二线制变送器电路设计与应用
2017-08-10
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。工业上最广泛采用的是用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。最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。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首选。
1、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。
图1 二线制变送器结构
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1所示，采样电阻RS串联在电路的低端，所有的电流豆浆通过RS电阻流回电源负极。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。
2、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。
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V0对总耗电的控制原理：假设调理电路输出电压为V0，则流过R1的电流 I1=V0/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= -I1R2 = -V0×R2/R1 取R1=R2时，有VB=-V0 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两端电压完全一样,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=V0/(Rs//R2) 如果取R2>>Rs，Is=V0/Rs 因此，图2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V0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是最常见也是价格最低的单电源运放，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。
