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。
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。因為信號起點電流為4mA.DC,為變送器提供了靜態工作電流,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,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。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和動態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2mm 2 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。工業電流環標準下限為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濾波加一個穩壓二極管接到單片機的AD轉換引腳。