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案例頻道 摘 要：由于工業上對低耗能和遠距離傳輸的要求越來越高，兩線制儀表的應用也越來越廣。本文通過比較說明了兩線制變送器的優點，并介紹了兩線制變送器的結構，詳細分析了其工作原理。在此基礎上設計了由壓力橋、調理電路和兩線制V/I變換電路構成的兩線制壓力變送器，并對如何增強穩定性和安全性做了討論。
關鍵詞：兩線制變送器；V/I變換電路；調理電路；傳感器
1 概述
工業上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，都需要轉換成模擬量電信號才能傳輸到幾百米外的控制室或顯示設備上。這種將物理量轉換成電信號的設備稱為變送器。工業上最廣泛采用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量。
采用電流信號的原因是不容易受干擾。并且電流源內阻無窮大，導線電阻串聯在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數百米。上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低于4mA，當傳輸線因故障斷路，環路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。
電流型變送器將物理量轉換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線，加上兩根電流輸出線，總共要接4根線，稱之為四線制變送器，如圖1（a）所示。當然，電流輸出可以與電源共用一根線（共用Vcc或者GND），可節省一根線，稱之為三線制變送器，如圖1（b）所示。
其實大家可能注意到，4-20mA電流本身就可以為變送器供電，如圖1（c）所示。變送器在電路中相當于一個特殊的負載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4~20mA之間根據傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業電流環標準下限為4mA，因此只要在量程范圍內，變送器至少有4mA供電。這使得兩線制傳感器的設計成為可能。
在工業應用中，測量點一般在現場，而顯示設備或者控制設備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能數十至數百米。按一百米距離計算，省去2根導線意味著成本降低近百元！因此在應用中兩線制傳感器必然是首選。
a 四線制變送器 b 三線制變送器 c 兩線制變送器
圖1 變送器原理圖
圖1 變送器原理圖
2 兩線制變送器的結構與原理
兩線制變送器的原理是利用了4~20mA信號為自身提供電能。如果變送器自身耗電大于4mA，那么將不可能輸出下限4mA值。因此一般要求兩線制變送器自身耗電（包括傳感器在內的全部電路）不大于3.5mA。這是兩線制變送器的設計根本原則之一。
從整體結構上來看，兩線制變送器由三大部分組成：傳感器、調理電路、兩線制V/I變換器構成。傳感器將溫度、壓力等物理量轉化為電參量；調理電路將傳感器輸出的微弱或非線性的電信號進行放大、調理、轉化為線性的電壓輸出；兩線制V/I變換電路根據信號調理電路的輸出控制總體耗電電流，同時從環路上獲得電壓并穩壓，供調理電路和傳感器使用。 除了V/I變換電路之外，電路中每個部分都有其自身的耗電電流，兩線制變送器的核心設計思想是將所有的電流都包括在V/I變換的反饋環路內。如圖2所示，采樣電阻Rs串聯在電路的低端，所有的電流都將通過Rs流回到電源負極。從Rs上取到的反饋信號，包含了所有電路的耗電。在兩線制變送器中，所有的電路總電流不能大于3.5mA，因此電路的低功耗成為主要的設計難點。下面將逐一分析各個部分電路的原理與設計要點。
圖2 兩線制變送器結構圖
3 兩線制V/I變換器
V/I 變換器是一種可以用電壓信號控制輸出電流的電路。兩線制V/I變換器的電壓信號不是直接控制輸出電流，而是控制整個電路自身耗電電流，同時，還要從電流環路上提取穩定的電壓為調理電路和傳感器供電。圖3是兩線制V/I變換電路的基本原理圖：圖中OP1、Q1、R1、R2、Rs構成了V/I變換器。分析工作過程：若A點因為某種原因高于0V，使運放OP1輸出升高，Re兩端電壓升高，通過Re的電流變大，相當于整個電路耗能增大，則通過采樣電阻Rs的電流變大，B點電壓減小。結果是通過R2將A點電壓拉低。反之，若A點因某種原因低于0V，也會被抬高回0V。總之是使運放OP1同相輸入端A虛地。
下面分析Vo的控制原理：假設調理電路輸出電壓為Vo，則流過R1的電流 I1=Vo/R1。運放輸入端不可能吸收電流，則I1全部流過R2，那么B點電壓 VB=－I1×R2=－Vo×R2/R1。取R1=R2時，有VB=－Vo相當于Rs與 R2并聯作為電流采樣電阻。因此電路總電流：Is=Vo/(Rs//R2)。如果取R2>>Rs，Is=Vo/Rs 。取Rs=100Ω，當調理電路輸出0.4~2V的時候，總耗電電流4~20mA。另外電路自身耗電盡量小，并且要求運放能夠單電源工作，LM358/324是最常見也是價格最低的單電源運放，耗電400uA，基本可以接受。單電源供電時，輸入端從－0.3V~－1.5V范圍內都能正常工作。R5和U1構成基準源，產生2.5V穩定的基準電壓。
LM385是低成本的微功耗基準，20uA以上即可工作，手冊上給出的曲線在100uA附近最平坦，所以通過R5控制電流100uA左右。OP2構成一個同相放大器，將基準電壓放大，向調理電路及傳感器供電。因為寬輸入電壓、低功耗的穩壓器稀少，成本高；將基準放大作為穩壓電源是一個廉價的方案。該部分電路也可以選擇現成的集成電路，比如XTR115/116/105等，精度和穩定性比自制的好，自身功耗也更低，但成本較高。
圖3 兩線制V/I變換電路原理圖
4 兩線制壓力變送器設計
壓力橋、稱重傳感器輸出信號微弱，都屬于mV級信號。這一類小信號一般都要求用差動放大器對其進行第一級放大。一般選用低失調、低溫漂的差動放大器。另外在兩線制應用中，低功耗也是必需的。AD623是常用的低功耗精密差動放大器，常用在差分輸出前級的放大。 AD623失調最大200μV，溫漂1μV/度，為一般壓力變送應用保證了足夠的精度。R0將0.4V疊加在AD623的REF腳（5腳）上，在壓力F=0情況下通過調整R0使輸出4mA，再調整RG輸出20.00mA，完成校準。 電路設計時需注意，壓力橋傳感器相當于一個千歐級的電阻，耗電一般比較大。適當降低壓力橋的激勵電壓可以減小耗電電流。但是輸出幅度也隨之下降，需要提高AD623的增益。圖4給出的傳感器采用恒壓供電，實際應用中大部分半導體壓力傳感器需要恒流供電才能獲得較好的溫度特性，可以用一個運放構成恒流源為其提供激勵。
圖4 兩線制壓力變送器調理電路原理圖
5 穩定性和安全性的考慮
工業環境下環境惡劣且對可靠性要求高，因此兩線制變送器的設計上需要考慮一定的保護和增強穩定性措施。
a 電源保護
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，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。
b 過流保護
設備運行過程中可能有傳感器斷線、短路等錯誤情況發生，或者輸入量本身很有可能超量程，變送器必須保證任何情況下輸出不會無限制上升。否則有可能損壞變送器本身、電源、或遠方顯示儀表。 圖5中Rb和Z1構成了過流保護電路。無論什么原因導致OP1輸出大于6.2V（1N4735是6.2V穩壓管），都會被Z1鉗位，Q1的基極不可能高于6.2V。因此Re上電壓不可能高于6.2－0.6=5.6V，因此總電流不會大于Ue/Re = 5.6V/200=28mA。
圖5 有過流保護的兩線制V/I變換電路
c 寬電壓適應能力
一般兩線制變送器都能適應大范圍的電壓變化而不影響精度。這樣可以適用各類電源，同時能夠適應大的負載電阻。對電源最敏感的部分是基準源，同時基準源也是決定精度的主要元件。圖3中基準通過R5限流，當電源電壓變化時，R5上電流也隨之改變，對基準穩定性影響很大。附圖中利用恒流源LM334為基準供電，電壓大范圍變化時，電流基本不變，保證了基準的穩定性。
d 退藕電容
一般的電路設計中，每個集成電路的電源端都會有退藕電容。在兩線制變送器上電時，這些電容的充電會在瞬間導致大電流，有可能會損壞遠方儀表。因此每個退藕電容一般不超過10nF，總退藕電容不宜超過50nF。入口處一個10nF電容是必需的，保證長線感性負載下，電路不震蕩。
參考文獻
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