用于模拟传感器的环路供电（两线）变送器

在过程控制系统中，测量信号通常被转换为模拟高零电流：4 至 20 毫安 (4-20 mA)。信号在范围低端 (0%) 为 4 mA，在满量程 (100%) 为 20 mA。

除非您一直在工业环境中工作，否则您见过的大多数电子系统传输的电压信号范围都是 0 到某个满量程。例如，0 到 5 V。

为什么采用4-20mA电流信号？

因此，您可能会想，“为什么使用电流进行信号传输？”和“为什么是 4-20 mA 范围？”答案是：在长距离和嘈杂环境中，电流信号优于电压。此外，升高的零点允许测量低于 0% 并检测断线。

转换由称为过程变送器或信号调节器的仪器完成。它们的输入通常来自主要传感器，例如热电偶、力或压力传感器、转速计、电位计、滑线等。4-20 mA 输出通过一对电线“传输”。一些变送器采用交流供电，另一些使用 24 伏直流电，并且它们通常使用电池备用，以防止断电期间信号丢失。

电力和信号如何在同一两根电线上传输？

环路供电发射器（也称为双线发射器）从远程电源接收直流电。如图 1 所示，它们通过控制来自该电源的电流在同一对电线上传输输出，无需单独的电源线。

环路供电发射器电源和信号传输

 
图 1.环路供电发射器通过同一对电线接收电源并传输输出。作者提供的图片。

变送器通常位于现场，靠近测量点，而电源则来自控制室的直流电源。控制或读数仪器串联起来读取电流，形成电流环路。电源电压通常（但并非总是）为 24 VDC。

图 2 显示了典型环路供电发射器的内部工作原理。其电源由稳压器电路从环路电流中“窃取”，用于为其余电路供电。整个电路必须设计为以小于 4 mA 的电流运行。

　
图2.典型环路供电发射器的框图。

信号调节电路根据输入类型而变化，它驱动电流输出电路，进而驱动输出晶体管。包括电源在内的总电流流过输出检测电阻，该电阻提供反馈以控制电流。尽管变送器的电源输入电压发生变化，反馈仍能保持适当的电流。

环路电源发送器的应用

常见的应用可能是温度测量。工业温度探头（热电偶和 RTD（电阻温度计））通常包括用于现场接线的连接外壳（连接“头”）。一个小型变送器可以安装在头部内部，这样，到控制室的接线就可以只是一对铜线，而不是热电偶线，或者对于 RTD，则需要三根或四根线。

如前所述，变送器可用于许多其他输入。传感器输入包括应变计或称重传感器、电位计或滑线位置传感器、转速表或电机驱动器的脉冲率或频率等。一些公司为其化学传感器提供双线变送器。甚至还有环路供电流量变送器。具有直流毫伏输入或直流或交流电压和电流输入的变送器均可使用。

带信号隔离的环路供电变送器

输入通常必须与电源和输出进行电气隔离。这意味着输入和 4-20 mA 环路之间没有电气连接。这种隔离有两个原因。首先，如果输出环路接地，则输入也不能接地。再看图 2。电路公共端与输出不同。如果输入公共端和负输出都接地，它们将连接在一起，导致电流检测电阻短路并产生严重错误。这是接地热电偶探头的常见问题。

其次，隔离可增强安全性。如果输入是高电压或高电流，则不得将其连接到输出回路。假设使用交流输入变送器来监测电源电压或电流。如果将其连接到输出回路，回路或变送器可能会被损坏。还可能会有人受伤或触电。

幸运的是，环路供电发射器具有输入/输出隔离功能，如图 4 所示。操作相同，但电源和信号路径增加了隔离。电源隔离通常使用变压器完成。直流电压被斩波以产生交流电，然后通过变压器馈送并在输出端整流回直流电。

 
图 4.具有输入/输出隔离和可选显示的环路供电发射器的框图。

信号隔离有多种方式。在较旧的设计中，使用变压器隔离，但光耦合器和电容隔离是现代设备的典型解决方案。经过调节的输入信号被转换为脉冲或频率调制，通过光耦合器或小型高压电容器馈送，然后转换回直流。现代发射器通常使用微处理器或微控制器而不是全模拟电路，因此耦合脉冲是显而易见的选择。

带 LCD 显示屏的变送器

一些变送器提供可选的内置显示器，通常是 LCD，用于电流使用。图 3 包括此选项。这在配备微控制器的变送器中很容易实现，但也可以使用模拟显示 IC。

显示屏可以缩放以读取“工程单位”，而不是简单的 4-20 mA 或 0% 到 100%。工程单位是 代表物理过程的实际过程值，例如度或千克。过程值可以在测量点和控制室中看到。

可选发射机功能

某些基于微处理器的变送器的范围可由用户更改。HART（高速可寻址远程传感器）变送器在 4-20 mA 之上施加数字通信脉冲，允许远程重新校准、范围更改和其他选项。

一些变送器已获得，只要按照要求正确安装在指定系统中，即可支持在危险（爆炸性）场所使用。这些选项超出了本文的讨论范围。

双线外壳和安装方式

大多数环路供电/两线变送器有三种类型：

头戴式，如上图3所示

DIN 导轨安装，可夹在标准工业安装导轨上

接线端子式，看起来像工业接线端子，可以与工业接线端子一起安装。