4-20mA电流环路发送器简介

作者：Collin Wells, 德州仪器精密模拟应用工程师
在现代工业控制系统中，4-20 mA电流环路发送器一直是在控制中心和现场传感器/执行器之间进行数据传输最为常用的发送器，主要是因其便于安装、使用和维护。随着气动信号被用于控制执行器，并在早期工业自动化现场作为比例控制之后，4-20 mA电流环路发送器开始被大量应用[1]。典型的压力范围是3 PSI – 15 PSI，其中3 PSI代表零度输入/输出，15 PSI代表满量输入/输出。如果气动管路发生破裂，压力将降至0 PSI，表示出现需要修复的故障。电子化开始普及之后，气动管路逐渐被替代，取而代之的是由放大器、晶体管和其他分立电子元件组成的4-20 mA电流环路。
您可能会问“为什么要使用电流环路？”基尔霍夫定律中指出电流在闭合环路中是恒定的。由此便可以在很长的距离内使用4-20 mA电流环路，而且环路中任一点的电流都是恒定的，不受导线电阻的影响。当然，欧姆定律有效性的前提是具备充分的环路电压。类似于气动系统，线路断裂或断开会使环路电流降为0 mA，必须对故障进行修复。另外，电流环路还可以相对简单地防止电气暂态导致的破坏，而且对无线电频率干扰或电磁干扰也具备天然的抵抗能力[2]。
最常见的4-20 mA发送器类型是双线拓扑，或双线传感器发送器（见图1）。




双线传感器发送器用于将现场的物理参数发送回模拟输入模块，以进行处理和控制。物理参数包括压力、位置、温度、电平、应变、荷载、流量、成分/杂质等。正如产品名称的表述一样，该款发送器为双线。因此，传感器的电源线与传送4-20 mA信号的两条线路相同，这也是双线4-20 mA发送器的主要设计要求。传感器、传感器调理电路和4-20 mA传送电路的工作电流必须小于4 mA，否则发送器便无法输出4 mA零度电平[3]。
请注意，VLOOP GND不是双线发送器的接线。因此，发送器必须创建一条局部接地线(GND)或双线GND。当发送器输出电流改变接收器阻抗回输(RTN)接头的电压时，该双线GND必须相对VLOOP GND上下浮动[3]。如果传感器可以电气性连接至相对VLOOP GND的电势，则此时需要采取隔离措施。该情形在热耦传感器发送器中比较常见，因为热电偶通常热短接或电气性短接至其所测量温度的材料。
双线发送器只有一种可行性隔离拓扑：输入隔离双线发送器（见图2）。输入隔离双线发送器从环形电源生成一个局部隔离电源，该环形电源为传感器、传感器调理电路和隔离通信供电。隔离势垒与发送器输出级之间最常用的数据传送方法是数字隔离宽脉调制、单线或串行外围接口(SPI)的信号。




如上文所述，双线传感器发送器具有一定的局限性，主要原因是传感器发送器的总消耗电流必须小于4mA。这就意味着很多类型的传感器无法使用，包括不限制电桥电流的低电阻电桥（例如100 Ω、120 Ω、350 Ω），因其会降低电桥的敏感性和精确度。三线传感器发送器拓扑（见图3）支持工作电流超过4mA的传感器发送器设计。




    三线传感器发送器从三线模拟输入模块接收供电，与GND连接以支持传感器和调理电路的供电要求。这样可使传感器功率达到要求的水平，同时不会对传感器的输出范围造成影响（保持欧姆定律）。这样还可以使三线发送器创建0-20 mA和0-24 mA等常用的输出电流范围。当需要电压输出时（例如 0-10 V、±10 V），也会使用到三线传感器发送器。
    如果传感器必须与模拟输出模块供电和GND电势隔离，三线发送器则也有一个隔离拓扑：输入隔离三线发送器。输入隔离三线发送器的隔离结构与输入隔离双线发送器相类似。在传感器信息经隔离势垒发送至三线发送器输出级之前，会为传感器和传感器调理电路生成一个局部隔离供电。




结论
尽管4-20 mA电流环路发送器已问世数十年，但它至今仍被广泛用于工业工厂自动化和控制应用中。现场级双线和三线传感器发送器占据了应用三线可编程逻辑控制器(PLC)模拟输入市场的大部分市场份额，其余则被四线传感器发送器占据。
下期我们将讨论精确电流测量如何优化电机控制，欢迎您继续关注。