两线制4-20mA变送器工作原理

工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。工业上zui广泛采用的是用 4~20mA 电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取 20mA 是因为防爆的要求： 20mA 的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取 0mA 的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于 4mA ，当传输线因故障断路，环路电流降为 0 。常取 2mA 作为断线报警值。
电流型变送器将物理量转换成 4~20mA 电流输出，必然要有外电源为其供电。zui典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接 4 根线，称之为四线制变送器。当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用 VCC 或者 GND ），可节省一根线，称之为三线制变送器。
其实大家可能注意到， 4-20mA 电流本身就可以为变送器供电，如图 1C 所示。变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在 4~20mA 之间根据传感器输出而变化。显示仪表只需要串在电路中即可。这种变送器只需外接 2 根线，因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为 4mA ，因此只要在量程范围内，变送器至少有 4mA 供电。这使得两线制传感器的设计成为可能。
在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。两者之间距离可能数十至数百米。按一百米距离计算，省去 2 根导线意味着成本降低近百元！因此在应用中两线制传感器必然是。

2. 两线制变送器的结构与原理 两线制变送器的原理是利用了 4~20mA 信号为自身提供电能。如果变送器自身耗电大于 4mA ，那么将不可能输出下限 4mA 值。因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于 3.5mA 。这是两线制变送器的设计根本原则之一。 从整体结构上来看，两线制变送器由三大部分组成：传感器、调理电路、两线制 V/I 变换器构成。传感器将温度、压力等物理量转化为电参量，调理电路将传感器输出的微弱或非线性的电信号进行放大、调理、转化为线性的电压输出。两线制 V/I 变换电路根据信号调理电路的输出控制总体耗电电流；同时从环路上获得电压并稳压，供调理电路和传感器使用。 除了 V/I 变换电路之外，电路中每个部分都有其自身的耗电电流，两线制变送器的核心设计思想是将所有的电流都包括在 V/I 变换的反馈环路内。如图，采样电阻 Rs 串联在电路的低端，所有的电流都将通过 Rs 流回到电源负极。从 Rs 上取到的反馈信号，包含了所有电路的耗电。在两线制变送器中，所有的电路总功耗不能大于 3.5mA ，因此电路的低功耗成为主要的设计难点。下面将逐一分析各个部分电路的原理与设计要点。

3. 两线制 V/I 变换器 V/I 变换器是一种可以用电压信号控制输出电流的电路。两线制 V/I 变换器与一般 V/I 变换电路不同点在：电压信号不是直接控制输出电流，而是控制整个电路自身耗电电流。同时，还要从电流环路上提取稳定的电压为调理电路和传感器供电。附图是两线制 V/I 变换电路的基本原理图： 图中 OP1 、 Q1 、 R1 、 R2 、 Rs 构成了 V/I 变换器。分析负反馈过程：若 A 点因为某种原因高于 0V ，则运放 OP1 输出升高， Re 两端电压升高，通过 Re 的电流变大。相当于整体耗电变大，通过采样电阻 Rs 的电流也变大， B 点电压变低（负更多）。结果是通过 R2 将 A 点电压拉下来。反之，若 A 点因某种原因低于 0V ，也会被负反馈抬高回 0V 。总之，负反馈的结果是运放 OP1 虚短， A 点电压＝ 0V 。下面分析 Vo 对总耗电的控制原理： 假设调理电路输出电压为 Vo ，则流过 R1 的电流 I1=Vo/R1 运放输入端不可能吸收电流，则 I1 全部流过 R2 ，那么 B 点电压 VB= -I1*R2 = -Vo*R2/R1 取 R1=R2 时，有 VB=-Vo 电源负和整个便送器电路之间只有 Rs 、 R2 两个电阻，因此所有的电流都流过 Rs 和 R2 。 R2 上端是虚地（ 0V ）， Rs 上端是 GND 。因此 R2 、 Rs 两端电压*一样 , 都等于 VB 。相当于 Rs 与 R2 并联作为电流采样电阻。因此电路总电流： Is=Vo/ （ Rs//R2 ） 如果取 R2>>Rs ， Is=Vo/Rs 因此，图 3 中取 Rs=100 欧，当调理电路输出 0.4~2V 的时候，总耗电电流 4~20mA. 若不能满足 R2>>Rs 也没关系， Rs 与 R2 并联（ Rs//R2 ）是个固定值， Is 与 Vo 仍然是线性关系，误差比例系数在校准时可以消除。 除了电路正确以外，该电路正常工作还需要 2 个条件：首先要自身耗电尽量小，省下的电流还要供给调理电路以及变送器。其次要求运放能够单电源工作，即在没有负电源情况下，输入端仍能够接受 0V 输入，并能正常工作。 LM358/324 是zui常见也是的单电源运放，耗电 400uA/ 每运放，基本可以接受。单电源供电时，输入端从 -0.3V~Vcc-1.5V 范围内都能正常工作。如果换成 OP07 等精密放大器，因为输入不允许低至 0V ，在该电路中反而无法工作。 R5 和 U1 构成基准源，产生 2.5V 稳定的基准电压。 LM385 是低成本的微功耗基准， 20uA 以上即可工作，手册上给出的曲线在 100uA 附近zui平坦，所以通过 R5 控制电流 100uA 左右。 OP2 构成一个同向放大器，将基准放大，向调理电路及传感器供电。因为宽输入电压、低功耗的稳压器，成本高；将基准放大作为稳压电源是一个廉价的方案。该部分电路也可以选择现成的集成电路。比如 XTR115/116/105 等，精度和稳定性比自制的好，自身功耗也更低（意味着能留更多电流给调理电路，调理部分更容易设计）。但成本比上述方案高 10 倍以上 .

4. 两线制压力变送器设计 压力桥、称重传感器输出信号微弱，都属于 mV 级信号。这一类小信号一般都要求用差动放大器对其进行*级放大。一般选用低失调、低温飘的差动放大器。另外在两线制应用中，低功耗也是必需的。 AD623 是常用的低功耗精密差动放大器，常用在差分输出前级的放大。 AD623 失调zui大 200uV ，温飘 1uV/ 度，在一般压力变送应用保证了精度足够。 R0 将 0.4V 叠加在 AD623 的 REF 脚（ 5 脚）上，在压力 =0 情况下通过调整 R0 使输出 4mA ，再调整 RG 输出 20.00mA ，完成校准。 电路设计时需注意，压力桥传感器相当于一个千欧级的电阻，耗电一般比较大。适当降低压力桥的激励电压可以减小耗电电流。但是输出幅度也随之下降，需要提高 AD623 的增益。图 6 给出的传感器采用恒压供电，实际应用中大部分半导体压力传感器需要恒流供电才能获得较好的温度特性，可以用一个运放构成恒流源为其提供激励。

5. 稳定性和安全性的考虑 工业环境下环境恶劣且对可靠性要求高，因此两线制变送器的设计上需要考虑一定的保护和增强稳定性措施。 1 ．电源保护。 电源接反、超压、浪涌是工业上常见的电源问题。电源接反是设备安装接线时zui容易发生的错误，输入口串一只二极管即可防止接反电源时损坏电路。如果输入端加一个全桥整流器，那么即使电源接反仍能正常工作。为防止雷击、静电放电、浪涌等能量损坏变送器，变送器入口处可以加装一只 TVS 管来吸收瞬间过压的能量。一般 TVS 电压值取比运放极限电压略低，才能起到保护作用。如果可能遭受雷击， TVS 可能吸收容量不够，压敏电阻也是必需的，但是压敏电阻本身漏电会带来一定误差。 2 ．宽电压适应能力。 一般两线制变送器都能适应大范围的电压变化而不影响精度。这样可以适用各类电源，同时能够适应大的负载电阻。对电源zui敏感的部分是基准源，同时基准源也是决定精度的主要元件。 3 楼图中基准通过 R5 限流，当电源电压变化时， R5 上电流也随之改变，对基准稳定性影响很大。附图中利用恒流源 LM334 为基准供电，电压大范围变化时，电流基本不变，保证了基准的稳定性。 3 ．退藕电容 一般的电路设计中，每个集成电路的电源端都会有退藕电容。在两线制变送器上电时，这些电容的充电会在瞬间导致大电流，有可能会损坏远方仪表。因此每个退藕电容一般不超过 10nF ，总退藕电容不宜超过 50nF 。入口处一个 10nF 电容是必需的，保证长线感性负载下，电路不震荡。