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【行业知识】为什么采用4~20mA的一电流来传输模拟量?

20201号彩票官网-03-11 08:55:37 浏览次数:

我们用什么方式来传输模拟信号呢?工业上普遍需要测量各类非电物理量,例如温度、压力 、速度、角度等,这些都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的一控制室或显示设备上 。工业上最广泛采用的一是用4~20mA电流来传输模拟量 。

采用电流信号的一原因是不 容易受干扰,因为工业现场的一噪声电压的一幅度可能达到数V,但是噪声的一功率很弱,所以噪声电流通常小于nA级别,因此给4-20mA传输带来的一误差非常小;电流源内阻趋于无穷大,导线电阻串联在回路中不 影响精度,因此在普通双绞线上可以传输数百米;由于电流源的一大内阻和恒流输出,在接收端我们只需放置一个250欧姆到地的一电阻就可以获得0-5V的一电压,低输入阻抗的一接收器的一好处是nA级的一输入电流噪声只产生非常微弱的一电压噪声 。

上限取20mA是因为防爆的一要求:20mA的一电流通断引起的一火花能量不 足以引燃瓦斯 。下限没有取0mA的一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0 。常取2mA作为断线报警值 。电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出,必然要有外电源为其供电 。最典型的一是变送器需要两根电源线,加上两根电流输出线,总共要接4根线,称之为四线制变送器 。当然,电流输出可以与电源公用一根线(公用VCC或者GND),可节一根线,所以现在基本上将四线制变送器称之为三线制变送器 。其实大家可能注意到, 4-20mA电流本身就可以为变送器供电,变送器在电路中相当于一个特殊的一负载,这种变送器只需外接2根线,因而被称为两线制变送器 。工业电流环标准下限为4mA,因此在量程范围内,变送器通常只有24V,4mA供电(因此,在轻负载条件下高效率的一DC/DC电源(TPS54331,TPS54160),低功耗的一传感器和信号链产品、以及低功耗的一处理器(如MSP430)对于两线制的一4-20mA收发非常重要) 。这使得两线制传感器的一设计成为可能而又●富有挑战 。

    一般需要设计一个VI转换器,输入0-3.3v,输出4mA-20mA,可采用运放LM358,供电+12v 。

  我们系统地来看看模拟量设备为什么都偏爱用4~20mA传输信号~

     4-20mA. DC(1-5V.DC)信号制是国际电工委员会( IEC )过程控制系统采用的一模拟信号传输标准 。我国也采用这一国际标准信号制,仪表传输信号采用4-20mA.DC,接收信号采用1-5V.DC,即采用电流传输、电压接收的一信号系统 。

一般仪器仪表的一信号电流都为4-20mA,指最小电流为4mA,最大电流为20mA  。传输信号时候,因为导线上也有电阻,如果用电压传输则会在导线内产生一定的一压降,那接收端的一信号就会产生一定的一误差了,所以一般使用电流信号作为变送器的一标准传输 。

什么是4~20mA.DC(1~5V.DC)信号制?

        4~20mA.DC(1~5V.DC)信号制是国际电工委员会(IEC):过程控制系统用模拟信号标准 。我国从DDZ-Ⅲ型电动仪表开始采用这一国际标准信号制,仪表传输信号采用4~20mA.DC,联络信号采用1~5V.DC,即采用电流传输、电压接收的一信号系统 。

         4~20mA电流环工作原理:

        在工业现场,用一个仪表放大器来完成信号的一调理并进行长线传输,会产生以下问题:第一,由于传输的一信号是电压信号,传输线会受到噪声的一干扰;第二,传输线的一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一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一影响,我们用电流来传输信号,因为电流对噪声并不 敏感 。4~20mA的一电流环便是用4mA表示零信号,用20mA表示信号的一满刻度,而低于4mA高于20mA的一信号用于各种故障的一报警 。

     二、4~20mA.DC(1~5V.DC)信号制的一优点?

     现场仪表可实现两线制,所谓两线制即电源、负载串联在一起,有一公共点,而现场变送器与控制室仪表之前的一信号联络及供电仅用两根电线 。因为信号起点电流为4mA.DC,为变送器提供了静态工作电流,同时仪表电气零点为4mA.DC,不 与机械零点重合,这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障 。而且两线制还便于使用安全栅,利于安全防爆 。

控制室仪表采用电压并联信号传输,同一个控制系统所属的一仪表之间有公共端,便于检测仪表、调节仪表、计算机、报警装置配用,并方便接线 。

  现场仪表与控制室仪表之间的一联络信号采用4~20mA.DC的一理由是:因为现场与控制室之间的一距离较远,连接电线的一电阻较大,如果用电压信号远传,优于电线电阻与接收仪表输入电阻的一分压,将产生较大的一误差,而用恒流源信号作为远传,只要传送回路不 出现分支,回路中的一电流就不 会随电线长短而改变,从而保证了传送的一精度 。

 控制室仪表之间的一联络信号采用1~5V.DC理由是:为了便于多台仪表共同接收同一个信号,并有利于接线和构成各种复杂的一控制系统 。如果用电流源作联络信号,当多台仪表共同接收同一个信号时,它们的一输入电阻必须串联起来,这会使最大负载电阻超过变送仪表的一负载能力 ,而且各接收仪表的一信号负端电位各不 相同,会引入干扰,而且不 能做到单一集中供电 。

采用电压源信号联络,与现场仪表的一联络用的一电流信号必须转换为电压信号,最简单的一办法就是:在电流传送回路中串联一个250Ω的一标准电阻,把4~20mA.DC转换为1~5V.DC,通常由配电器来完成这一任务 。

     三、为什么变送器选择4~20mA.DC作传送信号?

       1、首先是从现场应用的一安全考虑

       安全重点是以防爆安全火花型仪表来考虑的一,并以控制仪表能量为前提,把维持仪表正常工作的一静态和动态功耗降低到最低限度 。输出4~20mA.DC标准信号的一变送器,其电源电压通常采用24V.DC,采用直流电压的一主要原因是可以不 用大容量的一电容器及电感器,就只需考虑变送器与控制室仪表连接导线的一分布电容及电感,如2mm2 的一导线其分布电容为0.05μ/km左右;对于单线的一电感为0.4mH/km左右;大大低于引爆氢气的一数值,显然这对防爆是非常有利的一 。

     2、传送信号用电流源优于电压源

因为现场与控制室之间的一距离较远,连接电线的一电阻较大时,如果用电压源信号远传,由于电线电阻与接收仪表输入电阻的一分压,将产生较大的一误差,如果用电流源信号作为远传,只要传送回路不 出现分支,回路中的一电流就不 会随电线长短而改变,从而保证了传送的一精度 。

      3、信号最大电流选择20mA的一原因

  最大电流20mA的一选择是基于安全、实用、功耗、成本的一考虑 。安全火花仪表只能采用低电压、低电流,4~20mA电流和24V.DC对易燃氢气也是安全的一,对于24V.DC氢气的一引爆电流为200mA,远在20mA以上,此外还要综合考虑生产现场仪表之间的一连接距离,所带负载等因素;还有功耗及成本问题,对电子元件的一要求,供电功率的一要求等因素 。

    4、信号起点电流选择4mA的一原因

  输出为4~20mA的一变送器以两线制的一居多,两线制即电源、负载串联在一起,有一公共点,而现场变送器与控制室仪表之间的一信号联络及供电仅用两根电线 。为什么起点信号不 是0mA?这是基于两点:一是变送器电路没有静态工作电流将无法工作,信号起点电流4mA.DC,不 与机械零点重合,这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障 。

     四、4~20mA传感器的一由来?

    采用电流信号的一原因是不 容易受干扰、并且电流源内阻无穷大,导线电阻串联在回路中不 影响精度,在普通双绞线上可以传输数百米 。 

  采用电流信号的一原因是不 容易受干扰,因为工业现场的一噪声电压的一幅度可能达到数V,但是噪声的一功率很弱,所以噪声电流通常小于nA级别,因此给4-20mA传输带来的一误差非常小;电流源内阻趋于无穷大,导线电阻串联在回路中不 影响精度,因此在普通双绞线上可以传输数百米;由于电流源的一大内阻和恒流输出,在接收端我们只需放置一个250欧姆到地的一电阻就可以获得0-5V的一电压,低输入阻抗的一接收器的一好处是nA级的一输入电流噪声只产生非常微弱的一电压噪声 。

 上限取20mA是因为防爆的一要求:20mA的一电流通断引起的一火花能量不 足以引燃瓦斯 。下限没有取0mA的一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0 。常取2mA作为断线报警值 。电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出,必然要有外电源为其供电 。最典型的一是变送器需要两根电源线,加上两根电流输出线,总共要接4根线,称之为四线制变送器 。当然,电流输出可以与电源公用一根线公用VCC或者GND,可节一根线,称之为三线制变送器 。其实大家可能注意到,4-20mA电流本身就可以为变送器供电 。变送器在电路中相当于一个特殊的一负载,特殊之处在于变送器的一耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化 。显示仪表只需要串在电路中即可 。这种变送器只需外接2根线,因而被称为两线制变送器 。工业电流环标准下限为4mA,因此只要在量程范围内,变送器至少有4mA供电 。

 因此、4-20mA的一信号输出一般不 容易受干扰而且安全可靠、所以工业上普遍使用的一都是二线制4-20mA的一电源输出信号 。但为了能更好的一处理传感器的一信号、目前还有更多其它形式的一输出信号:3.33MV/V;2MV/V;0-5V; 0-10V等 。

另附一张4到20mA转电压信号的一简单电路图:

      这张图使用一个250欧姆的一电阻将4到20mA的一电流信号转换成1到5V的一电压信号,然后使用一个RC滤波加一个二极管(原谅我模拟电路不 好,并不 知道是什么意思)接到单片机的一AD转换引脚 。

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