在過程控制系統(tǒng)中，測量信號通常被轉(zhuǎn)換為模擬高零電流：4 至 20 毫安 (4-20 mA)。信號在范圍低端 (0%) 為 4 mA，在滿量程 (100%) 為 20 mA。

除非您一直在工業(yè)環(huán)境中工作，否則您見過的大多數(shù)電子系統(tǒng)傳輸?shù)碾妷盒盘柗秶际?0 到某個滿量程。例如，0 到 5 V。

為什么采用4-20mA電流信號？

因此，您可能會想，“為什么使用電流進(jìn)行信號傳輸？”和“為什么是 4-20 mA 范圍？”答案是：在長距離和嘈雜環(huán)境中，電流信號優(yōu)于電壓。此外，升高的零點(diǎn)允許測量低于 0% 并檢測斷線。

轉(zhuǎn)換由稱為過程變送器或信號調(diào)節(jié)器的儀器完成。它們的輸入通常來自主要傳感器，例如熱電偶、力或壓力傳感器、轉(zhuǎn)速計、電位計、滑線等。4-20 mA 輸出通過一對電線“傳輸”。一些變送器采用交流供電，另一些使用 24 伏直流電，并且它們通常使用電池備用，以防止斷電期間信號丟失。

電力和信號如何在同一兩根電線上傳輸？

環(huán)路供電發(fā)射器（也稱為雙線發(fā)射器）從遠(yuǎn)程電源接收直流電。如圖 1 所示，它們通過控制來自該電源的電流在同一對電線上傳輸輸出，無需單獨(dú)的電源線。

環(huán)路供電發(fā)射器電源和信號傳輸

圖 1.環(huán)路供電發(fā)射器通過同一對電線接收電源并傳輸輸出。

變送器通常位于現(xiàn)場，靠近測量點(diǎn)，而電源則來自控制室的直流電源?？刂苹蜃x數(shù)儀器串聯(lián)起來讀取電流，形成電流環(huán)路。電源電壓通常（但并非總是）為 24 VDC。

圖 2 顯示了典型環(huán)路供電發(fā)射器的內(nèi)部工作原理。其電源由穩(wěn)壓器電路從環(huán)路電流中“竊取”，用于為其余電路供電。整個電路必須設(shè)計為以小于 4 mA 的電流運(yùn)行。

圖2.典型環(huán)路供電發(fā)射器的框圖。

信號調(diào)節(jié)電路根據(jù)輸入類型而變化，它驅(qū)動電流輸出電路，進(jìn)而驅(qū)動輸出晶體管。包括電源在內(nèi)的總電流流過輸出檢測電阻，該電阻提供反饋以控制電流。盡管變送器的電源輸入電壓發(fā)生變化，反饋仍能保持適當(dāng)?shù)碾娏鳌?/p>

環(huán)路電源發(fā)送器的應(yīng)用

常見的應(yīng)用可能是溫度測量。工業(yè)溫度探頭（熱電偶和 RTD（電阻溫度計））通常包括用于現(xiàn)場接線的連接外殼（連接“頭”）。一個小型變送器可以安裝在頭部內(nèi)部，這樣，到控制室的接線就可以只是一對銅線，而不是熱電偶線，或者對于 RTD，則需要三根或四根線。

如前所述，變送器可用于許多其他輸入。傳感器輸入包括應(yīng)變計或稱重傳感器、電位計或滑線位置傳感器、轉(zhuǎn)速表或電機(jī)驅(qū)動器的脈沖率或頻率等。一些公司為其化學(xué)傳感器提供雙線變送器。甚至還有環(huán)路供電流量變送器。具有直流毫伏輸入或直流或交流電壓和電流輸入的變送器均可使用。

帶信號隔離的環(huán)路供電變送器

輸入通常必須與電源和輸出進(jìn)行電氣隔離。這意味著輸入和 4-20 mA 環(huán)路之間沒有電氣連接。這種隔離有兩個原因。首先，如果輸出環(huán)路接地，則輸入也不能接地。再看圖 2。電路公共端與輸出不同。如果輸入公共端和負(fù)輸出都接地，它們將連接在一起，導(dǎo)致電流檢測電阻短路并產(chǎn)生嚴(yán)重錯誤。這是接地?zé)犭娕继筋^的常見問題。

其次，隔離可增強(qiáng)安全性。如果輸入是高電壓或高電流，則不得將其連接到輸出回路。假設(shè)使用交流輸入變送器來監(jiān)測電源電壓或電流。如果將其連接到輸出回路，回路或變送器可能會被損壞。還可能會有人受傷或觸電。

幸運(yùn)的是，環(huán)路供電發(fā)射器具有輸入/輸出隔離功能，如圖 4 所示。操作相同，但電源和信號路徑增加了隔離。電源隔離通常使用變壓器完成。直流電壓被斬波以產(chǎn)生交流電，然后通過變壓器饋送并在輸出端整流回直流電。

圖 4.具有輸入/輸出隔離和可選顯示的環(huán)路供電發(fā)射器的框圖。

信號隔離有多種方式。在較舊的設(shè)計中，使用變壓器隔離，但光耦合器和電容隔離是現(xiàn)代設(shè)備的典型解決方案。經(jīng)過調(diào)節(jié)的輸入信號被轉(zhuǎn)換為脈沖或頻率調(diào)制，通過光耦合器或小型高壓電容器饋送，然后轉(zhuǎn)換回直流?，F(xiàn)代發(fā)射器通常使用微處理器或微控制器而不是全模擬電路，因此耦合脈沖是顯而易見的選擇。

帶 LCD 顯示屏的變送器

一些變送器提供可選的內(nèi)置顯示器，通常是 LCD，用于電流使用。圖 3 包括此選項。這在配備微控制器的變送器中很容易實(shí)現(xiàn)，但也可以使用模擬顯示 IC。

顯示屏可以縮放以讀取“工程單位”，而不是簡單的 4-20 mA 或 0% 到 100%。工程單位是 代表物理過程的實(shí)際過程值，例如度或千克。過程值可以在測量點(diǎn)和控制室中看到。

可選發(fā)射機(jī)功能

某些基于微處理器的變送器的范圍可由用戶更改。HART（高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器）變送器在 4-20 mA 之上施加數(shù)字通信脈沖，允許遠(yuǎn)程重新校準(zhǔn)、范圍更改和其他選項。

一些變送器已獲得，只要按照要求正確安裝在指定系統(tǒng)中，即可支持在危險（爆炸性）場所使用。

雙線外殼和安裝方式

大多數(shù)環(huán)路供電/兩線變送器有三種類型：

頭戴式，如上圖3所示

DIN 導(dǎo)軌安裝，可夾在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)安裝導(dǎo)軌上

接線端子式，看起來像工業(yè)接線端子，可以與工業(yè)接線端子一起安裝。