CN102590589A - 4-20mA电流变送器电路 - Google Patents

4-20mA电流变送器电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种4-20mA电流变送器电路,其特征是包括输入电路、电平变换电路、反相电路、电流变送电路,其中输入电路中的第一运算放大器()的信号输出端通过第三电阻()连接电平变换电路中的第二运算放大器()的反相输入端,第二运算放大器()的信号输出端通过第六电阻()连接反相电路中的第三运算放大器()的反相输入端,第三运算放大器()的信号输出端通过第八电阻()连接电流变送电路中的第四运算放大器()的同相输入端。本发明的优点:电路结构简单、成本低、性能优良,具体产品实施中,只需要一块四运算放大器集成电路,以及少量的小功率电阻和一个三极管即可,便于实现。

Description

4-20mA电流变送器电路
技术领域
[0001] 本发明涉及的是一种用作工业现场设备运行状态远程监控的4-20mA电流变送器电路。
背景技术
[0002] 在工业现场,模拟电流输出可以实现远程监控电机运行的状态,如果采集的信号经调理后是电压信号并且进行长线传输,会产生以下问题:第一,由于传输的信号是电压信号,传输线会很容易就受到噪声的干扰;第二,传输线的分布电阻会产生电压降;第三,在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题;为了解决上述问题和避开相关噪声的影响,工业现场大量采用电流来传输信号,采用电流信号不容易受干扰;上限取20mA是因为防爆要求,20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯,而低于4mA用于各种故障的报警下限;只所以没有取OmA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O ;
目前主要有两种解决方案:
O交流变送器,可以直接将主回路交流电流转换成按线性比例输出的DC4-20mA恒流环标准信号,连续输送到接收装置,软启动器销售价格低,利润薄,使得这一方案的性价比显得不是太高;
2)集成芯片方案,ADI公司提供一种电流环变送器驱动芯片,如AD694。可以将输入的电压转换为电流输出;这种芯片对开发4-20mA电流来说是极大的好消息,缺点:价格也非常高,不适合批量生产,这就限制了这个方案的可行性;
以上方案由于价格高等因素,限制了在异步电动机软起动器之类低成本电气设备中的应用。
发明内容
[0003] 本发明提出的是一种4_20mA电流变送器电路,其目的旨在克服现有技术所存在的上述缺陷,具有电路结构简单、成本低、性能优良、便于实现等特点。
[0004] 本发明的技术解决方案:其结构是包括输入电路、电平变换电路、反相电路、电流变送电路,其中输入电路中的第一运算放大器
Q4的信号输出端通过第三电阻爲连接电平变换电路中的第二运算放大器O為的反相输入端,第二运算放大器O為的信号输出端通过第六电阻4连接反相电路中的第三运算放大器04的反相输入端,第三运算放大器0為的信号输出端通过第八电阻连接电流变送电路中的第四运算放大器Q4的同相输入端。
[0005] 本发明的优点:电路结构简单、成本低、性能优良,具体产品实施中,只需要一块四运算放大器集成电路,以及少量的小功率电阻和一个三极管即可,便于实现。附图说明
[0006] 附图I是4_20mA电流变送器电路的电路原理图。
[0007] 附图2是4_20mA电流变送器电路的输入输出仿真结果图。
具体实施方式
[0008] 以下将结合附图,对本发明的电路连接结构和工作原理进行详细说明。
[0009] 对照附图1,其结构是包括输入电路、电平变换电路、反相电路、电流变送电路,其
中输入电路中的第一运算放大器0為的信号输出端通过第三电阻连接电平变换电路中的第二运算放大器O為的反相输入端,第二运算放大器M的信号输出端通过第六电阻~ 连接反相电路中的第三运算放大器0為的反相输入端,第三运算放大器04的信号输出端通过第八电阻~连接电流变送电路中的第四运算放大器0為的同相输入端。
[0010] 所述的输入电路包括第一电阻$1、第二电阻·^、第一运算放大器0為,第一电阻巧的一端连接+5V电源,第一电阻巧的另一端连接第二电阻的一端,并与第一运算放大器CM1的同相输入端相连,第二电阻為的另一端与地相连,第一运算放大器04的反相输入端连接输出端。
[0011] 电平转换电路包括第三电阻乓、第四电阻矣、第五电阻馬和第二运算放大器O為 ,第三电阻乓的一端连接第一运算放大器04的输出端,第三电阻馬的另一端连接第四电阻4的一端,第五电阻乓的一端连接第二运算放大器0為的反相输入端,第五电阻”的另一端连接输入端,第四电阻乙的另一端连接第二运算放大器0為的输出端,第二运算放大器0為的同相输入端连接地。
[0012] 反相电路包括第六电「且\第七电阻為和第三运算放大器0為,第六电阻尽的一端连接第二运算放大器O為的输出端,第六电阻芩的另一端连接第三运算放大器0為的反相输入端和第七电阻馬的一端,第七电阻的另一端连接第三运算放大器04的输出端,第三运算放大器Q4的同相输入端连接地。
[0013] 电流变送电路包括第八电阻^、第九电阻馬、第十电阻片。、第^^一电阻A11、第十二电阻、第十三电阻為3、第十四电阻及》、第四运算放大器04、NPN三极管T1,其中第八电阻^的一端连接第三运算放大器04的输出端,第八电阻鳥的另一端连接第四运算放大器04的同相输入端,第四运算放大器Q4的同相输入端连接第十四电阻為4的一端, 第四运算放大器Q4的反相输入端连接第九电阻在的一端,第九电阻為的另一端连接地, 第十电阻苎。的一端连接第四运算放大器Q4的反相输入端,第十电阻巧。的另一端连接第十二电阻A12的一端,第四运算放大器0為的输出端连接第^ 电阻為I的一端,第^ 电阻為i的另一端连接晶体三极管?I的基极,晶体三极管的集电极连接+5V电源,晶体三极管巧的发射极连接第十二电阻的一端,第十二电阻的另一端与第十三电阻2¾、第
十四电阻的一端相连接为变送器的输出端,第十三电阻的另一端接地。
[0014] 变送器电路中运算放大器供电电源为正负12V直流电。
实施例
[0015] 为简化分析,现对电路中的各种变量进行定义:设第一电阻乓和第二电阻〜之间的电压为^,第一运算放大器QA的输出电压为Us,第三运算放大器0為输出电压为R ,第四运算放大器Qi4同相输入端电压为% ,第四运算放大器O為反相输入端电压为t/3, 第四运算放大器Q4输出电压为%,第十电阻及10和第十二电阻Ru之间的电压为υΰ,第
十二电阻Rn和第十三电阻Rn之间的电压为Ih ,变送器输出电流为第十三电阻Rn上的电流。
[0016]由為、為串联分压得
Figure CN102590589AD00061
为电压跟随器,故
Figure CN102590589AD00062
為构成加法电路实现电平转换,Q為为反相电路,有
因为变送器输入电压化的范围为0-5V,Us = UA = i.25F,所以,t/c的变化范围为
Figure CN102590589AD00063
[0017] ΟΛ构成电流变送电路。由运算放大器输入端“虚断”特性,得
Figure CN102590589AD00064
由正反馈支路得到
Figure CN102590589AD00065
由节点电流定律,变送器输出电流h为
Figure CN102590589AD00066
整理,得
Figure CN102590589AD00071
因为远大于為2 ,上式近似为
Figure CN102590589AD00072
将4 = ¾+¾代入上式,得
Figure CN102590589AD00073
為2为可调电阻,输入电压2^范围为0-5V,调节為2为312. 5Ω,基上述电流变送电路,在仿真软件multisim中,建立了仿真模型,仿真结果见附图2,具体产品实施中,只需要一块四运算放大器集成电路,以及少量的小功率电阻和一个三极管,实现方便,成本低。
[0018] 以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1. 4-20mA电流变送器电路,其特征是包括输入电路、电平变换电路、反相电路、电流变送电路,其中输入电路中的第一运算放大器(04)的信号输出端通过第三电阻(τ )连接电平变换电路中的第二运算放大器(0為)的反相输入端,第二运算放大器(Q4)的信号输出端通过第六电阻(^)连接反相电路中的第三运算放大器(Q4 )的反相输入端,第三运算放大器(Q4)的信号输出端通过第八电阻(尽)连接电流变送电路中的第四运算放大器(O為)的同相输入端。
2.根据权利要求I所述的4-20mA电流变送器电路,其特征是所述的输入电路包括第一电阻(巧)、第二电阻(怂)、第一运算放大器(0為),第一电阻(S)的一端连接+5V电源,第一电阻(巧)的另一端连接第二电阻(^ )的一端,并与第一运算放大器(Q4)的同相输入端相连,第二电阻(乓)的另一端与地相连,第一运算放大器(Q4)的反相输入端连接输出端。
3.根据权利要求I所述的4-20mA电流变送器电路,其特征是电平转换电路包括第三电阻(乓)、第四电阻C +)、第五电阻()和第二运算放大器(0為),第三电阻(爲)的一端连接第一运算放大器(0為)的输出端,第三电阻(乓)的另一端连接第四电阻(&)的一端,第五电阻(為)的一端连接第二运算放大器(0為)的反相输入端,第五电阻(為)的另一端连接输入端,第四电阻(')的另一端连接第二运算放大器(0為)的输出端,第二运算放大器(Q4)的同相输入端连接地。
4.根据权利要求I所述的4-20mA电流变送器电路,其特征是反相电路包括第六电阻 (尽)、第七电阻(尽)和第三运算放大器(Q4 ),第六电阻(在)的一端连接第二运算放大器(O為)的输出端,第六电阻(在)的另一端连接第三运算放大器(O為)的反相输入端和第七电阻(乓)的一端,第七电阻(尽)的另一端连接第三运算放大器(0為)的输出端,第三运算放大器(0為)的同相输入端连接地。
5.根据权利要求I所述的4-20mA电流变送器电路,其特征是电流变送电路包括第八电阻(怂)、第九电阻(巧)、第十电阻(i?1Q)、第i^一电阻(馬0、第十二电阻(^2 )、第十三电阻(¾)、第十四电阻(¾)、第四运算放大器(Q4)、npn三极管(T1),其中第八电阻(¾)的一端连接第三运算放大器(Q4)的输出端,第八电阻(¾)的另一端连接第四运算放大器 (O為)的同相输入端,第四运算放大器(O為)的同相输入端连接第十四电阻(為4)的一端, 第四运算放大器(04)的反相输入端连接第九电阻(尽)的一端,第九电阻(乓)的另一端连接地,第十电阻(為。)的一端连接第四运算放大器(0為)的反相输入端,第十电阻(λ1())的另一端连接第十二电阻)的一端,第四运算放大器(Q4)的输出端连接第十一电阻(為i )的一端,第十一电阻(*^11)的另一端连接晶体二极管($)的基极,晶体二极管($ )的集电极连接+5V电源,晶体三极管(?1)的发射极连接第十二电阻(苎2 )的一端,第十二电阻(i?12 )的另一端与第十三电阻(為3)、第十四电阻(Λ»)的一端相连接为变送器的输出端,第十三电阻(巧3)的另一端接地。
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