隨著變送器技術(shù)不斷成熟，許多裝備都大量地采用了各種各樣的變送器，用于對(duì)壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、流量等參數(shù)的監(jiān)控與測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)一般由變送器、傳輸線路及顯示儀表三部分分體組成(變送器和顯示儀表集于一體的不在討論范圍之內(nèi))。變送器在使用時(shí)安裝在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上，而以單片機(jī)為核心的顯示儀表則位于遠(yuǎn)離設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的控制室內(nèi)，兩者一般相距幾十到幾百米甚至更遠(yuǎn)。在對(duì)這種分體變送器校準(zhǔn)時(shí)，由于變送器、傳輸線路及顯示儀表安裝于不同的地點(diǎn)，很難把這三部分作為一個(gè)整體進(jìn)行校準(zhǔn)，往往需要分開進(jìn)行。變送器和顯示儀表這兩部分可以利用現(xiàn)有的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)，但變送器輸出的電信號(hào)，經(jīng)過較長(zhǎng)線路傳輸后，會(huì)不會(huì)發(fā)生衰減，影響有多大，信號(hào)能傳輸多遠(yuǎn)的距離，這就要根據(jù)信號(hào)的傳輸特點(diǎn)，分析傳輸線路對(duì)不同信號(hào)傳輸?shù)挠绊?。只有?dāng)變送器和顯示儀表都校準(zhǔn)合格了，傳輸線路的影響分析清楚了，才能判定變送器是否合格。
1、變送器工作原理
變送器是指能夠感知諸如力、溫度、光、聲、化學(xué)成分等非電學(xué)量，并把它們按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成直流電壓、電流等電學(xué)量的元件。變送器的作用是把非電學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)量，從而實(shí)現(xiàn)很方便地測(cè)量、傳輸、處理和控制。
根據(jù)輸出信號(hào)的不同，變送器主要分為直流電流信號(hào)變送器和直流電壓信號(hào)變送器。直流電流信號(hào)多選用4-20mA電流傳輸信號(hào)，下限值選用4mA而不選擇0mA是因?yàn)樽兯推髂軌蛟诰€路不通、短路或損壞時(shí)，通過能否檢測(cè)到正常范圍內(nèi)的電流(正常時(shí)最小值也有4mA)來判斷電路是否出現(xiàn)故障，變送器是否損壞。直流電壓信號(hào)多采用1-5V的直流電壓，電壓信號(hào)可以從4-20mA的直流電流信號(hào)得到。
2、變送器接線圖分析
根據(jù)變送器的接線方式不用，變送器可以分為兩線制、三線制和四線制。這三種變送器不僅反映了接線方式上的不用，更體現(xiàn)在作業(yè)原理和布局上的差異。
①兩線制變送器
兩線制變送器是指變送器與顯示儀表之間僅用兩根導(dǎo)線聯(lián)系，這兩根導(dǎo)線既是電源線，又是信號(hào)線。兩線制傳輸方式中，供電電源、負(fù)載電阻、變送器是串聯(lián)的。目前市場(chǎng)上使用的壓力變送器和差壓變送器大部分都采用兩線制。兩線制變送器由于抗干擾能力強(qiáng)、節(jié)省安裝空間及費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)被大量的采用。兩線制變送器接線圖如圖1所示。
圖1 兩線制變送器接線示意圖
二線制變送器的電源裝置供電為24VDC，輸出信號(hào)為4-20mA，負(fù)載電阻為250Ω，24V電源的負(fù)線電位最低，它是信號(hào)公共線。
對(duì)于兩線制直流電壓變送器，如果傳輸線路較長(zhǎng)，則傳輸信號(hào)容易衰減。假設(shè)顯示儀表的輸入阻抗為Ri，導(dǎo)線電阻為r，則:
式中，當(dāng)r=0時(shí)，兩邊取等號(hào)。即電壓信號(hào)傳輸時(shí)，與導(dǎo)線的電阻有關(guān)。r越大，信號(hào)衰減越大，r越小，信號(hào)衰減越小。所以電壓信號(hào)傳輸時(shí)，容易受導(dǎo)線電阻的影響產(chǎn)生衰減。
早期的變送器大多為電壓輸出型，即將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-5V電壓輸出，信號(hào)功率＜0.05W，通過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)讀取、控制。但在信號(hào)需要遠(yuǎn)距離傳輸或干擾較大的場(chǎng)合，電壓輸出型變送器的使用受到了極大限制，暴露了抗干擾能力較差、線路損耗破壞精度等弱點(diǎn)，有時(shí)輸出的直流電壓上還疊加有交流成分，使單片機(jī)產(chǎn)生誤判斷，控制出現(xiàn)錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞設(shè)備。
對(duì)于兩線制直流電流變送器，電流信號(hào)無衰減，與導(dǎo)線電阻r無關(guān)。由于導(dǎo)線與采樣電阻串聯(lián)，所以電流處處相等；電流信號(hào)傳輸無衰減，與導(dǎo)線電阻無關(guān)。特殊情況：當(dāng)線路阻抗過大時(shí)，假設(shè)電流源輸出電流不變，線路上的壓降就很高，若電流源不能輸出這么高的電壓，就會(huì)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)或減小輸出電流，此時(shí)測(cè)量不正常。
正是由于直流電壓信號(hào)不宜長(zhǎng)距離傳輸，所以直流電壓變送器即將被淘汰。目前兩線制變送器主要采用4-20mA直流電流信號(hào)進(jìn)行傳輸。
②三線制變送器
三線制變送器即電源正端用一根導(dǎo)線，信號(hào)輸出正端用一根導(dǎo)線，電源負(fù)端和信號(hào)負(fù)端共用一根導(dǎo)線。三線制變送器接線圖如圖2所示，其供電大多為24VDC，輸出信號(hào)4-20mA，負(fù)載電阻為250Ω。
圖2 三線制變送器接線示意圖
③四線制變送器
四線制變送器即供電電源、負(fù)載電阻是分別與變送器相連的，即供電電源和變送器輸出信號(hào)分別用二根導(dǎo)線傳輸。四線制變送器接線圖如圖3所示。
圖3 四線制變送器接線示意圖
四線制變送器供電電壓大多為220VAC，也有供電為24VDC的。輸出信號(hào)4-20mA，負(fù)載電阻為250Ω。目前部分溫度變送器、液位傳感器和濕度傳感器等仍選用四線制。
3、傳輸線路影響分析
由于直流電壓變送器抗干擾能力差、線路損耗破壞精度、不宜長(zhǎng)距離傳輸?shù)热秉c(diǎn)，變送器采用4-20mA電流作為傳輸信號(hào)成為主流。
①兩線制直流電流變送器
兩線制電流變送器的傳輸距離與信號(hào)的激勵(lì)電壓，顯示儀表的取壓電阻，導(dǎo)線電阻及變送器的最小工作電壓有關(guān)。
②三線制和四線制直流
電流變送器的電源線和信號(hào)線是獨(dú)立分開的，相互沒有影響，只要始終滿足激勵(lì)電壓大于等于變送器的最小工作電壓(這是很容易實(shí)現(xiàn)的)，變送器都能正常的工作，那么導(dǎo)線電阻的影響可以忽略不計(jì)。
對(duì)于兩線制直流電流變送器，4-20mA最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)數(shù)千米(現(xiàn)實(shí)中極少需要這么長(zhǎng)的導(dǎo)線)；導(dǎo)線截面積越大，傳輸距離越長(zhǎng)。對(duì)于三線制和四線制直流電流變送器，導(dǎo)線的影響可以忽略不計(jì)。
由于變送器輸出的電信號(hào)較弱，從變送器到顯示儀表之間的傳輸線路一般較長(zhǎng)，尤其是電壓信號(hào)，遠(yuǎn)距離傳送容易受電磁干擾。經(jīng)過以上分析，可以得出結(jié)論：
①在校準(zhǔn)直流電流變送器時(shí)，不管是哪種接線方式，導(dǎo)線的影響可以忽略不計(jì)(極限遠(yuǎn)的情況除外)，只須分別對(duì)變送器和顯示儀表這兩部分進(jìn)行校準(zhǔn)即可。
②如果傳輸距離很遠(yuǎn)，可以選用粗電線減少傳輸線路的電阻，選擇雙絞屏蔽線提高抗干擾能力。
③對(duì)于直流電壓變送器，如果傳輸線路很長(zhǎng)，在校準(zhǔn)時(shí)除了要對(duì)變送器和顯示儀表進(jìn)行校準(zhǔn)外，還應(yīng)該考慮傳輸線路的影響。
作者：堯禮輝、彭先洪
