模拟量4~20mA电流环工作原理和应用

在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。
为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，因为电流对噪声并不敏感。4～20mA的电流环便是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度，而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。
4～20mA电流环有两种类型：二线制和三线制。当监控系统需要通过长线驱动现场的驱动器件如阀门等时，一般采用三线制变送器，这里XTR位于监控的系统端，由系统直接向XTR供电，供电电源是二根电流传输线以外的第三根线。二线系统是XTR和传感器位于现场端，由于现场供电问题的存在，一般是接收端利用4～20mA的电流环向远端的XTR供电，通过4～20mA来反映信号的大小。
4～20mA产品的典型应用是传感和测量应用，见图1。在工业现场有许多种类的传感器可以被转换成4～20mA的电流信号，TI拥有一些很方便的用于RTD和电桥的变送器芯片。由于TI的变送器芯片含有通用的功能电路比如电压激励源、电流激励流、稳压电路、仪表放大器等，所以可以很方便地把许多传感器的信号转化为4～20mA的信号。
电桥传感器的大多数应用是用于测量压力。在一个实际电路中，如果惠斯登电桥每条臂上的电阻为2k ，那么无论从激励电压端或差分输出端看进去，它的等效电阻都是2k 。在没有压力的时候，它的电桥是平衡的，输出电压为0。当施加压力时，由于电桥失衡，会产生一个差分电压，差分电压便会反映这个压力的大小。
满度和色调是压力传感器的两个主要技术指标，现实世界里使用着的传感器都存在着一定的非线性，它的输出电压会随着温度的变化而变化。输出电压随温度的变化不是线性的，满度和色调都具有这种性质。

4～20mA的传感器信号调理解决方案

4～20mA电流环在结构上由两部分即变送器和接收器组成，变送器一般位于现场端、传感器端或模块端，而接收器一般在PLC和计算机端，它一般在控制器内。
二线制4～20mA电路应用，其工作电源和信号共用一根导线，工作电源由接收端提供。为了避免50/60Hz的工频干扰，采用电流来传输信号。二线制方案需要考虑的主要问题：确定所用接收器的数量，当有多个接收器时，它将要求变送器拥有一个较低的工作电源电压。另外一种考虑是降低回路电流在接收端的压降。
二线制方案设计需要考虑：
（1）电路环中的接收器的数量：更多的接收器将要求变送器有较低的工作电压；
（2）变送器所必需的工作电压要有一定的余量；
（3）决定传感器的激励方法是电压还是电流。
图2为TI提供的带有电压调节和参考电路的二线制方案。图中XTR115/116是用于4～20mA信号的精密的信号转换器，它包含有5V电压的稳压电路，可以向外部电路供电。一个精密的片上基准电压可以用于电压偏置或者传感器的激励。
三线制4～20mA电路在设计上是由变送器端提供工作电源，为避免50/60Hz的工频干扰，采用电流来传输信号。XTR调节器和现场的负载共用一个地接。方案设计需要考虑：
（1）电流环路中的接收器的数量；
（2）更多的接收器要求变送器拥有更高的工作电压；
（3）保证变送器所必需的工作电压，并应该有一定的余量。
TI提供的三线制的变送器应用方案如图3所示，图中XTR110是一个用于模拟信号传送的精密的电压-电流转换器，它可以将0～5V或0～10V的输入电压直接转换到4～20mA、0～20mA、5～25mA的输出信号。XTR110含有精密的电阻网络，以适应不同的输入输出要求。一个10V的电压参考可以用于驱动外部电路。

4～20mA的校正

传统的4～20mA校正，要求特殊的夹具固定，需要特别的激光或手动电阻器调整，而调整是相互影响的，需要一个测试、调整，再测试、再调整的过程，调整次数和范围有限。电子器件和传感器调整起来不够方便。
现代的数字化4～20mA校正，它允许电子器件和传感器在封装之后进行调整；可通过计算机计算出校正系数来简化数值调整；可以有无限的调整次数，并且有很好的分辨率和较宽的调整范围；调整过程中不存在相互影响；电子器件和传感器可以很方便地调整。
XTR108是TI提供的校正4～20mA的解决方法。它具有480 A的电流参考，它提供RTD的非线性校正，不需要外加可调电阻器。XTR108的特点有：
（1）具有传感器的线性化电路；
（2）数字校正。通过SPI接口可以直接对XTR108设置，通过SPI接口可直接编程EEPROM；
（3）自动稳零的可编程增益的应用放大器的增益范围为6.26～400倍；
（4）RTD激励的可编程电流的分辨率为1.54 A；
（5）校正参数存储在外接的EEPROM中；
（6）可编程的过量程和欠量程的输出。
此外，TI还提供一款桥路传感器的数字校正解决方案——PGA309，它是专为压力桥路传感器设计的可编程模拟信号调节器。它模拟放大器传感信号并提供对色调电压和满度电压的数字校正，由于避免了手动调整而获得了长期的稳定性，并将输出电压信号转换成4～20mA的输出。