【每日一题20090224】两线制变送器

在生产过程中有两线制仪表，也有四线制仪表，要实现两线制变送器必须具备哪些条件？

总结：

（1）采用有活零点的电流信号。因为在变送器输出电流的下限值时，半导体器件必须

有正常的工作点，需要由电源供给正常工作的功率，由于电源线与信号线公用，电源供给

线路的功率是通过信号电流提供的，因此信号电流必须有活零点。国际统一电流信号采

用4~20ma，为制作二线制变送器创造了条件。

（2）必须是单电源供电。所谓单电源是指以零电位为起始点的电源，而不是与零电压

对称的正负电源.

[ 本帖最后由 baodingzhai 于 2009-2-25 09:06 编辑 ]

两线制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线即是电源线，又 是信号线。两线制与三线制  (一根正电源线，两根信号线,其中一根共GND)  和四线制(两根正负电源线，两根信号线,其中一根GND)相比，两线制的优点是：
1、不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；可节省大量电缆线和安装费用；
2、在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰；
3、电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4-20mA两线制环路，接收器电阻通常为250Ω（取样Uout=1-5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；
4、各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等造成精度的差异；
5、将4mA用于零电平，使判断开路或传感器损坏（0mA状态）十分方便。
6,在两线输出口容易增设防浪涌,防雷器件,有利于安全防爆。
两线制电流变送器在使用时要安装在现场设备的动力线上，而以单片机为核心的监测系统则位于较远离设备现场的监控室里，两者一般相距几百米甚至更远。设备现场的环境较为恶劣，强电信号会产生各种电磁干扰，在这种情况下，单片机应用系统中遇到的一个棘手问题就是如何在恶劣环境下远距离可靠地传送微小信号。小信号两线制变送器件的出现使这个问题得到了较好地解决。我们以DH4-20变送模块为核心设计了小型、价廉的两线制电流变送器。它具有低失调电压(＜30 μV)、低电压漂移(＜0.7μV/C°)、低非线性度(＜0.01%)的特点。它把现场设备动力线的电流转换成4～20 mA的标准电流信号输出，然后通过一对双绞线送到监测系统的输入接口上，双绞线同时也将位于监测系统的电源送到电流变送器中。测量信号和电源在双绞线上同时传送，既省去了昂贵的传输电缆，而且信号是以电流的形式传输，抗干扰能力加强.

变送器应具有Hart协议。

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;另外电物理量(简称电量),例如电流、电压、功率、频率等,都需要转换成标准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标准模拟量电信号是用4~20mA直流电流来传输模拟量。
　　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。
　　电流输出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，如图1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根信号传输导线意味着成本降低近百元！另外四线制变送器和三线制变送器因导线内电流不对称必须使用昂贵的屏蔽线,而两线制变送器可使用非常便宜的的双绞线导线,因此在应用中两线制变送器必然是首选。
　　

2线制的优点是接线简单，但是只能用于传感器本身功耗小的情况，如果传感器本身功耗大（如超声波液位）就不能作成2线的，只能是4线，计工作电源2个，输出2个。
二线制仪表的特点：布线简单，功耗低，安全性高（可以达到本安）

所以，两线仪表必须具备 以下条件 1 本身功耗小，2  电源与信号共用，3 直流供电且工作电压范围宽

二线制变送器是通过信号线提供驱动电源的变送器，采用二线制变送器可以节省电源线。二线制变送器首先被差压变送器采用。差压变送器一般分散分布在庞大的工厂内，采用二线制变送器，大幅降低了施工费用。二线制变送器和4线制不同之处在于它可以大幅度节省电源线的费用,二线制变送器的信号是大家已经很熟悉的DC4-20mA直流电流信号。该DC4-20mA直流电流信号抗噪讯能力很强，即使在有电力设备的环境下都可以保证信号的稳定传送。如果采用电压信号，例如DC0-10V的信号线上加上10V的噪讯电压10V，信号线上的信号将增加一倍。而二线制变送器的输出端子测得变送器内部的阻抗值至少有1MΩ，因此噪讯电压10V加在受信阻抗上的电流值I：I(A)=10(V)/10^6 =10^-5 (A)=0.01mA，相对于量程20mA，影响只有1/2000。这是二线制变送器优越之处。信号回路上是4-20mA的电流信号。二线制变送器利用输入信号0%对应4mA的直流电流动作。信号为100%时，变送器就在4mA上加上16mA将回路的信号控制在20mA。二线制变送器内部控制使输入信号和4-20mA的输出信号成正比。因为二线制变送器本身有V1的压降，所以信号回路内的受信阻抗的最大值为（DC24V-V 1）/20mA. 二线制变送器的接线如图1所示。 图1.JPG  
对于二线制变送器是如何实现输入信号和输出的4-20mA线性对应的，可以参考一些国外的电流环芯片的框图。这里再贴上BB公司（现属于TI公司）的几款电流环芯片的框图，供大家设计或应用时参考。有兴趣的可以利用模拟电子的知识先分析下以下几个框图的原理，再用分立元件按图自行搭制电路测试，这样就可以更加透彻的了解二线制变送器是如何进行信号转换的了。建议从XTR115框图入手分析，进而分析XTR105，XTR101框图。 图2.JPG
对于二线制变送器,同变送器连接的导线只有两根,这两根线同时传输供电电源和输出信号.电源 变送器 负载电阻 是串联的.二线制变送器相当于一个可变电阻,其阻值是由被控参数控制.当被控参数改变时,变送器的等效电阻随之变化,因此流过负载的电流也变化.
由于电源线与信号线公用,电源供给线路的功率是通过信号电流提供的,因此信号电流必须采用活零点电流.通常而线制变送器的最小信号电流是4MA,在此条件下,变送器才能正常工作.

[ 本帖最后由 qiuqiuwenzi 于 2009-2-24 10:37 编辑 ]附件: 你需要登录才可以下载或查看附件。没有帐号？加入海川

二线制变送器是通过信号线提供驱动电源的变送器，采用二线制变送器可以节省电源线。 二线制变送器首先被差压变送器采用。差压变送器一般分散分布在庞大的工厂内，采用二线制变送器，大幅降低了施工费用。 二线制变送器和4线制不同之处在于它可以大幅度节省电源线的费用。例如在露天分布有大量储藏罐的罐区，由于储藏罐分布得很散，而且很多都不能接电源，这种情况下采用无需供电的二线制变送器非常方便。二线制变送器的信号是大家已经很熟悉的DC4-20mA直流电流信号。该DC4-20mA直流电流信号抗噪讯能力很强，即使在有电力设备的环境下都可以保证信号的稳定传送。如果采用电压信号，例如DC0-10V的信号线上加上10V的噪讯电压10V，信号线上的信号将增加一倍。而二线制变送器的输出端子测得变送器内部的阻抗值至少有1MΩ，因此噪讯电压10V加在受信阻抗上的电流值I：I(A)=10(V)/10^6 =10^-5 (A)=0.01mA，相对于量程20mA，影响只有1/2000。这是二线制变送器优越之处。

答：两线仪表必须具备以下几个条件
1： 本身功耗小；
2  ：电源与信号共用；
3 ：直流供电且工作电压范围宽。

二线制传输方式电源负载电阻和变送器是串联的,即两根导线同时传送变送器所需的电源和输出电流信号,这类变送器称为二线制变送器.
二线制变送器同四线制变送器比较,采用二线制信号传输方式具有节省连接电缆,有利于安全防爆和抗干扰等优点,目前大多变送器均为二线制变送器.
两线仪表必须具备以下几个条件
1： 本身功耗小；
2  ：电源与信号共用；
3 ：直流供电且工作电压范围宽

变送器功耗必须小，也就是说：变送器在电压DC24V，电流3.8mA都能正常工作。