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為何采用4~20mA的電流來傳輸模擬量?

發(fā)布時(shí)間:2019-08-26 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】大家可能會非常熟悉RS232,RS485,CAN等工業(yè)上常用的總線,他們都是傳輸數(shù)字信號的方式。那么,我們用什么方式來傳輸模擬信號呢?工業(yè)上普遍需要測量各類非電物理量,例如溫度、壓力、速度、角度等,這些都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設(shè)備上。工業(yè)上最廣泛采用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量。
 
大家可能會非常熟悉RS232,RS485,CAN等工業(yè)上常用的總線,他們都是傳輸數(shù)字信號的方式。那么,我們用什么方式來傳輸模擬信號呢?工業(yè)上普遍需要測量各類非電物理量,例如溫度、壓力、速度、角度等,這些都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設(shè)備上。工業(yè)上最廣泛采用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量。
 
采用電流信號的原因是不容易受干擾,因?yàn)楣I(yè)現(xiàn)場的噪聲電壓的幅度可能達(dá)到數(shù)V,但是噪聲的功率很弱,所以噪聲電流通常小于nA級別,因此給4-20mA傳輸帶來的誤差非常?。浑娏髟磧?nèi)阻趨于無窮大,導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度,因此在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米;由于電流源的大內(nèi)阻和恒流輸出,在接收端我們只需放置一個(gè)250歐姆到地的電阻就可以獲得0-5V的電壓,低輸入阻抗的接收器的好處是nA級的輸入電流噪聲只產(chǎn)生非常微弱的電壓噪聲。
 
上限取20mA是因?yàn)榉辣囊螅?0mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線:正常工作時(shí)不會低于4mA,當(dāng)傳輸線因故障斷路,環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報(bào)警值。電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)換成4~20mA電流輸出,必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線,加上兩根電流輸出線,總共要接4根線,稱之為四線制變送器。當(dāng)然,電流輸出可以與電源公用一根線(公用VCC或者GND),可節(jié)省一根線,所以現(xiàn)在基本上將四線制變送器稱之為三線制變送器。其實(shí)大家可能注意到, 4-20mA電流本身就可以為變送器供電,變送器在電路中相當(dāng)于一個(gè)特殊的負(fù)載,這種變送器只需外接2根線,因而被稱為兩線制變送器。工業(yè)電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)下限為4mA,因此在量程范圍內(nèi),變送器通常只有24V,4mA供電(因此,在輕負(fù)載條件下高效率的DC/DC電源(TPS54331,TPS54160),低功耗的傳感器和信號鏈產(chǎn)品、以及低功耗的處理器(如MSP430)對于兩線制的4-20mA收發(fā)非常重要)。這使得兩線制傳感器的設(shè)計(jì)成為可能而又富有挑戰(zhàn)。
 
一般需要設(shè)計(jì)一個(gè)VI轉(zhuǎn)換器,輸入0-3.3v,輸出4mA-20mA,可采用運(yùn)放LM358,供電+12v。
 
我們系統(tǒng)地來看看模擬量設(shè)備為什么都偏愛用4~20mA傳輸信號~
 
4-20mA. DC(1-5V.DC)信號制是國際電工委員會(IEC)過程控制系統(tǒng)采用的模擬信號傳輸標(biāo)準(zhǔn)。我國也采用這一國際標(biāo)準(zhǔn)信號制,儀表傳輸信號采用4-20mA.DC,接收信號采用1-5V.DC,即采用電流傳輸、電壓接收的信號系統(tǒng)。
 
一般儀器儀表的信號電流都為4-20mA,指最小電流為4mA,最大電流為20mA。傳輸信號時(shí)候,因?yàn)閷?dǎo)線上也有電阻,如果用電壓傳輸則會在導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生一定的壓降,那接收端的信號就會產(chǎn)生一定的誤差了,所以一般使用電流信號作為變送器的標(biāo)準(zhǔn)傳輸。
 
一、什么是4~20mA.DC(1~5V.DC)信號制?
4~20mA.DC(1~5V.DC)信號制是國際電工委員會(IEC):過程控制系統(tǒng)用模擬信號標(biāo)準(zhǔn)。我國從DDZ-Ⅲ型電動儀表開始采用這一國際標(biāo)準(zhǔn)信號制,儀表傳輸信號采用4~20mA.DC,聯(lián)絡(luò)信號采用1~5V.DC,即采用電流傳輸、電壓接收的信號系統(tǒng)。
 
4~20mA電流環(huán)工作原理:
 
為何采用4~20mA的電流來傳輸模擬量?
 
為何采用4~20mA的電流來傳輸模擬量?
 
為何采用4~20mA的電流來傳輸模擬量?
 
在工業(yè)現(xiàn)場,用一個(gè)儀表放大器來完成信號的調(diào)理并進(jìn)行長線傳輸,會產(chǎn)生以下問題:第一,由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘?,傳輸線會受到噪聲的干擾;第二,傳輸線的分布電阻會產(chǎn)生電壓降;第三,在現(xiàn)場如何提供儀表放大器的工作電壓也是個(gè)問題。
 
為了解決上述問題和避開相關(guān)噪聲的影響,我們用電流來傳輸信號,因?yàn)殡娏鲗υ肼暡⒉幻舾小?~20mA的電流環(huán)便是用4mA表示零信號,用20mA表示信號的滿刻度,而低于4mA高于20mA的信號用于各種故障的報(bào)警。
 
二、4~20mA.DC(1~5V.DC)信號制的優(yōu)點(diǎn)?
現(xiàn)場儀表可實(shí)現(xiàn)兩線制,所謂兩線制即電源、負(fù)載串聯(lián)在一起,有一公共點(diǎn),而現(xiàn)場變送器與控制室儀表之前的信號聯(lián)絡(luò)及供電僅用兩根電線。因?yàn)樾盘柶瘘c(diǎn)電流為4mA.DC,為變送器提供了靜態(tài)工作電流,同時(shí)儀表電氣零點(diǎn)為4mA.DC,不與機(jī)械零點(diǎn)重合,這種“活零點(diǎn)”有利于識別斷電和斷線等故障。而且兩線制還便于使用安全柵,利于安全防爆。
 
控制室儀表采用電壓并聯(lián)信號傳輸,同一個(gè)控制系統(tǒng)所屬的儀表之間有公共端,便于檢測儀表、調(diào)節(jié)儀表、計(jì)算機(jī)、報(bào)警裝置配用,并方便接線。
 
現(xiàn)場儀表與控制室儀表之間的聯(lián)絡(luò)信號采用4~20mA.DC的理由是:因?yàn)楝F(xiàn)場與控制室之間的距離較遠(yuǎn),連接電線的電阻較大,如果用電壓信號遠(yuǎn)傳,優(yōu)于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓,將產(chǎn)生較大的誤差,而用恒流源信號作為遠(yuǎn)傳,只要傳送回路不出現(xiàn)分支,回路中的電流就不會隨電線長短而改變,從而保證了傳送的精度。
 
控制室儀表之間的聯(lián)絡(luò)信號采用1~5V.DC理由是:為了便于多臺儀表共同接收同一個(gè)信號,并有利于接線和構(gòu)成各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)。如果用電流源作聯(lián)絡(luò)信號,當(dāng)多臺儀表共同接收同一個(gè)信號時(shí),它們的輸入電阻必須串聯(lián)起來,這會使最大負(fù)載電阻超過變送儀表的負(fù)載能力,而且各接收儀表的信號負(fù)端電位各不相同,會引入干擾,而且不能做到單一集中供電。
 
采用電壓源信號聯(lián)絡(luò),與現(xiàn)場儀表的聯(lián)絡(luò)用的電流信號必須轉(zhuǎn)換為電壓信號,最簡單的辦法就是:在電流傳送回路中串聯(lián)一個(gè)250Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻,把4~20mA.DC轉(zhuǎn)換為1~5V.DC,通常由配電器來完成這一任務(wù)。
 
三、為什么變送器選擇4~20mA.DC作傳送信號?
1、首先是從現(xiàn)場應(yīng)用的安全考慮
安全重點(diǎn)是以防爆安全火花型儀表來考慮的,并以控制儀表能量為前提,把維持儀表正常工作的靜態(tài)和動態(tài)功耗降低到最低限度。輸出4~20mA.DC標(biāo)準(zhǔn)信號的變送器,其電源電壓通常采用24V.DC,采用直流電壓的主要原因是可以不用大容量的電容器及電感器,就只需考慮變送器與控制室儀表連接導(dǎo)線的分布電容及電感,如2mm2 的導(dǎo)線其分布電容為0.05μ/km左右;對于單線的電感為0.4mH/km左右;大大低于引爆氫氣的數(shù)值,顯然這對防爆是非常有利的。
 
2、傳送信號用電流源優(yōu)于電壓源
因?yàn)楝F(xiàn)場與控制室之間的距離較遠(yuǎn),連接電線的電阻較大時(shí),如果用電壓源信號遠(yuǎn)傳,由于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓,將產(chǎn)生較大的誤差,如果用電流源信號作為遠(yuǎn)傳,只要傳送回路不出現(xiàn)分支,回路中的電流就不會隨電線長短而改變,從而保證了傳送的精度。
 
3、信號最大電流選擇20mA的原因
最大電流20mA的選擇是基于安全、實(shí)用、功耗、成本的考慮。安全火花儀表只能采用低電壓、低電流,4~20mA電流和24V.DC對易燃?xì)錃庖彩前踩模瑢τ?4V.DC氫氣的引爆電流為200mA,遠(yuǎn)在20mA以上,此外還要綜合考慮生產(chǎn)現(xiàn)場儀表之間的連接距離,所帶負(fù)載等因素;還有功耗及成本問題,對電子元件的要求,供電功率的要求等因素。
 
4、信號起點(diǎn)電流選擇4mA的原因
輸出為4~20mA的變送器以兩線制的居多,兩線制即電源、負(fù)載串聯(lián)在一起,有一公共點(diǎn),而現(xiàn)場變送器與控制室儀表之間的信號聯(lián)絡(luò)及供電僅用兩根電線。為什么起點(diǎn)信號不是0mA?這是基于兩點(diǎn):一是變送器電路沒有靜態(tài)工作電流將無法工作,信號起點(diǎn)電流4mA.DC,不與機(jī)械零點(diǎn)重合,這種“活零點(diǎn)”有利于識別斷電和斷線等故障。
 
四、4~20mA傳感器的由來?
 
采用電流信號的原因是不容易受干擾、并且電流源內(nèi)阻無窮大,導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度,在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。
 
采用電流信號的原因是不容易受干擾,因?yàn)楣I(yè)現(xiàn)場的噪聲電壓的幅度可能達(dá)到數(shù)V,但是噪聲的功率很弱,所以噪聲電流通常小于nA級別,因此給4-20mA傳輸帶來的誤差非常?。浑娏髟磧?nèi)阻趨于無窮大,導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度,因此在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米;由于電流源的大內(nèi)阻和恒流輸出,在接收端我們只需放置一個(gè)250歐姆到地的電阻就可以獲得0-5V的電壓,低輸入阻抗的接收器的好處是nA級的輸入電流噪聲只產(chǎn)生非常微弱的電壓噪聲。
 
上限取20mA是因?yàn)榉辣囊螅?0mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線:正常工作時(shí)不會低于4mA,當(dāng)傳輸線因故障斷路,環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報(bào)警值。電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)換成4~20mA電流輸出,必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線,加上兩根電流輸出線,總共要接4根線,稱之為四線制變送器。當(dāng)然,電流輸出可以與電源公用一根線公用VCC或者GND,可節(jié)省一根線,稱之為三線制變送器。其實(shí)大家可能注意到,4-20mA電流本身就可以為變送器供電。變送器在電路中相當(dāng)于一個(gè)特殊的負(fù)載,特殊之處在于變送器的耗電電流在4~20mA之間根據(jù)傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線,因而被稱為兩線制變送器。工業(yè)電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)下限為4mA,因此只要在量程范圍內(nèi),變送器至少有4mA供電。
 
因此、4-20mA的信號輸出一般不容易受干擾而且安全可靠、所以工業(yè)上普遍使用的都是二線制4-20mA的電源輸出信號。但為了能更好的處理傳感器的信號、目前還有更多其它形式的輸出信號:3.33MV/V;2MV/V;0-5V;0-10V等。
 
另附一張4到20mA轉(zhuǎn)電壓信號的簡單電路圖:
 
為何采用4~20mA的電流來傳輸模擬量?
 
這張圖使用一個(gè)250歐姆的電阻將4到20mA的電流信號轉(zhuǎn)換成1到5V的電壓信號,然后使用一個(gè)RC濾波加一個(gè)二極管(原諒我模擬電路不好,并不知道是什么意思)接到單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換引腳。
 
 
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