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技術(shù)分享:兩線制智能儀表的信號(hào)隔離方案

發(fā)布時(shí)間:2014-09-16 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】?jī)删€制智能儀表以其應(yīng)用簡(jiǎn)單,成本低廉的特點(diǎn)應(yīng)用于壓力、溫度等過(guò)程參數(shù)檢測(cè)的一次儀表中。然而兩線制回路需要同時(shí)傳輸能量和高精度信號(hào),這就使得信號(hào)的隔離變得非常困難。本文以兩線制回路的基本工作方式為基礎(chǔ)分析了現(xiàn)有無(wú)源電流信號(hào)隔離器在兩線制信號(hào)隔離電路中的不足,進(jìn)而介紹了傳輸精度更高的信號(hào)隔離方案及其配電擴(kuò)展方案。最后針對(duì)智能儀表的通信要求介紹了TS107HL-F-2在兩線制回路中的Hart信號(hào)隔離傳輸方案。
 
1、兩線制信號(hào)傳輸?shù)幕痉绞?/strong>
 
技術(shù)分享:兩線制智能儀表的信號(hào)隔離方案
圖1:兩線制典型應(yīng)用框圖
 
兩線制信號(hào)傳輸方式的典型電路如圖1所示。在信號(hào)檢測(cè)端主要包括傳感器和二線制轉(zhuǎn)換器兩部分組成。在信號(hào)接收端包括兩線制回路供電電源VL和電流檢測(cè)電路組成。一般電流檢測(cè)電路由精密電阻RL將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)再通過(guò)AD轉(zhuǎn)換傳送到控制系統(tǒng)中。
 
兩線制轉(zhuǎn)換器的功能是將兩線制回路的電壓Vin轉(zhuǎn)換成傳感器的供電電壓Vcc,同時(shí)根據(jù)傳感器的輸入信號(hào)Sin控制兩線制回路Vin的負(fù)載電流Is。這里Is就是兩線制電路傳輸?shù)?~20mA電流信號(hào)。
 
在兩線制回路中,只有唯一的電壓源VL,負(fù)載分別為Vin和VRL。由于電流檢測(cè)電阻流過(guò)電流信號(hào)Is,因此在電阻不變的情況下電壓VRL由Is決定。根據(jù)基爾霍夫電壓定律,兩線制接口的電壓Vin應(yīng)當(dāng)是隨著VRL的變化而變化的,并且滿足以下等式(1):
Vin=VL-VRL(不考慮線路阻抗的壓降) (1)
 
由于Is由電路信號(hào)決定,因此Vin決定了二線制轉(zhuǎn)換器的輸入能量,進(jìn)而也決定了二線制轉(zhuǎn)換器Vcc的最大輸出能量。
 
2、兩線制應(yīng)用的常規(guī)隔離方案
在一次儀表現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程信號(hào)檢測(cè)的應(yīng)用中,信號(hào)檢測(cè)端和信號(hào)收集端需要通過(guò)較長(zhǎng)的信號(hào)傳輸線傳輸信號(hào)。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(hào)傳輸線也會(huì)通過(guò)兩線制接口和大地相連。這時(shí)的信號(hào)傳輸線就像是一根接地天線,可以有效地接收各種電磁波信號(hào)。同時(shí)各種累積到傳輸線的電荷均會(huì)通過(guò)兩線制接口導(dǎo)入大地,這會(huì)對(duì)兩線制電路的信號(hào)傳輸帶來(lái)極大的干擾。
 
為了抑制信號(hào)傳輸線接地對(duì)信號(hào)的干擾,實(shí)際應(yīng)用中一般需要將信號(hào)傳輸線連入傳感器之前先進(jìn)行隔離處理。常規(guī)的解決方案如圖2所示,在兩線制回路和二線制轉(zhuǎn)換器中間加一個(gè)無(wú)源的電流信號(hào)隔離器即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離傳輸。圖中使用的無(wú)源電流信號(hào)隔離器是金升陽(yáng)的T1100L-F。
 
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圖2:現(xiàn)有兩線制回路隔離方案
 
T1100L-F可以在不需要外界供電的情況下將4~20mA的電流信號(hào)等比隔離傳輸。能量的輸入端電壓最高達(dá)到30V時(shí),輸出端可以實(shí)現(xiàn)最高25V電壓以及信號(hào)電流的輸出,有效的實(shí)現(xiàn)了信號(hào)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(hào)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(hào)傳輸精度低
由于同時(shí)隔離傳輸電流和能量,無(wú)源信號(hào)隔離器的信號(hào)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(hào)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(hào)的輸入輸出電壓差,即兩線制回路壓降。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(不考慮線路阻抗的壓降) (2)
 
由于Vin決定了二線制轉(zhuǎn)換器的輸出能量,因此Vin的降低意味著二線制轉(zhuǎn)換器的配電功率降低。一般集成了兩線制轉(zhuǎn)換器的兩線制傳感器會(huì)有最小輸入電壓要求,Vin的降低也容易導(dǎo)致兩線制傳感器供電電壓不足。
 
3、基于TS107L-F-2的兩線制信號(hào)隔離方案
 
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圖3:TS107L-F-2兩線制信號(hào)隔離方案
 
為了進(jìn)一步提高兩線制信號(hào)隔離傳輸電路的信號(hào)傳輸精度,同時(shí)簡(jiǎn)化兩線制接口電路,可以采用集成二線制轉(zhuǎn)換器和信號(hào)隔離電路的TS107L-F-2。TS107L-F-2是金升陽(yáng)專為兩線制信號(hào)傳輸電路設(shè)計(jì)的兩線制隔離轉(zhuǎn)換器,主要的性能參數(shù)如下表:
                                                                    
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和采用無(wú)源電流信號(hào)隔離器的兩線制隔離方案相比,TS107L-F-2的信號(hào)傳輸精度高,回路壓降低,同時(shí)26*9.5*12.5mm的小體積為兩線制傳感器的設(shè)計(jì)留出了更加廣闊的空間。
 
由于兩線制回路供電的能量有限,在傳感器檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)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依然不能滿足供電要求,可以采用增加HK電源模塊的方式提高兩線制回路的供電能力。具體的連接方案入圖4所示。
 
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圖4:HK電源擴(kuò)展方案
 
由于TS107L-F-2的最低輸入電壓只有10V,遠(yuǎn)低于一般兩線制回路能夠提供的電壓,因此在兩線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制回路配電電源功率不足的問(wèn)題。根據(jù)配電功率和電壓要求的不同,可以選擇以下不同的HK電源給兩線制傳感器提供額外的電源。
 
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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(yīng)降低,因此使用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意兩線制回路電流小于4mA時(shí)對(duì)配電輸出電流的影響。

4、兩線制應(yīng)用的Hart通信隔離方案
 
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圖5:帶Hart通信功能的兩線制應(yīng)用方案
 
在智能儀表中,除了要傳輸4~20mA的模擬量信號(hào),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(qū)別在于,TS107HL-F-2多了一路Hart信號(hào)隔離傳輸接口,如圖5所示。由于TS107HL-F-2本身具備電壓信號(hào)轉(zhuǎn)4~20mA電流信號(hào)的功能,類似于ADI的AD5421,因此只要采用AD5700在電壓信號(hào)輸入端耦合進(jìn)Hart信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)Hart信號(hào)的發(fā)送。Hart信號(hào)的返回則通過(guò)TS107HL-F-2的自帶Hart信號(hào)隔離接口實(shí)現(xiàn)信號(hào)的回傳。
另外,為了有效的實(shí)現(xiàn)Hart信號(hào)的隔離傳輸,TS107HL-F-2的模擬輸入信號(hào)變成了0.4V~2V。
 
 
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