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直流穩壓電源設計中4-20mA是什么?

文章來源:穩壓電源公司,時間:2020-03-17 17:36    點擊量:

直流穩壓電源設計制作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,它們都需要轉換成模擬量電信號才能傳輸到幾百米外的控制室或顯示設備上。這種將物理量轉換成電信號的設備稱為變送器。直流穩壓電源設計制作上最廣泛采用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量。
 
4-20mA,指的就是最小電流為4mA,最大電流為20mA 。
 
在直流穩壓電源設計制作現場,要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,我們會用電流來傳輸信號,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。
 
肯定有很多朋友會問:為什么選擇4-20mA而不是0-20mA呢?很簡單,如果0是最小,那么開路故障就檢測不到了!
 
那么,為什么偏偏是4mA呢?正常工作時,電流信號不會低于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。有兩個原因。一個原因是為了避免干擾,另一個原因是在4-20mA使用的是兩線制,即兩根線即是信號線,同時也是電源線,而4mA是為了給傳感器提供電路的靜態工作電流用。
 
 
直流穩壓電源設計中4-20mA是什么?
這個4-20mA控制回路是怎么工作的呢?
 
4-20mA構成基礎要件:
24V電源供電
變送器控制4-20mA信號使其與過程變量成比例變化
指示器將4-20mA信號轉化為相應過程變量
指示器或控制器I/O輸入電阻250Ω分流器生成1-5V輸入信號(歐姆定律:電壓=電流*電阻,4-20 mA X 250 ohms = 1-5V)
 
通常情況下:
1)它們將熱電偶或熱電阻傳感器的溫度信號轉換為4-20mA信號然后再輸出;
2)控制器再將4-20mA反譯為具體的溫度值;
3)基于此溫度值,控制回路給實現對過程終端控制元件的控制。
 
同樣,控制回路中的壓力變送器,通常用來測量過程介質的壓力值:
1)傳感器感知壓力,又由變送器將信號轉換為4-20mA信號;
2)控制器再將4-20mA信號反譯為壓力值;
3)控制器根據壓力值,給閥門發送指令,控制閥門開度實現安全閥控制,確保容器不產生危險壓力。
 
 
直流穩壓電源設計中4-20mA是什么?
 
常見故障、原因與排查步驟
 
接線和端子的問題:壞的終端,絕緣問題,線路的腐蝕及污染等;
回路電源:噪音干擾、過壓等問題都可能導致回路工作的不正常;
控制系統I/O卡件故障;
變送器;
傳感器:元件的損壞、測量通道的阻塞。
 
1. 驗證4-20mA信號
 
用串聯法或用毫安電流鉗表測量4-20毫安信號:
1)驗證電源供電
2)查找線路問題
3)查找I/O問題
4)查找有問題的接線終端
 
故障排查步驟:
1)測量回路中的毫安數值,如果測量到了0mA,那么繼續深入排障;
2)如果控制器沒有指示顯示,可能是I/O輸入的保險絲熔斷,回路出現開路故障。
 
 
直流穩壓電源設計中4-20mA是什么?
 
2.控制器I/O問題排障:4-20mA回路排障(替代測試)
 
變送器替代測試是非常好的I/O故障分析方法,即使用測試設備輸出一個標準信號來核對控制的輸出。
 
故障排查步驟:
1)斷開變送器連接,將回路校準器或過程表連接在原變送器位置;
2)設置毫安模擬,并設置范圍在4-20毫安;
3)驗證指示器的正確數值,在同一測試中完成對線路、電源供電和I/O的測試;
4)如果控制器沒有指示顯示,可能是I/O輸入的保險絲熔斷,回路出現開路故障??赏ㄟ^測量在250Ω輸入來進行驗證。
 
 
直流穩壓電源設計中4-20mA是什么?
 
 
3.電源供電問題排查
 
使用回路校驗儀或多用表,測量回路供電電壓。
 
故障排查步驟:
1)測量電源供電,應該在近似24V。
2)如果測量結果是不確定的,就進行替代測試。
a. 斷開裝置回路電源
b.將回路校準器或過程表的24V回路供電端連接在這個位置
c.如果此時問題得到解決,那么裝置的回路電源可能有缺陷或者存在過載
 
直流穩壓電源設計中4-20mA是什么?
 
4.線路噪聲排障
 
線路噪聲產生的原因絕緣性能差、電纜屏蔽故障、接地回路故障、臨界電源供電、布線錯誤等。
 
噪聲信號的捕捉和確認可以通過帶萬用表功能的過程多用表,或者萬用表、手持式示波表等設備來查找系統中是否存在交流信號。
 
在正常情況下,系統中應該只有少量的mV級的交流電壓存在。
 
 
直流穩壓電源設計中4-20mA是什么?
直流穩壓電源設計中4-20mA是什么?
 
兩線制4-20mA電流信號能傳多遠呢?
 
4-20mA電流環是可以分為兩線制和三線制的,今天先不說那么多其他內容了,下面請大家跟小編一起計算一下吧。
 
1.干擾因素
 
①與激勵電壓高低有關;
②與變送器允許的最小工作電壓有關;
③與板卡設備采集電流用的取壓電阻大小有關;
④與導線電阻的大小有關。
通過這四項有關量,可以計算出4-20mA電流信號的理論傳輸距離。
 
2.要使4-20mA信號無損失在兩線回路里傳輸,必須滿足歐姆定律。
 
即:
(激勵電壓-變送器允許的最小工作電壓)≥輸出電流×電流環路總電阻
當輸出電流I=20mA,即0.02A時,上式取等號,
則:
電流環路總電阻=(激勵電壓-變送器允許的最小工作電壓)÷0.02,將這個計算值記作r,
即r=(激勵電壓-變送器允許的最小工作電壓)×50,單位Ω。
 
這個r,業界稱之為電流信號的負載電阻,也就是電流信號的最大帶載能力。
 
3.為什么要特意給出這個r的計算式呢?
 
4-20mA電流信號能傳多遠,實質是實際電阻與r比大小的問題。
當環路實際總電阻>r時,就算傳輸距離為0,變送器也是沒辦法輸出20mA電流的;
當環路實際總電阻=r時,變送器輸出20mA電流,傳輸距離只能為0米(超導除外);
當環路實際總電阻<r時,變送器輸出20mA電流,才能在環路中有效傳輸若干米。
①由于板卡采集電流用的取壓電阻為定值,故導線電阻大小,決定著傳輸距離的長短;
②導線電阻越小,信號傳輸的距離越遠;
③導線若是超導,電阻≈0,那電流傳到美國去也不是事,傳到火星去也沒問題。
綜上所述,電流環路的總電阻R,必須滿足R≤r,否則4~20mA信號,無法正常傳輸。
 
4.電流環路的總電阻R,由板卡設備上采集電流信號的取壓電阻R1,和導線電阻R2組成。
 
取壓電阻R1,多見250Ω、150Ω、100Ω、50Ω,而今流行100Ω-40Ω等小電阻取壓。
導線電阻R2=電導率×導線總長度÷導線橫截面積=單位長度電阻×導線總長度=單位長度電阻×傳輸距離×2
 
 
直流穩壓電源設計中4-20mA是什么?
 
5.編個小題算一算
 
4~20mA電流信號的理論傳輸距離L(單位千米),A采用2.5平方毫米雙絞線,每1000米的電阻=7.5Ω,用此導線傳輸信號A自研自造的SC322無零漂壓力變送器,最小允許激勵電壓=10VDC,DCS板卡上采集電流用的取壓電阻R1=100Ω,DCS板卡上的供電電壓=24VDC,電流信號的最大傳輸距離距離為多少?
 
計算如下:
①先計算變送器的負載電阻r,r=(24-10)×50=700Ω
②再寫出環路總電阻R的算式:
R=R1+R2=100+7.5×L×2=100+15L 單位Ω
③由于有R≤r,即(100+15L)≤700
計算得:L≤40千米,即最大傳輸距離為40000米。

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