导读：两线制压力变送器常见故障分析

/工作原理/

变送器通电正常工作后，通过采集待测压力将回路电流与压力成正比输出4～20mA信号，客户在回路上串接采样电阻（典型值100?，250?），电流流经采样电阻后转换为电压信号，供后端采集系统进行使用。通常，采样电阻会集成在采集设备中。

/常见故障分析/

常见故障1：客户采集不到压力信号，或者采集值明显异常；

造成该问题的原因有很多，比如客户采集设备问题、接线错误或产品质量问题等。解决问题首先要保证变送器上电后正常工作；

a.检查接线：

检查接线是否正确，根据变送器壳体上的标签或说明书进行接线，我司产品一般黑线是供电正，红线是输出正。

如果发现线接反了，请不必担心变送器损坏，常规产品均有防反接设计，重新接线即可。

b.测量电压：

接线检查无误后，将万用表调至电压档测量变送器供电正和输出正之间的电压值。该电压值应在变送器供电电压范围内，变送器供电电压可查看产品标签或使用说明书。

如果量取电压值不对，需检查客户设备是否正常。

c.测量回路电流：

断开变送器“输出正”线，将万用表调至电流档串联进电流环回路，测试回路电流值，一般不加压状态是4mA左右（表压型变送器量程下限为0）。

进行上述测试时，注意万用表电流档、电压档的设置，可参考上面两张图万用表的设置。

经过上述3个步骤，在确保用于测试的万用表没问题的前提下，回路电流值仍未在4mA左右（0.5级精度，3.92~4.08mA），则初步可判定为产品故障，可联系售后部门做进一步分析。

常见故障2：变送器测试不准确、超差、加压不变化等；（1）建议将产品静置于空气中，检查供电电压是否正常；将产品放置为垂直方向，测试回路电流4mA是否准确。常规0.5级精度的产品，零点电流值应在3.92～4.08mA之间。（2）若产品零点电流正常，建议客户检查现场设备是否正常、截止阀是否未打开、压力管道有无堵塞情况等；（3）检查变送器感压膜片，是否有损伤，若膜片损伤，只能返厂维修；（4）以上不能解决客户的问题，可联系公司售后部门

两线制4／20mA变送器的电路设计 

工业上普遍需要测量各类非电物理量，例如温度、压力、速度、角度等，都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。

采用电流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。上限取20mA是因为防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。

电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，称之为三线制变送器。

其实大家可能注意到，4-20mA电流本身就可以为变送器供电，如图1C所示。变送器在电路中相当于一个特殊的负载，特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。显示仪表只需要串在电路中即可。这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA，因此只要在量程范围内，变送器至少有4mA供电。这使得两线制传感器的设计成为可能。

在工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上。两者之间距离可能数十至数百米。按一百米距离计算，省去2根导线意味着成本降低近百元！因此在应用中两线制传感器必然是首选。 

2.两线制变送器的结构与原理 两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。这是两线制变送器的设计根本原则之一。 从整体结构上来看，两线制变送器由三大部分组成：传感器、调理电路、两线制V/I变换器构成。传感器将温度、压力等物理量转化为电参量，调理电路将传感器输出的微弱或非线性的电信号进行放大、调理、转化为线性的电压输出。两线制V/I变换电路根据信号调理电路的输出控制总体耗电电流；同时从环路上获得电压并稳压，供调理电路和传感器使用。 除了V/I变换电路之外，电路中每个部分都有其自身的耗电电流，两线制变送器的核心设计思想是将所有的电流都包括在V/I变换的反馈环路内。如图，采样电阻Rs串联在电路的低端，所有的电流都将通过Rs流回到电源负极。从Rs上取到的反馈信号，包含了所有电路的耗电。在两线制变送器中，所有的电路总功耗不能大于3.5mA，因此电路的低功耗成为主要的设计难点。下面将逐一分析各个部分电路的原理与设计要点。

3.两线制V/I变换器 V/I 变换器是一种可以用电压信号控制输出电流的电路。两线制V/I变换器与一般V/I变换电路不同点在：电压信号不是直接控制输出电流，而是控制整个电路自身耗电电流。同时，还要从电流环路上提取稳定的电压为调理电路和传感器供电。附图是两线制V/I变换电路的基本原理图： 图中OP1、Q1、R1、R2、Rs构成了V/I变换器。分析负反馈过程：若A点因为某种原因高于0V，则运放OP1输出升高，Re两端电压升高，通过Re的电流变大。相当于整体耗电变大，通过采样电阻Rs的电流也变大，B点电压变低（负更多）。结果是通过R2将A点电压拉下来。反之，若A点因某种原因低于0V，也会被负反馈抬高回0V。总之，负反馈的结果是运放OP1虚短，A点电压＝0V。下面分析Vo对总耗电的控制原理： 假设调理电路输出电压为Vo，则流过R1的电流 I1=Vo/R1 运放输入端不可能吸收电流，则I1全部流过R2，那么B点电压 VB=-I1*R2=-Vo*R2/R1 取R1=R2时，有VB=-Vo 电源负和整个便送器电路之间只有Rs、R2两个电阻，因此所有的电流都流过Rs和R2。R2上端是虚地（0V），Rs上端是GND。因此R2、Rs两端电压完全一样,都等于VB 。相当于Rs与 R2并联作为电流采样电阻。因此电路总电流： Is=Vo/(Rs//R2) 如果取R2>>Rs，Is=Vo/Rs 因此，图3中取Rs=100欧，当调理电路输出0.4~2V的时候，总耗电电流4~20mA. 若不能满足R2>>Rs也没关系，Rs与 R2并联（Rs//R2）是个固定值，Is与Vo仍然是线性关系，误差比例系数在校准时可以消除。 除了电路正确以外，该电路正常工作还需要2个条件：首先要自身耗电尽量小，省下的电流还要供给调理电路以及变送器。其次要求运放能够单电源工作，即在没有负电源情况下，输入端仍能够接受0V输入，并能正常工作。 LM358/324是最常见也是价格最低的单电源运放，耗电400uA/每运放，基本可以接受。单电源供电时，输入端从-0.3V~Vcc-1.5V范围内都能正常工作。如果换成OP07等精密放大器，因为输入不允许低至0V，在该电路中反而无法工作。 R5和U1构成基准源，产生2.5V稳定的基准电压。LM385是低成本的微功耗基准，20uA以上即可工作，手册上给出的曲线在100uA附近最平坦，所以通过R5控制电流100uA左右。OP2构成一个同向放大器，将基准放大，向调理电路及传感器供电。因为宽输入电压、低功耗的稳压器稀少，成本高；将基准放大作为稳压电源是一个廉价的方案。 该部分电路也可以选择现成的集成电路。比如XTR115/116/105等，精度和稳定性比自制的好，自身功耗也更低（意味着能留更多电流给调理电路，调理部分更容易设计）。但成本比上述方案高10倍以上.

4.两线制压力变送器设计 压力桥、称重传感器输出信号微弱，都属于mV级信号。这一类小信号一般都要求用差动放大器对其进行第一级放大。一般选用低失调、低温飘的差动放大器。另外在两线制应用中，低功耗也是必需的。AD623是常用的低功耗精密差动放大器，常用在差分输出前级的放大。 AD623失调最大200uV，温飘1uV/度，在一般压力变送应用保证了精度足够。 R0将0.4V叠加在AD623的REF脚（5脚）上，在压力=0情况下通过调整R0使输出4mA，再调整RG输出20.00mA，完成校准。 电路设计时需注意，压力桥传感器相当于一个千欧级的电阻，耗电一般比较大。适当降低压力桥的激励电压可以减小耗电电流。但是输出幅度也随之下降，需要提高AD623的增益。图6给出的传感器采用恒压供电，实际应用中大部分半导体压力传感器需要恒流供电才能获得较好的温度特性，可以用一个运放构成恒流源为其提供激励。 

5.稳定性和安全性的考虑 工业环境下环境恶劣且对可靠性要求高，因此两线制变送器的设计上需要考虑一定的保护和增强稳定性措施。 1．电源保护。 电源接反、超压、浪涌是工业上常见的电源问题。电源接反是设备安装接线时最容易发生的错误，输入口串一只二极管即可防止接反电源时损坏电路。如果输入端加一个全桥整流器，那么即使电源接反仍能正常工作。为防止雷击、静电放电、浪涌等能量损坏变送器，变送器入口处可以加装一只TVS管来吸收瞬间过压的能量。一般TVS电压值取比运放极限电压略低，才能起到保护作用。如果可能遭受雷击，TVS可能吸收容量不够，压敏电阻也是必需的，但是压敏电阻本身漏电会带来一定误差。 2．过流保护。 设备运行过程中可能有传感器断线、短路等错误情况发生。或者输入量本身很有可能超量程，变送器必须保证任何情况下输出不会无限制上升，否则有可能损坏变送器本身、电源、或者远方显示仪表。 图中Rb和Z1构成了过流保护电路。无论什么原因导致OP1输出大于6.2V（1N4735是6.2V稳压管），都会被Z1钳位，Q1的基极不可能高于6.2V。因此Re上电压不可能高于6.2-0.6=5.6V，因此总电流不会大于Ue/Re=5.6V/200=28mA。 3．宽电压适应能力。 一般两线制变送器都能适应大范围的电压变化而不影响精度。这样可以适用各类电源，同时能够适应大的负载电阻。对电源最敏感的部分是基准源，同时基准源也是决定精度的主要元件。3楼图中基准通过R5限流，当电源电压变化时，R5上电流也随之改变，对基准稳定性影响很大。附图中利用恒流源LM334为基准供电，电压大范围变化时，电流基本不变，保证了基准的稳定性。 4．退藕电容 一般的电路设计中，每个集成电路的电源端都会有退藕电容。在两线制变送器上电时，这些电容的充电会在瞬间导致大电流，有可能会损坏远方仪表。因此每个退藕电容一般不超过10nF，总退藕电容不宜超过50nF。入口处一个10nF电容是必需的，保证长线感性负载下，电路不震荡。

    两线制、三线制、四线制，是指各种输出为模拟直流电流信号的变送器，其工作原理和结构上的区别，而并非只指变送器的接线形式。否则热电偶配毫伏计测量温度可称为是两线制的鼻祖了!

    几线制的称谓，是在两线制变送器诞生后才有的。这是电子放大器在仪表中广泛应用的结果，放大的本质就是一种能量转换过程，这就离不开供电。因此*先出现的是四线制的变送器；即两根线负责电源的供应，另外两根线负责输出被转换放大的信号(如电压、电流、等)。DDZ-Ⅱ型电动单元组合仪表的出现，供电为220V.AC，输出信号为0--10mA.DC的四线制变送器得到了广泛的应用,目前在有些工厂还可见到它的身影。

    七十年代我国开始生产DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表，并采用国际电工委员会(IEC)的:过程控制系统用模拟信号标准。即仪表传输信号采用4-20mA.DC,联络信号采用1-5V.DC，即采用电流传输、电压接收的信号系统。采用4-20mA.DC信号，现场仪表就可实现两线制。但限于条件，当时两线制仅在压力、差压变送器上采用，温度变送器等仍采用四线制。现在国内两线制变送器的产品范围也大大扩展了，应用领域也越来越多。同时从国外进来的变送器也是两线制的居多。

   因为要实现两线制变送器必须同时满足以下条件:

   1．V≤Emin-ImaxRLmax

   变送器的输出端电压V等于规定的*低电源电压减去电流在负载电阻和传输导线电阻上的压降。

   2. I≤Imin

   变送器的正常工作电流I必须小于或等于变送器的输出电流。

   3. P＜Imin(Emin-IminRLmax)

   变送器的*小消耗功率P不能超过上式,通常＜90mW。

式中:Emin=*低电源电压，对多数仪表而言Emin=24(1-5%)=22.8V,5%为24V电源允许的负向变化量；

    Imax=20mA；

    Imin=4mA；

    RLmax=250Ω+传输导线电阻。

   如果变送器在设计上满足了上述的三个条件，就可实现两线制传输。所谓两线制即电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线，这两根电线既是电源线又是信号线。两线制变送器由于信号起点电流为4mA.DC，为变送器提供了静态工作电流，同时仪表电气零点为4mA.DC，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障。而且两线制还便于使用安全栅,利于安全防爆。

    两线制变送器，其供电为24V.DC，输出信号为4-20mA.DC，负载电阻为250Ω，24V电源的负线电位*低，它就是信号公共线，对于智能变送器还可在4-20mA.DC信号上加载HART协议的FSK键控信号。  

     由于4-20mA.DC(1-5V.DC)信号制的普及和应用，在控制系统应用中为了便于连接，就要求信号制的统一，为此要求一些非电动单元组合的仪表，如在线分析、机械量、电量等仪表，能采用输出为4-20mA.DC信号制，但是由于其转换电路复杂、功耗大等原因，难于全部满足上述的三个条件，而无法做到两线制，就只能采用外接电源的方法来做输出为4-20mA.DC的四线制变送器了。

    四线制变送器，其供电大多为220V.AC，也有供电为24V.DC的。输出信号有4-20mA.DC，负载电阻为250Ω，或者0-10mA.DC，负载电阻为0-1.5KΩ；有的还有mA和mV信号，但负载电阻或输入电阻，因输出电路形式不同而数值有所不同。 

    有的仪表厂为了减小变送器的体积和重量、并提高抗干扰性能、减化接线，而把变送器的供电由220V.AC改为低压直流供电，如电源从24V.DC电源箱取用，由于低压供电就为负线共用创造了条件，这样就有了三线制的变送器产品。

    所谓三线制就是电源正端用一根线，信号输出正端用一根线，电源负端和信号负端共用一根线。其供电大多为24V.DC，输出信号有4-20mA.DC，负载电阻为250Ω或者0-10mA.DC，负载电阻为0-1.5KΩ；有的还有mA和mV信号，但负载电阻或输入电阻，因输出电路形式不同而数值有所不同。

    以上，输入接收仪表的是电流信号，如将电阻RL并联接入时，则接收的就是电压信号了。

    从上面叙述可看出，由于各种变送器的工作原理和结构不同，从而出现了不同的产品，也就决定了变送器的两线制、三线制、四线制接线形式。对于用户而言，选型时应根据本单位的实际情况，如信号制的统一、防爆要求、接收设备的要求、投资等问题来综合考虑选择。

    要指出的是三线制和四线制变送器输出的4-20mA.DC信号，由于其输出电路原理及结构与两线制的是不一样的，因此在应用中其输出负端能否和24V电源的负线相接.能否共地.这是要注意的，必要时可采取隔离措施，如用配电器、安全栅等，以便和其它仪表共电、共地及避免附加干扰的产生。

   *后谈谈两线制改四线制、四线制改两线制的问题。

   从上述可知各种线制变送器都能存在，那总是有存在的理由，否则就不会有那么多的线制了，由用户来改动线制是很困难的，再者实际意义也不大。

    如果要把传输信号为0-10mA.DC的四线制变送器改为两线制，首先遇到的问题，就是其起始电流为零，在电流为零状态下，变送器的电子放大器是无法建立工作点的，因此将难于正常工作。如果用直流电源，并保证仪表原来的恒流特性，当变送器在负载电阻为0-1.5KΩ时，与其串联的反馈动圈电阻2KΩ左右，当输出为10mA时，这两部分的电压降将大于24V,也就是说用24V.DC供电，负载为0-1.5KΩ时，要保证恒流特性是不可能的，也就谈不上用两线制传输了。

    70年代曾有仪表厂做过把0-10mA.DC的四线制变送器改为两线制变送器的工作，具体做法是:对原来的变送器电路进行改进，并将供电电压提高至48V.DC，但变送器的起始电流仍不能为零，为此采用负向电流来抵消负载电阻上的起始输出4mA的电流。但这样的产品也没有能得到推广和应用。

    如果想将两线制改为四线制，根本没有必要，再者这是一种技术上的倒退。