用于模拟传感器的回路供电（两线）发射器

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

除非您一直在工业环境中工作，否则您所见过的大多数电子系统都会传输 0 到某个满量程范围的电压信号。例如，0 至 5 V。

为什么是 4-20mA 电流信号？

因此，您可能想知道，“为什么要使用电流进行信号传输？”和“为什么是 4-20 mA 的范围？答案是：电流信号在长距离和嘈杂环境中的性能优于电压。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初级传感器，例如热电偶、力或压力传感器、转速计、电位计、滑丝等。4-20 mA 输出通过一对电线“传输”。一些发射器由交流供电，其他发射器使用 24 伏直流电，并且通常配有电池，以防止停电期间信号丢失。

电源和信号如何在同一两条线路上传输？

回路供电变送器（也称为两线制变送器）从远程电源接收直流电源。如图 1 所示，它们通过控制来自该电源的电流，通过同一对线对传输输出，无需单独的电源线。

图 1.环路供电的发射器通过同一对电线接收电源并传输其输出。作者的图片。

变送器通常位于现场，靠近测量点，而电源来自控制室的直流电源。控制或读出仪器串联以读取电流，形成电流回路。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操作。它的功率被稳压器电路从环路电流中“窃取”，用于为电路的其余部分供电。整个电路必须设计为以小于 4 mA 的电流运行。

图 2.典型回路供电发射器的框图。

信号调节电路（根据输入类型而变化）驱动电流输出电路，进而驱动输出晶体管。总电流（包括电源）流经一个输出检测电阻器，该电阻器提供反馈以控制电流。尽管发射器的电源输入电压发生变化，反馈仍能保持适当的电流。

环路功率变送器的应用

常见的应用可能是温度测量。工业温度探头（热电偶和 RTD（热电阻温度计））通常包括用于现场布线的连接外壳（连接“头”）。可以在头部内部安装一个小型发射器，然后，到控制室的布线可以简单地是一对铜线，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，发射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、电位计或滑丝位置传感器、转速计或电机驱动器的脉搏率或频率等。一些公司为其化学传感器提供两线制变送器。甚至还有回路供电的流量变送器。带直流毫伏输入或带直流或交流电压和电流输入的变送器均可用。

带信号隔离的回路供电变送器

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 回路之间没有电气连接。这种孤立有两个原因。首先，如果 output loop 接地，则 input 也不能接地。再看一下图 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，它们将被连接，使电流检测电阻器短路并产生严重误差。这是接地热电偶探头的常见问题。

其次，隔离增强了安全性。如果 input 是高电压或大电流，则不得将其连接到输出环路。假设使用交流输入发射器来监控电源电压或电流。如果连接到输出环路，则环路或发射器可能会被销毁。有人也可能受伤或触电。

幸运的是，环路供电的变送器具有输入/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，然后通过变压器馈电并在输出侧整流回直流。

带 I/O 隔离的环路供电发射器框图

图 4.具有输入/输出隔离和可选显示屏的环路供电变送器框图。

信号可以通过多种方式进行隔离。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，通常是用于电流使用的 LCD。图 3 包含此选项。这在配备微控制器的发射器中很容易实现，但也可以使用模拟到显示 IC。

显示屏可以缩放为读取“工程单位”，而不是简单地读取 4-20 mA 或 0% 到 100%。工程单位是表示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。

可选变送器功能

一些基于微处理器的变送器可以由用户更改其范围。HART（高速可寻址远程传感器）变送器在 4-20 mA 电流之上施加数字通信脉冲，允许远程重新校准、量程更改和其他选项。

根据其批准，如果正确安装在指定系统中，一些变送器已获得支持在危险（爆炸性）场所使用的批准。这些选项不在本文的讨论范围之内。