二线制传感器接法，两线制传感器原理图

1. 了解两线传感器行业，通常涉及测量各种非电物理量，如温度、压力、速度、角度等，在发送到控制设备之前必须将其转换为模拟电信号。 有。数百米外的房间和显示设备。将这种物理量转换成电信号的装置称为发射器。业界应用最广泛的是使用4-20mA的电流来传输模拟量。使用电流信号的原因是它们不易受到干扰。而且，电流源的内阻是无穷大，因此环路中串联的布线电阻不会影响精度，典型的双绞线可以传输数百米。 20mA限制是出于防爆要求；切换20mA电流产生的火花能量不足以点燃气体。下限值不设置为0mA的原因是为了检测断线，正常运行时不会低于4mA，但如果传输线因事故断线，则环路电流将变为0。常用2mA作为断线报警值。电流源振荡器将物理量转换为4 至20 mA 的电流输出，必须由外部电源驱动。最典型的是，发射器需要四根线，两根电源线和两根电流输出线，称为四线发射器。当然，电流输出可以与电源共用一根线（共用VCC或GND），这样就节省了一根线，称为3线发送器。事实上，您可能已经注意到，4-20mA 的电流本身就可以为发射器供电，如图1C 所示。变送器对应电路中的特殊负载，其功耗根据传感器输出的不同在4至20mA之间变化。显示仪表只需串联在电路中即可。这种类型的变送器仅需要两根外部导线，因此称为两线制变送器。工业电流环的标准下限为4mA，因此只要在测量范围内，变送器将至少接收4mA 的功率。这允许两线传感器设计。在工业应用中，测量点通常位于现场，显示或控制设备通常位于控制室或控制柜中。它们之间的距离可以从几十米到几百米。按100米距离计算，不再需要两根电线，节省成本近百元。因此，2 线传感器应该是您应用的首选。

2. 2 线制变送器的结构和原理2 线制变送器的原理是利用4-20mA 信号供电。如果变送器本身的电流消耗超过4mA，则无法输出4mA的下限。因此，2线制变送器本身（包括传感器在内的所有电路）的功耗一般要求在3.5mA以下。这是两线制变送器的基本设计原则之一。从整体结构来看，两线制变送器由传感器、调节电路和两线制V/I转换器三部分组成。传感器将温度或压力等物理量转换为电参数，调理电路将传感器输出的微弱或非线性电信号放大、调理并转换为线性电压输出。两线制V/I 转换电路根据信号调理电路的输出来控制总体电流消耗，同时还从环路获取电压并使其稳定，以供调理电路和传感器使用。除了V/I 转换电路外，电路的每个部分都有自己的电流消耗，两线制变送器的中心设计理念是将所有电流包含在V/I 转换反馈环路中。如图所示，采样电阻Rs串联在电路的底端，所有电流都经过Rs返回电源负极。从Rs获得的反馈信号包括所有电路的功耗。在2线制发射机中，所有电路的总功耗不能超过3.5mA，因此电路的低功耗是主要的设计挑战。下面，我们将一一分析该电路各部分的原理和设计要点。

3. 2 线V/I 转换器V/I 转换器是一种可以使用电压信号控制输出电流的电路。 2线V/I转换器与典型V/I转换电路的区别在于，电压信号并不直接控制输出电流，而是控制整个电路本身的电流消耗。同时，必须从电流环路中提取稳定的电压来为调节电路和传感器供电。附图是2线V/I转换电路的基本原理图。

图中，OP1、Q1、R1、R2、Rs构成V/I转换器。分析负反馈过程。如果由于某种原因A点高于0V，运放OP1的输出增加，Re两端的电压增加，流过Re的电流增加。这意味着整体功耗增加，通过采样电阻Rs的电流也增加，B点电压变低（负值更大）。结果，A点的电压通过R2被拉低。相反，如果A点由于某种原因变得低于0V，则由于负反馈，它会回到0V。换句话说，由于负反馈，运放OP1实际上短路，A点电压变为0V。我们来分析一下Vo对总功耗的控制原理。如果调节电路的输出电压为Vo，则电流流过R1。 I1=Vo/R1 运放的输入端不能吸收任何电流，所有I1 流过R1。 R2，则B 点电压VB=-I1*R2=-Vo*R2/R1 如果R1=R2，则-Vo 处负电源与整个马桶电路之间只有两个电阻Rs 和R2。所有电流都流经Rs 和R2。 R2的顶端为虚地（0V），Rs的顶端为GND。因此，R2 和Rs 两端的电压完全相同，并且都等于VB。这相当于Rs和R2并联作为电流采样电阻。因此，电路中的总电流为Is=Vo/(Rs//R2)R2Rs，则Is=Vo/Rs 因此，图3中，Rs=100。 2V的情况下，总消耗电流为420mA，即使不满足R2Rs也没有问题，Rs和R2并联（Rs//R2）是固定值，Is和Vo有线性关系关系。误差比例系数可以在校准时去除。电路要正常工作，除了电路正确外，还需要两个条件。一是消耗尽可能少的功率，二是将节省下来的电流提供给调节电路和发射器。其次，运算放大器必须采用单电源供电。这意味着即使没有负电源，输入端子也会接受0V输入并正常工作。 LM358/324 是最常见、最便宜的单电源运算放大器，每个运算放大器消耗400uA 的电流，这通常是可以接受的。单电源工作时，输入端在-0.3V至Vcc -1.5V范围内正常工作。如果改用OP07 等精密放大器，该电路将无法工作，因为输入无法降至0V。 R5和U1构成参考电源并产生2.5V的稳定参考电压。 LM385 是一款低成本微功耗基准，可在超过20uA 的电流下运行。手册中给出的曲线在100uA左右最为平坦，因此通过R5将电流调节至100uA左右。 OP2 形成同向放大器，用于放大基准电压并为调节电路和传感器供电。具有宽输入电压和低功耗的稳压器很少见且昂贵，因此使用参考放大器作为稳压电源是一种廉价的解决方案。这部分电路也可以选择现成的集成电路。例如，XTR115/116/105比国产的具有更好的精度和稳定性，并且消耗更少的功率（换句话说，可以在调理电路中留下更多的电流，使调理部分的设计更容易）。但成本比上述方案高出10倍以上。

4、两线制压力变送器设计压力电桥和称重传感器的输出信号较弱，均为mV级信号。这种类型的小信号通常需要使用差分放大器进行第一级放大。一般选择低失调和低温度漂移的差分放大器。此外，2 线应用需要低功耗。 AD623是常用的低功耗精密差分放大器，常用于差分输出前置放大。 AD623的最大偏移为200uV，温度漂移为1uV/度，确保典型压力传输应用有足够的精度。通过将R0上的0.4V叠加到AD623的REF端子（引脚5），当压力=0时将R0调整为4mA输出，并将RG输出调整为20.00mA来完成校准。设计电路时，请记住，压力桥传感器代表数千欧姆的电阻，通常会消耗大量功率。适当降低压力桥的激励电压可以减少电流消耗。然而，输出幅度也会降低，因此您需要增加AD623的增益。图6所示的传感器采用恒压电源，在实际应用中，大多数半导体压力传感器都需要恒流电源来获得更好的温度特性，图6所示的传感器采用恒流电源，可以形成和提供激励。

5、稳定性和安全性考虑由于工业环境的恶劣环境和高可靠性要求，两线制变送器的设计必须考虑一定的保护和稳定性措施。 1、电源保护。电源反接、过压和浪涌是业界常见的电源问题。安装和接线设备时最常见的错误是将电源接反，但在输入端口连接一个二极管可以防止电源接反时损坏电路。如果在输入端添加全桥整流器，即使电源反向，它也能正常工作。为了防止雷击、静电、浪涌等能量对发射机造成损坏，可以在发射机入口处安装TVS管，吸收瞬间过电压的能量。一般情况下，TVS电压值应略低于运放的限压，以起到保护作用。如果有雷击的可能，TVS的吸收能力可能不足，还需要压敏电阻，但由于压敏电阻本身漏电，会出现一定的误差。 2.过流保护。在使用设备时，可能会出现传感器断线、短路等错误。或者，由于输入量本身超出范围的可能性非常高，因此除非在发射器侧注意防止输出在任何情况下无限增加，否则发射器本身、电源和远程显示器都将被损坏.有这样的可能性。图中，Rb和Z1构成过流保护电路。无论何种原因导致OP1的输出超过6.2V（1N4735为6.2V稳压管），OP1被Z1钳位，Q1的基极不能超过6.2V。因此，Re上的电压不能超过6.2-0.6=5.6V，总电流不能超过Ue/Re=5.6V/200=28mA。 3、电压适应范围宽。一般来说，两线制变送器可以适应大范围的电压变化而不影响精度。可适用于各种电源，可承受大负载电阻。电源中最敏感的部分是基准电源，也是决定精度的主要元件。在三楼的图中，基准电流受到R5的限制，随着电源电压的变化，R5中的电流也会发生变化，这对基准的稳定性有很大的影响。附图中，采用恒流源LM334为基准供电，即使电压发生较大变化，电流也基本保持不变，保证了基准的稳定性。 4. 去耦电容在典型的电路设计中，每个集成电路的电源端都有一个去耦电容。当两线制发射器通电时，这些电容器的充电会产生瞬时高电流，可能会损坏远程设备。因此，每个去耦电容通常不应超过10nF，总去耦电容不应超过50nF。在入口处需要一个10nF的电容，以防止电路在长期感性负载下产生振荡。

5. 2线V/I转换器（附图）