电流变送器的工作原理

电流变送器是工业自动化领域中一种非常重要的传感器信号转换与传输装置。它的核心作用是将各类传感器（如温度、压力、流量、液位、振动等）输出的原始信号（可能是电阻变化、电压变化、mV信号等）隔离、放大、线性化，并最终转换成标准的直流电流信号（通常是4-20mA）进行传输。

工作原理：

电流变送器的工作原理可以分解为以下几个关键环节：

信号采集与调理：

变送器接收来自一次传感器（如热电偶、热电阻RTD、应变片、压阻传感器等）的原始信号。这个信号通常很微弱，易受干扰，或具有非线性特征。
输入电路首先对信号进行调理：包括可能的冷端补偿（热电偶）、线性化处理（如将RTD的电阻变化转换为电压变化、补偿非线性特性）、低通滤波（抑制高频噪声）、放大（提升信号电平）等。
信号隔离（可选但常见）：

大多数工业用变送器采用电气隔离技术（如光耦隔离、变压器隔离或专用隔离芯片）。这在输入端、电源端和输出端之间形成隔离屏障。
目的：
消除接地回路干扰： 防止因现场不同设备地电位差引起的电流回路干扰信号。
提高抗干扰能力： 有效抑制现场复杂电磁环境（如变频器、电机启停）带来的共模噪声。
保护设备： 当一端（如传感器或电源）发生故障（如浪涌、短路）时，保护另一端的设备（如PLC或DCS模块）。
电平转换： 适应不同的信号范围。
核心转换与放大：

经过调理和隔离的信号送入变送器的核心转换电路。
电路的核心任务是根据输入信号的大小，精确控制一个恒流源的输出电流。这个恒流源是变送器的核心部件。
转换电路将输入的连续变化的物理量（电压）线性地转换为对输出电流的控制。通常采用负反馈原理，将输出电流的一部分反馈回输入端，与输入信号进行比较，其差值驱动放大/控制电路，使输出电流精确跟随输入信号的变化。
标准电流输出：

最终输出一个标准化的直流电流信号。工业上最广泛使用的是4-20mA电流环。
4mA： 通常对应被测量的下限值（0%、零位、或最小有效值）。设置一个“活零点”（4mA）而非0mA，具有关键优势：
区分断线故障： 如果线路断开，电流变为0mA，控制系统很容易检测到故障（断线），而0mA信号则无法区分是断线还是测量下限。这非常重要！
可为两线制变送器供电： 4mA的基础电流可以为变送器内部的电子电路提供工作电源（见下面两线制解释）。
20mA： 对应被测量的上限值（100%、满量程）。
其他较少见的标准包括0-20mA, 0-10V等，但4-20mA已成为工业事实标准。
供电：

两线制： 这是最主流、最高效的方式。变送器只有两根线（通常标记为POWER+/LOOP+和RETURN-/LOOP-）。这两根线同时承担信号传输和为变送器内部电路供电的双重功能。电源电压（通常24V DC）通过这两根线加到变送器上。变送器在工作时消耗的电流在4-20mA范围内变化。电源的正极（+）接变送器的电源正端（P+），变送器的电流输出端（Iout）通过现场负载电阻（如PLC/DCS输入模块内部的250Ω电阻）返回到电源的负极（-）。变送器内部工作所需的电流（≤3.5mA）就包含在输出的4mA中。
三线制/四线制： 较少见。三线制通常有电源+、电源-、信号输出+。四线制则电源与信号输出完全独立。它们需要额外的供电线缆。