航晶微电子AN2501远程4-20mA电流环变送器的应用

概 述

信号在长传输线上传递时主要会面临两方面的干扰，一是来自系统外的干扰比如空间电磁波耦含干扰，二是来自内部的干扰比如传输线上的阻抗损耗。因此当前行业内都将4-20mA电流环作为一种广泛应用于信息采集系统和监控系统中的信号传输标准，电流信号能够克服电压信号传输中的噪声干扰、传输线路阻抗导致的电压降以及现场仪表放大器的供电等问题，因此抗干扰能力强的电流信号及具有内阻无穷大的电流源特性使得电流传输方式成为信号长线传输应用领域中的最佳选择。

电流环电路分为两线制和三线制两种基本配置，在两线制系统中，传感器和变送器位于现场，由于现场供电困难的原因，一般是接收端利用两线制的电流环电路向远端的现场电流输出模块供电，通过供电回路上的电流大小来反映信号的大小，因此两线制电流环的应用中对于供电的稳定性要求较高，供电电源的不稳定可能会带来新的干扰信号。在三线制系统中，额外的一条线用于向现场的变送器提供独立的工作电压，通常由监控系统提供，这样的设计更适用于需要驱动现场设备的情况。

虽然两线制相比于三线制的电流环，具有系统静态工作电流必须小于所要传输的最低4mA电流的特性，但其具有可少使用一根长传输线的优势。在系统应用中，长传输线的增加会使线阻增加、更易受外部干扰。因此在电流环的应用中，为了得到高精度的电流输出信号，两线制或三线制电流环实现方案的选择与应对长传输线带来的干扰问题是需要重点关注的。

长线传输应用抗干扰措施的实施

电流传输的形式因其具有损耗低、稳定性强与抗干扰能力强的特点广泛应用于信号长线传输。但在长线传输应用中，仍然有其它的干扰因素需要进行考虑。

1.内部因素：长传输线自身的影响与处理措施

长传输线就意味着信号传输的线缆不能当做理想导线看待处理，线缆自身的阻抗的影响在实际应用中也要得到重视，其会对信号的有效传输带来额外的损耗。特别是当信号的传输速率较快的时候，长传输线上的寄生参数不容忽视，寄生电容与寄生电感将会使得信号的有效传输更加。

系统工作频率低的场合，相比于电压信号，电流传输的方式因其电流源输出阻抗大、电流传输损耗小的特点能够有效地抑制因长传输线的工作模式带来的传输线损耗的影响，在长传输线工作模式下在终端电路也能得到高精度的信号。

在系统工作频率较大的场合，就需要对电流源电路、监测电路与长传输线之间进行阻抗匹配的处理以消除因阻抗不匹配带来的反射波的影响。通过确认长传输线的阻抗以进行终端采样电阻的选择。匹配电阻的处理措施能够有效地改善长传输线上的寄生参数带来的干扰的影响。

2.外部因素：环境电磁干扰的影响与处理措施

长线传输应用时不仅要考虑内部原因长传输线带来的损耗增加的影响，也要考虑外部原因复杂工作环境下的电磁场带来的电磁干扰。受到外环境电磁干扰的影响，信号的输出噪声将会变得明显增大，采集精度误差变大。因此在长线应用的环境下，推荐用户使用带有屏蔽层的屏蔽线。屏蔽线外围包裹的金属屏蔽层能够有效地屏蔽外围电磁场对于内部导体的干扰，能够有效地防止内部导体上的传输信号对外部其他设备造成干扰，能够减小信号在长线传输过程中的损耗，提高信号的传输质量，在应用屏蔽线时屏蔽线外壳要进行在监控电路处的接地处理。

针对长传输线应用下外部的电磁干扰测试与验证实施屏蔽线的作用，公司工程师们对自产的电流输出型三轴高精度弱磁测量模块HJMAG803C进行了相关的信号长线传输实验，这款产品设计时采用了调制解调技和PID调节技术，使得磁传感器探头一直工作在零高斯附近。以此来消除外界强磁场干扰（比如永磁铁、强电磁脉冲等），同时减小零位时漂（dK0/dT）和二次非线性（K2）。将测量的弱磁信号转换为抗干扰能力强的电流信号输出以保持高精度的特性。其电流输出类型是一款三线制形式的电流环变送器。实验中在供电电源附近设置390Ω的采样电阻对输出电流信号进行采集。

实验条件为应用20m长的长传输线的进行测试，长线的走线方式不固定，将输出电流设置为4mA的情况下分别在普通长线、屏蔽线（屏蔽线外层不接地和可靠接地）的长线的实验条件下进行实验验证，实验测试波形结果如下图所示：

从上述的结果中能够观察到不带屏蔽线的长线传输与带屏蔽线的长线传输实验结果是不同的，屏蔽层是否接地处理的结果也是不同的。其中屏蔽层接地处理的屏蔽线的实验结果是最好的，输出噪声最小，即屏蔽层接地处理的屏蔽线的应用加强了整个系统的抗外部电磁干扰的能力，使得电流输出信号具有更强的稳定性与可靠性。

为了更好的一致传输线上的干扰信号，通过在终端采样电阻上并联电容对输出噪声进行改善，尽管这样会使得输出信号的建立时间变得较长，但能够使得输出噪声得到就进一步的明显抑制，实验结果如下所示：

上述实验结果表明，终端采样电阻并联电容后，信号的输出噪声明显得到了改善，即在对传输信号的灵敏度要求不高的场合，在不影响器件功能的情况下添加电容的措施，有效的减小输出信号的噪声，提高整个系统的采集精度。

结 论

在对信号在长线传输工作模式下的干扰因素进行了分析，对主要干扰因素长线自身的损耗与外部环境的电磁干扰的具体影响结果进行了论证与实验验证。验证得知，应用电流模式进行信号长线传输具有高精度和高可靠性的优势，并对如何减小外部电磁干扰的影响提出了改进措施：通过采用屏蔽线（外层可靠接地处理）进行信号传输和在采样电阻上并联滤波电容的方式可有效的改善输出噪声。

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