二線制信號傳輸及供電原理

1、二線制變送器 信號供電 原理及相關問題解答一、 什么是二線制變送器或控制單元：二線制變送器或控制單元是指，采用將物理量轉(zhuǎn)換成420mA標準電流信號通過一對（二根）導線輸出的同時，電源以420mA的電流通過同一對導線為變送器或控制單元供電的信號傳輸及供電方式的電流輸出型變送器或控制單元。圖 1二、 二線制的信號傳輸及供電原理在一個電源和帶有一只可變電阻構成的回路中（見圖1），改變可變電阻的阻值可以改變回路電流。當電源電壓或者電阻發(fā)生變化時，可以通過改變可變電阻的阻值可以使回路電流保持在相應位置。同時回路中只要還存在電流，可變電阻兩端就有電壓存在。如果這個變阻器具有一定的智能，可以自動根據(jù)需要將回

2、路中的電流穩(wěn)定在某個數(shù)值，這個變阻器就等效為可調(diào)的恒流器，而二線制變送器正是一種具有這種特性的設備。在實際應用中變送器可以等效為一只特殊的可變電阻（見圖2）。這只可變電阻的特殊性在于：圖 2它是根據(jù)變送器的輸入或控制單元的要求而對流過的電流在規(guī)定的數(shù)值之間進行調(diào)整從而實現(xiàn)信號的傳輸。同時這個電流有一個下限，使回路中始終保持有一定的電流通過從而在變送器或控制單元的兩端始終存在電壓從而實現(xiàn)對變送器或控制單元的供電。三、 二線制的信號傳輸及供電的相關規(guī)定二線制，要在一對導線中實現(xiàn)同時傳輸信號并供電的要求，就必須對信號電流、電源電壓、負載電阻、變送器的電源適應能力等，有一個統(tǒng)籌安排。同時作為一項廣泛運

3、用的技術，這種安排需要有一個統(tǒng)一的標準。我國國家標準 GB/T 33692008 過程控制用模擬信號（國際電工委員會標準IEC 603811982）中對信號和供電的要求： 直流電流信號： 420mA 或 020mA，推薦使用 420mA ； 直流電壓信號： 05V，15V，110V，-1010V ： 一個變送器或控制單元應能連續(xù)地驅(qū)動 0300 之間的任何負載； 使用外部電源電源的任何變送系統(tǒng)元件，當電源在 20V（DC）30 V（DC）之間變化時，應能正常工作。為了對系統(tǒng)元件特性的評估和比較，建議使用24 V（DC）的參考電源電壓； 直流電信號的紋波含量不應超過 3% 。這個標準只是一個最基

4、本的要求。實際上變送器生產(chǎn)廠商拿出了各項指標遠高于標準的產(chǎn)品，并且形成了關于二線制應用的指標慣例： 供電電壓24V；變送器電壓適應范圍 1230V.DC；變送器負載電阻大于 500；電流輸入型二次儀表的輸入阻抗盡可能是 250顯然在這一組指標下，變送器可以在帶兩個負載的情況下實現(xiàn)二線制，適應絕大多數(shù)情況下的需求。四、 直流電信號為什么定成 4-20mA？4-20mA信號指定時考慮了在多方面使用的要求：1、30V 電壓 30mA 電流 所引起的火花是可以點燃危險氣體平均下限，為了保險起見，同時參照其它傳統(tǒng)設定，所以將許多儀表定為24V供電，同時限定電流小于30mA，為了留有余地，信號上限定為 2

5、0mA。2、為了區(qū)分沒有信號，和信號為零，信號的起始值（信號零位值）不能為零（電氣值）。在默認情況下，信號0mA 是故障和沒有供電的標記。3、兩線制儀表在信號值為零時仍需要一定的能量供應，在24V供電條件下，4mA電流提供的能量，是當時制定標準時，大部分儀表生產(chǎn)商能接受的能量供應下限。4、4-20mA電流作用在250歐姆電阻上正好符合標準信號的電壓標準 1-5V。五、 直流電信號為什么從 4mA 開始？一是兩線制儀表在信號值為零時仍需要一定的能量供應；二是為了區(qū)分沒有信號，和信號為零，信號的起始值（信號零位值）不能為零（電氣值）。六、 變送器配套的電流輸入型二次儀表的輸入阻抗是多少？規(guī)范要求一

6、個變送器或控制單元應能連續(xù)地驅(qū)動 0300 之間的任何負載，所以變送器配套的電流輸入型二次儀表的輸入阻抗可以是0300 之間的任何數(shù)值。但是大多數(shù)廠家會將輸入阻抗做成250。這是一個習慣或者應用中形成的默契。原因是 4-20mA 的電流信號可以方便的通過一只 250 電阻轉(zhuǎn)換成 1-5V 的標準直流電壓信號。很多廠家按照 1-5V 信號輸入來設計二次表，然后通過跳線等方式在輸入端內(nèi)部并聯(lián)一只 250 的電阻，就成為 電流/電壓 型的儀表了。同時根據(jù)多數(shù)廠家把變送器負載能力做在 500，250的輸入阻抗可以使變送器有能力帶2臺負載。七、 為什么不能直接從變送器提取多個電流信號？按照標準規(guī)范要求（

7、見問題二），當變送器采用二線制時（見圖2），當 U=24V.DC 回路中作為變送器負載的電阻R=R1+R2+r1+r2=300 時：若回路電流 I=20mA 則 300×20mA=6V。根據(jù)基爾霍夫電壓定律：“對于任意一個集中參數(shù)電路中的任意一個回路，在任何時刻，沿該回路的所有支路電壓代數(shù)和等于零?！笨傻贸鲞@時變送器兩端電壓為18V。這時僅僅達到標準規(guī)范的變送器就必須采用高于推薦標準的供電電壓才能繼續(xù)工作了?？梢哉f在標準條件下變送器只能帶一個電流負載。所以，盡管實際上大多數(shù)廠家的變送器可以帶超過一個的負載，但從設計應用的角度講，如果需要從一臺變送器上采集多個信號，就應當采用信號分配設

8、備。八、 電流信號怎樣轉(zhuǎn)成電壓信號使用？正規(guī)的做法是選用帶信號轉(zhuǎn)換功能的配電器、隔離器、安全柵或者信號轉(zhuǎn)換器。使用中4-20mA的信號在流經(jīng)250電阻時就能產(chǎn)生1-5V電壓信號，但在使用中要注意信號采集設備的輸入阻抗可能帶來的誤差。九、 4-20mA 信號的電壓是多少？對于提取信號的設備（變送器負載）來說，信號電壓等于信號電流流經(jīng)設備時在輸入阻抗上形成的壓降。即等于信號電流與設備輸入阻抗的乘積；對于變送器輸出來說，等于供電電壓減去信號電流在各個負載上形成的壓降。作為特例，有人在校驗變送器時將電源直接連接在變送器上，這時變送器負載電阻接近為零，變送器輸出信號的電壓始終接近等于供電電壓。十、 二線

9、制變送器的信號傳輸距離有多少？通過對（圖2）的分析可以看出，只要供電電壓減去信號電流在各個負載上形成的壓降后落在變送器上的電壓大于變送器最低工作電壓，變送器就能正常工作并進行信號傳輸。也就是說只要信號傳輸導線的阻值不超出一定范圍（幾十到數(shù)百歐姆）傳輸就能夠進行，加大供電電壓或?qū)Ь€截面積可以增加傳輸距離。所以通常情況下二線制變送器信號傳送到二千米以上是沒有問題的。但是過長的傳輸距離會使導線的分布電容等累積有可能超過一定量而影響信號質(zhì)量，因此信號傳輸距離不宜超過二千米。注意：這里所說的傳輸距離指直流電信號的傳輸距離，對于帶通訊的變送器，其通訊距離另有說法。十一、 二線制變送器儀表為什么要采取浮空供電？浮空供電是指在沒有接地點的情況下進行供電。工業(yè)現(xiàn)場存在大量電磁干擾，當這種干擾同時作用在直流電信號的兩根導線上時，大部分是同相位、同強度的，對于信號來說，兩根導線上的干擾相互作用的結果是相互抵消（共模抑制）。如果存在接地，則一根導線上的干擾被引入地，另一根上則依然存在，這時干擾就會發(fā)生作用，影響信號傳輸。所以通常信號都采取浮空傳輸。由于二線制變送器的供電和信號處于同一回路中，出于對信號抗干擾能力的需求，往往要求采用浮空供電。十二、 智能變送器接手執(zhí)通訊器時為什么要接250電阻手執(zhí)通訊器的數(shù)字通訊信號就是以電流脈沖的形式作為紋波加載在直流信號中的。而