电动仪表的模拟信号传输与供电方式分析

1.电动仪表的模拟信号

电的信号种类较多，主要有模拟信号、数字信号、频率信号和脉宽信号等四大类。因为模拟式仪表及装置的结构简单、历史长，目前也应用得最多，尤其是大部分变送器和执行器是模拟式的，因此在工业控制系统中，无论是远距离传输还是控制室内部各仪表间的传输，用得最多的仍然是电模拟信号。

电动仪表的模拟信号种类有直流电流、直流电压、交流电流和交流电压四种。从信号范围看，下限可以从零开始，也可以不从零开始（即有一个活零点），上限也可高可低。如何确定统一信号的种类和范围，对整套仪表的技术性和经济性有着直接的影响。下面对几种电信号进行分析比较。

（1）直流信号与交流信号比较具有的优点

1）在信号传输线中，直流不受交流感应影响，易于解决仪表的抗干扰问题。

2）直流不受传输线路的电感、电容及负载性质的影响，不存在相位移问题，使接线简化。

3）用直流信号便于进行模-数转换，统一信号采用直流信号便于现场仪表与数字控制仪表及装置配用。

4）直流信号容易获得基准电压。

因此，世界各国都以直流电流和直流电压作为统一信号。

（2）直流电流信号采用直流电流信号作为统一信号时，如果一个发送仪表的输出电流要同时输送给几个接收仪表，所有这些仪表必须串联，其连接方式如图2-1所示。

图2-1中，R_o为变送器的输出电阻，R_cm和R_i分别为连接导线的电阻和接收仪表的输入电阻，由它们组成为变送器的负载电阻。在实际使用中，导线长度和接收仪表的个数是可以在一定范围内变化的，因此负载电阻也不是定值的。由于发送仪表的输出阻抗R_o不可能无限大，负载电阻在一定范围内变化时，输出电流的变化应小于允许值，这就是所谓的“恒流性能”。

图2-1 电流信号传输时仪表之间

电流信号的传输误差可用公式表示为

式中，n为接收仪表个数。由式（2-1）可见，为保证传输误差在允许范围内，要求R_o≥R_cm+nR_i，此时有

可根据允许偏差和技术经济指标确定R_o及R_i。一般为保证信号在3～5km内传输不受影响，同时考虑到一个发送仪表的输出电流能同时送给几个接收仪表，要求它的输出电阻R_o足够大，而接收仪表如调节器等的输入电阻R_i应很小。

从上述分析可以看出，当以电流信号传输时，发送仪表的输出阻抗很高，相当于一个恒流源，当接收仪表输入电阻足够小时，传输导线长度在一定范围内变化仍能保证准确度，而小输入电阻的接收仪表具有较高的抗干扰能力。因此，直流电流信号适于远距离传输。

用电流作为传输信号时，几台接收仪表是相互串联的，这种串联方式有以下缺点：

1）一台仪表损坏或需增减接收仪表时，将影响其他仪表工作。

2）由于串联工作，所以调节器、变送器等的输出端均处于高电位工作，输出功率管容易损坏，降低了仪表的可靠性。

3）几台仪表串连工作时，由于每两台仪表相接的端子电位相同，因此在串联时需检查每台表的电路电位是否正确，这就对设计者和使用者在技术上提出了较高的要求。为使连接简单，可使各仪表浮空。若各仪表要根据需要选择自己的接地点，则需采用输入、输出端有直流隔离的电路。

（3）直流电压信号应用直流电压信号作为统一信号时，如果一个发送仪表的输出电流要同时输送给几个接收仪表，这些接收仪表应当并联，如图2-2所示。

图2-2 电压信号传输时仪表之间的连接

在并联时，由于并联仪表的输入阻抗R_i不是无限大，信号电压U_o将在发送仪表内阻R_o及导线电阻R_cm上降掉一部分ΔU，而造成信号传输误差ε，即

为减小误差，一般要满足条件，此时式（2-3）变为

由式（2-4）可知：(www.xing528.com)

1）为减小传输误差，要求发送仪表内阻R_o及导线电阻R_cm足够小。若远距离传输电压信号，则增大了的R_cm势必对接收仪表电阻R_i提出过高的要求，而输入阻抗高将易于引入干扰，因此，电压信号不适于做远距离传输的信号。

2）接收仪表输入阻抗越高，误差越小。当并联的仪表较多时，相当于总的输入阻抗减小，误差增大。因此并联的仪表越多，要求每个仪表的输入阻抗就越大。

用电压作为联络信号时，由于仪表并联，它的主要优点是：在设计安装上比较简单，增加或取消某个仪表不会影响其他仪表工作，对仪表输出级的耐压要求可以降低，从而提高仪表的可靠性。

由以上分析可见，电流信号适于远距离传输，电压信号使仪表可采用“并联制”，因此在实际应用中，考虑到电流信号传输与电压信号传输各有特点，常将两者结合，取长补短。在工业生产现场和控制室之间采用电流传输，到了控制室以后再改用电压传输到各个仪表，这样就比较合理。另外电流变为电压是十分容易的，用阻值为250Ω的电阻就可以把直流DC4～20mA变成直流DC1～5V。

2.变送器的信号传输方式——四线制和二线制

在确定了电动仪表所传输的模拟信号种类以后，采用何种传输方式来传输信号便成为了新的问题。通常，安装在现场的信号检测与变送仪表为变送器，它的气源或电源从控制室送来，而输出信号传送到控制室。气动变送器用两根气动管线分别传送气源和输出信号。通常，电动模拟式变送器采用二线制或四线制传输供电电源和输出标准信号。

电动模拟式四线制传输方式如图2-3a所示。在这种传输方式中，电源和负载电阻R_L分别与变送器相连，即供电电源与输出信号分别用两根导线传输，因而称为四线制。DDZ-Ⅱ系列仪表的变送器采用这种接线形式。由于电源与信号分别传送，因此对电流信号的零点及元器件的功耗没有严格的要求。供电电源可以是交流（220V）电源或直流（24V）电源，输出信号可以是死零点（0～10mA）或活零点（4～20mA）。

图2-3 电动模拟式变送器四线制和二线制传输

电动模拟式二线制传输方式如图2-3b所示。在这种传输方式中，电源、变送器和负载电阻R_L是串联的。二线制变送器相当于一个可变电阻，其阻值由被测参数控制。当被测参数改变时，变送器的等效电阻随之变化，因此流过负载的电流也变化。

利用二线制传输方式可大大减少装置的安装费用，有利于安全防爆等。因此，目前世界各国大都采用二线制变送器。

一台二线制变送器，必须满足如下条件：

1）变送器的正常工作电流，必须等于或小于信号电流的最小值，即

I≤I_0min （2-5）

由于电源线和信号线公用，电源供给变送器的功率是通过信号电流提供的。在变送器输出电流为下限值时，应保证它内部的半导体器件仍能正常工作。因此，信号电流的下限值不能过低。因为在变送器输出电流的下限值时，半导体器件必须有正常的静态工作点，需要由电源供给正常工作的功率，因此信号电流必须有活零点。国际统一电流信号采用DC4～20mA，为制作二线制变送器创造了条件。

2）变送器能够正常工作的电压条件为

U≤E_min-I_0max（R_Lmax+r） （2-6）

式中，U为变送器输出端电压；E_min为电源电压的最小值；I_0max为输出电流的上限值，通常为20mA；R_Lmax为变送器的最大负载电阻值；r为连接导线的电阻值。

二线制变送器必须采用直流单电源供电。所谓单电源是指以零电位为起始点的电源，而不是与零电压对称的正负电源。变送器的输出端电压U等于电源电压与输出电流在R_L及传输导线电阻r上的电压降之差。为保证变送器正常工作，输出端电压值只能在限定的范围内变化。如果负载电阻增加，电源电压就需增大；反之，电源电压可以减小。如果电源电压减小，负载电阻就需减小；反之，负载电阻可以增加。

3）变送器能够正常工作的最小有效功率为

P＜I_0min（E_min-I_0minR_Lmax） （2-7）

由于二线制变送器供电功率很小，同时负载电压随输出电流及负载阻值变化而大幅度变化，导致电路各部分工作电压大幅度变化。因此，制作二线制变送器时，要求采用低功耗集成运算放大器和设置性能良好的稳压、稳流环节。

3.电动仪表的供电方式

电动仪表都需要电源供给能量，其供电方式也是一个重要问题。现在的电动仪表大致有两种供电方式，即交流供电和直流集中供电。

1）交流供电。在各个仪表中分别引入工频220V交流电压，用变压器降压，然后进行整流、滤波及稳压作为各自的电源。早期的电动仪表系统多采用这种供电方式。其缺点是：这种供电方式需要在每块表中附加电源变压器、整流器及稳压器电路。因此增加了仪表的体积和重量，而且变压器的发热也增加了仪表的温升。同时由于220V交流电直接引入仪表中，降低了仪表的安全性。

2）直流集中供电。直流集中供电是各个仪表统一由直流低电压电源箱供电。工频220V交流电压在电源箱中进行变压、整流、滤波以及稳压后供给各仪表。集中供电的优点如下：

①每块表省去了电源变压器、整流及稳压部分，从而缩小了仪表的体积，减轻了仪表的重量，减少了发热元部件，使仪表温升降低。

②由于采用直流低电压集中供电，可以采用防停电措施。所以当工业用220V交流电断电时，能直接投入直流低电压（如24V）备用电源，从而构成不间断装置。

③没有工业用220V交流电进入仪表，为仪表的防爆提供了有利条件。