传输线路对变送器信号传输的影响

2020/7/17 0:17:23 人评论 次浏览 分类:变送器  文章地址:/tech/3232.html

随着变送器技术不断成熟,许多装备都大量地采用了各种各样的变送器,用于对压力、温度、转速、流量等参数的监控与测量,测量系统一般由变送器、传输线路及显示仪表三部分分体组成(变送器和显示仪表集于一体的不在讨论范围之内)。变送器在使用时安装在现场设备上,而以单片机为核心的显示仪表则位于远离设备现场的控制室内,两者一般相距几十到几百米甚至更远。在对这种分体变送器校准时,由于变送器、传输线路及显示仪表安装于不同的地点,很难把这三部分作为一个整体进行校准,往往需要分开进行。变送器和显示仪表这两部分可以利用现有的测量标准进行校准,但变送器输出的电信号,经过较长线路传输后,会不会发生衰减,影响有多大,信号能传输多远的距离,这就要根据信号的传输特点,分析传输线路对不同信号传输的影响。只有当变送器和显示仪表都校准合格了,传输线路的影响分析清楚了,才能判定变送器是否合格。

1、变送器工作原理
变送器是指能够感知诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学量,并把它们按照一定的规律转化成直流电压、电流等电学量的元件。变送器的作用是把非电学量转化为电学量,从而实现很方便地测量、传输、处理和控制。


根据输出信号的不同,变送器主要分为直流电流信号变送器和直流电压信号变送器。直流电流信号多选用4-20mA电流传输信号
,下限值选用4mA而不选择0mA是因为变送器能够在线路不通、短路或损坏时,通过能否检测到正常范围内的电流(正常时最小值也有4mA)来判断电路是否出现故障,变送器是否损坏。直流电压信号多采用1-5V的直流电压,电压信号可以从4-20mA的直流电流信号得到。


2、变送器接线图分析
根据变送器的接线方式不用,变送器可以分为两线制、三线制和四线制。这三种变送器不仅反映了接线方式上的不用,更体现在作业原理和布局上的差异。

①两线制变送器
两线制变送器是指变送器与显示仪表之间仅用两根导线联系,这两根导线既是电源线,又是信号线。两线制传输方式中,供电电源、负载电阻、变送器是串联的。目前市场上使用的压力变送器和差压变送器大部分都采用两线制。两线制变送器由于抗干扰能力强、节省安装空间及费用等优点被大量的采用。两线制变送器接线图如图1所示。
两线制变送器接线示意图
图1 两线制变送器接线示意图
二线制变送器的电源装置供电为24VDC,输出信号为4-20mA,负载电阻为250Ω,24V电源的负线电位最低,它是信号公共线。


对于两线制直流电压变送器,如果传输线路较长,则传输信号容易衰减。假设显示仪表的输入阻抗为Ri,导线电阻为r,则:
式中,当r=0时,两边取等号。即电压信号传输时,与导线的电阻有关。r越大,信号衰减越大,r越小,信号衰减越小。所以电压信号传输时,容易受导线电阻的影响产生衰减。


早期的变送器大多为电压输出型,即将测量信号转换为0-5V电压输出,信号功率<0.05W,通过模拟/数字转换电路转换数字信号供单片机读取、控制。但在信号需要远距离传输或干扰较大的场合,电压输出型变送器的使用受到了极大限制,暴露了抗干扰能力较差、线路损耗破坏精度等弱点,有时输出的直流电压上还叠加有交流成分,使单片机产生误判断,控制出现错误,严重时还会损坏设备。


对于两线制直流电流变送器,电流信号无衰减,与导线电阻r无关。
由于导线与采样电阻串联,所以电流处处相等;电流信号传输无衰减,与导线电阻无关。特殊情况:当线路阻抗过大时,假设电流源输出电流不变,线路上的压降就很高,若电流源不能输出这么高的电压,就会进入保护状态或减小输出电流,此时测量不正●!


正是由于直流电压信号不宜长距离传输,所以直流电压变送器即将被淘汰。目前两线制变送器主要采用4-20mA直流电流信号进行传输。


②三线制变送器

三线制变送器即电源正端用一根导线,信号输出正端用一根导线,电源负端和信号负端共用一根导线。三线制变送器接线图如图2所示,其供电大多为24VDC,输出信号4-20mA,负载电阻为250Ω。
三线制变送器接线示意图
图2 三线制变送器接线示意图


③四线制变送器
四线制变送器即供电电源、负载电阻是分别与变送器相连的,即供电电源和变送器输出信号分别用二根导线传输。四线制变送器接线图如图3所示。
四线制变送器接线示意图
图3
四线制变送器接线示意图

四线制变送器供电电压大多为220VAC,也有供电为24VDC的。输出信号4-20mA,负载电阻为250Ω。目前部分温度变送器、液位传感器和湿度传感器等仍选用四线制。

3、传输线路影响分析
由于直流电压变送器抗干扰能力差、线路损耗破坏精度、不宜长距离传输等缺点,变送器采用4-20mA电流作为传输信号成为主流。
①两线制直流电流变送器
两线制电流变送器的传输距离与信号的激励电压,显示仪表的取压电阻,导线电阻及变送器的最小工作电压有关。


②三线制和四线制直流
电流变送器的电源线和信号线是独立分开的,相互没有影响,只要始终满足激励电压大于等于变送器的最小工作电压(这是很容易实现的),变送器都能正常的工作,那么导线电阻的影响可以忽略不计。

对于两线制直流电流变送器,4-20mA最远传输距离
可达数千米(现实中极少需要这么长的导线);导线截面积越大,传输距离越长。对于三线制和四线制直流电流变送器,导线的影响可以忽略不计。

由于变送器输出的电信号较弱,从变送器到显示仪表之间的传输线路一般较长,尤其是电压信号,远距离传送容易受电磁干扰。经过以上分析,可以得出结论:
①在校准直流电流变送器时,不管是哪种接线方式,导线的影响可以忽略不计(极限远的情况除外),只须分别对变送器和显示仪表这两部分进行校准即可。
②如果传输距离很远,可以选用粗电线减少传输线路的电阻,选择双绞屏蔽线提高抗干扰能力。
③对于直流电压变送器,如果传输线路很长,在校准时除了要对变送器和显示仪表进行校准外,还应该考虑传输线路的影响。
作者:尧礼辉、彭先洪

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