两线制4～20mA液压变送器的设计

　　0 引 言

　　液压测量遍及生产和生活的各个领域，在石油化工、水利水电、农田灌溉、环境检测以及自来水厂、污水处理厂等众多领域，液压是一个重要的技术参数。通常，工业现场都在室外，要实时获取现场的液压参数，一般通过两种途径: 一种是利用现场总线的方式，通过现场总线，将信号传送至远程PC 机，目前广泛使用的总线有485 总线、CAN 总线等; 另一种方式则是将所检测的模拟电压信号，转换成电流信号后，进行远距离传输。

　　通常，对电压信号可方便地进行信号处理，这是因为绝大多数工业设备都以电压的形式来控制。但是在进行远距离传输时，电压传输极易受损。采用电流信号的原因是其不容易受干扰，并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米[7]。目前，工业上最广泛使用的是 4mA ～ 20 mA 电流来传输模拟量。上限取20 mA 是因为防爆的要求，20 mA 的电流通断不足以引燃瓦斯; 下限没有取0 mA 的原因是为了能检测断线。正常工作时不会低于4 mA，当传输线因故障断路时，环路电流降为 0 mA[4]。常取2 mA 作为断线报警值。

　　电流型变送器将物理量转换成4 mA ～ 20 mA 电流输出，必然要有外电源为其供电。最典型的变送器需要2 根电源线，加上2 根电流传输线，总共要接4 根线，称为四线制变送器。如果将电流输出与电源共用一根线，可节省一根线，称为三线制变送器。考虑到4mA ～ 20 mA 电流本身就可以为变送器供电，变送器在电路中相当于一个特殊的负载，这种变送器只需要2根线，因而被称为两线制变送器[2-5]。在工业现场，测试点一般在现场，而显示设备或控制台离现场至少几十米或数百米。按 100 m 距离计算，省去两根导线意味着成本降低近百元，因此在应用中两线制变送器是首选。

　　本研究设计一种小巧节能的液压变送器。

　　1 两线制4 ～20 mA 液压变送器原理

　　1. 1 2 Bar 液压传感器

　　该传感器源自欧美技术，是一种基于陶瓷膜片的压阻式传感器，其刚性好、抗腐蚀、耐磨损，具有很好的稳定性与线性度[1-8]。其外形图如图1( a) 所示，等效电路图如图1( b) 所示[8]( 注: Bar 是压强单位，1 bar= 100 000 Pas) 。

　　1. 2 两线制变送器的结构和原理

　　两线制变送器的原理是利用4 mA ～20 mA 信号为自身提供电能。如果变送器自身耗电大于4 mA，那么将不能输出下限4 mA 值，因此一般要求两线制变送器自身耗电( 包括传感器在内的全部电路) 不大于3. 5 mA，这是两线制变送器设计的根本原则之一。

　　从整体结构来看，两线制变送器由3 大部分组成:传感器、调理电路、两线制 V/I 变换器。传感器将温度、压力等物理量转化为电参量; 调理电路将传感器输出的微弱或非线性的电信号进行放大、调理、转化为线性的电压输出; 两线制V/I 变换电路根据信号调理电路的输出控制总体消耗电流，同时从环路上获得电压并稳压，供调理电路和传感器使用。除了V/I 变换的电路之外，电路中每个部分都有其自身的耗电电流，两线制变送器的核心设计思想是将所有的电流都包含在V / I 变换的反馈环路内。两线制变送器结构图如图2所示，采样电阻 Rs 串联在电路的低端，所有的电流都将通过 Rs 留回到电源负端。