二線(xiàn)制信號(hào)傳輸及供電原理

1、二線(xiàn)制變送器 信號(hào)供電 原理及相關(guān)問(wèn)題解答一、 什么是二線(xiàn)制變送器或控制單元：二線(xiàn)制變送器或控制單元是指，采用將物理量轉(zhuǎn)換成420mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)通過(guò)一對(duì)（二根）導(dǎo)線(xiàn)輸出的同時(shí)，電源以420mA的電流通過(guò)同一對(duì)導(dǎo)線(xiàn)為變送器或控制單元供電的信號(hào)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(xiàn)制的信號(hào)傳輸及供電原理在一個(gè)電源和帶有一只可變電阻構(gòu)成的回路中（見(jiàn)圖1），改變可變電阻的阻值可以改變回路電流。當(dāng)電源電壓或者電阻發(fā)生變化時(shí)，可以通過(guò)改變可變電阻的阻值可以使回路電流保持在相應(yīng)位置。同時(shí)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(gè)變阻器具有一定的智能，可以自動(dòng)根據(jù)需要將回

2、路中的電流穩(wěn)定在某個(gè)數(shù)值，這個(gè)變阻器就等效為可調(diào)的恒流器，而二線(xiàn)制變送器正是一種具有這種特性的設(shè)備。在實(shí)際應(yīng)用中變送器可以等效為一只特殊的可變電阻（見(jiàn)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(duì)流過(guò)的電流在規(guī)定的數(shù)值之間進(jìn)行調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。同時(shí)這個(gè)電流有一個(gè)下限，使回路中始終保持有一定的電流通過(guò)從而在變送器或控制單元的兩端始終存在電壓從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變送器或控制單元的供電。三、 二線(xiàn)制的信號(hào)傳輸及供電的相關(guān)規(guī)定二線(xiàn)制，要在一對(duì)導(dǎo)線(xiàn)中實(shí)現(xiàn)同時(shí)傳輸信號(hào)并供電的要求，就必須對(duì)信號(hào)電流、電源電壓、負(fù)載電阻、變送器的電源適應(yīng)能力等，有一個(gè)統(tǒng)籌安排。同時(shí)作為一項(xiàng)廣泛運(yùn)

3、用的技術(shù)，這種安排需要有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 33692008 過(guò)程控制用模擬信號(hào)（國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 603811982）中對(duì)信號(hào)和供電的要求： 直流電流信號(hào)： 420mA 或 020mA，推薦使用 420mA ； 直流電壓信號(hào)： 05V，15V，110V，-1010V ： 一個(gè)變送器或控制單元應(yīng)能連續(xù)地驅(qū)動(dòng) 0300 之間的任何負(fù)載； 使用外部電源電源的任何變送系統(tǒng)元件，當(dāng)電源在 20V（DC）30 V（DC）之間變化時(shí)，應(yīng)能正常工作。為了對(duì)系統(tǒng)元件特性的評(píng)估和比較，建議使用24 V（DC）的參考電源電壓； 直流電信號(hào)的紋波含量不應(yīng)超過(guò) 3% 。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)只是一個(gè)最基

4、本的要求。實(shí)際上變送器生產(chǎn)廠商拿出了各項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，并且形成了關(guān)于二線(xiàn)制應(yīng)用的指標(biāo)慣例： 供電電壓24V；變送器電壓適應(yīng)范圍 1230V.DC；變送器負(fù)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(biāo)下，變送器可以在帶兩個(gè)負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)二線(xiàn)制，適應(yīng)絕大多數(shù)情況下的需求。四、 直流電信號(hào)為什么定成 4-20mA？4-20mA信號(hào)指定時(shí)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(diǎn)燃危險(xiǎn)氣體平均下限，為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，同時(shí)參照其它傳統(tǒng)設(shè)定，所以將許多儀表定為24V供電，同時(shí)限定電流小于30mA，為了留有余地，信號(hào)上限定為 2

5、0mA。2、為了區(qū)分沒(méi)有信號(hào)，和信號(hào)為零，信號(hào)的起始值（信號(hào)零位值）不能為零（電氣值）。在默認(rèn)情況下，信號(hào)0mA 是故障和沒(méi)有供電的標(biāo)記。3、兩線(xiàn)制儀表在信號(hào)值為零時(shí)仍需要一定的能量供應(yīng)，在24V供電條件下，4mA電流提供的能量，是當(dāng)時(shí)制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，大部分儀表生產(chǎn)商能接受的能量供應(yīng)下限。4、4-20mA電流作用在250歐姆電阻上正好符合標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的電壓標(biāo)準(zhǔn) 1-5V。五、 直流電信號(hào)為什么從 4mA 開(kāi)始？一是兩線(xiàn)制儀表在信號(hào)值為零時(shí)仍需要一定的能量供應(yīng)；二是為了區(qū)分沒(méi)有信號(hào)，和信號(hào)為零，信號(hào)的起始值（信號(hào)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(gè)變送器或控制單元應(yīng)能連續(xù)地驅(qū)動(dòng) 0300 之間的任何負(fù)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(huì)將輸入阻抗做成250。這是一個(gè)習(xí)慣或者應(yīng)用中形成的默契。原因是 4-20mA 的電流信號(hào)可以方便的通過(guò)一只 250 電阻轉(zhuǎn)換成 1-5V 的標(biāo)準(zhǔn)直流電壓信號(hào)。很多廠家按照 1-5V 信號(hào)輸入來(lái)設(shè)計(jì)二次表，然后通過(guò)跳線(xiàn)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(shí)根據(jù)多數(shù)廠家把變送器負(fù)載能力做在 500，250的輸入阻抗可以使變送器有能力帶2臺(tái)負(fù)載。七、 為什么不能直接從變送器提取多個(gè)電流信號(hào)？按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求（

7、見(jiàn)問(wèn)題二），當(dāng)變送器采用二線(xiàn)制時(shí)（見(jiàn)圖2），當(dāng) U=24V.DC 回路中作為變送器負(fù)載的電阻R=R1+R2+r1+r2=300 時(shí)：若回路電流 I=20mA 則 300×20mA=6V。根據(jù)基爾霍夫電壓定律：“對(duì)于任意一個(gè)集中參數(shù)電路中的任意一個(gè)回路，在任何時(shí)刻，沿該回路的所有支路電壓代數(shù)和等于零?！笨傻贸鲞@時(shí)變送器兩端電壓為18V。這時(shí)僅僅達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的變送器就必須采用高于推薦標(biāo)準(zhǔn)的供電電壓才能繼續(xù)工作了。可以說(shuō)在標(biāo)準(zhǔn)條件下變送器只能帶一個(gè)電流負(fù)載。所以，盡管實(shí)際上大多數(shù)廠家的變送器可以帶超過(guò)一個(gè)的負(fù)載，但從設(shè)計(jì)應(yīng)用的角度講，如果需要從一臺(tái)變送器上采集多個(gè)信號(hào)，就應(yīng)當(dāng)采用信號(hào)分配設(shè)

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

9、制變送器的信號(hào)傳輸距離有多少？通過(guò)對(duì)（圖2）的分析可以看出，只要供電電壓減去信號(hào)電流在各個(gè)負(fù)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(jìn)行信號(hào)傳輸。也就是說(shuō)只要信號(hào)傳輸導(dǎo)線(xiàn)的阻值不超出一定范圍（幾十到數(shù)百歐姆）傳輸就能夠進(jìn)行，加大供電電壓或?qū)Ь€(xiàn)截面積可以增加傳輸距離。所以通常情況下二線(xiàn)制變送器信號(hào)傳送到二千米以上是沒(méi)有問(wèn)題的。但是過(guò)長(zhǎng)的傳輸距離會(huì)使導(dǎo)線(xiàn)的分布電容等累積有可能超過(guò)一定量而影響信號(hào)質(zhì)量，因此信號(hào)傳輸距離不宜超過(guò)二千米。注意：這里所說(shuō)的傳輸距離指直流電信號(hào)的傳輸距離，對(duì)于帶通訊的變送器，其通訊距離另有說(shuō)法。十一、 二線(xiàn)制變送器儀表為什么要采取浮空供電？浮空供電是指在沒(méi)有接地點(diǎn)的情況下進(jìn)行供電。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在大量電磁干擾，當(dāng)這種干擾同時(shí)作用在直流電信號(hào)的兩根導(dǎo)線(xiàn)上時(shí)，大部分是同相位、同強(qiáng)度的，對(duì)于信號(hào)來(lái)說(shuō)，兩根導(dǎo)線(xiàn)上的干擾相互作用的結(jié)果是相互抵消（共模抑制）。如果存在接地，則一根導(dǎo)線(xiàn)上的干擾被引入地，另一根上則依然存在，這時(shí)干擾就會(huì)發(fā)生作用，影響信號(hào)傳輸。所以通常信號(hào)都采取浮空傳輸。由于二線(xiàn)制變送器的供電和信號(hào)處于同一回路中，出于對(duì)信號(hào)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(shí)為什么要接250電阻手執(zhí)通訊器的數(shù)字通訊信號(hào)就是以電流脈沖的形式作為紋波加載在直流信號(hào)中的。而