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為啥模擬量設備都偏愛用4~20mA傳輸信號？

2022-02-17 來源：互聯網




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準。我國也采用這一國際標準信號制，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 。傳輸信號時候，因為導線上也有電阻，如果用電壓傳輸則會在導線內產生一定的壓降，那接收端的信號就會產生一定的誤差了，所以一般使用電流信號作為變送器的標準傳輸。



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)用模擬信號標準。我國從DDZ-Ⅲ型電動儀表開始采用這一國際標準信號制，儀表傳輸信號采用4~20mA.DC，聯絡信號采用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：

在工業(yè)現場，用一個儀表放大器來完成信號的調理并進行長線傳輸，會產生以下問題：第一，由于傳輸的信號是電壓信號，傳輸線會受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會產生電壓降；第三，在現場如何提供儀表放大器的工作電壓也是個問題。








為了解決上述問題和避開相關噪聲的影響，我們用電流來傳輸信號，因為電流對噪聲并不敏感。4～20mA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警。





二、4~20mA.DC（1~5V.DC）信號制的優(yōu)點？



現場儀表可實現兩線制，所謂兩線制即電源、負載串聯在一起，有一公共點，而現場變送器與控制室儀表之前的信號聯絡及供電僅用兩根電線。因為信號起點電流為4mA.DC，為變送器提供了靜態(tài)工作電流，同時儀表電氣零點為4mA.DC，不與機械零點重合，這種“活零點”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信號傳輸，同一個控制系統(tǒng)所屬的儀表之間有公共端，便于檢測儀表、調節(jié)儀表、計算機、報警裝置配用，并方便接線。



現場儀表與控制室儀表之間的聯絡信號采用4~20mA.DC的理由是：因為現場與控制室之間的距離較遠，連接電線的電阻較大，如果用電壓信號遠傳，優(yōu)于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產生較大的誤差，而用恒流源信號作為遠傳，只要傳送回路不出現分支，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絡信號采用1~5V.DC理由是：為了便于多臺儀表共同接收同一個信號，并有利于接線和構成各種復雜的控制系統(tǒng)。如果用電流源作聯絡信號，當多臺儀表共同接收同一個信號時，它們的輸入電阻必須串聯起來，這會使最大負載電阻超過變送儀表的負載能力，而且各接收儀表的信號負端電位各不相同，會引入干擾，而且不能做到單一集中供電。



采用電壓源信號聯絡，與現場儀表的聯絡用的電流信號必須轉換為電壓信號，最簡單的辦法就是：在電流傳送回路中串聯一個250Ω的標準電阻，把4~20mA.DC轉換為1~5V.DC，通常由配電器來完成這一任務。



三、為什么變送器選擇4~20mA.DC作傳送信號？



1、首先是從現場應用的安全考慮

安全重點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標準信號的變送器，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線的分布電容及電感，如2mm2 的導線其分布電容為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

因為現場與控制室之間的距離較遠，連接電線的電阻較大時，如果用電壓源信號遠傳，由于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產生較大的誤差，如果用電流源信號作為遠傳，只要傳送回路不出現分支，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對易燃氫氣也是安全的，對于24V.DC氫氣的引爆電流為200mA，遠在20mA以上，此外還要綜合考慮生產現場儀表之間的連接距離，所帶負載等因素；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、負載串聯在一起，有一公共點，而現場變送器與控制室儀表之間的信號聯絡及供電僅用兩根電線。為什么起點信號不是0mA？這是基于兩點：一是變送器電路沒有靜態(tài)工作電流將無法工作，信號起點電流4mA.DC，不與機械零點重合，這種“活零點”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、并且電流源內阻無窮大，導線電阻串聯在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數百米。



采用電流信號的原因是不容易受干擾，因為工業(yè)現場的噪聲電壓的幅度可能達到數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??；電流源內阻趨于無窮大，導線電阻串聯在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數百米；由于電流源的大內阻和恒流輸出，在接收端我們只需放置一個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生非常微弱的電壓噪聲。



上限取20mA是因為防爆的要求：20mA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：正常工作時不會低于4mA，當傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。電流型變送器將物理量轉換成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于一個特殊的負載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4~20mA之間根據傳感器輸出而變化。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)標準下限為4mA，因此只要在量程范圍內，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轉電壓信號的簡單電路圖： 




這張圖使用一個250歐姆的電阻將4到20mA的電流信號轉換成1到5V的電壓信號，然后使用一個RC濾波加一個二極管接到單片機的AD轉換引腳。


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