輸線會(huì)受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降；第三，在現(xiàn)場如何提供儀表放大器的工作電壓也是個(gè)問題。
為了解決上述問題和避開相關(guān)噪聲的影響，我們用電流來傳輸信號(hào)，因?yàn)殡娏鲗?duì)噪聲并不敏感。4～20mA的電流環(huán)便是用4mA表示零信號(hào)，用20mA表示信號(hào)的滿刻度，而低于4mA高于20mA的信號(hào)用于各種故障的報(bào)警。
4～20mA電流環(huán)有兩種類型：二線制和三線制。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)需要通過長線驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場的驅(qū)動(dòng)器件如閥門等時(shí)，一般采用三線制變送器，這里XTR位于監(jiān)控的系統(tǒng)端，由系統(tǒng)直接向XTR供電，供電電源是二根電流傳輸線以外的第三根線。二線系統(tǒng)是XTR和傳感器位于現(xiàn)場端，由于現(xiàn)場供電問題的存在，一般是接收端利用4～20mA的電流環(huán)向遠(yuǎn)端的XTR供電，通過4～20mA來反映信號(hào)的大小。
4～20mA產(chǎn)品的典型應(yīng)用是傳感和測量應(yīng)用，見圖1。在工業(yè)現(xiàn)場有許多種類的傳感器可以被轉(zhuǎn)換成4～20mA的電流信號(hào)，TI擁有一些很方便的用于RTD和電橋的變送器芯片。由于TI的變送器芯片含有通用的功能電路比如電壓激勵(lì)源、電流激勵(lì)流、穩(wěn)壓電路、儀表放大器等，所以可以很方便地把許多傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20mA的信號(hào)。
電橋傳感器的大多數(shù)應(yīng)用是用于測量壓力。在一個(gè)實(shí)際電路中，如果惠斯登電橋每條臂上的電阻為2k ，那么無論從激勵(lì)電壓端或差分輸出端看進(jìn)去，它的等效電阻都是2k 。在沒有壓力的時(shí)候，它的電橋是平衡的，輸出電壓為0。當(dāng)施加壓力時(shí)，由于電橋失衡，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)差分電壓，差分電壓便會(huì)反映這個(gè)壓力的大小。
滿度和色調(diào)是壓力傳感器的兩個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)，現(xiàn)實(shí)世界里使用著的傳感器都存在著一定的非線性，它的輸出電壓會(huì)隨著溫度的變化而變化。輸出電壓隨溫度的變化不是線性的，滿度和色調(diào)都具有這種性質(zhì)。

4～20mA的傳感器信號(hào)調(diào)理解決方案

4～20mA電流環(huán)在結(jié)構(gòu)上由兩部分即變送器和接收器組成，變送器一般位于現(xiàn)場端、傳感器端或模塊端，而接收器一般在PLC和計(jì)算機(jī)端，它一般在控制器內(nèi)。
二線制4～20mA電路應(yīng)用，其工作電源和信號(hào)共用一根導(dǎo)線，工作電源由接收端提供。為了避免50/60Hz的工頻干擾，采用電流來傳輸信號(hào)。二線制方案需要考慮的主要問題：確定所用接收器的數(shù)量，當(dāng)有多個(gè)接收器時(shí)，它將要求變送器擁有一個(gè)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。
二線制方案設(shè)計(jì)需要考慮：
（1）電路環(huán)中的接收器的數(shù)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(lì)方法是電壓還是電流。
圖2為TI提供的帶有電壓調(diào)節(jié)和參考電路的二線制方案。圖中XTR115/116是用于4～20mA信號(hào)的精密的信號(hào)轉(zhuǎn)換器，它包含有5V電壓的穩(wěn)壓電路，可以向外部電路供電。一個(gè)精密的片上基準(zhǔn)電壓可以用于電壓偏置或者傳感器的激勵(lì)。
三線制4～20mA電路在設(shè)計(jì)上是由變送器端提供工作電源，為避免50/60Hz的工頻干擾，采用電流來傳輸信號(hào)。XTR調(diào)節(jié)器和現(xiàn)場的負(fù)載共用一個(gè)地接。方案設(shè)計(jì)需要考慮：
（1）電流環(huán)路中的接收器的數(shù)量；
（2）更多的接收器要求變送器擁有更高的工作電壓；
（3）保證變送器所必需的工作電壓，并應(yīng)該有一定的余量。
TI提供的三線制的變送器應(yīng)用方案如圖3所示，圖中XTR110是一個(gè)用于模擬信號(hào)傳送的精密的電壓-電流轉(zhuǎn)換器，它可以將0～5V或0～10V的輸入電壓直接轉(zhuǎn)換到4～20mA、0～20mA、5～25mA的輸出信號(hào)。XTR110含有精密的電阻網(wǎng)絡(luò)，以適應(yīng)不同的輸入輸出要求。一個(gè)10V的電壓參考可以用于驅(qū)動(dòng)外部電路。

4～20mA的校正

傳統(tǒng)的4～20mA校正，要求特殊的夾具固定，需要特別的激光或手動(dòng)電阻器調(diào)整，而調(diào)整是相互影響的，需要一個(gè)測試、調(diào)整，再測試、再調(diào)整的過程，調(diào)整次數(shù)和范圍有限。電子器件和傳感器調(diào)整起來不夠方便。
現(xiàn)代的數(shù)字化4～20mA校正，它允許電子器件和傳感器在封裝之后進(jìn)行調(diào)整；可通過計(jì)算機(jī)計(jì)算出校正系數(shù)來簡化數(shù)值調(diào)整；可以有無限的調(diào)整次數(shù)，并且有很好的分辨率和較寬的調(diào)整范圍；調(diào)整過程中不存在相互影響；電子器件和傳感器可以很方便地調(diào)整。
XTR108是TI提供的校正4～20mA的解決方法。它具有480 A的電流參考，它提供RTD的非線性校正，不需要外加可調(diào)電阻器。XTR108的特點(diǎn)有：
（1）具有傳感器的線性化電路；
（2）數(shù)字校正。通過SPI接口可以直接對(duì)XTR108設(shè)置，通過SPI接口可直接編程EEPROM；
（3）自動(dòng)穩(wěn)零的可編程增益的應(yīng)用放大器的增益范圍為6.26～400倍；
（4）RTD激勵(lì)的可編程電流的分辨率為1.54 A；
（5）校正參數(shù)存儲(chǔ)在外接的EEPROM中；
（6）可編程的過量程和欠量程的輸出。
此外，TI還提供一款橋路傳感器的數(shù)字校正解決方案——PGA309，它是專為壓力橋路傳感器設(shè)計(jì)的可編程模擬信號(hào)調(diào)節(jié)器。它模擬放大器傳感信號(hào)并提供對(duì)色調(diào)電壓和滿度電壓的數(shù)字校正，由于避免了手動(dòng)調(diào)整而獲得了長期的穩(wěn)定性，并將輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA的輸出。