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电流变送器原理及接线方式

更新时间:2017年03月18日 所属类别:知识百科 阅读量:

电流变送器接线方式

  变送器是把传感器采集到的微弱的电信号放大以便转送或启动控制元件,或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源。根据需要还可将摸拟量变换为数字量。

  集成电流变送器亦称电流环电路,根据转换原理的不同可划分成以下两种类型:一种电压/电流转换器,亦称电流环发生器,它能将翰入电压转换成4-20ma的电流信号(典型产品为1b21等);另一种属于电流/电压转换器,也叫电流环接收器(典型产品为rcv420)。是现代工业现场较为常用模拟通讯方案之一。它将电压信号变换为标准的电流信号从环路一端传送到另一端,可实现长距离通讯,且不易受干扰,因而在工业现场中得到广泛的应用,特别是在传感和测量应用方面。

  电流变送器使用标准的4-20ma电流信号。电流变送器有两种类型:二线制和三线制。二线制电流变送器是电流变送器和传感器位于现场端,在二线制传输方式中,供电电源、负载电阻、电流变送器是串联的,即二根导线同时传送电流变送器所需的电源和输出电流信号,其工作电源和信号共用一根导线,工作电源由接收端提供,如图i(a)所示。三线制电流变送器,这里电流变送器位于监控的系统端,由系统直接向电流变送器供电。供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。如图1(b)所示。

电流变送器接线方框图

电流变送器接线方框图

  电流变送器主要采用v-i变换器来设计,将电压信号变换成电流信号。目前,市面上有集成电流变ic供工程师使用,如ti的xtr系列、adi的ad694、analog microelectronics的am462等。不过相对来说,这些ic的成本较高。因此,在工业上,对于成本要求严格的电路设计,用集成运放来自定义设计电流变送器是一个不错的选择。

  电流变送器使用电流信号作为传输信号,有较高的抗干扰能力,但由于传输距离较远,加上工业现场的复杂性,电流变送器在设计上还要考虑电气隔离,抗干扰措施。

电流变送器工作原理

电流变送器主要由电压信号调理、vi变换、功率输出和隔离等电路构成。

1.1电压信号调理电路

  对于被变送对象是模拟信号时,信号调理电路的作用是信号放大或衰减;对于被变送对象是数字信号时,信号调理电路的作用是d/a转换。

  在模拟电路中,如要将电桥、压力传感器、热电偶等输出信号变换。可以使用差分放大电路、仪表放大器等放大,例知测量pt100的电路,如图2所示。

pt100的测量电路图

pt100的测量电路图

  对于数字量输出传感器或设备,那只有采用d/a转换技术了,包括使用dac和pwm。如图3所示。

dac和pwm原理框图

dac和pwm原理框图

  使用dac设计要考虑dac位数(分辨率)、线性度和参考电压的温漂,例如设计0.5%的电流变送器至少需要i0位的adc,线性度小于2lbs。

  使用pwm方式要考虑pwm的位数,因为pwm方式要加一个低通滤波器才能得到平直的直流电压信号,所以低通滤波器的响应速度、线性度都要考虑。

  两者相比来说,pwm方式比dac方式有成本优势,故在廉价的电流变送器,响应速度要求不高情况下,pwm方式是不错的选择。

1.2 v-i转换电路

典型的v-i转换电路,如图4所示。

典型的v-i转换电路图

  v-i转换电路也叫恒流源电路。先简单分析一下其原理:由于运放虚短虚断特性可知,v2等于vin,流过rl的电流(iout)等于流过r1的电流。很容易得到:

v-i转换电路公式

  可见,负载电流iout 与负载无关,只要r1不变,负载电流iout跟输入电压vin成正比。

  在实际使用中,r1要选取高精度低温漂的电阻。

3.扩流电路

  由于在实际应用中运放的输出能力有限制,一般都很小,不宜直接驱动负载,因此要用扩流电路,如图4所示。

电流变送器扩流电路图

图4 电流变送器扩流电路图

  需要说明的一点是,v-i转换电路的负载并不能任意取值的,只能在允许范围内取值,这就是v-i转换电路的带负载能力。以图4为例,假如电路的负载电流(流过rl的电流)为20ma时,输入电压为2.5v,运放lm358 最大输出电压为12v-1.5v=10.5v,q1 的vbe=0.7v,那么rl两端电压最大为10.5-0.7-2.5=7.3v,最大rl=7.3v/20ma=365欧。这就意味当rl大于365欧,且输入电压为2.5v时,将无法再输出20ma。

  三极管q1的耗散功率也需要考虑在内。当rl=0时,q1的耗散功率最大为(12v-2.5v)*0.02a=0.19w.因此要选用功率大于0.2w的三极管。

1.4保护电路

电流保护电路结构图

图5:电流保护电路结构图

  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最容易发生的错误,输入口串联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,电流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,如图5所示。

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