變送器原理
變送器原理
兩線制V/I變換器IC:DH4-20
工業(yè)上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，都需要轉換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設備上。這種將物理量轉換成電信號的設備稱為變送器。工業(yè)上最廣泛采用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量。 采用電流信號的原因是不容易受干擾。并且電流源內阻無窮大，導線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線：正常工作時不會低于4mA，當傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。
電流型變送器將物理量轉換成4~20mA電流輸出，必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線，加上兩根電流輸出線，總共要接4根線，稱之為四線制變送器。當然，電流輸出可以與電源公用一根線（公用VCC或者GND），可節(jié)省一根線，稱之為三線制變送器。
其實大家可能注意到， 4-20mA電流本身就可以為變送器供電，如圖1C所示。變送器在電路中相當于一個特殊的負載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4~20mA之間根據(jù)傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業(yè)電流環(huán)標準下限為4mA，因此只要在量程范圍內，變送器至少有4mA供電。這使得兩線制傳感器的設計成為可能。
在工業(yè)應用中，測量點一般在現(xiàn)場，而顯示設備或者控制設備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能數(shù)十至數(shù)百米。按一百米距離計算，省去2根導線意味著成本降低近百元！因此在應用中兩線制傳感器必然是首選。
輸出為標準信號的傳感器。這個術語有時與傳感器通用。
變送器種類很多,總體來說就是由變送器發(fā)出一種信號來給二次儀表使二次儀表顯示測量數(shù)據(jù)。
將物理測量信號或普通電信號轉換為標準電信號輸出或能夠以通訊協(xié)議方式輸出的設備。一般分為：溫度/濕度變送器，壓力變送器，差壓變送器，液位變送器，電流變送器，電量變送器，流量變送器，重量變送器等。
變送器——遵循一個物理定律（或實驗數(shù)學模型）將物理量的變化轉化成4-20mA等標準信號的裝置。
變送器將傳感信號轉換為統(tǒng)一的標準信號：0/4-20mADC,1-5VDC,0-10VDc 變送器：除有傳感的功能之外還有放大整形的功能，輸出為標準的控制信號．如：４－２０mA
什么是變送器的二線制和四線制信號傳輸方式?
二線制傳輸方式中，供電電源、負載電阻、變送器是串聯(lián)的，即二根導線同時傳送變送器所需的電源和輸出電流信號，目前大多數(shù)變送器均為二線制變送器；四線制方式中，供電電源、負載電阻是分別與變送器相連的，即供電電源和變送器輸出信號分別用二根導線傳輸。......請看變送器八問八答。
一．什么是兩線制電流變送器?
什么是兩線制?兩線制有什么優(yōu)點?
兩線制是指現(xiàn)場變送器與控制室儀表聯(lián)系僅用兩根導線，這兩根線既是電源線，又是信號線。兩線制與三線制 (一根正電源線，兩根信號線,其中一根共GND) 和四線制(兩根正負電源線，兩根信號線,其中一根GND)相比，兩線制的優(yōu)點是：
1、不易受寄生熱電偶和沿電線電阻壓降和溫漂的影響，可用非常便宜的更細的導線；可節(jié)省大量電纜線和安裝費用；
2、在電流源輸出電阻足夠大時，經磁場耦合感應到導線環(huán)路內的電壓，不會產生顯著影響，因為干擾源引起的電流極小，一般利用雙絞線就能降低干擾；兩線制與三線制必須用屏蔽線,屏蔽線的屏蔽層要妥善接地。
3、電容性干擾會導致接收器電阻有關誤差，對于4～20mA兩線制環(huán)路，接收器電阻通常為250Ω（取樣Uout=1～5V）這個電阻小到不足以產生顯著誤差，因此，可以允許的電線長度比電壓遙測系統(tǒng)更長更遠；
4、各個單臺示讀裝置或記錄裝置可以在電線長度不等的不同通道間進行換接，不因電線長度的不等而造成精度的差異，實現(xiàn)分散采集，分散式采集的好處就是：分散采集，集中控制....
5、將4mA用于零電平，使判斷開路與短路或傳感器損壞（0mA狀態(tài)）十分方便。
6,在兩線輸出口非常容易增設一兩只防雷防浪涌器件,有利于安全防雷防爆。 三線制和四線制變送器均不具上述優(yōu)點即將被兩線制變送器所取代，從國外的行業(yè)動態(tài)及變送器心片供求量即可略知一斑，電流變送器在使用時要安裝在現(xiàn)場設備的動力線上，而以單片機為核心的監(jiān)測系統(tǒng)則位于較遠離設備現(xiàn)場的監(jiān)控室里，兩者一般相距幾十到幾百米甚至更遠。設備現(xiàn)場的環(huán)境較為惡劣，強電信號會產生各種電磁干擾，雷電感應會產生強浪涌脈沖，在這種情況下，單片機應用系統(tǒng)中遇到的一個棘手問題就是如何在惡劣環(huán)境下遠距離可靠地傳送微小信號。
兩線制變送器件的出現(xiàn)使這個問題得到了較好地解決。我們以DH4-20變送模塊為核心設計了小型、價廉的穿孔型兩線制電流變送器。它具有低失調電壓(＜30 μV)、低電壓漂移(＜0.7μV/C°)、超低非線性度(＜0.01%)的特點。它把現(xiàn)場設備動力線的電流隔離轉換成4～20 mA的按線性比例變化的標準電流信號輸出，然后通過一對雙絞線送到監(jiān)測系統(tǒng)的輸入接口上，雙絞線同時也將位于監(jiān)測系統(tǒng)的24V工作電源送到電流變送器中。測量信號和電源在雙絞線上同時傳送，既省去了昂貴的傳輸電纜，而且信號是以電流的形式傳輸，抗干擾能力得到極大的加強。兩線制電流變送器原理如(圖1)所示。
二.電流變送器的4-20mA輸出如何轉換?
兩線制電流變送器的輸出為4～20 mA，通過250 Ω的精密電阻轉換成1～5 V或2-10V的模擬電壓信號.轉換成數(shù)字信號有多種方法，如果系統(tǒng)是在環(huán)境較為惡劣的工業(yè)現(xiàn)場長期使用，因此需考慮硬件系統(tǒng)工作的安全性和可靠性。系統(tǒng)的輸入模塊采用壓頻轉換器件LM２31將模擬電壓信號轉換成頻率信號，用光電耦合器件TL117進行模擬量與數(shù)字量的隔離。
同時模擬信號處理電路與數(shù)字信號處理電路分別使用兩組獨立的電源，模擬地與數(shù)字地相互分開，這樣可提高系統(tǒng)工作的安全性。利用壓頻轉換器件LM231也有一定的抗高頻干擾的作用。
三.電流輸出型與電壓輸出型有哪些優(yōu)劣比較?
在單片機控制的許多應用場合,都要使用變送器來將單片機不能直接測量的信號轉換成單片機可以處理的電模擬信號，如電流變送器,壓力變送器、溫度變送器、流量變送器等。
早期的變送器大多為電壓輸出型，即將測量信號轉換為0-5V電壓輸出，這是運放直接輸出,信號功率
制。但在信號需要遠距離傳輸或使用環(huán)境中電網干擾較大的場合，電壓輸出型傳感器的使用受到了極大限制，暴露了抗干擾能力較差,線路損耗破壞了精度等等等缺點，而兩線制電流輸出型變送器以其具有極高的抗干擾能力得到了廣泛應用。
電壓輸出型變送器抗干擾能力極差，線路損耗的破壞,談不上精度有多高,有時輸出的直流電壓上還疊加有交流成分，使單片機產生誤判斷，控制出現(xiàn)錯誤，嚴重時還會損壞設備，輸出０－５Ｖ絕對不能遠傳，遠傳后線路壓降大，精確度大打折扣�，F(xiàn)在很多的ADC,PLC,DCS的輸入信號端口都作成兩線制電流輸出型變送器4-20mA的,證明了電壓輸出型變送器被淘汰的必然趨勢。
四.4～20mA電流輸出型到接口一般有哪些處理方法?
電流輸出型變送器的輸出范圍常用的有0～20mA及4～20mA兩種，電流變送器輸出最小電流及最大電流時，分別代表電流變送器所標定的最小及最大額定輸出值。 下面以測量范圍為以0～１００Ａ的電流變送器為例進行敘述。對于輸出0～20mA的變送器0mA電流對應輸入０Ａ值，輸出4～20mA的變送器4mA電流對應輸入0Ａ值，兩類傳感器的20mA電流都對應１００Ａ值。
對于輸出0～20mA的變送器，在電路設計上我們只需選擇合適的降壓電阻，在A/D轉換器輸入接口直接將電阻上的０－５Ｖ或０－１０Ｖ電壓轉換為數(shù)字信號即可，電路調試及數(shù)據(jù)處理都比較簡單。但劣勢是無法判別變送器的損壞,無法辨別變送器輸出開路和短路。
對于輸出4～20mA的變送器，電路調試及數(shù)據(jù)處理上都比較煩瑣。但這種變送器能夠在變送器線路不通時,短路時或損壞時通過能否檢測到正常范圍內的電流(正常時最小值也有4mA)，來判斷電路是否出現(xiàn)故障，變送器是否損壞,因此得到更為廣泛普遍的使用。
由于4～20mA變送器輸出4mA時，在取樣電阻上的電壓不等于0，直接經模擬數(shù)字轉換電路轉換后的數(shù)字量也不為0，單片機無法直接利用，通過公式計算過于復雜。因此一般的處理方法是通過硬件電路將4mA在取樣電阻上產生的電壓降消除，再進行A/D轉換。這類硬件電路首推RCV420,是一種精密的I/V轉換電路,還有應用LM258自搭的I/V轉換電路,這個電路由兩線制電流變送器產生的4～20mA電流與24V以及取樣電阻形成電流回路，從而在取樣電阻上產生一個1-5V壓降，并將此電壓值輸入到放大器LM258的3腳。電阻分壓電路用來在集成電路LM258的2腳產生一個固定的電壓值，用于抵消在取樣電阻上4mA電流產生的壓降。所以當兩線制電流變送器為最小值4mA時，LM258的3腳與2腳電壓差基本為0V。LM258與其相連接的電阻構成可調整電壓放大電路，將兩線制電流變送器電流在取樣電阻上的電壓值進行放大并通
過LM258的1腳輸出至模擬/數(shù)字轉換電路，供單片機CPU讀入，通過數(shù)據(jù)處理方法將兩線制電流變送器的4-20mA電流在LCD/LED屏幕上以0-100A值的形式顯示出來。
五.什么是兩線制電流變送器的6大全面保護功能：
(1)、輸入過載保護；
(2)、輸出過流限制保護；
(3)、輸出電流長時間短路保護；
(4)、兩線制端口瞬態(tài)感應雷與浪涌電流TVS抑制保護；
(5)、工作電源過壓極限保護≤35V；
(6)、工作電源反接保護。
六.怎樣辨別真假優(yōu)劣的電流電壓變送器?
生產資料市場化以后，加劇激烈的競爭，真假優(yōu)劣難辨，又因變送器是邊緣學科，很多工程設計人員對此較陌生，有些廠家產品工業(yè)級別和民用商用級別指標混淆（工業(yè)級的價格是民用商用級的2-3倍）有些廠家產品用幾角錢的LM324和LM431就可以做出一只變送器，不信的話您打開看看，你幾百元買來的是不是用的LM324和LM431，這樣的變送器送您，您敢不敢用呵！
筆者試以常用的0.5級精度的電流電壓變送器為例，從以下方法著手來辨別真假優(yōu)劣。
(1)基準要穩(wěn),４mA是對應的輸入零位基準，基準不穩(wěn)，談何精度線性度，冷開機３分鍾內４mA的零位漂移變化不超過4.000mA0.5%以內;(即3.98-4.02mA),負載250Ω上的壓降為0.995-1.005V，國外IC心片多用昂貴的能隙基準，溫漂系數(shù)每度變化10ppm；
(2)內電路總計消耗電流
(3)當工作電壓24.000V時,滿量程20.000mA時,滿量程20.000mA的讀數(shù)不會因負載0-700Ω變化而變化;變化不超過20.000mA0.5%以內；
(4)當滿量程20.000mA時,負載250Ω時,滿量程20.000mA的讀數(shù)不會因工作電壓15.000V-30.000V變化而變化;變化不超過20.000mA0.5%以內；
(5)當原邊過載時，輸出電流不超過25.000mA+10%以內，否則PLC/DCS內供變送器用的24V工作電源和A/D輸入箝位電路因功耗過大而損壞，另外變送器內的射隨輸出亦因功耗過大而損壞，無A/D輸入箝位電路的更遭殃；
(6)當工作電壓24V接反時不得損壞變送器,必須有極性保護;
(7)當兩線之間因感應雷及感應浪涌電壓超過24V時要箝位,不得損壞變送器；一般在兩線之間并聯(lián)1-2只TVS瞬態(tài)保護二極管 1.5KE可抑制每20秒間隔一次的20毫秒脈寬的正反脈沖的沖擊,瞬態(tài)承受沖擊功率1.5KW-3KW;
(8)產品標示的線性度0.5％是絕對誤差還是相對誤差,可以按以下方法來辨別方可一目了然:符合下述指標是真的線性度0.5％.
原邊輸入為零時輸出４mＡ正負0.5%(3.98-4.02mA),負載250Ω上的壓降為0.995-1.005V
原邊輸入10％時輸出5.6mＡ正負0.5%(5.572-5.628mA)負載250歐姆上的壓降為1.393-1.407V
原邊輸入25％時輸出8mＡ正負0.5%(7.96-8.04mA)負載250Ω上的壓降為1.990-2.010V
原邊輸入50％時輸出12mＡ正負0.5%(11.94-12.06mA)負載250Ω上的壓降為2.985-3.015V
原邊輸入75％時輸出16mＡ正負0.5%(15.92-16.08mA)負載250Ω上的.壓降為3.980-4.020V
原邊輸100％時輸出20mＡ正負0.5%(19.90-20.10mA)負載250Ω上的壓降為4.975-5.025V
(9)原邊輸入過載時必須限流:原邊輸入過載大于125%時輸出過流限制25mＡ+10%(25.00-27.50mA)負載250Ω上的壓降為6.250-6.875V；
(10)感應浪涌電壓超過24V時有無箝位的辨別:在兩線輸出端口并一個交流50V指針式表頭,用交流50V接兩根線去瞬間碰一下兩線輸出端口,看有無箝位,箝位多少伏可一目了然啦;
(11)有無極性保護的辨別:用指針式萬用表Ω乘10K檔正反測量兩線輸出端口,總有一次Ω阻值無限大,就有極性保護；
(12)有無極輸出電流長時間短路保護：原邊輸入100％時或過載大于125%-200%時，將負載250Ω短路，測量短路保護限制是否在25mＡ+10%；
(13)工業(yè)級別和民用商用級別的辨別:工業(yè)級別工作溫度范圍是-25度到＋７０度，溫漂系數(shù)是每度變化１００ppm,即溫度每度變化１度,精度變化為萬分之一；民用商用級別工作溫度范圍是０度（或-10度）到＋７０度（或+50度）,溫漂系數(shù)是每度變化25０ppm,即溫度每度變化１度,精度變化為萬分之二點五；電流電壓變送器的溫漂系數(shù)可以用恒溫箱或高低溫箱來試驗驗證較繁瑣。
上述13種方法同樣可用與其它變送器真假優(yōu)劣的辨別。
七．能舉例說明某品牌工業(yè)級別的0.5級精度的電流變送器技術參數(shù)有哪些嗎？
1.精度：優(yōu)于0.5% ；
2.非線性失真：優(yōu)于 0.5%；
3.額定工作電壓：+24V±20% ，極限工作電壓：≤35V ；
4.電源功耗：靜態(tài)4mA，動態(tài)時相等與環(huán)路電流，內部限制25mA+10%；
5.額定輸入：5A ．．．．．．1KA（38個規(guī)格）；
6.穿孔穿芯圓孔直徑：８、９、１２、２０、２５、３０mm；
7.輸出形式：兩線制DC4～20mA；
8.輸出電流溫漂系數(shù)：≤50ppm/℃；
9.響應時間：≤ 100mS；
10.輸入/輸出絕緣隔離強度：>AC3000V、1min、1mA；
11.輸出負載電阻：RL＝V+－10V／0.02 （Ω )；
注:(1)標準V+24V時負載阻抗為700Ω；
(2)RL＝250Ω 轉換１～５Ｖ的電阻 ＋ 兩根傳輸線路總銅阻。
12.輸入過載保護:30倍1min；
13.輸出過流限制保護：內部限制25mA+10%；
注:(1)國際標準輸出過流限制保護：內部限制25mA+10%；
(2)可按客戶要求定制：內部限制22mA+10%，24mA+10% 。
14.兩線端口瞬態(tài)感應雷與浪涌電流TVS抑制保護能力：TVS抑制沖擊電流35A/20ms/1.5KW；
15.兩線端口設置有＋２４Ｖ電源反接保護；
16.輸出電流設置有長時間短路保護限制；內部限制25mA+10%；
17.工作環(huán)境： -40℃－80℃，10%－90%RH；
18.貯存溫度： -50℃－85℃；
19.執(zhí)行標準：GB/T13850－1998；
20.系列型號，規(guī)格，接線示意圖，產品外形，產品照片，安全注意事項。
八.能舉例說明某品牌工業(yè)級別的0.5級精度的電流變送器主要特點有哪些嗎？
1.專為電力自動化５０／６０Hz交流電流測量而設計的真有效值兩線制變送器；
2.采用單匝穿孔穿芯式結構，將電流互感器和電流變送器兩部分組合為一體化設計；
3.具有6大全面保護功能：
(1)、輸入過載保護；
(2)、輸出過流限制保護；
(3)、輸出電流長時間短路保護；
(4)、兩線制端口瞬態(tài)感應雷與浪涌電流TVS抑制保護；
(5)、工作電源過壓極限保護≤35V；
(6)、工作電源反接保護。
4.兩線制輸出接線是當前模擬量串口中最先進的輸出方式，具有6大優(yōu)點；
(1)、不易受寄生熱電偶和沿電線電阻壓降和溫漂的影響，可用非常便宜的更細的雙絞線導線；
(2)、在電流源輸出電阻足夠大時，經磁場耦合感應到導線環(huán)路內的電壓，不會產生顯著影響，因為干擾源引起的電流極小，一般情況利用雙絞線就能降低干擾；
(3)、電容性干擾會導致接收器電阻有關誤差，對于4-20mA兩線制環(huán)路，接收器電阻通常為250Ω（取樣Uout=1～5V）這個電阻小到不足以產生顯著誤差，因此，可以允許的電線長度比電壓遙測系統(tǒng)更長更遠；
(4)、各個單臺示讀裝置或記錄裝置可以在電線長度不等的不同通道間進行換接，不因電線長度的不等造成精度的差異；
(5)、將4mA用于零電平，使判斷輸送線開路或傳感器損壞（0mA狀態(tài)）十分方便。
(6),在兩線輸出口容易增設防浪涌,防雷器件,有利于安全防雷防爆。
5.原副邊高度絕緣隔離；
6.高可靠性，高穩(wěn)定性，高性價比；
7.特別適用發(fā)電機、電動機、低壓配電柜、空調、風機、路燈等負載電流的智能監(jiān)控系統(tǒng)。
8.超低功耗，單只靜態(tài)時0.096W,滿量程功耗為0.48W,輸出電流內部限制功耗為0.6W。
變送器與傳感器的區(qū)別
隨著技術的進步，有些技術詞匯的含義有了變化，以至于常常引起誤解。傳感器就是這樣一個例子。
現(xiàn)在人們說的傳感器是由兩部分組成的，即分別是敏感元件和轉換元件。其中敏感元件是指傳感器中能夠直接感受或響應被測量的部分；轉換元件是指傳感器中將敏感元件感受或響應的被測量轉換成適于傳輸或測量的電信號部分。由于傳感器的輸出信號一般很微弱，需要將其調制與放大。隨著集成技術的發(fā)展，人們又將這部分電路及電源等電路也一起裝在傳感器內部。這樣，傳感器就可以輸出便于處理，傳輸?shù)目捎眯盘柫恕?/p>
而在以前技術相對落后時，所謂的傳感器是指上文中的敏感元件，而變送器就是上文中的轉換元件。
變送器的種類很多，用在工控儀表上面的變送器主要有溫度變送器，壓力變送器，流量變送器，電流變送器，電壓變送器等等。
【變送器原理】相關文章：
集成化精密電流變送器的原理與應用01-20
差壓變送器操作07-15
3501差壓變送器07-15
3051差壓變送器07-14
EJA110A差壓變送器07-14
壓力變送器的選型方法 -管理資料01-01
壓力變送器出廠前要做哪些檢查 -工程01-01