隔離變送器的知識淺談

來源：金湖華泰計量儀器有限公司 2009年09月02日 08:07

隔離變送器的知識淺談

       二線制傳輸方式中，供電電源、負載電阻、變送器是串聯的，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。

一．什么是兩線制電流變送器? 什么是兩線制?兩線制有什么優點?

       兩線制是指現場變送器與控制室儀表僅用兩根導線，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）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點即將被兩線制變送器所取代，從國外的行業動態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場設備的動力線上，而以單片機為核心的監測系統則位于較遠離設備現場的監控室里，兩者一般相距幾十到幾百米甚至更遠。設備現場的環境較為惡劣，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，單片機應用系統中遇到的一個棘手問題就是如何在惡劣環境下遠距離可靠地傳送微小信號。

      兩線制變送器件的出現使這個問題得到了較好地解決。它把現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測系統的輸入接口上，雙絞線同時也將位于監測系統的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*力得到極大的加強。

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4～20mA，通過250Ω的精密電阻轉換成1～5V或2-10V的模擬電壓信號.轉換成數字信號有多種方法，如果系統是在環境較為惡劣的工業現場長期使用，因此需考慮硬件系統工作的安全性和可靠性。系統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進行模擬量與數字量的隔離。

       同時模擬信號處理電路與數字信號處理電路分別使用兩組獨立的電源，模擬地與數字地相互分開，這樣可提高系統工作的安全性。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<0.05W,通過模擬/數字轉換電路轉換數字信號供單片機讀取、控制。但在信號需要遠距離傳輸或使用環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*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*的抗*力得到了廣泛應用。

       電壓輸出型變送器抗*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，控制出現錯誤，嚴重時還會損壞設備，輸出0-5V不能遠傳，遠傳后線路壓降大，度大打折扣。現在很多的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zui小電流及zui大電流時，分別代表電流變送器所標定的zui小及zui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電壓轉換為數字信號即可，電路調試及數據處理都比較簡單。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，電路調試及數據處理上都比較煩瑣。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zui小值也有4mA），來判斷電路是否出現故障，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，直接經模擬數字轉換電路轉換后的數字量也不為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*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zui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/數字轉換電路，供單片機CPU讀入，通過數據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

儀器儀表產品目錄
《全國擬在建項目匯編》征訂

工業級別和民用商用級別指標混淆（工業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加一個線性光偶就可以做出一只變送器。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劣。

（1）基準要穩,４mA是對應的輸入零位基準，基準不穩，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，溫漂系數每度變化10ppm；

（2）內電路總計消耗電流<4mA,加整定后等于4.000mA,而且有源整流濾波放大恒流電路不因原邊輸入變化而消耗電流也隨之變化，國外IC心片采用恒流供電；

（3）當工作電壓24.000V時,滿量程20.000mA時,滿量程20.000mA的讀數不會因負載0-500Ω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1-2只TVS瞬態保護二極管 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,瞬態承受沖擊功率1.5KW-3KW;

（8）產品標示的線性度0.5％是誤差還是相對誤差,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。

（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）工業級別和民用商用級別的辨別:工業級別工作溫度范圍是-25度到+70度，溫漂系數是每度變化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劣的辨別。

隔離器選型要點

一．共模干擾抑制能力，隔離器優勢先決條件。

隔離器在*行業范圍內，無論是溫度隔離變送器、信號分配器、隔離配電器及電流、電壓變送器等產品內，它們共有特點是端口之間要電氣隔離，也就是一次儀表、電源及采集設備之間沒有任何電氣連接，且要有一定隔離耐壓范圍，這是解決所謂設備之間“地”電位差的能力，（共模干擾抑制能力）一款zui普通型隔離器也要具備1500V—2000V端口耐壓時漏電流小于1mA，方能滿足國內眾多工業場合。一些強電場環境或航空、航天測控領域要求會更高。Paragon（帕羅肯公司

新版《中國儀器儀表廠商名錄》征集中

）的PA、PR系列產品此方面有著*優勢，產品屏棄傳統隔離方式，采用EMI方式，某些產品耐壓已超過5000V，已成功為國外某些廠家配套使用。

二．產品耗用電流及產品工作時損耗功率。

    當今社會節能環保已是社會各行業倡導的主流，家用電器在此方面尤為突出，也是衡量產品優劣的一個重要指標。但儀器儀表行業可能表現不是很突出，一般儀器儀表也就是幾瓦至幾十瓦，節能不是倡導主流。但無用的損耗，將會對儀器儀表的使用壽命，工作穩定性帶來諸多弊端。隔離器因特殊作用，它是為了完善工業現場I/O插件的一類產品，在水泥、環保、冶金等惡劣工業環境下，為了更好對現場儀表信號采集，控制經常在系統集成時就配有專門的隔離柜。此時將在一個隔離柜中，密集安裝幾十，上百的隔離類產品，當一只產品獨立使用時，可能溫差感覺不明顯，但十只、一百只同時安裝時，溫度將明顯不同。有實驗證明：
    ●1只功耗40mA隔離器在溫度為25℃,空間1㎡的柜中測得溫度是28.7℃;
    ●10只密集安裝時溫度是35.4℃;
    ●100只密集安裝時溫度是52.6℃;
    可見產品溫度和數量是成倍數關系的.

    此時的問題就不僅是多耗用電流問題,而是直接影響產品使用壽命和參數的穩定,也就是許多廠家對產品安裝有要求的原因之一.那么問題如何解決?方法很多（擴大安裝空間，增加散熱裝置等）但只能治標,不能治本.好的產品還要從產品自身低損耗設計開始.因為任何電子類產品，內部器件的壽命都和溫度有很大關系，（如電容器在每增15℃-20℃時，使用壽命會減少1/3左右）。

    我們要做的是，將產品多余損耗降到zui低，單路產品的耗用電流在25mA內，而且因特殊隔離方式，我們產品能在-25℃-85℃時，保證*穩定性。（實驗測得-25℃-85℃時產品滿值僅變化≤1‰滿值）

三．產品傳輸精度
一．共模干擾抑制能力，隔離器優勢先決條件。

     隔離器在*行業范圍內，無論是溫度隔離變送器、信號分配器、隔離配電器及電流、電壓變送器等產品內，它們共有特點是端口之間要電氣隔離，也就是一次儀表、電源及采集設備之間沒有任何電氣連接，且要有一定隔離耐壓范圍，這是解決所謂設備之間“地”電位差的能力，（共模干擾抑制能力）一款zui普通型隔離器也要具備1500V—2000V端口耐壓時漏電流小于1mA，方能滿足國內眾多工業場合。一些強電場環境或航空、航天測控領域要求會更高。Paragon（帕羅肯公司）的PA、PR系列產品此方面有著*優勢，產品屏棄傳統隔離方式，采用EMI方式，某些產品耐壓已超過5000V，已成功為國外某些廠家配套使用。

二．產品耗用電流及產品工作時損耗功率。

    當今社會節能環保已是社會各行業倡導的主流，家用電器在此方面尤為突出，也是衡量產品優劣的一個重要指標。但儀器儀表行業可能表現不是很突出，一般儀器儀表也就是幾瓦至幾十瓦，節能不是倡導主流。但無用的損耗，將會對儀器儀表的使用壽命，工作穩定性帶來諸多弊端。隔離器因特殊作用，它是為了完善工業現場I/O插件的一類產品，在水泥、環保、冶金等惡劣工業環境下，為了更好對現場儀表信號采集，控制經常在系統集成時就配有專門的隔離柜。此時將在一個隔離柜中，密集安裝幾十，上百的隔離類產品，當一只產品獨立使用時，可能溫差感覺不明顯，但十只、一百只同時安裝時，溫度將明顯不同。有實驗證明：
    ●1只功耗40mA隔離器在溫度為25℃,空間1㎡的柜中測得溫度是28.7℃;
    ●10只密集安裝時溫度是35.4℃;
    ●100只密集安裝時溫度是52.6℃;
    可見產品溫度和數量是成倍數關系的.

    此時的問題就不僅是多耗用電流問題,而是直接影響產品使用壽命和參數的穩定,也就是許多廠家對產品安裝有要求的原因之一.那么問題如何解決?方法很多（擴大安裝空間，增加散熱裝置等）但只能治標,不能治本.好的產品還要從產品自身低損耗設計開始.因為任何電子類產品，內部器件的壽命都和溫度有很大關系，（如電容器在每增15℃-20℃時，使用壽命會減少1/3左右）。

    我們要做的是，將產品多余損耗降到zui低，單路產品的耗用電流在25mA內，而且因特殊隔離方式，我們產品能在-25℃-85℃時，保證*穩定性。（實驗測得-25℃-85℃時產品滿值僅變化≤1‰滿值）

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