二线制信号传输及供电原理

一、什么是二线制变送器或控制单元：

二线制变送器或控制单元是指，采用将物理量转换成4～20mA标准电流信号通过一对（二根）导线输出的同时，电源以4~20mA的电流通过同一对导线为变送器或控制单元供电的信号传输及供电方式的电流输出型变送器或控制单元。

二、二线制的信号传输及供电原理

在一个电源和带有一只可变电阻构成的回路中（见图1），改变可变电阻的阻值可以改变回路电流。当电源电压或者电阻发生变化时，可以通过改变可变电阻的阻值可以使回路电流保持在相应位置。同时回路中只要还存在电流，可变电阻两端就有电压存在。如果这个变阻器具有一定的智能，可以自动根据需要将回路中的电流稳定在某个数值，这个变阻器就等效为可调的恒流器，而二线制变送器正是一种具有这种特性的设备。

在实际应用中变送器可以等效为一只特殊的可变电阻（见图2）。这只可变电阻的特殊性在于：

它是根据变送器的输入或控制单元的要求而对流过的电流在规定的数值之间进行调整从而实现信号的传输。

同时这个电流有一个下限，使回路中始终保持有一定的电流通过从而在变送器或控制单元的两端始终存在电压从而实现对变送器或控制单元的供电。

三、二线制的信号传输及供电的相关规定

二线制，要在一对导线中实现同时传输信号并供电的要求，就必须对信号电流、电源电压、负载电阻、变送器的电源适应能力等，有一个统筹安排。同时作为一项广泛运用的技术，这种安排需要有一个统一的标准。

我国国家标准 GB/T 3369－2008 《过程控制用模拟信号》（国际电工委员会标准IEC 60381－1982）中对信号和供电的要求：

◆ 直流电流信号： 4－20mA 或 0－20mA，推荐使用 4－20mA ；

◆ 直流电压信号： 0－5V，1－5V，1－10V，-10－10V ：

◆ 一个变送器或控制单元应能连续地驱动 0Ω－300Ω 之间的任何负载；

◆ 使用外部电源电源的任何变送系统元件，当电源在 20V（DC）～30 V（DC）之间变化时，应能正常工作。为了对系统元件特性的评估和比较，建议使用24 V（DC）的参考电源电压；

◆ 直流电信号的纹波含量不应超过 3% 。

这个标准只是一个最基本的要求。实际上变送器生产厂商拿出了各项指标远高于标准的产品，并且形成了关于二线制应用的指标惯例：

● 供电电压24V；

●变送器电压适应范围 ≤12～≥30V.DC；

●变送器负载电阻大于 ≥500Ω；

●电流输入型二次仪表的输入阻抗尽可能是 250Ω

显然在这一组指标下，变送器可以在带两个负载的情况下实现二线制，适应绝大多数情况下的需求。

四、直流电信号为什么定成 4-20mA？

4-20mA信号指定时考虑了在多方面使用的要求：

1、30V 电压 30mA 电流 所引起的火花是可以点燃危险气体平均下限，为了保险起见，同时参照其它传统设定，所以将许多仪表定为24V供电，同时限定电流小于30mA，为了留有余地，信号上限定为 20mA。

2、为了区分没有信号，和信号为零，信号的起始值（信号零位值）不能为零（电气值）。在默认情况下，信号0mA 是故障和没有供电的标记。

3、两线制仪表在信号值为零时仍需要一定的能量供应，在24V供电条件下，4mA电流提供的能量，是当时制定标准时，大部分仪表生产商能接受的能量供应下限。

4、4-20mA电流作用在250欧姆电阻上正好符合标准信号的电压标准 1-5V。

五、直流电信号为什么从 4mA 开始？

一是两线制仪表在信号值为零时仍需要一定的能量供应；二是为了区分没有信号，和信号为零，信号的起始值（信号零位值）不能为零（电气值）。

六、变送器配套的电流输入型二次仪表的输入阻抗是多少？

规范要求一个变送器或控制单元应能连续地驱动 0Ω－300Ω 之间的任何负载，所以变送器配套的电流输入型二次仪表的输入阻抗可以是0Ω－300Ω 之间的任何数值。

但是大多数厂家会将输入阻抗做成250Ω。这是一个习惯或者应用中形成的默契。原因是 4-20mA 的电流信号可以方便的通过一只 250Ω 电阻转换成 1-5V 的标准直流电压信号。很多厂家按照 1-5V 信号输入来设计二次表，然后通过跳线等方式在输入端内部并联一只 250Ω 的电阻，就成为 电流/电压 型的仪表了。同时根据多数厂家把变送器负载能力做在 ≥500Ω，250Ω的输入阻抗可以使变送器有能力带2台负载。

七、为什么不能直接从变送器提取多个电流信号？

按照标准规范要求（见问题二），当变送器采用二线制时（见图2），当 U=24V.DC 回路中作为变送器负载的电阻R=R1+R2+r1+r2=300Ω 时：若回路电流 I=20mA 则 300Ω×20mA=6V。根据基尔霍夫电压定律：“对于任意一个集中参数电路中的任意一个回路，在任何时刻，沿该回路的所有支路电压代数和等于零。”可得出这时变送器两端电压为18V。这时仅仅达到标准规范的变送器就必须采用高于推荐标准的供电电压才能继续工作了。可以说在标准条件下变送器只能带一个电流负载。

所以，尽管实际上大多数厂家的变送器可以带超过一个的负载，但从设计应用的角度讲，如果需要从一台变送器上采集多个信号，就应当采用信号分配设备。

八、电流信号怎样转成电压信号使用？

正规的做法是选用带信号转换功能的配电器、隔离器、安全栅或者信号转换器。

使用中4-20mA的信号在流经250Ω电阻时就能产生1-5V电压信号，但在使用中要注意信号采集设备的输入阻抗可能带来的误差。

九、4-20mA 信号的电压是多少？

对于提取信号的设备（变送器负载）来说，信号电压等于信号电流流经设备时在输入阻抗上形成的压降。即等于信号电流与设备输入阻抗的乘积；

对于变送器输出来说，等于供电电压减去信号电流在各个负载上形成的压降。作为特例，有人在校验变送器时将电源直接连接在变送器上，这时变送器负载电阻接近为零，变送器输出信号的电压始终接近等于供电电压。

一十、二线制变送器的信号传输距离有多少？

通过对（图2）的分析可以看出，只要供电电压减去信号电流在各个负载上形成的压降后落在变送器上的电压大于变送器最低工作电压，变送器就能正常工作并进行信号传输。也就是说只要信号传输导线的阻值不超出一定范围（几十到数百欧姆）传输就能够进行，加大供电电压或导线截面积可以增加传输距离。

所以通常情况下二线制变送器信号传送到二千米以上是没有问题的。但是过长的传输距离会使导线的分布电容等累积有可能超过一定量而影响信号质量，因此信号传输距离不宜超过二千米。

注意：这里所说的传输距离指直流电信号的传输距离，对于带通讯的变送器，其通讯距离另有说法。

一十一、二线制变送器仪表为什么要采取浮空供电？

浮空供电是指在没有接地点的情况下进行供电。

工业现场存在大量电磁干扰，当这种干扰同时作用在直流电信号的两根导线上时，大部分是同相位、同强度的，对于信号来说，两根导线上的干扰相互作用的结果是相互抵消（共模抑制）。如果存在接地，则一根导线上的干扰被引入地，另一根上则依然存在，这时干扰就会发生作用，影响信号传输。所以通常信号都采取浮空传输。

由于二线制变送器的供电和信号处于同一回路中，出于对信号抗干扰能力的需求，往往要求采用浮空供电。

一十二、智能变送器接手执通讯器时为什么要接250Ω电阻

手执通讯器的数字通讯信号就是以电流脉冲的形式作为纹波加载在直流信号中的。而手执通讯器接受的是电压脉冲，所以需要一个 250Ω 的电阻来将电流信号转化为电压信号。

在现场，变送器的各种负载电阻同样可以进行这种转换，所以只要跨接在两端就能读出信号。

一十三、智能变送器手执通讯的通讯距离

智能变送器的通讯距离和使用的电缆类型有关。在使用多芯绞合的双线的情况下，智能变送器的通讯距离可达1～1.5km。