0 引言

热工仪表按信号性质分为模拟量和开关量两大类，相互依赖。随着电子技术的发展，电动仪表 [1] 很快被两线制变送器替代，两线制变送器性能优越，稳定可靠。但机械式压力开关仍停留在软膜弹簧微动开关的结构上，卡涩、漂移 [2] 现象时有发生，并且不能被监控，如图 1 所示。为了克服以上存在的问题，经过反复的试验和研究，从理论上探明了开关量两线制的基本原理，建立了两线制供电与信号的分界规范和标准。在技术上实现了 120uA 电子压力开关，突破了微功耗的开关量两线制的瓶颈。在此基础上，实现了 160uA 智能压力开关和隔离型变送器的一体化仪表，并在上百个电厂获得了成功应用，真正实现了压力开关的两线制电子化和智能化的技术进步。

本文从两线制的原理出发，全面叙述了开关量两线制的基理，微功耗核心技术，微功耗优势，电子开关与机械式开关的比较，两线制智能压力开关、开关变送器一体化、一表多用的通用性能。经现场多年应用，效果明显。

 

1 仪表的两线制

1.1 两线制

两线制是仪表信号与电源共用两根线，常见的如变送器，4mA 以下是给仪表供电，4mA ～ 20mA 是模拟信号。也简称为 LOOP POWER（信号回路供电）。

 

由于种种原因，开关量没有类似的规范，开关量一直由软膜驱动微动开关的机械式开关来实现，其性能一直得不到提高，特别是卡涩、漂移，不可监控的致命性弱点一直得不到改进，致使自动化水平特别是保护系统的可靠性得不到提高和改进。

 

1.2 DCS/PLC开关量输入

DCS/PLC DI 如图 1 所示，由电源 - 限流电阻 - 光电隔离器 - 开关 - 地完成回路，开关信号线与 DCS/PLC 输入端DI 相连，DCS/PLC 输入端 DI 的电压叫查询电压。开关动作后引起光隔的二极管发光，三极管状态发生翻转，产生逻辑“1”。开关不动作时，输入端查询电压为 24V 或 48V，电流接近零，光隔二极管不导通，三极管状态不翻转，输出为逻辑“0”。

 

1.3 开关量两线制

众所周知，二极管 PN 结的导通电流为 300uA，如果电流小于 200uA 时，二极管不会导通。据此，如果电子压力开关工作电流小于 200uA 时，DI 输入的光隔的二极管不会导通，也就不会发光，三极管不会翻转。当压力超过定值时，压力开关动作后，光隔二极管导通发光，三极管翻转，产生逻辑“1”。如果利用 200uA 的电流保证仪表的正常工作，检测压力值并进行逻辑运算，控制开关导通与截止、控制 DI 的光隔的导通与截止，从而实现信号和供电共用两根线的开关量两线制。

 

基于这个原理，利用 200uA 为仪表供电，可以实现供电和信号共用的两线制规范。

 

1.4 开关量两线制的瓶颈

按照传统仪表，传感器供电电流为 1mA ～ 2mA，仪表与单片机都会放大供电几毫安不等。因此，开关量两线制的根本难题在于使其工作电流小于 200uA，几乎是不可能的事情，所以没有人去想，更没有人去做。国内外没有任何研究可供借鉴，没有教科书，没有标准，从技术上说是个空白，是长期以来开关量不能电子化的瓶颈。

 

2 两线制电子压力开关

2.1 两线制电子压力开关的研制

实现压力开关两线制的关键是要保证整个仪表的功耗低于 200uA，据此把总的功耗分配到各个模块，其中传感器模块电流 50uA，信号调理 50uA，定值、电源、IGBT 合计 20uA。

然后，根据功能要求和功耗对器件进行筛选和定制，再把所选的器件组成的模块进行仿真试验，在仿真成功的基础上集成到整机板上进行试验，经过几百次的反复试验，2007 年终于完成了第 1 台 120uA 微功耗电子压力开关的研制。

 

该产品的研制成功主要是发现了 200uA 开关量工作电流不引起 DCS/PLC 误动的标准，并用这个标准把产品研制成功，验证了这一标准的可行性，从而把开关量的两线制从理论分析落实到产品，变成了现实。

 

2.2 两线制的特点

两线制电子压力开关应用后优势显现。主要如下 ：1）可靠性高，不故障 ：两线制电子压力开关投入现场后，从 2012 年开始有几千只业绩，至今没有发现自身原因导致的故障，误动率和拒动率为零 [13,14]。究其原因，一方面不锈钢扩散硅充油体工艺和质量可靠 ；另一方面仪表电路功耗低，故障率极低 [7]。

 

2）没有自热，不漂移 ：由于微功耗扩散硅充油体传感器工作电流只有 50uA，传感器没有自热，自热引起的漂移基本为零，加上微功耗仪表放大器只有 50uA，其它元器件20uA 没有自热引起的阻值变化、工作点漂移，仪表性能极其稳定。如用户通辽胜发电厂应用炉膛压力 [6,17]，一年后校验发现设定值不变，两年后再次校验，确认开关没有漂移。

 

3）抗振抗扰，耐高温

①抗振 ：两线制电子压力开关从不锈钢传感器到电路板没有可活动部件，相互制约，抗振性能好 [9,12]。

② 抗 扰 ：抗 干 扰 是 保 证 产 品 可 靠 的 基 本 要 求， 对微功耗产品尤为重要。不但在结构上采用分仓设计，在电路上采用大功率共模，保证 EMC 符合国际标准 [10,11]，1MHz ～ 80MHz 的干扰电压达到了 20V 没有影响，比军标10V 高 1 倍，因此应用中未见产品受干扰发生误动。

③耐温 ：根据核电 40 年寿命测试标准，成功地进行了一组 20 只开关的 138℃ 10 天加速试验，无一故障，误差不超标。

 

4）精度高，速度快

①精度 ：0.5，为 -10℃～ 80℃全程保证值 [8]。

②速度 ：1ms 比机械式开关速度快 40ms[5]。

5）无条件替代机械式开关

①电压等级 ：采用大功率 IGBT[4]，从 24V AC/DC ～220V AC/DC 交流直流通用。

②两线 ：和机械式开关一样，两线不分极性，不需要作任何改动。

2.3 两线制压力开关硬件的可靠性

1） 结构 

从图 5 可见，两线制电子压力开关没有可活动部件。由于没有弹簧、软膜和微动开关部件，因而没有机械卡涩和机械漂移。

2）传感器

从图 6 可见，两线制电子压力开关传感器采用扩散硅充油体传感器，不绣钢波纹膜，位移小，具有阻尼和保护，因此不会引起老化和破裂等故障。

3 两线制智能压力开关变送器一体化仪表

3.1 两线制智能压力开关的研制

两线制电子压力开关的广泛应用，用户不断提出监控和免维护校验的要求，2016 年完成了两线制智能压力开关变送器一体化仪表的研制，受到了用户的欢迎。基于两线制开关 200uA 的上限标准，各微功耗模块电流分配 ；压力传感器（或热电阻、热电偶）功耗为 50uA，仪表放大 40uA，单片机 MCU（A/D 转换，输出 DO 驱动IGBT[4] 控制开关状态）50uA、液晶显示 10uA，实际整机工作电流 160uA。

 

为了保证远方监控，同时提供 D/A 输出 4mA ～ 20mA变送器输出信号，并且为电源和信号完全隔离的变送器输出。实现了两线制数显压力开关变送器一体化的新一代仪表，其原理如图 7 所示。

3.2 两线制智能压力开关的优势

两线制智能压力开关保留了两线制电子压力开关的基本特点，除功耗低、不漂移、无故障、精度高等优势外，还具有以下两个智能化的特点 ：

1）可监控、可预测。两线制智能压力开关能通过数显展示压力值，可设定动作值、返回值、延时和常开 / 常闭接点信号，可进行五点标定。压力值的显示提供了对测量系统正常与否的判断。

 

如接线不良或断线，显示黑屏。如未接管或泄漏，压力值为零 ；如堵管则压力值不变。从这些信息完全可以判断压力开关的工作状态，为保护系统提供了可视、可查、可监控、可预测的办法，为电厂保护可靠性的提高提供了根本性的保证。

 

2）免校验、免维护。

①不校验 ：两线制智能压力开关的零位、量程在出厂时已标定，所以定值、返回值在显示屏上通过按键可直接设定 [15,16]，大大减少了热工人员的调试工作。

②免维护 ：一方面由于两线制智能压力开关具有零故障和不漂移的性能，具备免维护条件 ；另一方面从状态检修的办法，利用常规的巡检，对有异常的进行维护。即便大修，就地加压比对即可，避免了频繁拆装带来的人力浪费以及诸如机械式压力开关接线松动或接触不良、仪表管接头泄漏等人为失误引起的故障。

4 两线制智能压力开关的应用

自 2012 年两线制电子压力开关投用以来已有几千台，拥有上百个电厂、化工厂、钢铁厂、水泵厂的应用业绩。

1）电厂锅炉：用于炉膛压力的有华能玉环、巢湖电厂、白山电厂、通辽胜发等 ；用于磨煤机的有国电宝庆、华能左权、南通、岳阳等厂 ；用于等离子系统的有华能海门、金陵电厂等 ；用于燃油系统的有华能南通、大连等。

2）电厂汽机 ：用于油系统的有华能北京热电燃机交流油泵、华能德州小机挂闸油压、丹东等电厂 ；用于滤网差压的有华能德州、南通、石二、大连、丹东、岳阳电厂、国电 ；用于真空或压力的有华能包二、两江燃机、辛店电厂、秦山核电站二期凝泵出口压力等。

3）化工、钢铁 ：钢高炉氧化风机入口滤网差压、索普化工集团联锁保护，威海化工、鞍钢、本钢等。以上应用，用户反应压力开关性能稳定可靠，未发生误动、拒动现象，应用效果良好。

 

5 结论

众所周知，由于机械式压力开关的种种不良，很多场合采用变送器来替代压力开关。在压力开关性能没有根本改变时，确实就是非常好的办法。但两线制智能压力开关的出现，从根本上改变了机械式压力开关的不足，为控制系统提供了非常合理、简单、经济、快速和抗干扰性良好的保护与控制元件，必将为保护系统的可靠性带来根本性的提高。

 

1）合理 ：避免了变送器 A/D 输入，D/A 输出，避免了DCS 的 D/A 多次转换带的累积延时和累积误差。

2）简单 ：把物理量直接转换成开关量进行控制，系统简单、可靠。

3）经济 ：DCS/PLC DI 开关量要比 AI 经济很多，其原因主要是开关量没有 A/D 器件，加上模拟量电路要复杂，所以 DI 造价要低很多。

 

4）速度 ：控制器的浮点运算占用的时间、内存要比开关量多很多，特别是在汽机保护那种要求小于 50ms 或更快的场合，更是非常关健（请注意 ：不要误认为台式计算机速度很快，控制器就可以做到很快，实际上控制器往往要比台式计算机落后近 10 年，速度和内存资源并不十分宽裕）。

5）抗干扰 ：从前可知，DCS/PLC 的 DI 是采用光电隔离器来保证信号的可靠性的，但模拟量则仍没有类似强大的隔离器件，一方面模拟量隔离器件昂贵，另一方面隔离电路复杂，所以采用开关量的抗干扰能力要比模拟量更简单、经济、可靠。

 

两线制电子或智能压力开关是电子技术、传感器、计算机技术发展的必然结果，具备无条件替代机械式开关的能力和优势，是变送器不可替代的同样重要的仪表，一体化仪表的诞生为减少仪表种类，减少备品数量提供了有利的条件。

 

展望未来，在两线制压力（含差压、温度）开关变送器一体化的基础上，推广到液位、料位、流量等仪表，全面实现两线制必将为仪表发展带来新的一代微功耗智能化产品，从而大大提高仪表的可靠性和稳定性，真正迈向微功耗智能化的新时代