一. 概述
1.1 傳感器和變送器的區(qū)別與聯(lián)系傳感器是能夠?qū)⒁?guī)定的被測(cè)量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置的總稱，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。當(dāng)傳感器的輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，則稱為變送器。我們常見的變送器包括差壓變送器，液位變送器，溫度變送送器等等，變送器是將各種物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，是將非標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)的儀器， 傳感器則是將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件。一次儀表指現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表或基地控制表， 二次儀表指利用一次表信號(hào)完成其他功能：諸如控制，顯示等功能的儀表。


 
傳感器和變送器本是熱工儀表的概念。傳感器是把非電物理量如溫度、壓力、液位、物料、氣體特性等轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或把物理量如壓力、液位等直接送到變送器。變送器則是把傳感器采集到的微弱的電信號(hào)放大以便轉(zhuǎn)送或啟動(dòng)控制元件，或?qū)鞲衅鬏斎氲姆请娏哭D(zhuǎn)換成電信號(hào)同時(shí)放大以便供遠(yuǎn)方測(cè)量和控制的信號(hào)源。
 
根據(jù)需要還可將模擬量變換為數(shù)字量，當(dāng)然把電氣模擬量變換成數(shù)字量的也可以叫變送器。傳感器和變送器一同構(gòu)成自動(dòng)控制的監(jiān)測(cè)信號(hào)源。不同的物理量需要不同的傳感器和相應(yīng)的變送器。本文介紹了兩線制、三線制、四線制模擬直流信號(hào)變送器的工作原理和結(jié)構(gòu)，以及各種變送器在儀表中的應(yīng)用。
 
　　1.2 電流傳輸DC （4-20mA） 和電壓接收DC （1-5V）信號(hào)優(yōu)點(diǎn)
　　在過程控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)的液位變送器和差壓變送器等儀表與控制室儀表之間的聯(lián)絡(luò)信號(hào)采用（4-20mA）DC 的理由是：因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)與控制室之間的距離較遠(yuǎn)，連接電線的電阻較大，如果用電壓源信號(hào)遠(yuǎn)傳，由于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產(chǎn)生較大的誤差，而用恒電流源信號(hào)作為遠(yuǎn)傳，只要傳送回路不出現(xiàn)分支，回路中的電流就不會(huì)隨電線長(zhǎng)短而改變，從而保證了傳送的精度。
控制室儀表之間的聯(lián)絡(luò)信號(hào)采用（1-5V）DC 的理由是：為了便于多臺(tái)儀表共同接收同一個(gè)信號(hào)，并有利于接線和構(gòu)成各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)。如果用電流源作聯(lián)絡(luò)信號(hào)，當(dāng)多臺(tái)儀表共同接收同一個(gè)信號(hào)時(shí)，它們的輸入電阻必須串聯(lián)起來，這會(huì)使大負(fù)載電阻超過變送儀表的負(fù)載能力，而且各接收儀表的信號(hào)負(fù)端電位各不相同，會(huì)引入干擾，而且不能做到單一集中供電。
 
　　1.3 　DC(4-20mA)與DC(1-5V)傳輸、接收信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)在過程控制系統(tǒng)中，模擬信號(hào)（4-20mA）DC 或(1-5V) DC 信號(hào)制是國(guó)內(nèi)電工委員會(huì)(IEC)過程控制系統(tǒng)模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)從DDZ-Ⅲ型電動(dòng)儀表開始采用這一國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)制， 儀表傳輸信號(hào)采用（4-20mA）DC，聯(lián)絡(luò)信號(hào)采用（1-5V）DC，即采用電流傳輸、電壓接收的信號(hào)系統(tǒng)。

采用電壓源信號(hào)聯(lián)絡(luò)，與現(xiàn)場(chǎng)液位變送器和差壓變送器的聯(lián)絡(luò)用的電流信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，簡(jiǎn)單的方法就是：在電流傳送回路中串接一個(gè)250 歐姆的標(biāo)準(zhǔn)電阻，把（4-20mA）DC 轉(zhuǎn)換為（1-5V）DC，通常由配電器來完成這一任務(wù)。
 
　　二． 二線制/三線制/四線制變送器
　　2.1 二線制/三線制/四線制變送器滿足條件信號(hào)變換器是將接入的位移傳感器等模擬信號(hào)，變換為標(biāo)準(zhǔn)的模擬電流/電壓信號(hào)輸出。電流信號(hào)輸出,采用二線制；電壓信號(hào)輸出，采用三線制、四線制。
　　要實(shí)現(xiàn)兩線制變送器必須同時(shí)滿足以下條件:
　　1）V≤Emin-ImaxRLmax變送器的輸出端電壓V 等于規(guī)定的低電源電壓減去電流在負(fù)載電阻和傳輸導(dǎo)線電阻上的壓降。
　　2）I≤Imin變送器的正常工作電流I 必須小于或等于變送器的輸出電流。
　　3）P＜Imin(Emin-IminRLmax)變送器的小消耗功率P 不能超過上式, 通常＜90mW。
　　式中:Emin=低電源電壓， 對(duì)多數(shù)儀表而言Emin=24(1-5%)=22.8V，5%為24V 電源允許的負(fù)向變化量；
　　Imax=20mA
　　Imin=4mARLmax=250Ω+傳輸導(dǎo)線電阻
　　2.2 二線制/三線制/四線制變送器的連接
圖1 為二線制變換器的接線圖。

直流電源U（24V）通過兩根線向現(xiàn)場(chǎng)的變換器供電，同時(shí)這兩根線又是輸出信號(hào)（4～20mA）的傳輸線。輸出的電流信號(hào)需經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)電阻RL=250Ω 轉(zhuǎn)換為電壓UL=IRL=（1～5）U 送至控制器。這種二線制變換器的特點(diǎn)是只用于檢測(cè)信號(hào)而沒有控制功能。三線制變換器的接線圖如圖2 所示，

電流輸出系統(tǒng)除了兩根電流傳輸線以外，還有一根電源線向變壓器提供電源。三線制就是電源正端用一根線，信號(hào)輸出正端用一根線，電源負(fù)端和信號(hào)負(fù)端共用一根線。其供電大多為DC 24V， 輸出信號(hào)有DC4-20mA，負(fù)載電阻為250Ω 或者DC0-10mA，負(fù)載電阻為0-1.5kΩ；有的還有mA 和mV 信號(hào)，但負(fù)載電阻或輸入電阻，因輸出電路形式不同而數(shù)值有所不同。由于DC4-20mA 、DC 1-5V 信號(hào)制的普及和應(yīng)用，在控制系統(tǒng)應(yīng)用中為了便于連接，就要求信號(hào)制的統(tǒng)一， 為此要求一些非電動(dòng)單元組合的儀表， 如在線分析、機(jī)械量、電量等儀表， 能采用輸出為DC4-20mA 信號(hào)制，但是由于其轉(zhuǎn)換電路復(fù)雜、功耗大等原因，難于全部滿足上述的三個(gè)條件而無(wú)法做到兩線制，就只能采用外接電源的方法來做輸出為DC4-20mA 的四線制變送器了。四線制變送器供電大多為AC 220V，也有供電為DC24V 的。輸出信號(hào)有DC 4-20mA， 負(fù)載電阻為250Ω， 或者DC 0-10mA， 負(fù)載電阻為0-1.5kΩ； 的還有mA 和mV 信號(hào)，但負(fù)載電阻或輸入電阻，因輸出電路形式不同而數(shù)值有所不同，如圖3 所示。

輸入接收儀表的是電流信號(hào)， 如將電阻RL 并聯(lián)接入時(shí)，則接收的就是電壓信號(hào)了。由于各種變送器的工作原理和結(jié)構(gòu)不同，從而出現(xiàn)了不同的產(chǎn)品，也就決定了變送器的兩線制、三線制、四線制接線形式。
 
　　2.3 二線/三線制/四線制變送器設(shè)計(jì)原則
　　1）電流信號(hào)轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)，或電壓信號(hào)轉(zhuǎn)成電流信號(hào)，實(shí)質(zhì)就是信號(hào)傳輸中的阻抗變換問題；
　　2）信號(hào)傳輸阻抗匹配，就是滿足信號(hào)源輸出大信號(hào)能量的條件；
　　3）信號(hào)傳輸阻抗匹配，就是信號(hào)傳輸能流大、衰減小、暢通無(wú)阻、失真變形小；
　　4）電流信號(hào)轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)，就是低阻抗傳輸轉(zhuǎn)換為高阻抗傳輸；
　　5）這種阻抗變換，一定要通過阻抗變換設(shè)備、阻抗變換電路來實(shí)現(xiàn)；
　　6） 常用阻抗變換的設(shè)備有阻抗變換變壓器，例如音響系統(tǒng)的輸入輸出變壓器；
　　7）常用阻抗變換電路，如射極輸出電路，在模擬電子電路中經(jīng)常用作輸出級(jí)、輸入級(jí)、中間轉(zhuǎn)換級(jí)等；
　　8）超高頻閉路電視系統(tǒng)，信號(hào)分流用的三通、四通分配器，就是信號(hào)匹配阻抗轉(zhuǎn)換器，通過它實(shí)現(xiàn)閉路電視系統(tǒng)的阻抗匹配，否則信號(hào)將受阻傳不出去，或信號(hào)失真變形；
　　9）4-20mA 電流信號(hào)轉(zhuǎn)成0-5V 或0-10V 電壓信號(hào)，用什么樣的阻抗變換電路、設(shè)備，關(guān)鍵看信號(hào)的性質(zhì)，是高頻還是低頻，是交流還是直流；
10）這種在電流信號(hào)回路中串入電阻的方法，是錯(cuò)誤的， 不可取的， 是不懂信號(hào)傳輸匹配意義的做法。
 
　　三. 簡(jiǎn)單的4～20mA 輸入/0～5V 輸出的I/V 或V/I 轉(zhuǎn)換電路
　　在與電流輸出的傳感器接口的時(shí)候， 為了把傳感器或變送器輸出的0-20mA 或者4-20mA 電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)， 往往都會(huì)在后級(jí)電路的前端配置一個(gè)I/V 轉(zhuǎn)換電路。自己搭建電路, 節(jié)省成本，但不推薦直接串聯(lián)精密電阻的方式，用運(yùn)放搭建電路就非常好。
　　1）0－5V/0－10mA 的V/I 變換電路
圖4 是由運(yùn)放和阻容等元件組成的V/I 變換電路， 能將0-5V 的直流電壓信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換成0－10mA 的電流信號(hào)，A1 是比較器，A3 是電壓跟隨器，構(gòu)成負(fù)反饋回路，輸入電壓Vi 與反饋電壓Vf 比較，在比較器A1 的輸出端得到輸出電壓VL，V1 控制運(yùn)放A1 的輸出電壓V2， 從而改變晶體管T1 的輸出電流IL 而輸出電流IL 又影響反饋電壓Vf， 達(dá)到跟蹤輸入電壓Vi 的目的。輸出電流IL 的大小可通過下式計(jì)算：IL＝Vf/(Rw+R7)， 由于負(fù)反饋的作用使Vi=Vf，因此IL＝Vi/(Rw+R7)，當(dāng)Rw+R7 取值為500Ω時(shí),可實(shí)現(xiàn)0－5V/0－10mA 的V/I 轉(zhuǎn)換，如果所選用器件的性能參數(shù)比較穩(wěn)定，故運(yùn)放A1、A2 的放大倍數(shù)較大，那么這種電路的轉(zhuǎn)換精度，一般能夠達(dá)到較高的要求。
　　2）0－10V/0－10mA 的V/I 變換電路Vf 是輸出電流IL 流過電阻Rf 產(chǎn)生的反饋電壓，即V1 與V2 兩點(diǎn)之間的電壓差，此信號(hào)經(jīng)電阻R3、R4 加到運(yùn)放A1 的兩個(gè)輸入端Vp 與Vn， 反饋電壓Vf=V1－V2， 對(duì)于運(yùn)放A1， 有VN＝Vp；Vp＝V1/(R2+R3)×R2，VN＝V2＋(Vi-V2)×R4/(R1 +R4)， 所以V1/(R2+R3)×R2＝V2＋(Vi-V2)×R4/(R1+R4)，依據(jù)Vf＝V1-V2 及上式可推導(dǎo)出：
　　若式中R1＝R2＝100kΩ，R1＝R4=20kΩ， 則有：Vf×R1＝Vi×R4，
　　得出：Vf＝R4/R1×Vi＝1/5Vi， 如果忽略流過反饋回路R3、R4 的電流，則有：IL＝Vf/Rf＝Vi/5Rf，由此可以看出． 當(dāng)運(yùn)放的開環(huán)增益足夠大時(shí)， 輸出電流IL與輸入電壓Vi 滿足線性關(guān)系，而且關(guān)系式中只與反饋電阻Rf 的阻值有關(guān)．顯然，當(dāng)Rf＝200Ω 時(shí)，此電路能實(shí)現(xiàn)0－10v/0－10mA 的V/I 變換，如圖5 所示3）

1－5V/4－20mA 的V/I 變換電路輸入電壓Vi 是疊加在基準(zhǔn)電壓VB (VB=10V)上， 從運(yùn)放A1 的反向輸入VN 端輸入的， 晶體管T1、T2 組成復(fù)合管，作為射極跟隨器，起到降低T1基極電流的作用(即忽略反饋電流I2)，使得IL≈I1，而運(yùn)放A1 滿足VN≈Vp，如果電路圖中R1＝R2＝R，R4＝R5＝kR，則有如下表達(dá)式：
　　由式①②③可推出：
　　若Rf＝62.5Ω,k=0.25,Vi=1－5V， 則I1＝4－20mA，而實(shí)際變換電流IL 比I1 小， 相差I(lǐng)2 (IL=I1-I2)，I2是一個(gè)隨輸入電壓Vi 變化的變量，輸入電壓小時(shí)(Vi=1V),誤差大，在實(shí)際應(yīng)用中，為了使誤差降到小， 一般R1，R2，Rf 的阻值分別選取40.25kΩ,40kΩ,62.5Ω。如圖5 所示。圖6　
　　4）0－10mA/0－5V 的I/V 變換電路
　　由運(yùn)放組成的0－10mA/0－5V 的I/V 變換電路
如圖7 所示。

在圖7 中， 運(yùn)放A1 的放大倍數(shù)為A＝(R1+Rf)/R1, 若R1＝100kΩ，Rf＝150kΩ， 則A＝2.5； 若R4＝200Ω，對(duì)于0－10mA 的電流輸入信號(hào)，將在R4 上產(chǎn)生0－2V 的電壓信號(hào)， 由A＝2.5 可知，0－10mA 的輸入電流對(duì)應(yīng)0－5V 的輸出電壓信號(hào)。圖中電流輸入信號(hào)Ii 是從運(yùn)放A1 的同相輸入端輸入的，因此要求選用具有較高共模抑制比的運(yùn)算放大器，例如，OP-07、OP-27 等。
 
　　5）4－20mA/0－5V 的I/V 變換電路如圖8 所示，流過反饋電阻Rf 的電流為(Vo-VN)/Rf，與VN/R1(VN-Vf)/R5 相等，由此，可推出輸出電壓Vo 的表達(dá)式：Vo=(1+Rf/R1+Rf/R5)×VN-(R4/R5)×Vf由于VN≈Vp＝Ii×R4， 上式中的VN 即可用Ii×R4 替換， 若R4＝200Ω，R1＝18kΩ，Rf＝7.14kΩ，R5＝43kΩ，并調(diào)整Vf≈7.53V，輸出電壓Vo 的表達(dá)式可寫成如下的形式:當(dāng)輸入4－20mA 電流信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出0－5V 的電壓信號(hào)。

　　四． 常用二線制/三線制/四線制變送器專用芯片介紹
　　1）深圳順源科技有限公司
　　（4-20mA/0-5V） 直流電流信號(hào)隔離（I/V）轉(zhuǎn)換器
　　ISO-A4-P1-O1 4-20mA 24VDC 4-20mA
　　ISO-A4-P2-O2 4-20mA 12VDC 0-20mA
　　ISO-A4-P1-O4 4-20mA 24VDC 0-5V
　　ISO-A4-P3-O5 4-20mA 5VDC 0-10V
　　2）MAXIUM 美信如：MAXIM MAX472
　　3）TEXA INSTRUMENTS 德州儀器
德州儀器公司針對(duì)各種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中抗惡劣電磁干擾環(huán)境的需求， 給出一種基于XTR115 的低功耗兩線4～20 mA 電流環(huán)數(shù)據(jù)傳輸電路，*先討論了XTR115 的性能特點(diǎn)和工作原理， 隨后針對(duì)其在溫度傳感器中的典型應(yīng)用，詳細(xì)描述了傳感器內(nèi)部電流環(huán)的原理電路， 給出了典型應(yīng)用電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明基于XTR115 的電流環(huán)電路具有抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確的特點(diǎn)，在工業(yè)測(cè)量中具有廣闊的應(yīng)用前景。
 
在各種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中通常用一個(gè)儀表放大器來完成信號(hào)的調(diào)理， 但是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生以下問題：1）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；2）傳輸線的分布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降；3） 現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法提供儀表放大器的工作電壓。
 
為了解決上述問題并避開相關(guān)噪聲的影響，通常用電流來傳輸信號(hào)， 這是因?yàn)殡娏鲗?duì)噪聲并不敏感。4～20 mA 的電流環(huán)便是用4 mA 表示零信號(hào)，用20 mA 表示信號(hào)的滿刻度， 而將低于4 mA 和高于20 mA 的信號(hào)用作各種故障的報(bào)警。
 
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：一種是電壓／ 電流轉(zhuǎn)換器，亦稱電流環(huán)發(fā)生器，它能將輸入電壓轉(zhuǎn)換成4～20 mA 的電流信號(hào)（典型產(chǎn)品有1B21，1B22，AD693，AD694，XTR115和XTR116）； 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），上述產(chǎn)品可滿足不同用戶的需要。
 
電流環(huán)電路， 根據(jù)器件位置的不同又可劃分成以下兩種類型：兩線制和三線制。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)需要通過長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)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，電流環(huán)器件位于監(jiān)控的系統(tǒng)端， 由系統(tǒng)直接向電流環(huán)器件供電，供電電源是二根電流傳輸線以外的第三根線。兩線系統(tǒng)是電流環(huán)器件和傳感器位于現(xiàn)場(chǎng)端，由于現(xiàn)場(chǎng)供電問題的存在，一般是接收端利用4～20 mA 的電流環(huán)向遠(yuǎn)端的電流環(huán)器件供電，通過4～20 mA 來反映信號(hào)的大小。XTR 系列是美國(guó)BB（BURR-BROWN）公司生產(chǎn)的精密電流變送器， 該公司現(xiàn)已并入美國(guó)TexasInstruments 公司。該系列產(chǎn)品包括XTR101，XTR105，XTR106，XTR110，XTR115 和XTR116 共6種型號(hào)。其特點(diǎn)是能完成電壓／ 電流（或電流／ 電流）轉(zhuǎn)換，適配各種傳感器構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)、工業(yè)過程控制系統(tǒng)、電子秤重儀等。其中，XTR115 和XTR116 能夠滿足工業(yè)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的兩線4～20 mA 電流環(huán)電路，該電路設(shè)計(jì)巧妙、使用方便、超低靜態(tài)電流，非常適合于變送器等典型工業(yè)測(cè)量應(yīng)用之中。
 
下面介紹XTR115 所構(gòu)成的變換器XTR115 性能特點(diǎn)：1)XTR115 屬于二線制電流變送器，內(nèi)部的2．5 V 基準(zhǔn)電壓可作為傳感器的激勵(lì)源。XTR115 可將傳感器產(chǎn)生的40～200μA 弱電流信號(hào)放大100 倍，獲得4～20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)輸出。當(dāng)環(huán)路電流接近32 mA 時(shí)能自動(dòng)限流。如果在3 腳與5 腳之間并聯(lián)一只電阻，就可以改變限流值。2) 芯片中增加了+5 V 精密穩(wěn)壓器，其輸出電壓精度為±0．05％，電壓溫度系數(shù)僅為20x10-6 ／℃，可給外部電路(例如前置放大器)單獨(dú)供電，從而簡(jiǎn)化了外部電源的設(shè)計(jì)。3)精度高，非線性誤差小。轉(zhuǎn)換精度可達(dá)±0．05％， 非線性誤差僅為±0．003％。4)環(huán)路電源電壓的允許范圍寬為7．5～36 V。XTR115 由環(huán)路電源供電。工作溫度范圍是-40～+85℃。5)專門設(shè)計(jì)了功率管接口，適配外部NPN 型功率晶體管，它與內(nèi)部輸出晶體管并聯(lián)后可降低芯片的功耗。
 
五． XTR115 兩線制電流環(huán)應(yīng)用注意事項(xiàng)利用XTR115 構(gòu)成兩線制電流環(huán)時(shí)， 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。該方案需要考慮的主要問題： 一是確定所用接收器的數(shù)量，即當(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。
 
　　通常情況下，利用兩線制設(shè)計(jì)方案時(shí)，均需要考慮以下幾點(diǎn)：
　　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。


上一條：投入式液位變送器等智能化儀表在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
下一條：金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)產(chǎn)品特點(diǎn)及使用規(guī)范