高精度4-20 mA电流回路变送器设计

jupitars · 发表于 2021-6-2 09:26:01

[paragraph]对于工业过程控制仪器，4-20 mA 电流回路被广泛用于维持适当的电流，直至系统的最大电压能力。电流回路的主要特性包括尽管互连线路中的电压下降，但仍能保持信号的准确性，以及为设备提供工作电源的能力。
此参考设计展示了如何开发适用于工业过程控制和智能传感器的高性能、高电压 2 线或 3 线 4–20mA 电流回路变送器。提供错误分析和过热特性数据以及硬件设计和软件。

4-20mA 电流回路已广泛用作工业应用中的模拟通信接口。它有助于将数据从远程传感器通过双绞线传输到控制中心的可编程逻辑控制器 (PLC)。简单、可靠的长距离数据传输、良好的抗噪性和低实施成本使该接口非常适合长期工业过程控制和远程对象的自动监控。
不出所料，工业就像今天的所有电子应用一样不断发展。它有更严格的要求。对更高的精度、更低的功率、在 -40°C 至 +105°C 工业温度范围内的可靠运行、增加的安全性和系统保护以及数字高速公路可寻址远程传感器 (HART®) 协议的实施提出了新的要求。总的来说，这些要求使得当今 4-20mA 电流回路的设计极具挑战性。
*操作原理和关键设计参数*
我们首先关注新的参考设计。图 1 中的框图显示了高性能、低功耗、4-20mA 电流环路发送器，它减少了组件数量并在性价比方面获得了最佳结果。

该参考设计使用低功耗、高性能组件，在 25°C 时提供低于 0.01% 的电流，在业界要求最严苛的 4–20mA 电流环路的温度范围内提供低于 0.05% 的电流。该设计采用低功耗 16 位 DAC (U1) MAX5216；MAX9620，零漂移轨到轨输入/输出(RRIO)，高精度运算放大器(U2)；MAX6133，参考电压（U3）；和 MAX15007，一个 40V 低静态电流 LDO (U4)。
U3 电压基准为 U1 提供低噪声、5ppm/°C（最大值）的低温漂移和精确的 2.500V。智能传感器微控制器通过 3 线 SPI 总线命令 U1。U1 输出由 Q1 功率 MOSFET、10Ω (±0.1%) 检测电阻器 (RSENSE) 和 U2 分压并转换为环路电流。U1、U2 和 U3 设备由 U4 供电，U4 直接从回路供电。有一个由 Q2、一个 BJT 晶体管和一个检测电阻器 (R6) 组成的限流电路。该电路将回路电流限制在大约 30mA，从而防止失控情况和对 PLC 侧 ADC 的任何损坏。肖特基二极管 (D1) 保护发射器免受反向电流的影响。
误差分析和性能优化
如果智能传感器消耗的电流超过 3.4mA，则它不能用作回路供电 2 线制变送器的一部分。例如，当微控制器或 ADC 消耗超过 3mA 的电流或当传感元件需要更高的电源电流以增加其动态范围和/或分辨率时，就会发生这种情况。在这种情况下，额外的电流必须流过额外的第三根导线。这种称为 3 线制变送器的配置可以修改，如图 2 所示。这种设计使其成为通用的 2 线制或 3 线制智能传感器变送器。

图 2 中的 U5 运算放大器和 Q3 缓冲器检测虚拟接地，持续保持智能传感器的公共点，并将其保持在 U4 输出的恒定电压。U5 运算放大器必须能够接受 12V 的最大电源电压，并且 PLC RLOAD/检测电阻值高达 250Ω。C8 和 R8 负反馈网络可稳定环路电流并确保所有正常预期负载条件下的稳定性。