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回路供電技術及其應用

2009/5/8 0:00:00

摘要：介紹了回路供電技術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
在過程控制系統中儀表的測量和控制信號的傳送除采用各種現場總線方式外，大部分儀表都采用模擬方式進行傳送，通常采用4～20mA標準信號，也有少數儀表采用1～5mA或10～50mA標準信號。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測量信號的二根導線上，同時向變送器供給24V電源，其應用的就是回路供電技術。
回路供電技術不僅在變送器中應用，而且也在顯示器和信號隔離器等儀表中應用。由于回路供電技術具有很多優(yōu)點，國外很多儀表公司發(fā)展了許多新產品。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的發(fā)展。本文重點介紹應用該技術拓展的一些新產品及其應用。

二、什么叫回路供電（Loop powered）儀表

有電子線路構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，保證變送器內的電子線路的正常工作。用4mA是根據當時的半導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)級電子元器件設計的現場儀表就很適合野外安裝。

四、回路供電技術在顯示器中的應用

4～20mA回路供電顯示器與傳統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，顯示器內部沒有電源供電單元，顯示器內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采用靜態(tài)電流小的穩(wěn)壓管，如LM431L等基準電壓參考源比較符合要求，這些基準電壓參考源可以調整輸出電壓的大小。信號的測量是通過Rin上的電流大小轉變?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上的電壓是負值，所以測量控制電路中應該包含負電源發(fā)生電路，保證放大器能測量負信號。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)模系統級處理器芯片。

回路供電顯示器的一個重要指標是輸入電壓降Vd (Input voltage drop),它代表該表功耗的大小，Vd越小就越難實現，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外有關公司的產品性能。在LED顯示器中，由上海模數儀表有限公司（SADI）生產的LDM-30-4/20回路供電顯示器Vd最低能達2.5V，而德國KNICK公司830LCD顯示器最低為0.5V，已達到國際先進水平。

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）