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为什么在工业自动化中使用4-20mA电流信号而不是

文章出处:未知 人气:发表时间:2020-10-22 16:56
 
     在过程仪表中,传感器用于测量过程的物理量,例如压力,温度,流量等。传感器产生电压形式的输出,该输出被发送到与传感器相连的变送器。变送器将电压信号转换为电流信号。变送器在输出端产生的电流信号范围是通过校准变送器确定的。几乎所有按照工业过程标准制造的变送器都可以产生0-20mA或4-20mA范围内的电流信号。这完全取决于校准变送器以将电流信号设置在任何范围内的工程师的选择。
      变送器通常是回路供电的设备,通常通过24VDC电源供电。大多数工业应用使用2线制回路供电的变送器,该变送器包含回路电流信号和位于同一电线上的电源。下图显示了电源如何与压力变送器生成的电流信号环路连接,以及随后如何将电流信号馈送到控制器的输入卡。
假设通过管道的流体施加的压力在0-10 bar范围内,并且变送器经过校准以生成4-20mA的电流信号;它与流体在压力传感器上施加的压力成正比。
 
 
       当没有流体流过管道时,传感器上没有压力,但是压力变送器仍会在输出端子上产生4mA的电流信号。如果施加在压力传感器上的压力处于最大校准值10 bar,则变送器会在输出端子上生成20mA电流信号。因此,如果没有电流流过变送器输出端子和控制器输入卡之间的电线,则可以得出断路发生的结论。
另一方面,假设通过管道的流体施加的压力在0-10 bar范围内,并且变送器已校准以生成0-20mA范围内的电流信号。当没有流体流过管道时,变送器在输出端子上产生0mA电流。在这种情况下,将很难确定是0mA电流是由于变送器的开路,还是由于没有流体的压力。因此,如果将变送器校准为生成4-20mA范围内的电流信号,则很容易检测到诸如断路之类的故障。
      从上图可以看出,如果将4-20mA电流输出馈送到任何控制器的输入卡,则我们在路径中使用250 Ohm电阻器将该电流信号转换为1-5V范围的电压信号。作为标准,控制器的ADC仅处理1-5V范围内的电压信号。使用电流信号在4-20mA范围内的另一个原因。
因此,最佳实践是使用4-20mA电流信号而不是0-20mA。该范围不仅可以帮助我们检测开路故障,而且可以很容易地将此​​信号转换为1-5VDC电压信号,该信号将由大多数控制器的输入卡处理。
升高的“有效零”很容易检测断线开路,但这是广泛使用4-20mA信号的第二个原因。使用4-20mA而不是0-20mA的主要原因是,升高的“零”允许在信号使用的同一两条线上为现场设备供电。
 
      无源环路供电的现场变送器使用3.5mA以下的直流电流为变送器供电以进行测量。电压由环路电源提供,环路电流由充当变送器的现场变送器调节,与测量值成比例地调节环路电流。线控上电的方面是推动无源2线环路供电现场仪器市场的动力,因为否则它们将必须是3或4线单元,并增加了安装成本。
 
      对于超出校准范围的信号,大多数所有现场变送器都将驱动低于4.00mA和高于20.00mA的电流。此外,还有一个约3.6mA的低故障设置(视供应商而定),以表示丢失了真实的测量值。但是低于3.5mA的电流被“保留”用于为变送器供电。
 
有源4-20mA输出(如控制器的输出)由设备的电源供电,并且可以输出0-20mA,因为驱动环路电流的电源是本地电源,并为其他功能供电。
 
为什么我们选择电流信号传输而不是电压。
 
电流信号通常用于传感器中,因为电流响应通常比电压响应更线性。
电流信号通常还为传感器提供低阻抗,从而具有更好的抗噪声能力
电流信号可以比电压信号扩展得更远,从而可以使信号线的长度达到1000米。
4-20mA电流环路足够安全。即使电源是24伏特,电击也不是危险。
4-20mA电流环路对于危险区域本质上是安全的。
 

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