4-20ma工作原理

1、4-20ma一般儀器儀表的信號(hào)電流都為4-20mA,指最小電流為4mA,最大電流為20mA。傳輸信號(hào)時(shí)候，要考慮到導(dǎo)線上也有電阻，如果用電壓傳輸則會(huì)在導(dǎo)線的產(chǎn)生一定的壓降，那接收端的信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生一定的誤差了！所以使用電流信號(hào)作為變送器的標(biāo)準(zhǔn)傳輸！中文名4-20ma最小電流4mA最大電流20mA特點(diǎn)具有傳感器的線性化電路一般儀器儀表的信號(hào)電流都為4-20mA，指最小電流為4mA,最大電流為20mA。傳輸信號(hào)時(shí)候，要考慮到導(dǎo)線上也有電阻，如果用電壓傳輸則會(huì)在導(dǎo)線的產(chǎn)生一定的壓降，那接收端的信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生一定的誤差了！所以使用電流信號(hào)作為變送器的標(biāo)準(zhǔn)傳輸！那么為什么選擇4-20mA而不是0-20mA呢

2、？為了減少接線的復(fù)雜性，傳感器選擇2線要比多線簡單的多，2線既要傳輸信號(hào)，又要給傳感器供電，所以設(shè)計(jì)者從中盜竊4mA電流給傳感器放大電路供電，這樣4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)就確定了。420mA電流環(huán)工作原理在工業(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。420mA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

3、號(hào)用于各種故障的報(bào)警。420mA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420mA的電流環(huán)向遠(yuǎn)端的XTR供電，通過420mA來反映信號(hào)的大小。420mA產(chǎn)品的典型應(yīng)用是傳感和測量應(yīng)用。在工業(yè)現(xiàn)場有許多種類的傳感器可以被轉(zhuǎn)換成420mA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)

4、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420mA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)。420mA的傳感器信號(hào)調(diào)理解決方案420mA電流環(huán)在結(jié)

5、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420mA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

6、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420mA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420mA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

7、精密的電壓-電流轉(zhuǎn)換器，它可以將05V或010V的輸入電壓直接轉(zhuǎn)換到420mA、020mA、525mA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。420mA的校正傳統(tǒng)的420mA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?，F(xiàn)代的數(shù)字化420mA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

8、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420mA的解決方法。它具有480A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6.26400倍；(4) RTD激勵(lì)的可編程電流的分辨率為1.54A；(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)字校正解決方案一一PGA309,它是

9、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420mA的輸出。420mA電流環(huán)工作原理2008-04-0722:40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。420mA的電流環(huán)便是用4mA表示零信號(hào)，用20mA表示信

10、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。420mA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420mA的電流環(huán)向遠(yuǎn)端的XTR供電，通過420mA來反映信號(hào)的大小。420mA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420mA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

11、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420mA的信號(hào)。圖1（略）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

12、質(zhì)。420mA的傳感器信號(hào)調(diào)理解決方案420mA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420mA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

13、的余量；（3）決定傳感器的激勵(lì)方法是電壓還是電流。圖2（略）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420mA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420mA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

14、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05V或010V的輸入電壓直接轉(zhuǎn)換到420mA、020mA、525mA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。圖3（略）420mA的校正傳統(tǒng)的420mA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420mA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

15、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420mA的解決方法。它具有480A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6.26400倍；(4) RTD激勵(lì)的可編程電流的分辨率為1.54A；(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

16、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420mA的輸出。問答選編問：電流變送器與普通的電流霍爾傳感器有什么不同？答：霍爾傳感器是傳感器件，而電流變送器是將傳感器產(chǎn)生的信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為420mA的電流信號(hào)進(jìn)行傳輸，因此它們兩個(gè)一個(gè)是傳感器，另一個(gè)是電流變送器。問：420mA信號(hào)是否存在溫漂？如何解決？答：實(shí)際上，420mA信號(hào)內(nèi)部是用集成電路芯片來制作的。集成電路芯片隨著溫度的變化在遇到放大器、電

17、壓到電流的轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)存在溫漂，但這種溫漂如果在TI的PGA309中則是可以解決的，因?yàn)镻GA309中采用的是零漂移的儀表放大器作為前置放大，同時(shí)PGA309中還有溫度的校準(zhǔn)，它是每采集一個(gè)溫度點(diǎn)來查表，進(jìn)行溫度滿度或色調(diào)電壓的校準(zhǔn)，從而解決溫度的漂移問題。問：應(yīng)該采取哪些措施實(shí)現(xiàn)420mA變送器的信號(hào)隔離？答：對(duì)420mA變送器的安全隔離可以有兩種方法：一是變送器端的隔離，一是接收端的隔離?，F(xiàn)在若有24V電壓供給一個(gè)XTR115的芯片，XTR115內(nèi)部可以將24V電壓直接轉(zhuǎn)換為一個(gè)5V穩(wěn)壓電壓輸出，對(duì)這個(gè)5V的穩(wěn)壓電壓進(jìn)行展波,經(jīng)過一個(gè)脈沖電壓器由此可以向前面提供一個(gè)隔離電源，然后再把模擬信號(hào)

18、轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過一個(gè)隔離以后再提供給XTR115，再進(jìn)行長線傳輸，這個(gè)時(shí)候就完成了模擬信號(hào)到420mA環(huán)路里面的隔離。如果對(duì)420mA變送器不進(jìn)行隔離的話，也可以在接收端加一個(gè)RCV420將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再經(jīng)過一個(gè)ISO124隔離放大器進(jìn)行隔離，同時(shí)再經(jīng)過一個(gè)DC/AC轉(zhuǎn)換器向電路進(jìn)行退電供電，這樣也能完成對(duì)420mA變送器信號(hào)的隔離。問：變送器傳輸過來的信號(hào)應(yīng)該怎么處理？是不是先要經(jīng)過電流到電壓的變化然后再到ADC?對(duì)ADC的選擇有什么特殊的考慮？答：變送器傳輸?shù)男盘?hào)主要是一個(gè)電流信號(hào)，如果要采集它，一般要經(jīng)過電流到電壓的轉(zhuǎn)換，這個(gè)TI有一個(gè)RCV420可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。對(duì)于ADC的選擇

19、，主要根據(jù)對(duì)信號(hào)精度的要求來考慮。問：接收二線制420mA信號(hào)與三線制420mA信號(hào)，在接收方式和信號(hào)處理上有何不同？要注意些什么問題？答：在接收方式上，如果是二線制420mA信號(hào)，由接收端向SPI端提供電源,通過電源線經(jīng)過420mA信號(hào)線來提供電源。三線制420mA信號(hào)是由發(fā)生端(SPI)來提供電源的，所以說它們提供的電源是不同的，一個(gè)是由接收端而另一個(gè)是從遠(yuǎn)端來提供電源的。它們在信號(hào)處理上都要將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器，這時(shí)候就牽扯到一個(gè)怎樣向二線制變送器提供電源的問題。一般在工業(yè)上，它們會(huì)加一個(gè)推電器，就是在接收端同時(shí)提供一個(gè)24V的電源，通過420mA電流線向遠(yuǎn)端進(jìn)

20、行供電。問：現(xiàn)在市場上的變送器是否有數(shù)字輸出接口？比如RS-485或者RS-232?答：現(xiàn)在市場上的變送器通常用標(biāo)準(zhǔn)的485或232通訊接口來傳輸，這個(gè)產(chǎn)品其實(shí)早在10年前就有了，它們把現(xiàn)場的信號(hào)模擬成傳感器的信號(hào)，直接傳數(shù)字量，然后經(jīng)過485進(jìn)行傳輸，這是比較多的。如果你是用TI的芯片，比如MSC12XX,它內(nèi)置的80528952里面帶16位或24位AD轉(zhuǎn)換器及通信接口輸出，如果用它來做的話，很容易把它做成一個(gè)485或232通信接口的數(shù)字變送器芯片。問：在420mA變送器的信號(hào)傳輸過程中，如何有效地防止各類電磁、過電壓對(duì)于接收裝置造成的干擾？在系統(tǒng)故障狀態(tài)，是否具有事故信息追憶功能？答：如果

21、有電磁干擾，首先說電磁的發(fā)射，當(dāng)傳感器接入的時(shí)候，如果具有很高的輸入阻抗的時(shí)候，有可能產(chǎn)生電磁干擾，可以加一些電阻電容進(jìn)行濾波，TI在這方面有一些應(yīng)用電路的介紹可供大家參考。過電壓的時(shí)候，420mA的長線輸出的時(shí)候，可以借助36V的穩(wěn)壓塊來進(jìn)行過電壓保護(hù)，如果極性接反的時(shí)候，可以在輸入回路里加一個(gè)整流橋堆來對(duì)極性進(jìn)行調(diào)整。問：如何將接收端的電流轉(zhuǎn)換成電壓以便于ADC轉(zhuǎn)換？主要是精度方面，是否能給一個(gè)具體例子？答：如果將420mA電流轉(zhuǎn)換成電壓再經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換時(shí)，TI有一個(gè)專用芯片RCV420,它里面采用的是一個(gè)精密的電子網(wǎng)絡(luò)還有一個(gè)精密比例的運(yùn)算放大器和一個(gè)精密的基準(zhǔn)電壓器，即10V的基準(zhǔn)電壓，這個(gè)10V基準(zhǔn)電壓大概是5個(gè)或10個(gè)TTN的溫度系數(shù)，用這個(gè)片子就可以很精確地將前面的420mA電流轉(zhuǎn)換成一個(gè)電壓輸