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4~20mA地磅传感器工作原理及信号调理解决方案

发布日期:2020-10-14 11:55浏览次数:
4~20mA地磅传感器工作原理及信号调理解决方案

4 ~ 20 mA地磅传感器的工作原理及信号调理方案

4-20mA电流回路的工作原理

在工业领域,使用一个仪表放大器完成信号调理和长线传输会产生以下问题:一是由于传输的信号是电压信号,传输线会受到噪声的干扰;二是输电线路的分布电阻会产生压降;第三,如何在现场提供仪表放大器的工作电压也是一个问题。

为了解决上述问题,避免相关噪声的影响,我们使用电流来传输信号,因为电流对噪声不敏感。4 ~ 20mA的电流回路指示4mA的零信号和20mA的满量程,而低于4mA和高于20mA的信号用于报警各种故障。

4 ~ 20mA电流回路有两线制和三线制两种。当监控系统需要通过长线路驱动阀门等现场驱动设备时,一般采用三线制变送器,其中XTR位于监控系统端,系统直接向XTR供电,电源为两条电流传输线路之外的第三条线路。双线系统是XTR,传感器位于现场端。由于现场供电的问题,接收端一般采用4 ~ 20 mA电流回路向远端的XTR供电,4 ~ 20 mA反映信号大小。

4 ~ 20mA产品的典型应用是传感和测量应用,如图1所示。工业现场有多种传感器可以转换成4 ~ 20mA的电流信号,TI有一些方便的RTD和电桥的变送器芯片。TI的变送器芯片包含电压激励源、电流激励电流、稳压电路、仪表放大器等通用功能电路。因此可以方便地将许多传感器信号转换成4 ~ 20 mA信号。

图1(略)

桥式传感器的大多数应用是测量压力。在实际电路中,如果惠斯通电桥的每个臂上的电阻为2k,那么无论从激励电压端还是差分输出端来看,它的等效电阻都为2k。无压力时,其电桥平衡,输出电压为0。当施加压力时,由于电桥的不平衡会产生一个差分电压,该差分电压将反映压力的大小。

满刻度和色调是压力传感器的两个主要技术指标。现实世界中使用的传感器具有一定的非线性,其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,丰满度和色相都有这个性质。

4 ~ 20 mA传感器信号调理解决方案

4 ~ 20mA电流回路在结构上由发射器和接收器两部分组成。发射器一般位于现场端、传感器端或模块端,接收器一般位于PLC和计算机端,一般在控制器内。

双线4 ~ 20mA电路应用,工作电源和信号共用一根线,工作电源由接收端提供。为了避免50/60Hz工频干扰,采用电流传输信号。双线系统方案中要考虑的主要问题是确定使用的接收器数量。当有多个接收器时,将要求发射器具有较低的工作电源电压。另一个考虑是降低接收端回路电流的压降。

双线系统设计应考虑:

(1)回路中接收器的数量:更多的接收器将要求发射器具有更低的工作电压;

(2)变送器必要的工作电压应有一定的裕度;

(3)确定传感器的激励方式是电压还是电流。

图2(略)

图2是具有由ti提供的电压调节和参考电路的双线方案。图中的XTR115/116是4 ~ 20ma信号的精密信号转换器,内置5V稳压电路,可以给外部电路供电。精确的片内基准电压可用于电压偏置或传感器激励。

三线4 ~ 20mA电路设计为通过变送器提供工作电源。为避免50/60Hz工频干扰,采用电流传输信号。XTR调节器和现场负载共享接地连接。方案设计需要考虑:

(1)当前环路中接收器的数量;

(2)更多的接收机要求发射机具有h

(3)保证变送器必要的工作电压有一定余量。

TI提供的三线变送器的应用方案如图3所示。XTR110是一款用于模拟信号传输的精密电压电流转换器,可以将0 ~ 5V或0 ~ 10V的输入电压直接转换成4 ~ 20mA、0 ~ 20mA和5 ~ 25mA的输出信号。XTR110包含一个精确的电阻网络,以适应不同的输入和输出要求。10V的参考电压可用于驱动外部电路。

图3(略)

4 ~ 20mA的校准

传统的4 ~ 20mA校准需要专门的夹具固定和专门的激光或手动电阻调整,但调整是相互影响的,需要一个测试、调整、再测试和重新调整的过程,调整的次数和范围有限。电子设备和传感器不方便调整。

现代数字4 ~ 20 ma校正,允许电子器件和传感器封装后调整;修正系数可通过计算机计算,简化数值调整;可以无限调整次数,分辨率好,调整范围广;调整过程中没有相互影响;电子设备和传感器可以轻松调整。

XTR108是ti提供的解决方案,用于校正4 ~ 20ma。它的参考电流为480A,提供RTD非线性校正,不需要外部可调电阻。XTR108的特点是:

(1)带有传感器的线性化电路;

(2)数字校正。XTR108可以通过SPI接口直接设置,还有EEPROM可以通过SPI接口直接编程。

(3)自动稳零可编程增益的应用放大器的增益范围为6.26 ~ 400倍;

(4)RTD激发的可编程电流分辨率为1.54A;

(5)校准参数存储在外部EEPROM中;

(6)可编程超量程和欠量程输出。

此外,TI还为电桥传感器提供数字校准解决方案-PGA309,这是一款专门为压力电桥传感器设计的可编程模拟信号调节器。它模拟放大器的传感器信号,并提供色调电压和满量程电压的数字校正。避免了手动调节,获得长期稳定性,将输出电压信号转换为4 ~ 20 mA输出。

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