電流變送器原理及接線方式

電流變送器接線方式

變送器是把傳感器采集到的微弱的電信號放大以便轉(zhuǎn)送或啟動控制元件，或?qū)鞲衅鬏斎氲姆请娏哭D(zhuǎn)換成電信號同時放大以便供遠(yuǎn)方測量和控制的信號源。根據(jù)需要還可將摸擬量變換為數(shù)字量。

集成電流變送器亦稱電流環(huán)電路，根據(jù)轉(zhuǎn)換原理的不同可劃分成以下兩種類型：一種電壓/電流轉(zhuǎn)換器，亦稱電流環(huán)發(fā)生器，它能將翰入電壓轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號(典型產(chǎn)品為1B21等）；另一種屬于電流/電壓轉(zhuǎn)換器，也叫電流環(huán)接收器(典型產(chǎn)品為RCV420)。是現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場較為常用模擬通訊方案之一。它將電壓信號變換為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號從環(huán)路一端傳送到另一端，可實現(xiàn)長距離通訊，且不易受干擾，因而在工業(yè)現(xiàn)場中得到廣泛的應(yīng)用，特別是在傳感和測量應(yīng)用方面。

電流變送器使用標(biāo)準(zhǔn)的4-20mA電流信號。電流變送器有兩種類型：二線制和三線制。二線制電流變送器是電流變送器和傳感器位于現(xiàn)場端，在二線制傳輸方式中，供電電源、負(fù)載電阻、電流變送器是串聯(lián)的，即二根導(dǎo)線同時傳送電流變送器所需的電源和輸出電流信號，其工作電源和信號共用一根導(dǎo)線，工作電源由接收端提供，如圖I(a)所示。三線制電流變送器，這里電流變送器位于監(jiān)控的系統(tǒng)端，由系統(tǒng)直接向電流變送器供電。供電電源是二根電流傳輸線以外的第三根線。如圖1(b)所示。

電流變送器接線方框圖

電流變送重視要采用V-I變換器來設(shè)計，將電壓信號變換成電流信號。目前，市面上有集成電流變IC供工程師使用，如TI的XTR系列、ADI的AD694、Analog Microelectronics的AM462等。不過相對來說，這些IC的成本較高。因此，在工業(yè)上，對于成本要求嚴(yán)格的電路設(shè)計，用集成運放來自定義設(shè)計電流變送器是一個不錯的選擇。

電流變送器使用電流信號作為傳輸信號，有較高的抗干擾能力，但由于傳輸距離較遠(yuǎn)，加上工業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜性，電流變送器在設(shè)計上還要考慮電氣隔離，抗干擾措施。

電流變送器工作原理

電流變送重視要由電壓信號調(diào)理、VI變換、功率輸出和隔離等電路構(gòu)成。

1.1電壓信號調(diào)理電路

對于被變送對象是模擬信號時，信號調(diào)理電路的作用是信號放大或衰減；對于被變送對象是數(shù)字信號時，信號調(diào)理電路的作用是D/A轉(zhuǎn)換。

在模擬電路中，如要將電橋、壓力傳感器、熱電偶等輸出信號變換?？梢允褂貌罘址糯箅娐贰x表放大器等放大，例知測量PT100的電路，如圖2所示。

PT100的測量電路圖

對于數(shù)字量輸出傳感器或設(shè)備，那只有采用D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)了，包括使用DAC和PWM。如圖3所示。

DAC和PWM原理框圖

使用DAC設(shè)計要考慮DAC位數(shù)(分辨率)、線性度和參考電壓的溫漂，例如設(shè)計0.5%的電流變送器至少需要I0位的ADC，線性度小于2LBS。

使用PWM方式要考慮PWM的位數(shù)，因為PWM方式要加一個低通濾波器才能得到平直的直流電壓信號，所以低通濾波器的響應(yīng)速度、線性度都要考慮。

兩者相比來說，PWM方式比DAC方式有成本優(yōu)勢，故在廉價的電流變送器，響應(yīng)速度要求不高情況下，PWM方式是不錯的選擇。

1.2 V-I轉(zhuǎn)換電路

典型的V-I轉(zhuǎn)換電路，如圖4所示。

V-I轉(zhuǎn)換電路也叫恒流源電路。先簡單分析一下其原理：由于運放虛短虛斷特性可知，V2等于Vin,流過RL的電流（Iout）等于流過R1的電流。很容易得到：

可見，負(fù)載電流Iout 與負(fù)載無關(guān)，只要R1不變，負(fù)載電流Iout跟輸入電壓Vin成正比。

在實際使用中，R1要選取高精度低溫漂的電阻。

3.擴流電路

由于在實際應(yīng)用中運放的輸出能力有限制，一般都很小，不宜直接驅(qū)動負(fù)載，因此要用擴流電路，如圖4所示。

圖4 電流變送器擴流電路圖

需要說明的一點是，V-I轉(zhuǎn)換電路的負(fù)載并不能任意取值的，只能在允許范圍內(nèi)取值，這就是V-I轉(zhuǎn)換電路的帶負(fù)載能力。以圖4為例，假如電路的負(fù)載電流（流過RL的電流）為20mA時，輸入電壓為2.5V,運放LM358 zui大輸出電壓為12V-1.5V=10.5V,Q1 的Vbe=0.7V,那么RL兩端電壓zui大為10.5-0.7-2.5=7.3V,zui大RL=7.3V/20mA=365歐。這就意味當(dāng)RL大于365歐，且輸入電壓為2.5V時，將無法再輸出20mA。

三極管Q1的耗散功率也需要考慮在內(nèi)。當(dāng)RL=0時，Q1的耗散功率zui大為（12V-2.5V）*0.02A=0.19W.因此要選用功率大于0.2W的三極管。

1.4保護電路

圖5：電流保護電路結(jié)構(gòu)圖

電源接反、超壓、浪涌是工業(yè)上常見的電源標(biāo)題。電源接反是設(shè)備安裝接線時zui容易發(fā)生的錯誤，輸入口串聯(lián)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，電流變送器入口處可以加裝一只TVS管來汲取瞬間過壓的能量。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 可能汲取容量不夠，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，如圖5所示。