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、顯示器和信號隔離器、信號報警器等儀表中的應(yīng)用，并分析了它們的特點和優(yōu)點。文中對國外的發(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 信號隔離器 無源顯示器 報警器
一、概述
在過程控制系統(tǒng)中儀表的測量和控制信號的傳送除采用各種現(xiàn)場總線方式外，大部分儀表都采用模擬方式進行傳送，通常采用4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，也有少數(shù)儀表采用1～5mA或10～50mA標(biāo)準(zhǔn)信號。在溫度、壓力、液位以及PH值等的測量中，普遍使用的二線制變送器，它在輸出4～20mA測量信號的二根導(dǎo)線上，同時向變送器供給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，國外很多儀表公司發(fā)展了許多新產(chǎn)品。特別是近年來，微功耗集成電路的飛速發(fā)展促進了回路供電技術(shù)的發(fā)展。本文重點介紹應(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)中儀表的測量和控制信號的傳送除采用各種現(xiàn)場總線方式外，大部分儀表都采用模擬方式進行傳送，通常采用4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，也有少數(shù)儀表采用1～5mA或10～50mA標(biāo)準(zhǔn)信號。在溫度、壓力、液位以及PH值等的測量中，普遍使用的二線制變送器，它在輸出4～20mA測量信號的二根導(dǎo)線上，同時向變送器供給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，國外很多儀表公司發(fā)展了許多新產(chǎn)品。特別是近年來，微功耗集成電路的飛速發(fā)展促進了回路供電技術(shù)的發(fā)展。本文重點介紹應(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是測量值的變化范圍，也就是說4mA 是零點，20mA是滿度。如果這是一個測量范圍為0～100℃的溫度變送器，那么4mA表示測量對象是在0℃，而20mA時表示測量對象的溫度為100℃。
有人會問為什么要使用4～20mA信號傳送，而不使用0～20mA信號傳送呢？事實上變送器中的電子線路需要耗電，0mA無法使變送器工作，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
1. 儀表的功耗低，都是毫瓦級的
2. 可以長距離傳送信號，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的溫度飄移也小，從而提高了測量精度。
4. 由于采用二線制，所以布線成本、安裝和維護成本都有所降低。
5. 由于采用4～20mA電流傳送信號，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，往往需要開出氣孔，由于二線制儀表功耗低，所以殼體對發(fā)熱的影響可以忽略不計，因此很容易設(shè)計各種高防護等級的密封外殼。如果采用－40℃～+85℃工業(yè)級電子元器件設(shè)計的現(xiàn)場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)點是表的功耗小，缺點是怕振動，百分比讀值不直觀。有了回路供電數(shù)字顯示器以后，能很直觀地顯示測量值的大小，不必通過用百分比來換算，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自顯示器輸入的4～20mA被測量的信號電流。通常它的起始工作電流在3.5mA以下，當(dāng)然這個電流越低越好。它的簡單工作原理如圖3所示。
它由穩(wěn)壓管D1，采樣電阻Rin，測量顯示控制電路和LED/LCD顯示器件組成。由于測量、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。信號的測量是通過Rin上的電流大小轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷汗╇娮泳€路測量的，該電阻通常在10Ω左右。由于測量端Rin上的電壓是負(fù)值，所以測量控制電路中應(yīng)該包含負(fù)電源發(fā)生電路，保證放大器能測量負(fù)信號。測量、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)級處理器芯片。
回路供電顯示器的一個重要指標(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KNICK公司830LCD顯示器最低為0.5V，已達(dá)到國際先進水平。
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）
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