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变送器原理以及应用
  详细介绍
传感器输出的模拟信号转变为标准信号就成为了变送器。变送器根据具体工作原理可分为:电阻式、电感式、电容式、电涡流式、磁电式、压电式、光电式、磁弹性式、振频式等.

变送器,TA-BT1-A型称重变送器,重量变送器
变送器原理及应用

工业上普遍需要测量各类电量与非电物理量,例如电流(AD)、电压(VD)、功率(WD)、频率(FD)、温度(TT)、重量(LD)、位置(PT)、压力、转速(RT)、角度等,都需要转换成可接收的直流模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。这种将被测物理量转换成可传输直流电信号的设备称为变送器。

工业上通常分为电量变送器(常见型号如:GP/FP系列、S3/N3系列、STM3系列等)和非电量变送器。

变送器的传统输出直流电信号有0-5V、0-10V、1-5V、0-20mA、4-20mA等,目前最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。
采用电流信号的原因是不容易受干扰。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。上限取20mA是因为防爆的要求:20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线:正常工作时不会低于4mA,当传输线因故障断路,环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。
电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出,必然要有外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线,加上两根电流输出线,总共要接4根线,称之为四线制变送器。当然,电流输出可以与电源公用一根线(公用VCC或者GND),可节省一根线,称之为三线制变送器。

其实大家可能注意到, 4-20mA电流本身就可以为变送器供电,如图1C所示。

变送器在电路中相当于一个特殊的负载,特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。显示仪表只需要串在电路中即可。这种变送器只需外接2根线,因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA,因此只要在量程范围内,变送器至少有4mA供电。这使得两线制传感器的设计成为可能。

在工业应用中,测量点一般在现场,而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。两者之间距离可能数十至数百米。按一百米距离计算,省去2根导线意味着成本降低近百元!因此在实际使用中两线制传感器得到越来越多的应用。


变送器的性能辨别
生产资料市场化以后,加剧激烈的竞争,真假优劣难辨,又因变送器是边缘学科,很多工程设计人员对此较陌生,有些厂家产品工业级别和民用商用级别指标混淆(工业级的价格是民用商用级的2-3倍)。
笔者试以常用的0.5级精度的电流电压变送器为例,从以下方法着手来辨别真假优劣。
(1)基准要稳,4mA是对应的输入零位基准,基准不稳,谈何精度线性度,冷开机3分锺内4mA的零位漂移变化不超过4.000mA0.5%以内;(即3.98-4.02mA),负载250Ω上的压降为0.995-1.005V,国外IC心片多用昂贵的能隙基准,温漂系数每度变化10ppm;
(2)内电路总计消耗电流<4mA,加整定后等于4.000mA,而且有源整流滤波放大恒流电路不因原边输入变化而消耗电流也随之变化,国外IC心片采用恒流供电;
(3)当工作电压24.000V时,满量程20.000mA时,满量程20.000mA的读数不会因负载0-700Ω变化而变化;变化不超过20.000mA0.5%以内;
(4)当满量程20.000mA时,负载250Ω时,满量程20.000mA的读数不会因工作电压15.000V-30.000V变化而变化;变化不超过20.000mA0.5%以内;
(5)当原边过载时,输出电流不超过25.000mA+10%以内,否则PLC/DCS内供变送器用的24V工作电源和A/D输入箝位电路因功耗过大而损坏,另外变送器内的设备随输出功耗过大而损坏,无A/D输入箝位电路的更遭殃;
(6)当工作电压24V接反时不得损坏变送器,必须有极性保护;
(7)当两线之间因感应雷及感应浪涌电压超过24V时要箝位,不得损坏变送器;一般在两线之间并联1-2只TVS瞬态保护二极管 1.5KE可抑制每20秒间隔一次的20毫秒脉宽的正反脉冲的冲击,瞬态承受冲击功率1.5KW-3KW;
(8)产品标示的线性度0.5%是绝对误差还是相对误差,可以按以下方法来辨别方可一目了然:符合下述指标是真的线性度0.5%.
原边输入为零时输出4mA正负0.5%
原边输入10%时输出5.6mA正负0.5%(5.572-5.628mA)负载250欧姆上的压降为1.393-1.407V
原边输入25%时输出8mA正负0.5%(7.96-8.04mA)负载250Ω上的压降为1.990-2.010V
原边输入50%时输出12mA正负0.5%(11.94-12.06mA)负载250Ω上的压降为2.985-3.015V
原边输入75%时输出16mA正负0.5%(15.92-16.08mA)负载250Ω上的压降为3.980-4.020V
原边输100%时输出20mA正负0.5%(19.90-20.10mA)负载250Ω上的压降为4.975-5.025V
(9)原边输入过载时必须限流:原边输入过载大于125%时输出过流限制25mA+10%(25.00-27.50mA)负载250Ω上的压降为6.250-6.875V;
(10)感应浪涌电压超过24V时有无箝位的辨别:在两线输出端口并一个交流50V指针式表头,用交流50V接两根线去瞬间碰一下两线输出端口,看有无箝位,箝位多少伏可一目了然啦;
(11)有无极性保护的辨别:用指针式万用表Ω乘10K档正反测量两线输出端口,总有一次Ω阻值无限大,就有极性保护;
(12)有无极输出电流长时间短路保护:原边输入100%时或过载大于125%-200%时,将负载250Ω短路,测量短路保护限制是否在25mA+10%;
(13)工业级别和民用商用级别的辨别:工业级别工作温度范围是-25度到+70度,温漂系数是每度变化100ppm,即温度每度变化1度,精度变化为万分之一;民用商用级别工作温度范围是0度(或-10度)到+70度(或+50度),温漂系数是每度变化250ppm,即温度每度变化1度,精度变化为万分之二点五;电流电压变送器的温漂系数可以用恒温箱或高低温箱来试验验证较繁琐。
上述13种方法同样可用与其它变送器真假优劣的辨别。




变送器的技术指标
1.精度:优于0.5% ;
2.非线性失真:优于 0.5%;
3.额定工作电压:+24V±20% ,极限工作电压:≤35V ;
4.电源功耗:静态4mA,动态时相等与环路电流,内部限制25mA+10%;
5.额定输入:5A ......1KA(38个规格);
6.穿孔穿芯圆孔直径:8、9、12、20、25、30mm;
7.输出形式:两线制DC4~20mA;
8.输出电流温漂系数:≤50ppm/℃;
9.响应时间:≤ 100mS;
10.输入/输出绝缘隔离强度:>AC3000V、1min、1mA;
11.输出负载电阻:RL=V+-10V/0.02 (Ω );
    注:(1)标准V+24V时负载阻抗为700Ω;
        (2)RL=250Ω 转换1~5V的电阻 + 两根传输线路总铜阻。
12.输入过载保护:30倍1min;
13.输出过流限制保护:内部限制25mA+10%;
    注:(1)国际标准输出过流限制保护:内部限制25mA+10%;
         (2)可按客户要求定制:内部限制22mA+10%,24mA+10% 。
14.两线端口瞬态感应雷与浪涌电流TVS抑制保护能力:TVS抑制冲击电流35A/20ms/1.5KW;
15.两线端口设置有+24V电源反接保护;
16.输出电流设置有长时间短路保护限制;内部限制25mA+10%;
17.工作环境: -40℃-80℃,10%-90%RH;
18.贮存温度: -50℃-85℃;
19.执行标准:GB/T13850-1998;




举例说明某品牌工业级别的0.5级精度的电流变送器主要特点
1.专为电力自动化50/60Hz交流电流测量而设计的真有效值两线制变送器;
2.采用单匝穿孔穿芯式结构,将电流互感器和电流变送器两部分组合为一体化设计;
3.具有6大全面保护功能:
(1)、输入过载保护;
(2)、输出过流限制保护;
(3)、输出电流长时间短路保护;
(4)、两线制端口瞬态感应雷与浪涌电流TVS抑制保护;
(5)、工作电源过压极限保护≤35V;
(6)、工作电源反接保护。
4.两线制输出接线是当前模拟量串口中最先进的输出方式,具有6大优点;
(1)、不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响,可用非常便宜的更细的双绞线导线;
(2)、在电流源输出电阻足够大时,经磁场耦合感应到导线环路内的电压,不会产生显著影响,因为干扰源引起的电流极小,一般情况利用双绞线就能降低干扰;
(3)、电容性干扰会导致接收器电阻有关误差,对于4-20mA两线制环路,接收器电阻通常为250Ω(取样Uout=1~5V)这个电阻小到不足以产生显著误差,因此,可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远;
(4)、各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接,不因电线长度的不等造成精度的差异;
(5)、将4mA用于零电平,使判断输送线开路或传感器损坏(0mA状态)十分方便。
(6),在两线输出口容易增设防浪涌,防雷器件,有利于安全防雷防爆。
5.原副边高度绝缘隔离;
6.高可靠性,高稳定性,高性价比;
7.特别适用发电机、电动机、低压配电柜、空调、风机、路灯等负载电流的智能监控系统。
8.超低功耗,单只静态时0.096W,满量程功耗为0.48W,输出电流内部限制功耗为0.6W。


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