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4-20mA是什么?簡(jiǎn)單易懂,讓你不再一臉懵...

閱讀次數:2480    發(fā)布時(shí)間: 2020-03-06 13:30:00

工業(yè)上普遍需要測量各類(lèi)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(chēng)為變送器。工業(yè)上最廣泛采用的是用4~20mA電流來(lái)傳輸模擬量。


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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