两线制传感器原理
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开篇
:
认识两线制传感器
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
4~2
0mA
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
< br>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
1C
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。
< br>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。
2.
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。
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。<
/p>
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，采样电阻
Rs<
/p>
串联在电
路的低端，
所有的电流都将通过
Rs
流回到电源负极。
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。
3.
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。
附图是两线制
V/I
变换电
路
的
基
本
原
理
图
：
图中
OP1
、
Q1
、
R1
、
R2
、
Rs
构成了
V/I
变换器。分析负反馈过程：若
A
点因为某种
原因高于
0V
，则运放
OP1
输出升高，
< br>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<
/p>
虚短，
A
点电压＝
0V
。下面分析
Vo
对总耗电的控制
原理：
假设调理电路输出电压为
Vo
，则流过
R1
的电流
I1=Vo/R1
运放输入端不可能吸收电流，则
I1
全部流过
R2
，那么
< br>B
点电压
VB= -I1*R2 =
-V
o*R2/R1
取
R1=R2
时，有
VB=-Vo