關于對輸出4~20ma的變送器延長其傳送距離的措施討論

       網上有這樣一個求助帖：4-20MA變送器信號線可設多長，信號不衰減

求助各位大俠： 4-20MA變送器信號線可設多長？線的型號是ZR-DJYPVP。如果超過*長敷設米數，還需放線的話，需加什么設備。

      這個求助帖反映了好多人想要知道的問題，這里我將用電流源電路的工作原理進行分析，從中找出可加長傳送距離的方法與思路，供大家參考。

      一、對“ 4-20MA變送器信號線可設多長”的討論

    一般4~20ma的變送器的供電源均為24V，其輸出末端均為PNP型晶體管構成的電流源形式，見下圖：

      上左圖中G2為PNP型晶體管，其發射極接一精密電阻R4（圖為250歐），R4的電壓跟隨其基極對+24V電壓Ux而變化，由集電極對外輸出構成的電流源。Ux是由內部電路產生的根據外被測信號的大小變換的電壓，在被測的模擬信號范圍內Ux的變化值，使集電極輸出電流為：4~20ma。此時G2管發射極對+24V的電位差為：1~5V，G2管發射極對地電位為：4ma時Ue=24－4×0.25=23V；20ma時 Ue=24－20×0.25=19V；上右側圖為變送器輸出接終端負載Rf的等效電路圖，其Ro為傳送導線的電阻，此時集電極A點對地電壓：

        UA=I·（R0+Rf）……（1）    式中 I 為4～20ma。

     討論一、傳送導線電阻相同時，不同截面積的導線傳送距離：

     如已知傳送導線的電阻Ro及其電阻密度ρ，其導線截面積S與長度L的關系式如下：

       Ro=ρ·L / S ……（2）

      由（2）式可知：如傳送導線的電阻值保持不變，其導線截面積變大，則導線的長度也變長，即傳送距離變遠。其導線截面積變小，則導線的長度也變短，即傳送距離變近。

      故一般發現傳送距離不夠長時，可采用加大導線線徑的辦法來實現。但過粗的導線會加導線重量，即提高材料成本。

     討論二、同一個變送器（如其輸出晶體管的發射電阻=250Ω），而終端電阻不同時：

      1、如終端電阻Rf=250Ω，當電流I=20ma時，B點對地電壓UB=20×0.25=5V，如Ro=0，則UA也=5V。G2的管壓降 =19-5=14V。隨著Ro由0逐漸變大，其Ro二端的電壓也由0逐漸增加，使UA電壓隨之增大，G2管壓隨之變小。為避免信號失真，容許G2管*小管壓降=1V，即UA=18V，則Ro=（18-5）÷0.02 =650Ω.即傳送導線的電阻≤650Ω時信號不會失真。

       如終端電阻Rf=500Ω，當電流I=20ma時，B點對地電壓UB=10V，如Ro=0，則UA也=10V。G2的管降 =19-10=9V。設G2管管壓降=1V時， UA=18V時，其此時傳送導線的電阻：Ro=（18-10）÷0.02 =400Ω。即傳送導線的電阻≤400Ω時信號不會失真。

       可見對同一變送器，如終端電阻小其傳送線容許的電阻值比終端電阻大 其傳送線容許的電阻值要大，如導線線徑相同，傳送導線電阻大的其傳送距離要長。

       討論三、終端電阻相同，如取Rf==250Ω，而變送器的容許*大輸出電壓不同時：

       當變送器輸出電流=20ma，又晶體管G2的管壓降=1V時，傳送信號*遠，此時G2管的集電極對地電壓即為變送器容許*大輸出電壓UAm。其值為：UAm=24-20×R4－1，此時終端電阻電壓=20×0.25=5V，傳送導線的電阻Ro=（UAm－5）/ 0.02。

       如變送器內的R4=250Ω，則變送器容許*大輸出電壓：Uam=24-20×0.25-1=18V 

此時傳送導線電阻 Ro =（18-5）÷ 0.02 = 650Ω。

       如變送器內的R4=500Ω，則變送器容許*大輸出電壓：Uam=24-20×0.5 -1=13V 

此時傳送導線電阻 Ro =（13-5）÷ 0.02 = 400Ω。

       可見對相同的終端電阻，其容許*大輸出電壓高的變送器比容許*大輸出電壓低的變送器所用傳送線的電阻值要大，如傳送導線截面積相同，電阻大的其導線要長，即傳送距離要長。

       綜上討論得出的三個結論，可供遠距離傳送信號選擇傳送導線的時的依據。下舉一例說明：有一個4～20ma輸出的變送器，遠傳距離1000米，終端負載電阻為500歐，應選擇多大線徑的導線為*合理、*省錢。

1、應先知道所用變送器的*大容許輸出電壓值Uam,如不知，可用以下方法測出變送器的*大容許輸出電壓值：用一只3KΩ多圈電位器、一塊毫安表，二者串聯，再并接于變送器的輸出端。再用一塊電壓表并接電位器二端，見下圖：

        先將電位器調到阻值=0，再調整變送器輸入信號（如溫度）為*大量程，使其輸出電流=20ma（此時毫安表指示為20ma），電壓表指示=0V，旋轉電位器，使其電阻由0增加，其電壓表指示值也由0V增加，但電流表指示不變（仍=20ma），當調到電流表的指示值開始變小時，說明變送器的輸出電壓已超過*大容許值，此時應將電位器往回調節，使電流值=20ma后再繼續下調一點使電壓表指示值下降1V時停止調節。此時電壓表的電壓值即為該變送器的*大容許輸出電壓值UBm。

2、求出導線*大電阻值：Ro=(UBm－0.02×500)/ 0.02 =（UBm－10）/ 0.02

    如設Ubm=13V， 則：Ro)= (13－10)/0.02 = 150Ω

3、求導線截面積S: S =ρ·L / Ro = 0.02×1000÷150=0.13平方毫米

       從理論講可選用線徑為0.5mm、截面積為0.2平方毫米的銅導線，即可遠傳信號1000m，確保信號不會失真。但實際應用時還要考慮導線的機械強度，因為過細的導線易拉斷，故實際可選線徑稍粗一點為好。

      二、對“如果超過*長敷設米數，還需放線的話，需加什么設備。”的考慮

        如果超過*長敷設米數，還需放線的話，一般可有2種辦法：1、換線，即加粗傳送導線線徑：線徑增大一倍，可使傳送距離加長近一倍。2、改變端電阻使其阻值變?。喝缭K端電阻=500Ω，可換成250Ω終端電阻。采用這二種辦法都可以使傳送距離加長，但不是好的辦法，因為這樣處理結果：（1）使傳送線的重量加大，即使導線費用大為增加。（2）改變終端電阻，將使終端接收裝置都要隨之改變，其改動量及費用都是很大的，一般是不會采用此招的。

       如采用下圖所示電路，將其串接于變送器與終端電阻之間，可以加長信號傳送距離，而且費用很低。這個電路可稱為電流源中繼站電路。

       該電路是由一塊LM358、2只晶體管即4個電阻組成，線路簡單，容易制作，元件費用不到10元錢。 其圖中的R1與R4為精密線繞電阻，二者阻值相等，皆=100歐。

      電路說明：

      1、該電路左側輸入信號為變送器輸出的4~20ma電流信號，該電路右側輸出為本電路對外輸出的4~20ma電流信號，右側輸出電流時時隨左側的輸入電流變化而變化，這二個電流的大小在任意時刻內總是完全相同的。如變送器輸出電流=10ma，流過R1電阻，使R1二端電壓=1V，U1A與G1管組成電壓跟隨器，故R2二端電壓也=1V，由于R2=R3，而G1管的集電極電流與發射極電流相等，故R3二端電壓也=1V。U1B與G2管也為電壓跟隨器，使R4二端電壓=1V，R4=100Ω，故輸出電流=1÷0.1=10ma。

       即在任何輸入電流下，由于R1與R4電阻的電壓總是相等的，而R1=R4，故流入R1的電流 ≡ R4的流出電流。這就是電流中繼站電路的工作原理。

       該電路輸出端對地容許*大的輸出電壓UBm=21V（24-2-1=21），如終端電阻=500歐，當傳送電流=20ma時，終端電阻電壓=10V，容許傳送導線壓降≤11V，傳送導線電阻*大容許值=550Ω。如終端電阻=250歐，當傳送電流=20ma時，終端電阻電壓=5V，容許傳送導線壓降≤16V，傳送導線電阻*大容許值=800Ω。如已知傳送導線的線徑，就可求出可擴長的傳送距離。                                                                   

       2、如傳送導線型號已定，又知用此導線傳送信號，現有的變送器達不到信號應傳送的距離時，可在變送器與終端負載之間加一個（或幾個）這樣電路作傳送電流信號的的中繼站，可實現更遠距離的傳送電流信號。見下圖：

      也可這樣連線：如原終端電阻=500歐，會使傳送來的信號產生失真，改接為100歐電阻時，其傳送線傳送過來的4~20ma電流不產生失真時，可用該中繼站電路連接：將傳送線的電流線信號接中繼站電路的輸入端，中繼站電路的輸出端接原終端電阻，也可確保信號的正常傳遞。

      本文到此結束，如有不妥之處，請給于指正，本人深表感謝！