兩線制感測器

兩線制是指現場變送器與控制室儀表聯繫僅用兩根導線，這兩根線既是電源線，又是信號線。

基本介紹

• 中文名：兩線制感測器
• 原理：利用了4~20mA信號為自身提供電能
• 結構：調理電路、兩線制V/I變換器構成
• 分類：感測器

意義

現大多數感測器都向兩線制發展，且在此基礎上實現數據通信（比如用HART協定），四線制的多用於功率大的。傳輸的距離大和防爆等場合,就最好用無源的兩線制感測器。

原理

兩線制變送器的原理是利用了4~20mA信號為自身提供電能。如果變送器自身耗電大於4mA，那么將不可能輸出下限4mA值。因此一般要求兩線制變送器自身耗電（包括感測器在內的全部電路）不大於3.5mA。這是兩線制變送器的設計根本原則之一。

結構

從整體結構上來看，兩線制變送器由三大部分組成：感測器、調理電路、兩線制V/I變換器構成。感測器將溫度、壓力等物理量轉化為電參量，調理電路將感測器輸出的微弱或非線性的電信號進行放大、調理、轉化為線性的電壓輸出。兩線制V/I變換電路根據信號調理電路的輸出控制總體耗電電流；同時從環路上獲得電壓並穩壓，供調理電路和感測器使用。

除了V/I變換電路之外，電路中每個部分都有其自身的耗電電流，兩線制變送器的核心設計思想是將所有的電流都包括在V/I變換的反饋環路內。如圖，採樣電阻Rs串聯在電路的低端，所有的電流都將通過Rs流回到電源負極。從Rs上取到的反饋信號，包含了所有電路的耗電。

與三線制區別

區別一

兩線制與三線制 (一根正電源線，兩根信號線,其中一根共GND)和四線制(兩根正負電源線，兩根信號線)相比，兩線制的優點是：

1、不易受寄生熱電偶和沿電線電阻壓降和溫漂的影響，可用非常便宜的更細的導線；可節省大量電纜線和安裝費用；

2、在電流源輸出電阻足夠大時，經磁場耦合感應到導線環路內的電壓，不會產生顯著影響，因為干擾源引起的電流極小，一般利用雙絞線就能降低干擾；兩線制與三線制必須用禁止線,禁止線的禁止層要妥善接地。

3、電容性干擾會導致接收器電阻有關誤差，對於4～20mA兩線制環路，接收器電阻通常為250Ω（取樣Uout=1～5V）這個電阻小到不足以產生顯著誤差，因此，可以允許的電線長度比電壓遙測系統更長更遠；

4、各個單台示讀裝置或記錄裝置可以在電線長度不等的不同通道間進行換接，不因電線長度的不等而造成精度的差異，實現分散採集，分散式採集的好處就是：分散採集，集中控制。

5、將4mA用於零電平，使判斷開路與短路或感測器損壞（0mA狀態）十分方便。

6,在兩線輸出口非常容易增設一兩隻防雷防浪涌器件,有利於安全防雷防爆。

區別二

1. 儀表的二線制與四線制

二線制儀表即電源與信號共用兩根線一般

四線制儀表電源與信號線分開信號為4~20mA或0～10mA，電源220AC（為多）．

2.在熱電阻中有兩線制、三線制、四線制

兩線制沒有線路電阻補償，配線簡單，但要帶進引線電阻的附加誤差。因此不適用製造A級精度的熱電阻，且在使用時引線及導線都不宜過長。

三線制有線路電阻補償，可以消除引線電阻的影響，測量精度高於2線制。作為過程檢測元件，其套用最廣。

四線制:在熱電阻的根部兩端各連線兩根導線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恆定電流I，把R轉換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至PLC。這種引線方式可完全消除引線的電阻影響，但成本較高，主要用於高精度的溫度檢測。

3.西門子的二線制和四線制

二線制是PLC模組提供電源和採集電流信號

四線制僅僅採集電流信號

感測器的結構：

兩線制：

感測器電阻變化值與連線導線電阻值共同構成感測器的輸出值，由於導線電阻帶來的附加誤差使實際測量值偏高，用於測量精度要求不高的場合，並且導線的長度不宜過長。

三線制：

要求引出的三根導線截面積和長度均相同，測量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋，鉑電阻作為電橋的一個橋臂電阻，將導線一根接到電橋的電源端，其餘兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當橋路平衡時，導線電阻的變化對測量結果沒有任何影響，這樣就消除了導線線路電阻帶來的測量誤差，但是必須為全等臂電橋，否則不可能完全消除導線電阻的影響。採用三線制會大大減小導線電阻帶來的附加誤差，工業上一般都採用三線制接法。

四線制：

當測量電阻數值很小時，測試線的電阻可能引入明顯誤差，四線測量用兩條附加測試線提供恆定電流，另兩條測試線測量未知電阻的電壓降，在電壓表輸入阻抗足夠高的條件下，電流幾乎不流過電壓表，這樣就可以精確測量未知電阻上的壓降，計算得出電阻值

行業前景

三線制和四線制變送器均不具上述優點即將被兩線制變送器所取代，從國外的行業動態及變送器晶片供求量即可略知一斑，電流變送器在使用時要安裝在現場設備上，而以單片機為核心的監測系統則位於較遠離設備現場的監控室里，兩者一般相距幾十到幾百米甚至更遠。設備現場的環境較為惡劣，強電信號會產生各種電磁干擾，雷電感應會產生強浪涌脈衝，在這種情況下，單片機套用系統中遇到的一個棘手問題就是如何在惡劣環境下遠距離可靠地傳送微小信號。兩線制變送器件的出現使這個問題得到了較好地解決。我們以DH4-20變送模組為核心設計了小型、價廉的穿孔型兩線制電流變送器。它具有低失調電壓(<30 μV)、低電壓漂移(<0.7μV/C°)、超低非線性度(<0.01%)的特點。它把現場設備動力線的電流隔離轉換成4～20 mA的按線性比例變化的標準電流信號輸出，然後通過一對雙絞線送到監測系統的輸入接口上，雙絞線同時也將位於監測系統的24V工作電源送到電流變送器中。測量信號和電源在雙絞線上同時傳送，既省去了昂貴的傳輸電纜，而且信號是以電流的形式傳輸，抗干擾能力得到極大的加強。

如何辨別兩線制和四線制

如果接入PLC卡是四根信號線,那就一定是四線制;難區別的主要還是只有兩根信號線時,比較容易出錯,所以我的第一條很重要。兩線制是PLC提供24VDC的電源供儀表使用，即電源和電流信號共用兩根線。四線制指儀表需要單獨供電（兩根線），電流信號又是兩根線，加起來一共四根線。 線制指PLC提供儀表的電源且電源和電流信號共用兩根線供儀表使用，四線制指儀表單獨供電，電源兩根線，電流信號又是兩根線。說的是有源和無源概念.

例如在PLC Analog input card 7KF02中要設定它的測量範圍，有A.B.C.D四種,A,B是測量電壓信號的,C.D是測量電流信號的.其中,電流信號測量C是四線制的,D的兩線制的,我們從表面上不能以為接在設備上有兩根線就認為是兩線制,有四根線就認為是四線制,這樣往往不準確.最好的方法是,萬用表測量.1.只有兩根信號線的判別:拆下接入PLC卡的線,用電流檔測量線的兩端是否有電流信號,如果有電流信號,則說明是四線制,如果沒有任何顯示,則說明是兩線制;

如何接線

1，硬體組態和量程卡都設定為四線制感測器：具體接法：24v電源 的正端接感測器的正端，感測器的負端接模板的正端，模板的負端接24V 負端。

2，如果是6ES7 331-7KF02-0AB0，它有直接給兩線制感測器供電的功能，接兩線制電流信號只需把量程卡選擇D方向 ， 在硬體配置中選擇2DMU，以第一個通道為例，感測器的正端接模板2端子（M0+），負端接模板3端子（M0－）即可。 此時模板對變送器供電。

設計原則

壓力橋、稱重感測器輸出信號微弱，都屬於mV級信號。這一類小信號一般都要求用差動放大器對其進行第一級放大。一般選用低失調、低溫飄的差動放大器。另外在兩線制套用中，低功耗也是必需的。AD623是常用的低功耗精密差動放大器，常用在差分輸出前級的放大。AD623失調最大200uV，溫飄1uV/度，在一般壓力變送套用保證了精度足夠。

R0將0.4V疊加在AD623的REF腳（5腳）上，在壓力=0情況下通過調整R0使輸出4mA，再調整RG輸出20.00mA，完成校準。

電路設計時需注意，壓力橋感測器相當於一個千歐級的電阻，耗電一般比較大。適當降低壓力橋的激勵電壓可以減小耗電電流。但是輸出幅度也隨之下降，需要提高AD623的增益。圖6給出的感測器採用恆壓供電，實際套用中大部分半導體壓力感測器需要恆流供電才能獲得較好的溫度特性，可以用一個運放構成恆流源為其提供激勵。

考慮問題

工業環境下環境惡劣且對可靠性要求高，因此兩線制變送器的設計上需要考慮一定的保護和增強穩定性措施。

1．電源保護。

電源接反、超壓、浪涌是工業上常見的電源問題。電源接反是設備安裝接線時最容易發生的錯誤，輸入口串一隻二極體即可防止接反電源時損壞電路。如果輸入端加一個全橋整流器，那么即使電源接反仍能正常工作。

為防止雷擊、靜電放電、浪涌等能量損壞變送器，變送器入口處可以加裝一隻TVS管來吸收瞬間過壓的能量。一般TVS電壓值取比運放極限電壓略低，才能起到保護作用。如果可能遭受雷擊，TVS可能吸收容量不夠，壓敏電阻也是必需的，但是壓敏電阻本身漏電會帶來一定誤差。

2．過流保護。

設備運行過程中可能有感測器斷線、短路等錯誤情況發生。或者輸入量本身很有可能超量程，變送器必須保證任何情況下輸出不會無限制上升，否則有可能損壞變送器本身、電源、或者遠方顯示儀表。

圖中Rb和Z1構成了過流保護電路。無論什麼原因導致OP1輸出大於6.2V（1N4735是6.2V穩壓管），都會被Z1鉗位，Q1的基極不可能高於6.2V。因此Re上電壓不可能高於6.2-0.6=5.6V，因此總電流不會大於Ue/Re = 5.6V/200=28mA。

3．寬電壓適應能力。

一般兩線制變送器都能適應大範圍的電壓變化而不影響精度。這樣可以適用各類電源，同時能夠適應大的負載電阻。對電源最敏感的部分是基準源，同時基準源也是決定精度的主要元件。3樓圖中基準通過R5限流，當電源電壓變化時，R5上電流也隨之改變，對基準穩定性影響很大。附圖中利用恆流源LM334為基準供電，電壓大範圍變化時，電流基本不變，保證了基準的穩定性。

4．退藕電容

一般的電路設計中，每個積體電路的電源端都會有退藕電容。在兩線制變送器上電時，這些電容的充電會在瞬間導致大電流，有可能會損壞遠方儀表。因此每個退藕電容一般不超過10nF，總退藕電容不宜超過50nF。入口處一個10nF電容是必需的，保證長線感性負載下，電路不震盪。