航晶微電子AN2501遠(yuǎn)程4-20mA電流環(huán)變送器的應(yīng)用

概 述

信號在長傳輸線上傳遞時(shí)主要會面臨兩方面的干擾，一是來自系統(tǒng)外的干擾比如空間電磁波耦含干擾，二是來自內(nèi)部的干擾比如傳輸線上的阻抗損耗。因此當(dāng)前行業(yè)內(nèi)都將4-20mA電流環(huán)作為一種廣泛應(yīng)用于信息采集系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)中的信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)，電流信號能夠克服電壓信號傳輸中的噪聲干擾、傳輸線路阻抗導(dǎo)致的電壓降以及現(xiàn)場儀表放大器的供電等問題，因此抗干擾能力強(qiáng)的電流信號及具有內(nèi)阻無窮大的電流源特性使得電流傳輸方式成為信號長線傳輸應(yīng)用領(lǐng)域中的最佳選擇。

電流環(huán)電路分為兩線制和三線制兩種基本配置，在兩線制系統(tǒng)中，傳感器和變送器位于現(xiàn)場，由于現(xiàn)場供電困難的原因，一般是接收端利用兩線制的電流環(huán)電路向遠(yuǎn)端的現(xiàn)場電流輸出模塊供電，通過供電回路上的電流大小來反映信號的大小，因此兩線制電流環(huán)的應(yīng)用中對于供電的穩(wěn)定性要求較高，供電電源的不穩(wěn)定可能會帶來新的干擾信號。在三線制系統(tǒng)中，額外的一條線用于向現(xiàn)場的變送器提供獨(dú)立的工作電壓，通常由監(jiān)控系統(tǒng)提供，這樣的設(shè)計(jì)更適用于需要驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備的情況。

雖然兩線制相比于三線制的電流環(huán)，具有系統(tǒng)靜態(tài)工作電流必須小于所要傳輸?shù)淖畹?mA電流的特性，但其具有可少使用一根長傳輸線的優(yōu)勢。在系統(tǒng)應(yīng)用中，長傳輸線的增加會使線阻增加、更易受外部干擾。因此在電流環(huán)的應(yīng)用中，為了得到高精度的電流輸出信號，兩線制或三線制電流環(huán)實(shí)現(xiàn)方案的選擇與應(yīng)對長傳輸線帶來的干擾問題是需要重點(diǎn)關(guān)注的。

長線傳輸應(yīng)用抗干擾措施的實(shí)施

電流傳輸?shù)男问揭蚱渚哂袚p耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)與抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于信號長線傳輸。但在長線傳輸應(yīng)用中，仍然有其它的干擾因素需要進(jìn)行考慮。

1.內(nèi)部因素：長傳輸線自身的影響與處理措施

長傳輸線就意味著信號傳輸?shù)木€纜不能當(dāng)做理想導(dǎo)線看待處理，線纜自身的阻抗的影響在實(shí)際應(yīng)用中也要得到重視，其會對信號的有效傳輸帶來額外的損耗。特別是當(dāng)信號的傳輸速率較快的時(shí)候，長傳輸線上的寄生參數(shù)不容忽視，寄生電容與寄生電感將會使得信號的有效傳輸更加。

系統(tǒng)工作頻率低的場合，相比于電壓信號，電流傳輸?shù)姆绞揭蚱潆娏髟摧敵鲎杩勾?、電流傳輸損耗小的特點(diǎn)能夠有效地抑制因長傳輸線的工作模式帶來的傳輸線損耗的影響，在長傳輸線工作模式下在終端電路也能得到高精度的信號。

在系統(tǒng)工作頻率較大的場合，就需要對電流源電路、監(jiān)測電路與長傳輸線之間進(jìn)行阻抗匹配的處理以消除因阻抗不匹配帶來的反射波的影響。通過確認(rèn)長傳輸線的阻抗以進(jìn)行終端采樣電阻的選擇。匹配電阻的處理措施能夠有效地改善長傳輸線上的寄生參數(shù)帶來的干擾的影響。

2.外部因素：環(huán)境電磁干擾的影響與處理措施

長線傳輸應(yīng)用時(shí)不僅要考慮內(nèi)部原因長傳輸線帶來的損耗增加的影響，也要考慮外部原因復(fù)雜工作環(huán)境下的電磁場帶來的電磁干擾。受到外環(huán)境電磁干擾的影響，信號的輸出噪聲將會變得明顯增大，采集精度誤差變大。因此在長線應(yīng)用的環(huán)境下，推薦用戶使用帶有屏蔽層的屏蔽線。屏蔽線外圍包裹的金屬屏蔽層能夠有效地屏蔽外圍電磁場對于內(nèi)部導(dǎo)體的干擾，能夠有效地防止內(nèi)部導(dǎo)體上的傳輸信號對外部其他設(shè)備造成干擾，能夠減小信號在長線傳輸過程中的損耗，提高信號的傳輸質(zhì)量，在應(yīng)用屏蔽線時(shí)屏蔽線外殼要進(jìn)行在監(jiān)控電路處的接地處理。

針對長傳輸線應(yīng)用下外部的電磁干擾測試與驗(yàn)證實(shí)施屏蔽線的作用，公司工程師們對自產(chǎn)的電流輸出型三軸高精度弱磁測量模塊HJMAG803C進(jìn)行了相關(guān)的信號長線傳輸實(shí)驗(yàn)，這款產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)采用了調(diào)制解調(diào)技和PID調(diào)節(jié)技術(shù)，使得磁傳感器探頭一直工作在零高斯附近。以此來消除外界強(qiáng)磁場干擾（比如永磁鐵、強(qiáng)電磁脈沖等），同時(shí)減小零位時(shí)漂（dK0/dT）和二次非線性（K2）。將測量的弱磁信號轉(zhuǎn)換為抗干擾能力強(qiáng)的電流信號輸出以保持高精度的特性。其電流輸出類型是一款三線制形式的電流環(huán)變送器。實(shí)驗(yàn)中在供電電源附近設(shè)置390Ω的采樣電阻對輸出電流信號進(jìn)行采集。

實(shí)驗(yàn)條件為應(yīng)用20m長的長傳輸線的進(jìn)行測試，長線的走線方式不固定，將輸出電流設(shè)置為4mA的情況下分別在普通長線、屏蔽線（屏蔽線外層不接地和可靠接地）的長線的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)測試波形結(jié)果如下圖所示：

從上述的結(jié)果中能夠觀察到不帶屏蔽線的長線傳輸與帶屏蔽線的長線傳輸實(shí)驗(yàn)結(jié)果是不同的，屏蔽層是否接地處理的結(jié)果也是不同的。其中屏蔽層接地處理的屏蔽線的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是最好的，輸出噪聲最小，即屏蔽層接地處理的屏蔽線的應(yīng)用加強(qiáng)了整個系統(tǒng)的抗外部電磁干擾的能力，使得電流輸出信號具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性與可靠性。

為了更好的一致傳輸線上的干擾信號，通過在終端采樣電阻上并聯(lián)電容對輸出噪聲進(jìn)行改善，盡管這樣會使得輸出信號的建立時(shí)間變得較長，但能夠使得輸出噪聲得到就進(jìn)一步的明顯抑制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下所示：

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，終端采樣電阻并聯(lián)電容后，信號的輸出噪聲明顯得到了改善，即在對傳輸信號的靈敏度要求不高的場合，在不影響器件功能的情況下添加電容的措施，有效的減小輸出信號的噪聲，提高整個系統(tǒng)的采集精度。

結(jié) 論

在對信號在長線傳輸工作模式下的干擾因素進(jìn)行了分析，對主要干擾因素長線自身的損耗與外部環(huán)境的電磁干擾的具體影響結(jié)果進(jìn)行了論證與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證得知，應(yīng)用電流模式進(jìn)行信號長線傳輸具有高精度和高可靠性的優(yōu)勢，并對如何減小外部電磁干擾的影響提出了改進(jìn)措施：通過采用屏蔽線（外層可靠接地處理）進(jìn)行信號傳輸和在采樣電阻上并聯(lián)濾波電容的方式可有效的改善輸出噪聲。

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