回路供電技術(shù)及其應(yīng)用
2009/5/8 0:00:00
摘 要：介紹了回路供電技術(shù)的原理以及它在變送器、顯示器和信號(hào)隔離器、信號(hào)報(bào)警器等儀表中的應(yīng)用，并分析了它們的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。文中對(duì)國(guó)外的發(fā)展水平也作了一些介紹。
關(guān)鍵詞：回路供電 二線制變送器 信號(hào)隔離器 無(wú)源顯示器 報(bào)警器
一、概述
在過程控制系統(tǒng)中儀表的測(cè)量和控制信號(hào)的傳送除采用各種現(xiàn)場(chǎng)總線方式外，大部分儀表都采用模擬方式進(jìn)行傳送，通常采用4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，也有少數(shù)儀表采用1～5mA或10～50mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。在溫度、壓力、液位以及PH值等的測(cè)量中，普遍使用的二線制變送器，它在輸出4～20mA測(cè)量信號(hào)的二根導(dǎo)線上，同時(shí)向變送器供給24V電源，其應(yīng)用的就是回路供電技術(shù)。
回路供電技術(shù)不僅在變送器中應(yīng)用，而且也在顯示器和信號(hào)隔離器等儀表中應(yīng)用。由于回路供電技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外很多儀表公司發(fā)展了許多新產(chǎn)品。特別是近年來(lái)，微功耗集成電路的飛速發(fā)展促進(jìn)了回路供電技術(shù)的發(fā)展。本文重點(diǎn)介紹應(yīng)用該技術(shù)拓展的一些新產(chǎn)品及其應(yīng)用。
在過程控制系統(tǒng)中儀表的測(cè)量和控制信號(hào)的傳送除采用各種現(xiàn)場(chǎng)總線方式外，大部分儀表都采用模擬方式進(jìn)行傳送，通常采用4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，也有少數(shù)儀表采用1～5mA或10～50mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。在溫度、壓力、液位以及PH值等的測(cè)量中，普遍使用的二線制變送器，它在輸出4～20mA測(cè)量信號(hào)的二根導(dǎo)線上，同時(shí)向變送器供給24V電源，其應(yīng)用的就是回路供電技術(shù)。
回路供電技術(shù)不僅在變送器中應(yīng)用，而且也在顯示器和信號(hào)隔離器等儀表中應(yīng)用。由于回路供電技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外很多儀表公司發(fā)展了許多新產(chǎn)品。特別是近年來(lái)，微功耗集成電路的飛速發(fā)展促進(jìn)了回路供電技術(shù)的發(fā)展。本文重點(diǎn)介紹應(yīng)用該技術(shù)拓展的一些新產(chǎn)品及其應(yīng)用。
二、什么叫回路供電（Loop powered）儀表
有電子線路構(gòu)成的儀表都需要供給直流電源，許多儀表采用外部電源供電，如果用交流供電，儀表中則需要增加交直流轉(zhuǎn)換電路，因此儀表的電源供給回路和信號(hào)輸出或輸入回路往往是分開的。而在過程控制系統(tǒng)中，有些儀表通過它的信號(hào)輸出或輸入回路向儀表供給電源，這類儀表我們稱之謂回路供電儀表，也有的稱它為二線制儀表。
圖1是采用24V供電的變送器，變送器的輸出電流4～20mA也通過供電線傳送。4～20mA是測(cè)量值的變化范圍，也就是說4mA 是零點(diǎn)，20mA是滿度。如果這是一個(gè)測(cè)量范圍為0～100℃的溫度變送器，那么4mA表示測(cè)量對(duì)象是在0℃，而20mA時(shí)表示測(cè)量對(duì)象的溫度為100℃。
有人會(huì)問為什么要使用4～20mA信號(hào)傳送，而不使用0～20mA信號(hào)傳送呢？事實(shí)上變送器中的電子線路需要耗電，0mA無(wú)法使變送器工作，而4mA就是為了向儀表提供電能，保證變送器內(nèi)的電子線路的正常工作。用4mA是根據(jù)當(dāng)時(shí)的半導(dǎo)體集成電路的微功耗水平而制定的。
三、回路供電儀表的優(yōu)點(diǎn)
1. 儀表的功耗低，都是毫瓦級(jí)的
2. 可以長(zhǎng)距離傳送信號(hào)，而不影響精度
3. 由于儀表的功耗小，電路的發(fā)熱也低，因此儀表內(nèi)部溫升小。溫升小使得儀表輸出信號(hào)的溫度飄移也小，從而提高了測(cè)量精度。
4. 由于采用二線制，所以布線成本、安裝和維護(hù)成本都有所降低。
5. 由于采用4～20mA電流傳送信號(hào)，所以抗干擾性能好。
6. 很多電子儀表的外殼要考慮散熱設(shè)計(jì)，往往需要開出氣孔，由于二線制儀表功耗低，所以殼體對(duì)發(fā)熱的影響可以忽略不計(jì)，因此很容易設(shè)計(jì)各種高防護(hù)等級(jí)的密封外殼。如果采用－40℃～+85℃工業(yè)級(jí)電子元器件設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)儀表就很適合野外安裝。
四、回路供電技術(shù)在顯示器中的應(yīng)用
4～20mA回路供電顯示器與傳統(tǒng)的指針式電流測(cè)量表頭很相似，如圖2所示。圖2（a）為指針式表頭，圖2（b）為數(shù)字式表頭，兩者4～20mA電流都是從“+”端輸入，從“－”端輸出。早期變送器如羅斯蒙特1151壓力變送器，現(xiàn)場(chǎng)顯示都采用指針式表頭，通常用百分比刻度表示4～20mA。它的優(yōu)點(diǎn)是表的功耗小，缺點(diǎn)是怕振動(dòng)，百分比讀值不直觀。有了回路供電數(shù)字顯示器以后，能很直觀地顯示測(cè)量值的大小，不必通過用百分比來(lái)?yè)Q算，量程可以編程設(shè)置，使用十分方便。
1. 回路供電顯示器工作原理
回路供電顯示器（Loop Powered Indicator）也有人稱之謂無(wú)源顯示器，顯示器內(nèi)部沒有電源供電單元，顯示器內(nèi)部電子線路的供電來(lái)自顯示器輸入的4～20mA被測(cè)量的信號(hào)電流。通常它的起始工作電流在3.5mA以下，當(dāng)然這個(gè)電流越低越好。它的簡(jiǎn)單工作原理如圖3所示。
它由穩(wěn)壓管D1，采樣電阻Rin，測(cè)量顯示控制電路和LED/LCD顯示器件組成。由于測(cè)量、顯示控制電路需要電源，這里電源就取自穩(wěn)壓管D1的兩端，穩(wěn)壓管的靜態(tài)功耗要小，通常選用幾十微安大小，讓流過穩(wěn)壓管的電流大部分旁路給測(cè)量、顯示控制電路。為保證它足夠的電源供給應(yīng)采用靜態(tài)電流小的穩(wěn)壓管，如LM431L等基準(zhǔn)電壓參考源比較符合要求，這些基準(zhǔn)電壓參考源可以調(diào)整輸出電壓的大小。信號(hào)的測(cè)量是通過Rin上的電流大小轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷汗╇娮泳€路測(cè)量的，該電阻通常在10Ω左右。由于測(cè)量端Rin上的電壓是負(fù)值，所以測(cè)量控制電路中應(yīng)該包含負(fù)電源發(fā)生電路，保證放大器能測(cè)量負(fù)信號(hào)。測(cè)量、顯示控制電路可以是用7126、7107等電路，也可以采用SOC大規(guī)模系統(tǒng)級(jí)處理器芯片。
回路供電顯示器的一個(gè)重要指標(biāo)是輸入電壓降Vd (Input voltage drop),它代表該表功耗的大小，Vd越小就越難實(shí)現(xiàn)，LED顯示器的壓降要比LCD顯示器大許多倍。表一例舉了部分國(guó)內(nèi)外有關(guān)公司的產(chǎn)品性能。在LED顯示器中，由上海模數(shù)儀表有限公司（SADI）生產(chǎn)的LDM-30-4/20回路供電顯示器Vd最低能達(dá)2.5V，而德國(guó)KNICK公司830LCD顯示器最低為0.5V，已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
Vd的大小可以用下式表示：
Vd＝VD+I×Rin
VD…..穩(wěn)壓管的壓降
I…..回路電流（4～20mA）
投訴建議
提交
查看更多評(píng)論
其他資訊
水泥廠溫度測(cè)量?jī)x表二種選用方法的比較
無(wú)接地RTD在應(yīng)用時(shí)為何要使用帶隔離的變送器？
XTRM溫度遠(yuǎn)傳監(jiān)測(cè)儀使用說明書
4-20mA輸出的變送器為什么有高的抗干擾能力？
XTRM系列溫度遠(yuǎn)傳監(jiān)測(cè)儀在水泥生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用