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超声波液位计ph计等变送器信号

发布时间:2014-03-20
工业上普遍需要测量各类非电物理量,例如超声波液位计,工业PH计、工业电导率仪、工业溶解氧仪等,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4~20mA电流来传输模拟量。
超声波液位计工业PH计电导率仪溶氧仪变送器信号为什么是4到20毫安: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。
1.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,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。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。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。

 

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。

 

4.两线制压力变送器设计 压力桥、称重传感器输出信号微弱,都属于mV级信号。这一类小信号一般都要求用差动放大器对其进行第一级放大。一般选用低失调、低温飘的差动放大器。另外在两线制应用中,低功耗也是必需的。AD623是常用的低功耗精密差动放大器,常用在差分输出前级的放大。 AD623失调最大200uV,温飘1uV/度,在一般压力变送应用保证了精度足够。 R0将0.4V叠加在AD623的REF脚(5脚)上,在压力=0情况下通过调整R0使输出4mA,再调整RG输出20.00mA,完成校准。电路设计时需注意,压力桥传感器相当于一个千欧级的电阻,耗电一般比较大。适当降低压力桥的激励电压可以减小耗电电流。但是输出幅度也随之下降,需要提高AD623的增益。图6给出的传感器采用恒压供电,实际应用中大部分半导体压力传感器需要恒流供电才能获得较好的温度特性,可以用一个运放构成恒流源为其提供激励。

5.稳定性和安全性的考虑 工业环境下环境恶劣且对可靠性要求高,因此两线制变送器的设计上需要考虑一定的保护和增强稳定性措施。
(1)电源保护。 电源接反、超压、浪涌是工业上常见的电源问题。电源接反是设备安装接线时最容易发生的错误,输入口串一只二极管即可防止接反电源时损坏电路。如果输入端加一个全桥整流器,那么即使电源接反仍能正常工作。为防止雷击、静电放电、浪涌等能量损坏变送器,变送器入口处可以加装一只TVS管来吸收瞬间过压的能量。一般TVS电压值取比运放极限电压略低,才能起到保护作用。如果可能遭受雷击,TVS可能吸收容量不够,压敏电阻也是必需的,但是压敏电阻本身漏电会带来一定误差。


(2)过流保护。 设备运行过程中可能有传感器断线、短路等错误情况发生。或者输入量本身很有可能超量程,变送器必须保证任何情况下输出不会无限制上升,否则有可能损坏变送器本身、电源、或者远方显示仪表。


(3)宽电压适应能力。 一般两线制变送器都能适应大范围的电压变化而不影响精度。这样可以适用各类电源,同时能够适应大的负载电阻。对电源最敏感的部分是基准源,同时基准源也是决定精度的主要元件。


(4)退藕电容 一般的电路设计中,每个集成电路的电源端都会有退藕电容。在两线制变送器上电时,这些电容的充电会在瞬间导致大电流,有可能会损坏远方仪表。因此每个退藕电容一般不超过10nF,总退藕电容不宜超过50nF。入口处一个10nF电容是必需的,保证长线感性负载下,电路不震荡。
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