圖 1

帶有雙線模擬輸入模塊的簡(jiǎn)化雙線4-20 mA傳感器發(fā)送器

    雙線傳感器發(fā)送器用于將現(xiàn)場(chǎng)的物理參數(shù)發(fā)送回模擬輸入模塊，以進(jìn)行處理和控制。物理參數(shù)包括壓力、位置、溫度、電平、應(yīng)變、荷載、流量、成分/雜質(zhì)等。正如產(chǎn)品名稱的表述一樣，該款發(fā)送器為雙線。因此，傳感器的電源線與傳送4-20 mA信號(hào)的兩條線路相同，這也是雙線4-20 mA發(fā)送器的主要設(shè)計(jì)要求。傳感器、傳感器調(diào)理電路和4-20 mA傳送電路的工作電流必須小于4 mA，否則發(fā)送器便無(wú)法輸出4 mA零度電平[3]。

    請(qǐng)注意，VLOOP GND不是雙線發(fā)送器的接線。因此，發(fā)送器必須創(chuàng)建一條局部接地線(GND)或雙線GND。當(dāng)發(fā)送器輸出電流改變接收器阻抗回輸(RTN)接頭的電壓時(shí)，該雙線GND必須相對(duì)VLOOP GND上下浮動(dòng)[3]。如果傳感器可以電氣性連接至相對(duì)VLOOP GND的電勢(shì)，則此時(shí)需要采取隔離措施。該情形在熱耦傳感器發(fā)送器中比較常見(jiàn)，因?yàn)闊犭娕纪ǔ岫探踊螂姎庑远探又疗渌鶞y(cè)量溫度的材料。

    雙線發(fā)送器只有一種可行性隔離拓?fù)洌狠斎敫綦x雙線發(fā)送器（見(jiàn)圖2）。輸入隔離雙線發(fā)送器從環(huán)形電源生成一個(gè)局部隔離電源，該環(huán)形電源為傳感器、傳感器調(diào)理電路和隔離通信供電。隔離勢(shì)壘與發(fā)送器輸出級(jí)之間常用的數(shù)據(jù)傳送方法是數(shù)字隔離寬脈調(diào)制、單線或串行外圍接口(SPI)的信號(hào)。

圖 2

簡(jiǎn)化的輸入隔離雙線4-20 ma傳感器發(fā)送器

    如上文所述，雙線傳感器發(fā)送器具有一定的局限性，主要原因是傳感器發(fā)送器的總消耗電流必須小于4mA。這就意味著很多類型的傳感器無(wú)法使用，包括不限制電橋電流的低電阻電橋（例如100 Ω、120 Ω、350 Ω），因其會(huì)降低電橋的敏感性和度。三線傳感器發(fā)送器拓?fù)洌ㄒ?jiàn)圖3）支持工作電流超過(guò)4mA的傳感器發(fā)送器設(shè)計(jì)。

圖 3

簡(jiǎn)化的三線4-20 mA傳感器發(fā)送器（雙線模擬輸入模塊）

    三線傳感器發(fā)送器從三線模擬輸入模塊接收供電，與GND連接以支持傳感器和調(diào)理電路的供電要求。這樣可使傳感器功率達(dá)到要求的水平，同時(shí)不會(huì)對(duì)傳感器的輸出范圍造成影響（保持歐姆定律）。這樣還可以使三線發(fā)送器創(chuàng)建0-20 mA和0-24 mA等常用的輸出電流范圍。當(dāng)需要電壓輸出時(shí)（例如 0-10 V、±10 V），也會(huì)使用到三線傳感器發(fā)送器。

    如果傳感器必須與模擬輸出模塊供電和GND電勢(shì)隔離，三線發(fā)送器則也有一個(gè)隔離拓?fù)洌狠斎敫綦x三線發(fā)送器。輸入隔離三線發(fā)送器的隔離結(jié)構(gòu)與輸入隔離雙線發(fā)送器相類似。在傳感器信息經(jīng)隔離勢(shì)壘發(fā)送至三線發(fā)送器輸出級(jí)之前，會(huì)為傳感器和傳感器調(diào)理電路生成一個(gè)局部隔離供電。

圖 4

簡(jiǎn)化的輸入隔離三線傳感器發(fā)送器

    結(jié)論

    盡管4-20 mA電流環(huán)路發(fā)送器已問(wèn)世數(shù)十年，但它至今仍被廣泛用于工業(yè)工廠自動(dòng)化和控制應(yīng)用中。現(xiàn)場(chǎng)級(jí)雙線和三線傳感器發(fā)送器占據(jù)了應(yīng)用三線可編程邏輯控制器(PLC)模擬輸入市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，其余則被四線傳感器發(fā)送器占據(jù)。