回路供电技术及其应用_回路供电_

回路供电技术及其应用

2009/5/8 0:00:00

摘要：介绍了回路供电技术的原理以及它在变送器、显示器和信号隔离器、信号报警器等仪表中的应用，并分析了它们的特点和优点。文中对国外的发展水平也作了一些介绍。

关键词：回路供电二线制变送器信号隔离器无源显示器报警器

一、概述
在过程控制系统中仪表的测量和控制信号的传送除采用各种现场总线方式外，大部分仪表都采用模拟方式进行传送，通常采用4～20mA标准信号，也有少数仪表采用1～5mA或10～50mA标准信号。在温度、压力、液位以及PH值等的测量中，普遍使用的二线制变送器，它在输出4～20mA测量信号的二根导线上，同时向变送器供给24V电源，其应用的就是回路供电技术。
回路供电技术不仅在变送器中应用，而且也在显示器和信号隔离器等仪表中应用。由于回路供电技术具有很多优点，国外很多仪表公司发展了许多新产品。特别是近年来，微功耗集成电路的飞速发展促进了回路供电技术的发展。本文重点介绍应用该技术拓展的一些新产品及其应用。

二、什么叫回路供电（Loop powered）仪表

有电子线路构成的仪表都需要供给直流电源，许多仪表采用外部电源供电，如果用交流供电，仪表中则需要增加交直流转换电路，因此仪表的电源供给回路和信号输出或输入回路往往是分开的。而在过程控制系统中，有些仪表通过它的信号输出或输入回路向仪表供给电源，这类仪表我们称之谓回路供电仪表，也有的称它为二线制仪表。
图1是采用24V供电的变送器，变送器的输出电流4～20mA也通过供电线传送。4～20mA是测量值的变化范围，也就是说4mA 是零点，20mA是满度。如果这是一个测量范围为0～100℃的温度变送器，那么4mA表示测量对象是在0℃，而20mA时表示测量对象的温度为100℃。

有人会问为什么要使用4～20mA信号传送，而不使用0～20mA信号传送呢？事实上变送器中的电子线路需要耗电，0mA无法使变送器工作，而4mA就是为了向仪表提供电能，保证变送器内的电子线路的正常工作。用4mA是根据当时的半导体集成电路的微功耗水平而制定的。

三、回路供电仪表的优点

1. 仪表的功耗低，都是毫瓦级的

2. 可以长距离传送信号，而不影响精度

3. 由于仪表的功耗小，电路的发热也低，因此仪表内部温升小。温升小使得仪表输出信号的温度飘移也小，从而提高了测量精度。

4. 由于采用二线制，所以布线成本、安装和维护成本都有所降低。

5. 由于采用4～20mA电流传送信号，所以抗干扰性能好。

6. 很多电子仪表的外壳要考虑散热设计，往往需要开出气孔，由于二线制仪表功耗低，所以壳体对发热的影响可以忽略不计，因此很容易设计各种高防护等级的密封外壳。如果采用－40℃～+85℃工业级电子元器件设计的现场仪表就很适合野外安装。

四、回路供电技术在显示器中的应用

4～20mA回路供电显示器与传统的指针式电流测量表头很相似，如图2所示。图2（a）为指针式表头，图2（b）为数字式表头，两者4～20mA电流都是从“+”端输入，从“－”端输出。早期变送器如罗斯蒙特1151压力变送器，现场显示都采用指针式表头，通常用百分比刻度表示4～20mA。它的优点是表的功耗小，缺点是怕振动，百分比读值不直观。有了回路供电数字显示器以后，能很直观地显示测量值的大小，不必通过用百分比来换算，量程可以编程设置，使用十分方便。

1. 回路供电显示器工作原理

回路供电显示器（Loop Powered Indicator）也有人称之谓无源显示器，显示器内部没有电源供电单元，显示器内部电子线路的供电来自显示器输入的4～20mA被测量的信号电流。通常它的起始工作电流在3.5mA以下，当然这个电流越低越好。它的简单工作原理如图3所示。

它由稳压管D1，采样电阻Rin，测量显示控制电路和LED/LCD显示器件组成。由于测量、显示控制电路需要电源，这里电源就取自稳压管D1的两端，稳压管的静态功耗要小，通常选用几十微安大小，让流过稳压管的电流大部分旁路给测量、显示控制电路。为保证它足够的电源供给应采用静态电流小的稳压管，如LM431L等基准电压参考源比较符合要求，这些基准电压参考源可以调整输出电压的大小。信号的测量是通过Rin上的电流大小转变为电压供电子线路测量的，该电阻通常在10Ω左右。由于测量端Rin上的电压是负值，所以测量控制电路中应该包含负电源发生电路，保证放大器能测量负信号。测量、显示控制电路可以是用7126、7107等电路，也可以采用SOC大规模系统级处理器芯片。

回路供电显示器的一个重要指标是输入电压降Vd (Input voltage drop),它代表该表功耗的大小，Vd越小就越难实现，LED显示器的压降要比LCD显示器大许多倍。表一例举了部分国内外有关公司的产品性能。在LED显示器中，由上海模数仪表有限公司（SADI）生产的LDM-30-4/20回路供电显示器Vd最低能达2.5V，而德国KNICK公司830LCD显示器最低为0.5V，已达到国际先进水平。

Vd的大小可以用下式表示：

Vd＝VD+I×Rin

VD…..稳压管的压降

I…..回路电流（4～20mA）