滿足工業(yè)需求的4–20mA電流環(huán)變送器設(shè)計(jì)考量及性能分析
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4~20mA電流環(huán)變送器的有效位數(shù)(ENOB)計(jì)算如下：
根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，ENOB等于15.56位。所以，總分辨率誤差小于0.5位允許自動(dòng)校準(zhǔn)，也可節(jié)省昂貴的精密元件數(shù)量。
表1所選電阻覆蓋了3.2mA至24.6mA電流環(huán)動(dòng)態(tài)范圍。R1、R2、R3和RSENSE的不同組合可縮小動(dòng)態(tài)范圍，應(yīng)密切注意每個(gè)電阻的溫度系數(shù)(TC)。
變送器溫度漂移誤差分析
無源元件和VREF的溫度漂移誤差分析如表2所示。
表2：4~20mA電流環(huán)路發(fā)送器的溫度誤差分析。
利用下式計(jì)算最小和最大電阻偏移：
式中，TC為溫度系數(shù)，單位為ppm/°C；ΔT為總溫度范圍145°C。
從表2可知，當(dāng)R1、R2、R3和RSENSE的溫度系數(shù)取以下值時(shí)，得到的誤差為0.05%FS。
R1 = 287kΩ ±0.1%，10ppm/°C
R2 = 24.9kΩ ±0.1%，25ppm/°C
R3 = 2MΩ ±1%，100ppm/°C
RSENSE = 10? ±0.1%，10ppm/°C
注意，總誤差為每個(gè)誤差源的平方和的平方根：元件容限、元件溫度系數(shù)、測(cè)量值等。
如果智能傳感器的耗流超過3.4mA，則不能用于環(huán)路供電的2線變送器。例如，當(dāng)微控制器或ADC的耗流超過3mA，或者檢測(cè)元件需要較高供電電流來提高動(dòng)態(tài)范圍和/或分辨率時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。此時(shí)，額外的電流必須通過附加的第三根線。可改進(jìn)這種配置(稱為3線發(fā)送器)，如圖2所示，該設(shè)計(jì)使其成為通用的2線或3線智能傳感器變送器。
圖2：通用2線或3線智能變送器框圖。
圖2中的U5運(yùn)算放大器和Q3緩沖器監(jiān)測(cè)虛地，持續(xù)維持智能變送器的公共端，使其保持在U4輸出的恒定電壓。U5運(yùn)算放大器必須能夠支持12V最大供電電壓，PLC RLOAD/檢測(cè)電阻值高達(dá)250Ω。C8和R8負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定環(huán)路電流，以及確保正常預(yù)期條件下的穩(wěn)定性。
選擇功率晶體管和保護(hù)元件
功率晶體管Q1無特殊要求，可以是MOSFET或雙極型功率晶體管，滿足最大安全、工作區(qū)要求即可。例如，如果環(huán)路電源為36V，最大限流為35mA，那么最大功耗要求為1.26W。要謹(jǐn)慎處理PCB的布局、走線寬度及散熱能力。
肖特基二極管(D1)(見圖1)為安全器件，防止反向電流損壞變送器。此外，可在LOOP+和LOOP-輸入之間增加一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器(D2，方框圖中未顯示)，防止過壓浪涌。D1和D2的要求取決于具體應(yīng)用的安全規(guī)格。
設(shè)計(jì)方案測(cè)試
設(shè)計(jì)4~20mA環(huán)路供電變送器評(píng)估板(EV)MAX5216LPT，采用1000ft 22線規(guī)屏蔽通信電纜和249Ω±0.1%電阻進(jìn)行特征分析。利用Agilent HP3458A DVM測(cè)量負(fù)載電阻壓降，測(cè)得環(huán)路電流。MAX5216 DAC的特征數(shù)據(jù)繪制于圖3至圖8。
圖3：25°C下變送器誤差，MAX5216 DAC數(shù)據(jù)。
圖4：變送器誤差變化與溫度的關(guān)系曲線，環(huán)路電源12V。
評(píng)論