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两线制变送器的结构与原理

信息来源:gkong.biz  时间:2009-03-31  浏览次数:201

  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)
  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。如图,采样电阻Rs串联在电路的低端,所有的电流都将通过Rs流回到电源负极。从Rs上取到的反馈信号,包含了所有电路的耗电。
  在两线制变送器中,所有的电路总功耗不能大于3.5mA,因此电路的低功耗成为主要的设计难点。下面将逐一分析各个部分电路的原理与设计要点。
  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。附图是两线制V/I变换电路的基本原理图:
  图中OP1、Q1、R1、R2、Rs构成了V/I变换器。分析负反馈过程:若A点因为某种原因高于0V,则运放OP1输出升高,Re两端电压升高,通过 Re的电流变大。相当于整体耗电变大,通过采样电阻Rs的电流也变大,B点电压变低(负更多)。结果是通过R2将A点电压拉下来。反之,若A点因某种原因低于0V,也会被负反馈抬高回0V。总之,负反馈的结果是运放OP1虚短,A点电压=0V。下面分析Vo对总耗电的控制原理:
  假设调理电路输出电压为Vo,则流过R1的电流
  I1=Vo/R1
  运放输入端不可能吸收电流,则I1全部流过R2,那么B点电压
  VB= -I1*R2 = -Vo*R2/R1
  取R1=R2时,有VB=-Vo
  电源负和整个便送器电路之间只有Rs、R2两个电阻,因此所有的电流都流过Rs和R2。R2上端是虚地(0V),Rs上端是GND。因此R2、Rs两端电压完全一样,都等于VB 。相当于Rs与 R2并联作为电流采样电阻。因此电路总电流:
  Is=Vo/(Rs//R2)
  如果取R2>>Rs,Is=Vo/Rs
  因此,图3中取Rs=100欧,当调理电路输出0.4~2V的时候,总耗电电流4~20mA.
  若不能满足R2>>Rs也没关系,Rs与 R2并联(Rs//R2)是个固定值,Is与Vo仍然是线性关系,误差比例系数在校准时可以消除。
  除了电路正确以外,该电路正常工作还需要2个条件:首先要自身耗电尽量小,省下的电流还要供给调理电路以及变送器。其次要求运放能够单电源工作,即在没有负电源情况下,输入端仍能够接受0V输入,并能正常工作。
  LM358/324是最常见也是价格最低的单电源运放,耗电400uA/每运放,基本可以接受。单电源供电时,输入端从-0.3V~Vcc-1.5V范围内都能正常工作。如果换成OP07等精密放大器,因为输入不允许低至0V,在该电路中反而无法工作。
  R5和U1构成基准源,产生2.5V稳定的基准电压。LM385是低成本的微功耗基准,20uA以上即可工作,手册上给出的曲线在100uA附近最平坦,所以通过R5控制电流100uA左右。OP2构成一个同向放大器,将基准放大,向调理电路及传感器供电。因为宽输入电压、低功耗的稳压器稀少,成本高;将基准放大作为稳压电源是一个廉价的方案。
  该部分电路也可以选择现成的集成电路。比如XTR115/116/105等,精度和稳定性比自制的好,自身功耗也更低(意味着能留更多电流给调理电路,调理部分更容易设计)。但成本比上述方案高10倍以上.

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