关于对输出4~20ma的变送器延长其传送距离的措施讨论 点击：3517 | 回复：18
关于对输出4~20ma的变送器延长其传送距离的措施讨论
网上有这样一个求助帖：仪表信号线最长可铺设多长，信号不衰减
求助各位大侠： 4~20mA，二线制变送器的信号线最长可铺设多长？线的型号是ZR-DJYPVP。如果超过最长敷设米数，还需放线的话，需加什么设备。
这个求助帖反映了好多人想要知道的问题，这里我将用电流源电路的工作原理进行分析，从中找出可加长传送距离的方法与思路，供大家参考。
一、对“ 4~20mA，二线制变送器的信号线最长可铺设多长”的讨论
一般4~20ma的变送器的供电源均为24V，其输出末端均为PNP型晶体管构成的电流源形式，见下图：
上左图中G2为PNP型晶体管，其发射极接一精密电阻R4（图为250欧），R4的电压跟随其基极对+24V电压Ux而变化，由集电极对外输出构成的电流源。Ux是由内部电路产生的根据外被测信号的大小变换的电压，在被测的模拟信号范围内Ux的变化值，使集电极输出电流为：4~20ma。此时G2管发射极对+24V的电位差为：1~5V，G2管发射极对地电位为：4ma时Ue=24－4×0.25=23V；20ma时 Ue=24－20×0.25=19V；上右侧图为变送器输出接终端负载Rf的等效电路图，其Ro为传送导线的电阻，此时集电极A点对地电压：
UA=I·（R0+Rf）……（1） 式中 I 为4～20ma。
讨论一、传送导线电阻相同时，不同截面积的导线传送距离：
如已知传送导线的电阻Ro及其电阻密度ρ，其导线截面积S与长度L的关系式如下：
Ro=ρ·L / S ……（2）
由（2）式可知：如传送导线的电阻值保持不变，其导线截面积变大，则导线的长度也变长，即传送距离变远。其导线截面积变小，则导线的长度也变短，即传送距离变近。
故一般发现传送距离不够长时，可采用加大导线线径的办法来实现。但过粗的导线会加导线重量，即提高材料成本。
讨论二、同一个变送器（如其输出晶体管的发射电阻=250Ω），而终端电阻不同时：
1、如终端电阻Rf=250Ω，当电流I=20ma时，B点对地电压UB=20×0.25=5V，如Ro=0，则UA也=5V。G2的管压降 =19-5=14V。随着Ro由0逐渐变大，其Ro二端的电压也由0逐渐增加，使UA电压随之增大，G2管压随之变小。为避免信号失真，容许G2管最小管压降=1V，即UA=18V，则Ro=（18-5）÷0.02 =650Ω.即传送导线的电阻≤650Ω时信号不会失真。
如终端电阻Rf=500Ω，当电流I=20ma时，B点对地电压UB=10V，如Ro=0，则UA也=10V。G2的管降 =19-10=9V。设G2管管压降=1V时， UA=18V时，其此时传送导线的电阻：Ro=（18-10）÷0.02 =400Ω。即传送导线的电阻≤400Ω时信号不会失真。
可见对同一变送器，如终端电阻小其传送线容许的电阻值比终端电阻大 其传送线容许的电阻值要大，如导线线径相同，传送导线电阻大的其传送距离要长。
讨论三、终端电阻相同，如取Rf==250Ω，而变送器的容许最大输出电压不同时：
当变送器输出电流=20ma，又晶体管G2的管压降=1V时，传送信号最远，此时G2管的集电极对地电压即为变送器容许最大输出电压UAm。其值为：UAm=24-20×R4－1，此时终端电阻电压=20×0.25=5V，传送导线的电阻Ro=（UAm－5）/ 0.02。
如变送器内的R4=250Ω，则变送器容许最大输出电压：Uam=24-20×0.25-1=18V
此时传送导线电阻 Ro =（18-5）÷ 0.02 = 650Ω。
如变送器内的R4=500Ω，则变送器容许最大输出电压：Uam=24-20×0.5 -1=13V
此时传送导线电阻 Ro =（13-5）÷ 0.02 = 400Ω。
可见对相同的终端电阻，其容许最大输出电压高的变送器比容许最大输出电压低的变送器所用传送线的电阻值要大，如传送导线截面积相同，电阻大的其导线要长，即传送距离要长。
综上讨论得出的三个结论，可供远距离传送信号选择传送导线的时的依据。下举一例说明：有一个4～20ma输出的变送器，远传距离1000米，终端负载电阻为500欧，应选择多大线径的导线为最合理、最省钱。
1、应先知道所用变送器的最大容许输出电压值Uam,如不知，可用以下方法测出变送器的最大容许输出电压值：用一只3KΩ多圈电位器、一块毫安表，二者串联，再并接于变送器的输出端。再用一块电压表并接电位器二端，见下图：
先将电位器调到阻值=0，再调整变送器输入信号（如温度）为最大量程，使其输出电流=20ma（此时毫安表指示为20ma），电压表指示=0V，旋转电位器，使其电阻由0增加，其电压表指示值也由0V增加，但电流表指示不变（仍=20ma），当调到电流表的指示值开始变小时，说明变送器的输出电压已超过最大容许值，此时应将电位器往回调节，使电流值=20ma后再继续下调一点使电压表指示值下降1V时停止调节。此时电压表的电压值即为该变送器的最大容许输出电压值UBm。
2、求出导线最大电阻值：Ro=(UBm－0.02×500)/ 0.02 =（UBm－10）/ 0.02
如设Ubm=13V， 则：Ro)= (13－10)/0.02 = 150Ω
3、求导线截面积S: S =ρ·L / Ro = 0.02×1000÷150=0.13平方毫米
从理论讲可选用线径为0.5mm、截面积为0.2平方毫米的铜导线，即可远传信号1000m，确保信号不会失真。但实际应用时还要考虑导线的机械强度，因为过细的导线易拉断，故实际可选线径稍粗一点为好。
二、对“如果超过最长敷设米数，还需放线的话，需加什么设备。”的考虑
如果超过最长敷设米数，还需放线的话，一般可有2种办法：1、换线，即加粗传送导线线径：线径增大一倍，可使传送距离加长近一倍。2、改变端电阻使其阻值变小：如原终端电阻=500Ω，可换成250Ω终端电阻。采用这二种办法都可以使传送距离加长，但不是好的办法，因为这样处理结果：（1）使传送线的重量加大，即使导线费用大为增加。（2）改变终端电阻，将使终端接收装置都要随之改变，其改动量及费用都是很大的，一般是不会采用此招的。
如采用下图所示电路，将其串接于变送器与终端电阻之间，可以加长信号传送距离，而且费用很低。这个电路可称为电流源中继站电路。
该电路是由一块LM358、2只晶体管即4个电阻组成，线路简单，容易制作，元件费用不到10元钱。 其图中的R1与R4为精密线绕电阻，二者阻值相等，皆=100欧。
电路说明：
1、该电路左侧输入信号为变送器输出的4~20ma电流信号，该电路右侧输出为本电路对外输出的4~20ma电流信号，右侧输出电流时时随左侧的输入电流变化而变化，这二个电流的大小在任意时刻内总是完全相同的。如变送器输出电流=10ma，流过R1电阻，使R1二端电压=1V，U1A与G1管组成电压跟随器，故R2二端电压也=1V，由于R2=R3，而G1管的集电极电流与发射极电流相等，故R3二端电压也=1V。U1B与G2管也为电压跟随器，使R4二端电压=1V，R4=100Ω，故输出电流=1÷0.1=10ma。
即在任何输入电流下，由于R1与R4电阻的电压总是相等的，而R1=R4，故流入R1的电流 ≡ R4的流出电流。这就是电流中继站电路的工作原理。
该电路输出端对地容许最大的输出电压UBm=21V（24-2-1=21），如终端电阻=500欧，当传送电流=20ma时，终端电阻电压=10V，容许传送导线压降≤11V，传送导线电阻最大容许值=550Ω。如终端电阻=250欧，当传送电流=20ma时，终端电阻电压=5V，容许传送导线压降≤16V，传送导线电阻最大容许值=800Ω。如已知传送导线的线径，就可求出可扩长的传送距离。
2、如传送导线型号已定，又知用此导线传送信号，现有的变送器达不到信号应传送的距离时，可在变送器与终端负载之间加一个（或几个）这样电路作传送电流信号的的中继站，可实现更远距离的传送电流信号。见下图：
也可这样连线：如原终端电阻=500欧，会使传送来的信号产生失真，改接为100欧电阻时，其传送线传送过来的4~20ma电流不产生失真时，可用该中继站电路连接：将传送线的电流线信号接中继站电路的输入端，中继站电路的输出端接原终端电阻，也可确保信号的正常传递。
本文到此结束，如有不妥之处，请给于指正，本人深表感谢！
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