|
兩線(xiàn)制智能儀表以其應用簡(jiǎn)單，成本低廉的特點(diǎn)大量地應用于壓力、溫度等過(guò)程參數檢測的一次儀表中。然而兩線(xiàn)制回路需要同時(shí)傳輸能量和高精度信號，這就使得信號的隔離變得非常困難。本文介紹了兩線(xiàn)制回路的基本工作方式。并以此為基礎分析了現有無(wú)源電流信號隔離器在兩線(xiàn)制信號隔離電路中的不足，進(jìn)而介紹了傳輸精度更高的基于TS107L-F-2兩線(xiàn)制隔離轉換器的信號隔離方案及其配電擴展方案。最后針對智能儀表的通信要求介紹了TS107HL-F-2在兩線(xiàn)制回路中的Hart信號隔離傳輸方案。 1、兩線(xiàn)制信號傳輸的基本方式 圖1 兩線(xiàn)制典型應用框圖 兩線(xiàn)制信號傳輸方式的典型電路如圖1所示。在信號檢測端主要包括傳感器和二線(xiàn)制轉換器兩部分組成。在信號接收端包括兩線(xiàn)制回路供電電源VL和電流檢測電路組成。一般電流檢測電路由精密電阻RL將電流信號轉換成電壓信號再通過(guò)AD轉換傳送到控制系統中。 兩線(xiàn)制轉換器的功能是將兩線(xiàn)制回路的電壓Vin轉換成傳感器的供電電壓Vcc，同時(shí)根據傳感器的輸入信號Sin控制兩線(xiàn)制回路Vin的負載電流Is。這里Is就是兩線(xiàn)制電路傳輸的4~20mA電流信號。 在兩線(xiàn)制回路中，只有唯一的電壓源VL，負載分別為Vin和VRL。由于電流檢測電阻流過(guò)電流信號Is，因此在電阻不變的情況下電壓VRL由Is決定。根據基爾霍夫電壓定律，兩線(xiàn)制接口的電壓Vin應當是隨著(zhù)VRL的變化而變化的，并且滿(mǎn)足以下等式（1）： Vin=VL-VRL（不考慮線(xiàn)路阻抗的壓降） （1） 由于Is由電路信號決定，因此Vin決定了二線(xiàn)制轉換器的輸入能量，進(jìn)而也決定了二線(xiàn)制轉換器Vcc的最大輸出能量。 2、兩線(xiàn)制應用的常規隔離方案 在一次儀表現場(chǎng)過(guò)程信號檢測的應用中，信號檢測端和信號收集端需要通過(guò)較長(cháng)的信號傳輸線(xiàn)傳輸信號。由于一次儀表多為金屬外殼，使用時(shí)需要接地處理，因此信號傳輸線(xiàn)也會(huì )通過(guò)兩線(xiàn)制接口和大地相連。這時(shí)的信號傳輸線(xiàn)就像是一根接地天線(xiàn)，可以有效地接收各種電磁波信號。同時(shí)各種累積到傳輸線(xiàn)的電荷均會(huì )通過(guò)兩線(xiàn)制接口導入大地，這會(huì )對兩線(xiàn)制電路的信號傳輸帶來(lái)極大的干擾。 為了抑制信號傳輸線(xiàn)接地對信號的干擾，實(shí)際應用中一般需要將信號傳輸線(xiàn)連入傳感器之前先進(jìn)行隔離處理。常規的解決方案如圖2所示，在兩線(xiàn)制回路和二線(xiàn)制轉換器中間加一個(gè)無(wú)源的電流信號隔離器即可實(shí)現信號的隔離傳輸。圖中使用的無(wú)源電流信號隔離器是金升陽(yáng)的T1100L-F。 圖2 現有兩線(xiàn)制回路隔離方案 T1100L-F可以在不需要外界供電的情況下將4~20mA的電流信號等比隔離傳輸。能量的輸入端電壓最高達到30V時(shí)，輸出端可以實(shí)現最高25V電壓以及信號電流的輸出，有效的實(shí)現了信號和能量的隔離傳輸。該方案使用簡(jiǎn)單，適用于各種需要4~20mA電流信號隔離的場(chǎng)合，但是依然存在不足，主要包括以下兩點(diǎn)： 1）信號傳輸精度低 由于同時(shí)隔離傳輸電流和能量，無(wú)源信號隔離器的信號傳輸精度一般在0.3%以下。 2）存在回路壓降 無(wú)源電流信號隔離器的電流等比傳輸，自身電路工作的能量來(lái)自于電流信號的輸入輸出電壓差，即兩線(xiàn)制回路壓降。T1100L-F的電壓差最大為5V，這時(shí)上述等式（1）就增加了一個(gè)隔離器的電壓降，如下述等式（2）： Vin=VL-VRL-5V（不考慮線(xiàn)路阻抗的壓降） （2） 由于Vin決定了二線(xiàn)制轉換器的輸出能量，因此Vin的降低意味著(zhù)二線(xiàn)制轉換器的配電功率降低。一般集成了兩線(xiàn)制轉換器的兩線(xiàn)制傳感器會(huì )有最小輸入電壓要求，Vin的降低也容易導致兩線(xiàn)制傳感器供電電壓不足。 3、基于TS107L-F-2的兩線(xiàn)制信號隔離方案 為了進(jìn)一步提高兩線(xiàn)制信號隔離傳輸電路的信號傳輸精度，同時(shí)簡(jiǎn)化兩線(xiàn)制接口電路，可以采用集成二線(xiàn)制轉換器和信號隔離電路的TS107L-F-2。 圖3 TS107L-F-2兩線(xiàn)制信號隔離方案 TS107L-F-2是金升陽(yáng)專(zhuān)為兩線(xiàn)制信號傳輸電路設計的兩線(xiàn)制隔離轉換器，主要的性能參數如下表： 和采用無(wú)源電流信號隔離器的兩線(xiàn)制隔離方案相比，TS107L-F-2的信號傳輸精度高，回路壓降低，同時(shí)26*9.5*12.5mm的小體積為兩線(xiàn)制傳感器的設計留出了更加廣闊的空間。 由于兩線(xiàn)制回路供電的能量有限，在傳感器檢測電路的設計中應當盡量選擇功耗低的元器件。如果采用低功耗的元器件時(shí)TS107L-F-2依然不能滿(mǎn)足供電要求，可以采用增加HK電源模塊的方式提高兩線(xiàn)制回路的供電能力。具體的連接方案入圖4所示。 圖4 HK電源擴展方案 由于TS107L-F-2的最低輸入電壓只有10V，遠低于一般兩線(xiàn)制回路能夠提供的電壓，因此在兩線(xiàn)制回路中還可以串聯(lián)一個(gè)乃至多個(gè)HK電源。HK5S03B的輸入電壓為5V，這時(shí)兩個(gè)模塊的回路壓降為15V，電源輸出端則有了兩個(gè)電源端Vcc1和Vcc2。通過(guò)用Vcc1和Vcc2給傳感器的不同電路供電，就可以有效的解決兩線(xiàn)制回路配電電源功率不足的問(wèn)題。根據配電功率和電壓要求的不同，可以選擇以下不同的HK電源給兩線(xiàn)制傳感器提供額外的電源。 以上輸出電流能力是輸入端電流為4mA時(shí)的值，如果輸入電流減小，輸出電流能力也會(huì )相應降低，因此使用時(shí)應當注意兩線(xiàn)制回路電流小于4mA時(shí)對配電輸出電流的影響。 4、兩線(xiàn)制應用的Hart通信隔離方案 在智能儀表中，除了要傳輸4~20mA的模擬量信號，還要求具備Hart通信功能。這時(shí)可以采用TS107L-F-2的Hart版TS107HL-F-2。和TS107L-F-2的主要區別在于，TS107HL-F-2多了一路Hart信號隔離傳輸接口，如圖5所示。由于TS107HL-F-2本身具備電壓信號轉4~20mA電流信號的功能，類(lèi)似于ADI的AD5421，因此只要采用AD5700在電壓信號輸入端耦合進(jìn)Hart信號就可以實(shí)現Hart信號的發(fā)送。Hart信號的返回則通過(guò)TS107HL-F-2的自帶Hart信號隔離接口實(shí)現信號的回傳。 另外，為了有效的實(shí)現Hart信號的隔離傳輸，TS107HL-F-2的模擬輸入信號變成了0.4V~2V。 圖5 帶Hart通信功能的兩線(xiàn)制應用方案 5、總結 在一次儀表端的兩線(xiàn)制信號隔離方案中，采用無(wú)源電流信號隔離器T1100L-F，可以在不改變兩線(xiàn)制轉換電路的情況下實(shí)現電氣隔離，適合現有兩線(xiàn)制儀表的升級。采用集成二線(xiàn)制轉換器和信號隔離電路的TS107L-F-2產(chǎn)品，可以簡(jiǎn)化兩線(xiàn)制接口電路并滿(mǎn)足高精度的兩線(xiàn)制信號傳輸，配合HK電源還可以提高兩線(xiàn)制儀表的電源功率，滿(mǎn)足不同配電功率的要求。在需要Hart通信功能的智能儀表行業(yè)，可以選用同時(shí)隔離傳輸模擬信號和Hart信號的TS107HL-F-2。 原文鏈接：http://www.mornsun.cn/news/NewDetail.aspx?id=232 |
