关于对输出4~20ma的变送器延长其传送距离的措施讨论

　　一、对“ 4-20MA变送器信号线可设多长”的讨论

　　一般4~20ma的变送器的供电源均为24V，其输出末端均为PNP型晶体管构成的电流源形式，见下图：

　　上左图中G2为PNP型晶体管，其发射极接一精密电阻R4(图为250欧)，R4的电压跟随其基极对+24V电压Ux而变化，由集电极对外输出构成的电流源。Ux是由内部电路产生的根据外被测信号的大小变换的电压，在被测的模拟信号范围内Ux的变化值，使集电极输出电流为：4~20ma。此时G2管发射极对+24V的电位差为：1~5V，G2管发射极对地电位为：4ma时Ue=24-4×0.25=23V;20ma时 Ue=24-20×0.25=19V;上右侧图为变送器输出接终端负载Rf的等效电路图，其Ro为传送导线的电阻，此时集电极A点对地电压：

　　UA=I·(R0+Rf)……(1) 式中 I 为4～20ma。

　　讨论一、传送导线电阻相同时，不同截面积的导线传送距离：

　　如已知传送导线的电阻Ro及其电阻密度ρ，其导线截面积S与长度L的关系式如下：

　　Ro=ρ·L / S ……(2)

　　由(2)式可知：如传送导线的电阻值保持不变，其导线截面积变大，则导线的长度也变长，即传送距离变远。其导线截面积变小，则导线的长度也变短，即传送距离变近。

　　故一般发现传送距离不够长时，可采用加大导线线径的办法来实现。但过粗的导线会加导线重量，即提高材料成本。

　　讨论二、同一个变送器(如其输出晶体管的发射电阻=250Ω)，而终端电阻不同时：

　　1、如终端电阻Rf=250Ω，当电流I=20ma时，B点对地电压UB=20×0.25=5V，如Ro=0，则UA也=5V。G2的管压降 =19-5=14V。随着Ro由0逐渐变大，其Ro二端的电压也由0逐渐增加，使UA电压随之增大，G2管压随之变小。为避免信号失真，容许G2管*小管压降=1V，即UA=18V，则Ro=(18-5)÷0.02 =650Ω.即传送导线的电阻≤650Ω时信号不会失真。

　　如终端电阻Rf=500Ω，当电流I=20ma时，B点对地电压UB=10V，如Ro=0，则UA也=10V。G2的管降 =19-10=9V。设G2管管压降=1V时， UA=18V时，其此时传送导线的电阻：Ro=(18-10)÷0.02 =400Ω。即传送导线的电阻≤400Ω时信号不会失真。

　　可见对同一变送器，如终端电阻小其传送线容许的电阻值比终端电阻大 其传送线容许的电阻值要大，如导线线径相同，传送导线电阻大的其传送距离要长。

　　讨论三、终端电阻相同，如取Rf==250Ω，而变送器的容许*大输出电压不同时：

　　当变送器输出电流=20ma，又晶体管G2的管压降=1V时，传送信号*远，此时G2管的集电极对地电压即为变送器容许*大输出电压UAm。其值为：UAm=24-20×R4-1，此时终端电阻电压=20×0.25=5V，传送导线的电阻Ro=(UAm-5)/ 0.02。

　　如变送器内的R4=250Ω，则变送器容许*大输出电压：Uam=24-20×0.25-1=18V

　　此时传送导线电阻 Ro =(18-5)÷ 0.02 = 650Ω。

　　如变送器内的R4=500Ω，则变送器容许*大输出电压：Uam=24-20×0.5 -1=13V

　　此时传送导线电阻 Ro =(13-5)÷ 0.02 = 400Ω。

　　可见对相同的终端电阻，其容许*大输出电压高的变送器比容许*大输出电压低的变送器所用传送线的电阻值要大，如传送导线截面积相同，电阻大的其导线要长，即传送距离要长。

　　综上讨论得出的三个结论，可供远距离传送信号选择传送导线的时的依据。下举一例说明：有一个4～20ma输出的变送器，远传距离1000米，终端负载电阻为500欧，应选择多大线径的导线为*合理、*省钱。

　　1、应先知道所用变送器的*大容许输出电压值Uam,如不知，可用以下方法测出变送器的*大容许输出电压值：用一只3KΩ多圈电位器、一块毫安表，二者串联，再并接于变送器的输出端。再用一块电压表并接电位器二端，见下图：

　　先将电位器调到阻值=0，再调整变送器输入信号(如温度)为*大量程，使其输出电流=20ma(此时毫安表指示为20ma)，电压表指示=0V，旋转电位器，使其电阻由0增加，其电压表指示值也由0V增加，但电流表指示不变(仍=20ma)，当调到电流表的指示值开始变小时，说明变送器的输出电压已超过*大容许值，此时应将电位器往回调节，使电流值=20ma后再继续下调一点使电压表指示值下降1V时停止调节。此时电压表的电压值即为该变送器的*大容许输出电压值UBm。

　　2、求出导线*大电阻值：Ro=(UBm-0.02×500)/ 0.02 =(UBm-10)/ 0.02

　　如设Ubm=13V， 则：Ro)= (13-10)/0.02 = 150Ω

　　3、求导线截面积S: S =ρ·L / Ro = 0.02×1000÷150=0.13平方毫米

　　从理论讲可选用线径为0.5mm、截面积为0.2平方毫米的铜导线，即可远传信号1000m，确保信号不会失真。但实际应用时还要考虑导线的机械强度，因为过细的导线易拉断，故实际可选线径稍粗一点为好。

　　二、对“如果超过*长敷设米数，还需放线的话，需加什么设备。”的考虑

　　如果超过*长敷设米数，还需放线的话，一般可有2种办法：1、换线，即加粗传送导线线径：线径增大一倍，可使传送距离加长近一倍。2、改变端电阻使其阻值变小：如原终端电阻=500Ω，可换成250Ω终端电阻。采用这二种办法都可以使传送距离加长，但不是好的办法，因为这样处理结果：(1)使传送线的重量加大，即使导线费用大为增加。(2)改变终端电阻，将使终端接收装置都要随之改变，其改动量及费用都是很大的，一般是不会采用此招的。

　　如采用下图所示电路，将其串接于变送器与终端电阻之间，可以加长信号传送距离，而且费用很低。这个电路可称为电流源中继站电路。

　　该电路是由一块LM358、2只晶体管即4个电阻组成，线路简单，容易制作，元件费用不到10元钱。 其图中的R1与R4为精密线绕电阻，二者阻值相等，皆=100欧。

　　电路说明：

　　1、该电路左侧输入信号为变送器输出的4~20ma电流信号，该电路右侧输出为本电路对外输出的4~20ma电流信号，右侧输出电流时时随左侧的输入电流变化而变化，这二个电流的大小在任意时刻内总是完全相同的。如变送器输出电流=10ma，流过R1电阻，使R1二端电压=1V，U1A与G1管组成电压跟随器，故R2二端电压也=1V，由于R2=R3，而G1管的集电极电流与发射极电流相等，故R3二端电压也=1V。U1B与G2管也为电压跟随器，使R4二端电压=1V，R4=100Ω，故输出电流=1÷0.1=10ma。

　　即在任何输入电流下，由于R1与R4电阻的电压总是相等的，而R1=R4，故流入R1的电流 ≡ R4的流出电流。这就是电流中继站电路的工作原理。

　　该电路输出端对地容许*大的输出电压UBm=21V(24-2-1=21)，如终端电阻=500欧，当传送电流=20ma时，终端电阻电压=10V，容许传送导线压降≤11V，传送导线电阻*大容许值=550Ω。如终端电阻=250欧，当传送电流=20ma时，终端电阻电压=5V，容许传送导线压降≤16V，传送导线电阻*大容许值=800Ω。如已知传送导线的线径，就可求出可扩长的传送距离。

　　2、如传送导线型号已定，又知用此导线传送信号，现有的变送器达不到信号应传送的距离时，可在变送器与终端负载之间加一个(或几个)这样电路作传送电流信号的的中继站，可实现更远距离的传送电流信号。见下图：

　　也可这样连线：如原终端电阻=500欧，会使传送来的信号产生失真，改接为100欧电阻时，其传送线传送过来的4~20ma电流不产生失真时，可用该中继站电路连接：将传送线的电流线信号接中继站电路的输入端，中继站电路的输出端接原终端电阻，也可确保信号的正常传递。