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温湿度4~20mA电流环作业原理

咱们可能会十分了解RS232,RS485,CAN等工业上常用的总线,他们都是传输数字信号的方法。那么,咱们用什么方法来传输模仿信号呢?工业上遍及需求丈量各类非电物理量,例如温度、压力、速度、视点等,这些都需求变换成模仿量电信号才干传输到几百米外的操控室或显现设备上。工业上最广泛选用的是用4~20mA电流来传输模仿量。


选用电流信号的原因是不容易受搅扰,因为工业现场的噪声电压的起伏可能到达数V,可是噪声的功率很弱,所以噪声电流一般小于nA等级,因而给4-20mA传输带来的差错十分小;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,因而在一般双绞线上能够传输数百米;因为电流源的大内阻和恒流输出,在接纳端咱们只需放置一个250欧姆到地的电阻就能够取得0-5V的电压,低输入阻抗的接纳器的长处是nA级的输入电流噪声只发生十分弱小的电压噪声。


上限取20mA是因为防爆的要求:20mA的电流转断引起的火花能量不足以点燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线:正常作业时不会低于4mA,当传输线因毛病断路,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变换成4~20mA电流输出,必定要有外电源为其供电。最典型的是变送器需求两根电源线,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,电流输出能够与电源共用一根线(共用VCC或许GND),可节约一根线,所以现在根本大将四线制变送器称之为三线制变送器。其实咱们可能注意到, 4-20mA电流自身就能够为变送器供电,变送器在电路中相当于一个特别的负载,这种变送器只需外接2根线,因而被称为两线制变送器。工业电流环规范下限为4mA,因而在量程范围内,变送器一般只需24V,4mA供电(因而,在轻负载条件下高效率的DC/DC电源(TPS54331,TPS54160),低功耗的传感器和信号链产品、以及低功耗的处理器(如MSP430)关于两线制的4-20mA收发十分重要)。这使得两线制传感器的规划成为可能而又赋有应战。


一般需求规划一个VI变换器,输入0-3.3v,输出4mA-20mA,可选用运放LM358,供电+12v。


咱们体系地来看看模仿量设备为什么都偏爱用4~20mA传输信号~


4-20mA. DC(1-5V.DC)信号制是国际电工委员会( IEC )进程操控体系选用的模仿信号传输规范。我国也选用这一国际规范信号制,外表传输信号选用4-20mA.DC,接纳信号选用1-5V.DC,即选用电流传输、电压接纳的信号体系。


一般仪器外表的信号电流都为4-20mA,指最小电流为4mA,最大电流为20mA 。传输信号时分,因为导线上也有电阻,假如用电压传输则会在导线内发生必定的压降,那接纳端的信号就会发生必定的差错了,所以一般运用电流信号作为变送器的规范传输。


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):进程操控体系用模仿信号规范。我国从DDZ-Ⅲ型电动外表开端选用这一国际规范信号制,外表传输信号选用4~20mA.DC,联络信号选用1~5V.DC,即选用电流传输、电压接纳的信号体系。


4~20mA电流环作业原理:

在工业现场,用一个外表放大器来完结信号的调度并进行长线传输,会发生以下问题:榜首,因为传输的信号是电压信号,传输线会遭到噪声的搅扰;第二,传输线的散布电阻会发生电压降;第三,在现场怎么提供外表放大器的作业电压也是个问题。


为了处理上述问题和避开相关噪声的影响,咱们用电流来传输信号,因为电流对噪声并不灵敏。4~20mA的电流环就是用4mA表明零信号,用20mA表明信号的满刻度,而低于4mA高于20mA的信号用于各种毛病的报警。


二、4~20mA.DC(1~5V.DC)信号制的长处?


现场外表可实现两线制,所谓两线制即电源、负载串联在一起,有一公共点,而现场变送器与操控室外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作业电流,一起外表电气零点为4mA.DC,不与机械零点重合,这种“活零点”有利于辨认断电和断线等毛病。并且两线制还便于运用安全栅,利于安全防爆。


操控室外表选用电压并联信号传输,同一个操控体系所属的外表之间有公共端,便于检测外表、调理外表、计算机、报警装置配用,并便利接线。


现场外表与操控室外表之间的联络信号选用4~20mA.DC的理由是:因为现场与操控室之间的间隔较远,衔接电线的电阻较大,假如用电压信号远传,优于电线电阻与接纳外表输入电阻的分压,将发生较大的差错,而用恒流源信号作为远传,只需传送回路不呈现分支,回路中的电流就不会随电线长短而改动,然后确保了传送的精度。


操控室外表之间的联络信号选用1~5V.DC理由是:为了便于多台外表一起接纳同一个信号,并有利于接线和构成各种杂乱的操控体系。假如用电流源作联络信号,当多台外表一起接纳同一个信号时,它们的输入电阻有必要串联起来,这会使最大负载电阻超过变送外表的负载才能,并且各接纳外表的信号负端电位各不相同,会引进搅扰,并且不能做到单一会集供电。


选用电压源信号联络,与现场外表的联络用的电流信号有必要变换为电压信号,最简略的方法就是:在电流传送回路中串联一个250Ω的规范电阻,把4~20mA.DC变换为1~5V.DC,一般由配电器来完结这一使命。


三、为什么变送器挑选4~20mA.DC作传送信号?


1、首先是从现场应用的安全考虑


安全要点是以防爆安全火花型外表来考虑的,并以操控外表能量为条件,把维持外表正常作业的静态和动态功耗降低到最低极限。输出4~20mA.DC规范信号的变送器,其电源电压一般选用24V.DC,选用直流电压的首要原因是能够不必大容量的电容器及电感器,就只需考虑变送器与操控室外表衔接导线的散布电容及电感,如2mm2 的导线其散布电容为0.05μ/km左右;关于单线的电感为0.4mH/km左右;大大低于引爆氢气的数值,明显这对防爆对错常有利的。


2、传送信号用电流源优于电压源


因为现场与操控室之间的间隔较远,衔接电线的电阻较大时,假如用电压源信号远传,因为电线电阻与接纳外表输入电阻的分压,将发生较大的差错,假如用电流源信号作为远传,只需传送回路不呈现分支,回路中的电流就不会随电线长短而改动,然后确保了传送的精度。


3、信号最大电流挑选20mA的原因


最大电流20mA的挑选是依据安全、有用、功耗、本钱的考虑。安全火花外表只能选用低电压、低电流,4~20mA电流和24V.DC对易燃氢气也是安全的,关于24V.DC氢气的引爆电流为200mA,远在20mA以上,此外还要归纳考虑出产现场外表之间的衔接间隔,所带负载等要素;还有功耗及本钱问题,对电子元件的要求,供电功率的要求等要素。


4、信号起点电流挑选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,而现场变送器与操控室外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?这是依据两点:一是变送器电路没有静态作业电流将无法作业,信号起点电流4mA.DC,不与机械零点重合,这种“活零点”有利于辨认断电和断线等毛病。


四、4~20mA传感器的由来?


选用电流信号的原因是不容易受搅扰、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,在一般双绞线上能够传输数百米。


选用电流信号的原因是不容易受搅扰,因为工业现场的噪声电压的起伏可能到达数V,可是噪声的功率很弱,所以噪声电流一般小于nA等级,因而给4-20mA传输带来的差错十分小;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,因而在一般双绞线上能够传输数百米;因为电流源的大内阻和恒流输出,在接纳端咱们只需放置一个250欧姆到地的电阻就能够取得0-5V的电压,低输入阻抗的接纳器的长处是nA级的输入电流噪声只发生十分弱小的电压噪声。


上限取20mA是因为防爆的要求:20mA的电流转断引起的火花能量不足以点燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线:正常作业时不会低于4mA,当传输线因毛病断路,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变换成4~20mA电流输出,必定要有外电源为其供电。最典型的是变送器需求两根电源线,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,电流输出能够与电源共用一根线共用VCC或许GND,可节约一根线,称之为三线制变送器。其实咱们可能注意到,4-20mA电流自身就能够为变送器供电。变送器在电路中相当于一个特别的负载,特别之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间依据传感器输出而变化。显现外表只需求串在电路中即可。这种变送器只需外接2根线,因而被称为两线制变送器。工业电流环规范下限为4mA,因而只需在量程范围内,变送器至少有4mA供电。


因而、4-20mA的信号输出一般不容易受搅扰并且安全可靠、所以工业上遍及运用的都是二线制4-20mA的电源输出信号。但为了能更好的处理传感器的信号、现在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转电压信号的简略电路图:

image.png

这张图运用一个250欧姆的电阻将4到20mA的电流信号变换成1到5V的电压信号,然后运用一个RC滤波加一个二极管(宽恕我模仿电路欠好,并不知道是什么意思)接到单片机的AD变换引脚。


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