4-20mA,指的就是最小電流為4mA,最大電流為20mA 。
在工業(yè)現場(chǎng),要完成信號的調理并進(jìn)行長(cháng)線(xiàn)傳輸,會(huì )產(chǎn)生以下問(wèn)題:
第一,由于傳輸的信號是電壓信號,傳輸線(xiàn)會(huì )受到噪聲的干擾;
第二,傳輸線(xiàn)的分布電阻會(huì )產(chǎn)生電壓降;
第三,在現場(chǎng)如何提供儀表放大器的工作電壓也是個(gè)問(wèn)題。
為了解決上述問(wèn)題和避開(kāi)相關(guān)噪聲的影響,我們會(huì )用電流來(lái)傳輸信號,因為電流對噪聲并不敏感。4-20mA的電流環(huán)便是用4mA表示零信號,用20mA表示信號的滿(mǎn)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(huì )問(wèn):為什么選擇4-20mA而不是0-20mA呢?很簡(jiǎn)單,如果0是最小,那么開(kāi)路故障就檢測不到了!
那么,為什么偏偏是4mA呢?正常工作時(shí),電流信號不會(huì )低于4mA。當傳輸線(xiàn)因故障斷路,環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線(xiàn)報警值。有兩個(gè)原因。一個(gè)原因是為了避免干擾,另一個(gè)原因是在4-20mA使用的是兩線(xiàn)制,即兩根線(xiàn)即是信號線(xiàn),同時(shí)也是電源線(xiàn),而4mA是為了給傳感器提供電路的靜態(tài)工作電流用。
這個(gè)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(guò)程變量成比例變化
指示器將4-20mA信號轉化為相應過(guò)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(shí)現對過(guò)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(lái)測量過(guò)程介質(zhì)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(mén)發(fā)送指令,控制閥門(mén)開(kāi)度實(shí)現安全閥控制,確保容器不產(chǎn)生危險壓力。
常見(jiàn)故障、原因與排查步驟
接線(xiàn)和端子的問(wèn)題:壞的終端,絕緣問(wèn)題,線(xiàn)路的腐蝕及污染等;
回路電源:噪音干擾、過(guò)壓等問(wèn)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(lián)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(xiàn)路問(wèn)題
3)查找I/O問(wèn)題
4)查找有問(wèn)題的接線(xiàn)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(méi)有指示顯示,可能是I/O輸入的保險絲熔斷,回路出現開(kāi)路故障。
2.控制器I/O問(wèn)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(gè)標準信號來(lái)核對控制的輸出。
故障排查步驟:
1)斷開(kāi)變送器連接,將回路校準器或過(guò)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(xiàn)路、電源供電和I/O的測試;
4)如果控制器沒(méi)有指示顯示,可能是I/O輸入的保險絲熔斷,回路出現開(kāi)路故障。可通過(guò)測量在250Ω輸入來(lái)進(jìn)行驗證。
3.電源供電問(wèn)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(jìn)行替代測試。
a. 斷開(kāi)裝置回路電源
b.將回路校準器或過(guò)程表的24V回路供電端連接在這個(gè)位置
c.如果此時(shí)問(wèn)題得到解決,那么裝置的回路電源可能有缺陷或者存在過(guò)載
4.線(xiàn)路噪聲排障
線(xiàn)路噪聲產(chǎn)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(xiàn)錯誤等。
噪聲信號的捕捉和確認可以通過(guò)帶萬(wàn)用表功能的過(guò)程多用表,或者萬(wàn)用表、手持式示波表等設備來(lái)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。
兩線(xiàn)制4-20mA電流信號能傳多遠呢?
4-20mA電流環(huán)是可以分為兩線(xiàn)制和三線(xiàn)制的,今天先不說(shuō)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(guān);
②與變送器允許的最小工作電壓有關(guān);
③與板卡設備采集電流用的取壓電阻大小有關(guān);
④與導線(xiàn)電阻的大小有關(guān)。
通過(guò)這四項有關(guān)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(wú)損失在兩線(xiàn)回路里傳輸,必須滿(mǎn)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(huán)路總電阻
當輸出電流I=20mA,即0.02A時(shí),上式取等號,
則:
電流環(huán)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(gè)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(gè)r,業(yè)界稱(chēng)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(gè)r的計算式呢?
4-20mA電流信號能傳多遠,實(shí)質(zhì)是實(shí)際電阻與r比大小的問(wèn)題。
當環(huán)路實(shí)際總電阻>r時(shí),就算傳輸距離為0,變送器也是沒(méi)辦法輸出20mA電流的;
當環(huán)路實(shí)際總電阻=r時(shí),變送器輸出20mA電流,傳輸距離只能為0米(超導除外);
當環(huán)路實(shí)際總電阻<r時(shí),變送器輸出20mA電流,才能在環(huán)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(xiàn)電阻大小,決定著(zhù)傳輸距離的長(cháng)短;
②導線(xiàn)電阻越小,信號傳輸的距離越遠;
③導線(xiàn)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(méi)問(wèn)題。
綜上所述,電流環(huán)路的總電阻R,必須滿(mǎn)足R≤r,否則4~20mA信號,無(wú)法正常傳輸。
4.電流環(huán)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(xiàn)電阻R2組成。
取壓電阻R1,多見(jiàn)250Ω、150Ω、100Ω、50Ω,而今流行100Ω-40Ω等小電阻取壓。
導線(xiàn)電阻R2=電導率×導線(xiàn)總長(cháng)度÷導線(xiàn)橫截面積=單位長(cháng)度電阻×導線(xiàn)總長(cháng)度=單位長(cháng)度電阻×傳輸距離×2
5.編個(gè)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(xiàn),每1000米的電阻=7.5Ω,用此導線(xiàn)傳輸信號A自研自造的SC322無(wú)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(xiě)出環(huán)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。
(來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ),版權歸原作者)
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