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爲什麽變送器和傳感器偏愛4~20mA作傳送信號?

浏覽次數:243發布日期:2019-10-18

一般仪器仪表的信号电流都为4-20mA,指小电流为4mA,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、什麽是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):過程控制系統用模擬信號標准。我國從DDZ-Ⅲ型電動儀表開始采用這一國際標准信號制,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。

 

4~20mA電流環工作原理:

 

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

爲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,因爲電流對噪聲並不敏感。4~20mA的電流環便是用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。因爲信號起點電流爲4mA.DC,爲變送器提供了靜態工作電流,同時儀表電氣零點爲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並聯信號傳輸,同一個控制系統所屬的儀表之間有公共端,便于檢測儀表、調節儀表、計算機、報警裝置配用,並方便接線。

 

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:因爲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,優于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓,將産生較大的誤差,而用恒流源信號作爲遠傳,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:爲了便于多台儀表共同接收同一個信號,並有利于接線和構成各種複雜的控制系統。如果用電流源作聯絡信號,當多台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,會引入幹擾,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爲電壓信號,簡單的辦法就是:在電流傳送回路中串聯一個250Ω的標准電阻,把4~20mA.DC轉換爲1~5V.DC,通常由配電器來完成這一任務。

 

三、爲什麽變送器選擇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,並以控制儀表能量爲前提,把維持儀表正常工作的靜態和動態功耗降低到低限度。輸出4~20mA.DC標准信號的變送器,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 的導線其分布電容爲0.05μ/km左右;對于單線的電感爲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于電壓源

 

因爲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,將産生較大的誤差,如果用電流源信號作爲遠傳,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、信號大電流選擇20mA的原因

 

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氫氣的引爆電流爲200mA,遠在20mA以上,此外還要綜合考慮生産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

 

輸出爲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。爲什麽起點信號不是0mA?這是基于兩點:一是變送器電路沒有靜態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幹擾、並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幹擾,因爲工業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小;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産生非常微弱的電壓噪聲。

 

上限取20mA是因爲防爆的要求: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的原因是爲了能檢測斷線:正常工作時不會低于4mA,當傳輸線因故障斷路,環路電流降爲0。常取2mA作爲斷線報警值。電流型變送器將物理量轉換成4~20mA電流輸出,必然要有外電源爲其供電。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,稱之爲四線制變送器。當然,電流輸出可以與電源公用一根線公用VCC或者GND,可節省一根線,稱之爲三線制變送器。其實大家可能注意到,4-20mA電流本身就可以爲變送器供電。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,因而被稱爲兩線制變送器。工業電流環標准下限爲4mA,因此只要在量程範圍內,變送器至少有4mA供電。

 

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。

 

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