兩線制傳感器

兩線制與三線制 (一根正電源線，兩根信號線,其中一根共GND)和四線制(兩根正負(fù)電源線，兩根信號線)相比，兩線制的優(yōu)點(diǎn)是:

1、不易受寄生熱電偶和沿電線電阻壓降和溫漂的影響，可用非常便宜的更細(xì)的導(dǎo)線;可節(jié)省大量電纜線和安裝費(fèi)用;

2、在電流源輸出電阻足夠大時(shí)，經(jīng)磁場耦合感應(yīng)到導(dǎo)線環(huán)路內(nèi)的電壓，不會產(chǎn)生顯著影響，因?yàn)楦蓴_源引起的電流極小，一般利用雙絞線就能降低干擾;兩線制與三線制必須用屏蔽線,屏蔽線的屏蔽層要妥善接地。

3、電容性干擾會導(dǎo)致接收器電阻有關(guān)誤差，對于4~20mA兩線制環(huán)路，接收器電阻通常為250Ω(取樣Uout=1~5V)這個(gè)電阻小到不足以產(chǎn)生顯著誤差，因此，可以允許的電線長度比電壓遙測系統(tǒng)更長更遠(yuǎn);

4、各個(gè)單臺示讀裝置或記錄裝置可以在電線長度不等的不同通道間進(jìn)行換接，不因電線長度的不等而造成精度的差異，實(shí)現(xiàn)分散采集，分散式采集的好處就是:分散采集，集中控制。

5、將4mA用于零電平，使判斷開路與短路或傳感器損壞(0mA狀態(tài))十分方便。

6,在兩線輸出口非常容易增設(shè)一兩只防雷防浪涌器件,有利于安全防雷防爆。

1. 儀表的二線制與四線制

二線制儀表即電源與信號共用兩根線一般

四線制儀表電源與信號線分開信號為4~20mA或0~10mA，電源220AC(為多).

2.在熱電阻中有兩線制、三線制、四線制

兩線制沒有線路電阻補(bǔ)償，配線簡單，但要帶進(jìn)引線電阻的附加誤差。因此不適用制造A級精度的熱電阻，且在使用時(shí)引線及導(dǎo)線都不宜過長。

三線制有線路電阻補(bǔ)償，可以消除引線電阻的影響，測量精度高于2線制。作為過程檢測元件，其應(yīng)用最廣。

四線制:在熱電阻的根部兩端各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至PLC。這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，但成本較高，主要用于高精度的溫度檢測。

3.西門子的二線制和四線制

二線制是PLC模塊提供電源和采集電流信號

四線制僅僅采集電流信號

傳感器的結(jié)構(gòu):

兩線制:

傳感器電阻變化值與連接導(dǎo)線電阻值共同構(gòu)成傳感器的輸出值，由于導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差使實(shí)際測量值偏高，用于測量精度要求不高的場合，并且導(dǎo)線的長度不宜過長。

三線制:

要求引出的三根導(dǎo)線截面積和長度均相同，測量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋，鉑電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當(dāng)橋路平衡時(shí)，導(dǎo)線電阻的變化對測量結(jié)果沒有任何影響，這樣就消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測量誤差，但是必須為全等臂電橋，否則不可能完全消除導(dǎo)線電阻的影響。采用三線制會大大減小導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差，工業(yè)上一般都采用三線制接法。

四線制:

當(dāng)測量電阻數(shù)值很小時(shí)，測試線的電阻可能引入明顯誤差，四線測量用兩條附加測試線提供恒定電流，另兩條測試線測量未知電阻的電壓降，在電壓表輸入阻抗足夠高的條件下，電流幾乎不流過電壓表，這樣就可以精確測量未知電阻上的壓降，計(jì)算得出電阻值

三線制和四線制變送器均不具上述優(yōu)點(diǎn)即將被兩線制變送器所取代，從國外的行業(yè)動態(tài)及變送器芯片供求量即可略知一斑，電流變送器在使用時(shí)要安裝在現(xiàn)場設(shè)備上，而以單片機(jī)為核心的監(jiān)測系統(tǒng)則位于較遠(yuǎn)離設(shè)備現(xiàn)場的監(jiān)控室里，兩者一般相距幾十到幾百米甚至更遠(yuǎn)。設(shè)備現(xiàn)場的環(huán)境較為惡劣，強(qiáng)電信號會產(chǎn)生各種電磁干擾，雷電感應(yīng)會產(chǎn)生強(qiáng)浪涌脈沖，在這種情況下，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中遇到的一個(gè)棘手問題就是如何在惡劣環(huán)境下遠(yuǎn)距離可靠地傳送微小信號。兩線制變送器件的出現(xiàn)使這個(gè)問題得到了較好地解決。我們以DH4-20變送模塊為核心設(shè)計(jì)了小型、價(jià)廉的穿孔型兩線制電流變送器。它具有低失調(diào)電壓(<30 μV)、低電壓漂移(<0.7μV/C°)、超低非線性度(<0.01%)的特點(diǎn)。它把現(xiàn)場設(shè)備動力線的電流隔離轉(zhuǎn)換成4~20 mA的按線性比例變化的標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出，然后通過一對雙絞線送到監(jiān)測系統(tǒng)的輸入接口上，雙絞線同時(shí)也將位于監(jiān)測系統(tǒng)的24V工作電源送到電流變送器中。測量信號和電源在雙絞線上同時(shí)傳送，既省去了昂貴的傳輸電纜，而且信號是以電流的形式傳輸，抗干擾能力得到極大的加強(qiáng)。

如果接入PLC卡是四根信號線,那就一定是四線制;難區(qū)別的主要還是只有兩根信號線時(shí),比較容易出錯(cuò),所以我的第一條很重要。兩線制是PLC提供24VDC的電源供儀表使用，即電源和電流信號共用兩根線。四線制指儀表需要單獨(dú)供電(兩根線)，電流信號又是兩根線，加起來一共四根線。 線制指PLC提供儀表的電源且電源和電流信號共用兩根線供儀表使用，四線制指儀表單獨(dú)供電，電源兩根線，電流信號又是兩根線。說的是有源和無源概念.

例如在PLC Analog input card 7KF02中要設(shè)置它的測量范圍，有A.B.C.D四種,A,B是測量電壓信號的,C.D是測量電流信號的.其中,電流信號測量C是四線制的,D的兩線制的,我們從表面上不能以為接在設(shè)備上有兩根線就認(rèn)為是兩線制,有四根線就認(rèn)為是四線制,這樣往往不準(zhǔn)確.最好的方法是,萬用表測量.1.只有兩根信號線的判別:拆下接入PLC卡的線,用電流檔測量線的兩端是否有電流信號,如果有電流信號,則說明是四線制,如果沒有任何顯示,則說明是兩線制;

1，硬件組態(tài)和量程卡都設(shè)定為四線制傳感器:具體接法:24v電源 的正端接傳感器的正端，傳感器的負(fù)端接模板的正端，模板的負(fù)端接24V 負(fù)端。

2，如果是6ES7 331-7KF02-0AB0，它有直接給兩線制傳感器供電的功能，接兩線制電流信號只需把量程卡選擇D方向 ， 在硬件配置中選擇2DMU，以第一個(gè)通道為例，傳感器的正端接模板2端子(M0+)，負(fù)端接模板3端子(M0-)即可。 此時(shí)模板對變送器供電。

兩線制是指現(xiàn)場變送器與控制室儀表聯(lián)系僅用兩根導(dǎo)線，這兩根線既是電源線，又是信號線。

現(xiàn)大多數(shù)傳感器都向兩線制發(fā)展，且在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信(比如用HART協(xié)議)，四線制的多用于功率大的。傳輸?shù)木嚯x大和防爆等場合,就最好用無源的兩線制傳感器。

兩線制變送器的原理是利用了4~20mA信號為自身提供電能。如果變送器自身耗電大于4mA，那么將不可能輸出下限4mA值。因此一般要求兩線制變送器自身耗電(包括傳感器在內(nèi)的全部電路)不大于3.5mA。這是兩線制變送器的設(shè)計(jì)根本原則之一。

從整體結(jié)構(gòu)上來看，兩線制變送器由三大部分組成:傳感器、調(diào)理電路、兩線制V/I變換器構(gòu)成。傳感器將溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)化為電參量，調(diào)理電路將傳感器輸出的微弱或非線性的電信號進(jìn)行放大、調(diào)理、轉(zhuǎn)化為線性的電壓輸出。兩線制V/I變換電路根據(jù)信號調(diào)理電路的輸出控制總體耗電電流;同時(shí)從環(huán)路上獲得電壓并穩(wěn)壓，供調(diào)理電路和傳感器使用。

除了V/I變換電路之外，電路中每個(gè)部分都有其自身的耗電電流，兩線制變送器的核心設(shè)計(jì)思想是將所有的電流都包括在V/I變換的反饋環(huán)路內(nèi)。如圖，采樣電阻Rs串聯(lián)在電路的低端，所有的電流都將通過Rs流回到電源負(fù)極。從Rs上取到的反饋信號，包含了所有電路的耗電。

壓力橋、稱重傳感器輸出信號微弱，都屬于mV級信號。這一類小信號一般都要求用差動放大器對其進(jìn)行第一級放大。一般選用低失調(diào)、低溫飄的差動放大器。另外在兩線制應(yīng)用中，低功耗也是必需的。AD623是常用的低功耗精密差動放大器，常用在差分輸出前級的放大。AD623失調(diào)最大200uV，溫飄1uV/度，在一般壓力變送應(yīng)用保證了精度足夠。

R0將0.4V疊加在AD623的REF腳(5腳)上，在壓力=0情況下通過調(diào)整R0使輸出4mA，再調(diào)整RG輸出20.00mA，完成校準(zhǔn)。

電路設(shè)計(jì)時(shí)需注意，壓力橋傳感器相當(dāng)于一個(gè)千歐級的電阻，耗電一般比較大。適當(dāng)降低壓力橋的激勵(lì)電壓可以減小耗電電流。但是輸出幅度也隨之下降，需要提高AD623的增益。圖6給出的傳感器采用恒壓供電，實(shí)際應(yīng)用中大部分半導(dǎo)體壓力傳感器需要恒流供電才能獲得較好的溫度特性，可以用一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成恒流源為其提供激勵(lì)。

工業(yè)環(huán)境下環(huán)境惡劣且對可靠性要求高，因此兩線制變送器的設(shè)計(jì)上需要考慮一定的保護(hù)和增強(qiáng)穩(wěn)定性措施。

1.電源保護(hù)。

電源接反、超壓、浪涌是工業(yè)上常見的電源問題。電源接反是設(shè)備安裝接線時(shí)最容易發(fā)生的錯(cuò)誤，輸入口串一只二極管即可防止接反電源時(shí)損壞電路。如果輸入端加一個(gè)全橋整流器，那么即使電源接反仍能正常工作。

為防止雷擊、靜電放電、浪涌等能量損壞變送器，變送器入口處可以加裝一只TVS管來吸收瞬間過壓的能量。一般TVS電壓值取比運(yùn)放極限電壓略低，才能起到保護(hù)作用。如果可能遭受雷擊，TVS可能吸收容量不夠，壓敏電阻也是必需的，但是壓敏電阻本身漏電會帶來一定誤差。

2.過流保護(hù)。

設(shè)備運(yùn)行過程中可能有傳感器斷線、短路等錯(cuò)誤情況發(fā)生?；蛘咻斎肓勘旧砗苡锌赡艹砍?，變送器必須保證任何情況下輸出不會無限制上升，否則有可能損壞變送器本身、電源、或者遠(yuǎn)方顯示儀表。

圖中Rb和Z1構(gòu)成了過流保護(hù)電路。無論什么原因?qū)е翺P1輸出大于6.2V(1N4735是6.2V穩(wěn)壓管)，都會被Z1鉗位，Q1的基極不可能高于6.2V。因此Re上電壓不可能高于6.2-0.6=5.6V，因此總電流不會大于Ue/Re = 5.6V/200=28mA。

3.寬電壓適應(yīng)能力。

一般兩線制變送器都能適應(yīng)大范圍的電壓變化而不影響精度。這樣可以適用各類電源，同 時(shí)能夠適應(yīng)大的負(fù)載電阻。對電源最敏感的部分是基準(zhǔn)源，同時(shí)基準(zhǔn)源也是決定精度的主要元件。3樓圖中基準(zhǔn)通過R5限流，當(dāng)電源電壓變化時(shí)，R5上電流也隨之改變，對基準(zhǔn)穩(wěn)定性影響很大。附圖中利用恒流源LM334為基準(zhǔn)供電，電壓大范圍變化時(shí)，電流基本不變，保證了基準(zhǔn)的穩(wěn)定性。

4.退藕電容

一般的電路設(shè)計(jì)中，每個(gè)集成電路的電源端都會有退藕電容。在兩線制變送器上電時(shí)，這些電容的充電會在瞬間導(dǎo)致大電流，有可能會損壞遠(yuǎn)方儀表。因此每個(gè)退藕電容一般不超過10nF，總退藕電容不宜超過50nF。入口處一個(gè)10nF電容是必需的，保證長線感性負(fù)載下，電路不震蕩。

1，硬件組態(tài)和量程卡都設(shè)定為四線制傳感器:具體接法:24v電源的正端接傳感器的正端，傳感器的負(fù)端接模板的正端，模板的負(fù)端接24V負(fù)端。 2，如果是6ES7331-7KF02-0AB0，它有直接給兩線制傳感器供電的功能，接兩線制電流信號只需把量程卡選擇D方向，在硬件配置中選擇2DMU，以第一個(gè)通道為例，傳感器的正端接模板2端子(M0+)，負(fù)端接模板3端子(M0-)即可。此時(shí)模板對變送器供電。

兩線制是指現(xiàn)場變送器與控制室儀表聯(lián)系僅用兩根導(dǎo)線，這兩根線既是電源線，又是信號線。

現(xiàn)大多數(shù)傳感而器都向兩線制發(fā)展，且在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信(比如用HART協(xié)議)，四線制的多用于功率大的。傳輸?shù)木嚯x大和防爆等場合,就最好用無源的兩線制傳感器。

兩線制變送器的原理是利用了4~20mA信號為自身提供電能。如果變送器自身耗電大于4mA，那么將不可能輸出下限4mA值。因此一般要求兩線制變送器自身耗電(包括傳感器在內(nèi)的全部電路)不大于3.5mA。這是兩線制變送器的設(shè)計(jì)根本原則之一。

從整體結(jié)構(gòu)上來看，兩線制變送器由三大部分組成:傳感器、調(diào)理電路、兩線制V/I變換器構(gòu)成。傳感器將溫度、壓力等物理量轉(zhuǎn)化為電參量，調(diào)理電路將傳感器輸出的微弱或非線性的電信號進(jìn)行放大、調(diào)理、轉(zhuǎn)化為線性的電壓輸出。兩線制V/I變換電路根據(jù)信號調(diào)理電路的輸出控制總體耗電電流;同時(shí)從環(huán)路上獲得電壓并穩(wěn)壓，供調(diào)理電路和傳感器使用。 除了V/I變換電路之外，電路中每個(gè)部分都有其自身的耗電電流，兩線制變送器的核心設(shè)計(jì)思想是將所有的電流都包括在V/I變換的反饋環(huán)路內(nèi)。如圖，采樣電阻Rs串聯(lián)在電路的低端，所有的電流都將通過Rs流回到電源負(fù)極。從Rs上取到的反饋信號，包含了所有電路的耗電。

其實(shí)大家可能注意到，4-20mA電流本身就可以為變送器供電，變送器在電路中相當(dāng)于一個(gè)特殊的負(fù)載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4~20mA之間根據(jù)傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線，因而被稱為兩線制變送器。工業(yè)電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)下限為4mA，因此只要在量程范圍內(nèi)，變送器至少有4mA供電。這使得兩線制傳感器的設(shè)計(jì)成為可能。

在工業(yè)應(yīng)用中，測量點(diǎn)一般在現(xiàn)場，而顯示設(shè)備或者控制設(shè)備一般都在控制室或控制柜上。兩者之間距離可能數(shù)十至數(shù)百米。按一百米距離計(jì)算，省去2根信號傳輸導(dǎo)線意味著成本降低近百元！另外四線制變送器和三線制變送器因?qū)Ь€內(nèi)電流不對稱必須使用昂貴的屏蔽線,而兩線制變送器可使用非常便宜的的雙絞線導(dǎo)線,因此在應(yīng)用中兩線制變送器必然是首選。