为什么变送器选择4~20mA.DC作传送信号

胡薇 发表于 2018-06-10 10:50:24 收藏 已收藏
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为什么变送器选择4~20mA.DC作传送信号

胡薇 发表于 2018-06-10 10:50:24

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、电压接收的信号系统。

一般仪器仪表的信号电流都为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压降,那接收端的信号就会产生一定的误差了,所以一般使用电流信号作为变送器的标准传输。

一、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调理并进行长线传输,会产生以下问题:第一,由于传输的信号是电压信号,传输线会受到噪声的干扰;第二,传输线的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的电流环便是用4mA表示零信号,用20mA表示信号的满刻度,而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。

二、4~20mA.DC(1~5V.DC)信号制的优点?

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联络信号采用4~20mA.DC的理由是:因为现场与控制室之间的距离较远,连接电线的电阻较大,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分压,将产生较大的误差,而用恒流源信号作为远传,只要传送回路不出现分支,回路中的电流就不会随电线长短而改变,从而保证了传送的精度。

控制室仪表之间的联络信号采用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负载能力,而且各接收仪表的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,与现场仪表的联络用的电流信号必须转换为电压信号,最简单的办法就是:在电流传送回路中串联一个250Ω的标准电阻,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安全考虑

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

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距离较远,连接电线的电阻较大时,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分压,将产生较大的误差,如果用电流源信号作为远传,只要传送回路不出现分支,回路中的电流就不会随电线长短而改变,从而保证了传送的精度。

3、信号最大电流选择20mA的原因

最大电流20mA的选择是基于安全、实用、功耗、成本的考虑。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,对于24V.DC氢气的引爆电流为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,对电子元件的要求,供电功率的要求等因素。

4、信号起点电流选择4mA的原因

输出为4~20mA的变送器以两线制的居多,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传感器的由来?

采用电流信号的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。

采用电流信号的原因是不容易受干扰,因为工业现场的噪声电压的幅度可能达到数V,但是噪声的功率很弱,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欧姆到地的电阻就可以获得0-5V的电压,低输入阻抗的接收器的好处是nA级的输入电流噪声只产生非常微弱的电压噪声。

上限取20mA是因为防爆的要求:20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的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,可节省一根线,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负载,特殊之处在于变送器的耗电电流在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都是二线制4-20mA的电源输出信号。但为了能更好的处理传感器的信号、目前还有更多其它形式的输出信号:3.33MV/V;2MV/V;0-5V; 0-10V等。

另附一张4到20mA转电压信号的简单电路图: 

这张图使用一个250欧姆的电阻将4到20mA的电流信号转换成1到5V的电压信号,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AD转换引脚。

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