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為什么采用4-20mA的電流來傳輸模擬量？

時間：2020-08-04 11:09:07
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[導(dǎo)讀]大家可能會非常熟悉RS232，RS485，CAN等工業(yè)上常用的總線，他們都是傳輸數(shù)字信號的方式。那么，我們用什么方式來傳輸模擬信號呢？工業(yè)上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，這些都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖?

大家可能會非常熟悉RS232，RS485，CAN等工業(yè)上常用的總線，他們都是傳輸數(shù)字信號的方式。那么，我們用什么方式來傳輸模擬信號呢？工業(yè)上普遍需要測量各類非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，這些都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設(shè)備上。工業(yè)上最廣泛采用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量。

采用電流信號的原因是不容易受干擾，因?yàn)楣I(yè)現(xiàn)場的噪聲電壓的幅度可能達(dá)到數(shù)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?。浑娏髟磧?nèi)阻趨于無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米；由于電流源的大內(nèi)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(chǎn)生非常微弱的電壓噪聲。

上限取20mA是因?yàn)榉辣囊螅?0mA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(dāng)傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報(bào)警值。電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)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(dāng)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，所以現(xiàn)在基本上將四線制變送器稱之為三線制變送器。其實(shí)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(dāng)于一個特殊的負(fù)載，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(biāo)準(zhǔn)下限為4mA，因此在量程范圍內(nèi)，變送器通常只有24V，4mA供電（因此，在輕負(fù)載條件下高效率的DC/DC電源（TPS54331,TPS54160），低功耗的傳感器和信號鏈產(chǎn)品、以及低功耗的處理器（如MSP430）對于兩線制的4-20mA收發(fā)非常重要）。這使得兩線制傳感器的設(shè)計(jì)成為可能而又富有挑戰(zhàn)。

一般需要設(shè)計(jì)一個VI轉(zhuǎn)換器，輸入0-3.3v，輸出4mA-20mA，可采用運(yùn)放LM358，供電+12v。

我們系統(tǒng)地來看看模擬量設(shè)備為什么都偏愛用4~20mA傳輸信號~

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(biāo)準(zhǔn)。我國也采用這一國際標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)閷?dǎo)線上也有電阻，如果用電壓傳輸則會在導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生一定的壓降，那接收端的信號就會產(chǎn)生一定的誤差了，所以一般使用電流信號作為變送器的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。我國從DDZ-Ⅲ型電動儀表開始采用這一國際標(biāo)準(zhǔn)信號制，儀表傳輸信號采用4~20mA.DC，聯(lián)絡(luò)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：

為什么采用4-20mA的電流來傳輸模擬量？
為什么采用4-20mA的電流來傳輸模擬量？
為什么采用4-20mA的電流來傳輸模擬量？

在工業(yè)現(xiàn)場，用一個儀表放大器來完成信號的調(diào)理并進(jìn)行長線傳輸，會產(chǎn)生以下問題：第一，由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘?，傳輸線會受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會產(chǎn)生電壓降；第三，在現(xiàn)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(guān)噪聲的影響，我們用電流來傳輸信號，因?yàn)殡娏鲗υ肼暡⒉幻舾小?～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(bào)警。


二、4~20mA.DC（1~5V.DC）信號制的優(yōu)點(diǎn)？


現(xiàn)場儀表可實(shí)現(xiàn)兩線制，所謂兩線制即電源、負(fù)載串聯(lián)在一起，有一公共點(diǎn)，而現(xiàn)場變送器與控制室儀表之前的信號聯(lián)絡(luò)及供電僅用兩根電線。因?yàn)樾盘柶瘘c(diǎn)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(diǎn)為4mA.DC，不與機(jī)械零點(diǎn)重合，這種“活零點(diǎn)”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(lián)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(diào)節(jié)儀表、計(jì)算機(jī)、報(bào)警裝置配用，并方便接線。

現(xiàn)場儀表與控制室儀表之間的聯(lián)絡(luò)信號采用4~20mA.DC的理由是：因?yàn)楝F(xiàn)場與控制室之間的距離較遠(yuǎn)，連接電線的電阻較大，如果用電壓信號遠(yuǎn)傳，優(yōu)于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產(chǎn)生較大的誤差，而用恒流源信號作為遠(yuǎn)傳，只要傳送回路不出現(xiàn)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(lián)絡(luò)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(gòu)成各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)。如果用電流源作聯(lián)絡(luò)信號，當(dāng)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(lián)起來，這會使最大負(fù)載電阻超過變送儀表的負(fù)載能力，而且各接收儀表的信號負(fù)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(lián)絡(luò)，與現(xiàn)場儀表的聯(lián)絡(luò)用的電流信號必須轉(zhuǎn)換為電壓信號，最簡單的辦法就是：在電流傳送回路中串聯(lián)一個250Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻，把4~20mA.DC轉(zhuǎn)換為1~5V.DC，通常由配電器來完成這一任務(wù)。

三、為什么變送器選擇4~20mA.DC作傳送信號？


1、首先是從現(xiàn)場應(yīng)用的安全考慮

安全重點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)線的分布電容及電感，如2mm2 的導(dǎo)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(shù)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?yàn)楝F(xiàn)場與控制室之間的距離較遠(yuǎn)，連接電線的電阻較大時，如果用電壓源信號遠(yuǎn)傳，由于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產(chǎn)生較大的誤差，如果用電流源信號作為遠(yuǎn)傳，只要傳送回路不出現(xiàn)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(shí)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?xì)錃庖彩前踩?，對?4V.DC氫氣的引爆電流為200mA，遠(yuǎn)在20mA以上，此外還要綜合考慮生產(chǎn)現(xiàn)場儀表之間的連接距離，所帶負(fù)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(diǎn)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(fù)載串聯(lián)在一起，有一公共點(diǎn)，而現(xiàn)場變送器與控制室儀表之間的信號聯(lián)絡(luò)及供電僅用兩根電線。為什么起點(diǎn)信號不是0mA？這是基于兩點(diǎn)：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(diǎn)電流4mA.DC，不與機(jī)械零點(diǎn)重合，這種“活零點(diǎn)”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(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米。

采用電流信號的原因是不容易受干擾，因?yàn)楣I(yè)現(xiàn)場的噪聲電壓的幅度可能達(dá)到數(shù)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(nèi)阻趨于無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米；由于電流源的大內(nèi)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(chǎn)生非常微弱的電壓噪聲。

上限取20mA是因?yàn)榉辣囊螅?0mA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(dāng)傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報(bào)警值。電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)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(dāng)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(shí)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(dāng)于一個特殊的負(fù)載，特殊之處在于變送器的耗電電流在4~20mA之間根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)下限為4mA，因此只要在量程范圍內(nèi)，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(zhuǎn)電壓信號的簡單電路圖：

為什么采用4-20mA的電流來傳輸模擬量？

這張圖使用一個250歐姆的電阻將4到20mA的電流信號轉(zhuǎn)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（原諒我模擬電路不好，并不知道是什么意思）接到單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換引腳。


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