詳解為什么4-20mA成為工業(yè)信號傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)
在儀表領(lǐng)域，我們常常會遇到一種標(biāo)準(zhǔn)信號范圍，即4-20mA。這個范圍為何被廣泛采用，背后蘊(yùn)含著怎樣的技術(shù)原理和實(shí)際應(yīng)用考量?接下來，讓我們一起探索這個問題的答案。
首先，要理解4-20mA這一標(biāo)準(zhǔn)信號范圍的選定，我們不得不提及它的起源。在工業(yè)自動化和儀表測量領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)信號的標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性，人們制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。其中，4-20mA便是在這些標(biāo)準(zhǔn)中占據(jù)一席之地的重要信號范圍。
其次，從技術(shù)層面來看，4-20mA信號范圍具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。它能夠滿足工業(yè)自動化中對于信號精度和穩(wěn)定性的高要求。同時，這一范圍還具備易于轉(zhuǎn)換和處理的特性，使得各種儀表和控制系統(tǒng)能夠方便地進(jìn)行信號傳輸和處理。
再者，實(shí)際應(yīng)用中，4-20mA信號范圍也展現(xiàn)出了其廣泛適用性。無論是用于測量流量、壓力、溫度還是其他物理量，這一標(biāo)準(zhǔn)信號都能滿足需求，為工業(yè)自動化提供了有力的支持。
綜上所述，4-20mA作為標(biāo)準(zhǔn)信號范圍，在儀表領(lǐng)域的應(yīng)用是不可或缺的。它不僅承載著技術(shù)層面的優(yōu)勢，更在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了廣泛而重要的作用。
4-20mA.DC(1-5V.DC)信號制，這一國際電工委員會(IEC)所制定的過程控制系統(tǒng)用模擬信號標(biāo)準(zhǔn)，在我國有著深厚的歷史淵源。自DDZ-Ⅲ型電動儀表問世以來，我國便開始采用這一國際標(biāo)準(zhǔn)信號制。在這一系統(tǒng)中，儀表傳輸信號采用4-20mA.DC，而聯(lián)絡(luò)信號則采用1-5V.DC，形成了獨(dú)特的電流傳輸、電壓接收的信號模式。那么，究竟是何原因使得標(biāo)準(zhǔn)信號最終選定為4-20mA呢?
4-20mA直流電流作為標(biāo)準(zhǔn)信號的原因主要包括以下幾個方面?：
?遠(yuǎn)距離傳輸?shù)木群头€(wěn)定性?：在現(xiàn)場與控制室距離較遠(yuǎn)的情況下，使用電壓源信號會因為電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓而產(chǎn)生較大誤差。而電流源信號則不受電線電阻的影響，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。
?安全性和實(shí)用性?：20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯，因此在安全火花儀表中使用非常安全。此外，20mA的選擇還考慮了功耗和成本，綜合了生產(chǎn)現(xiàn)場儀表之間的連接距離、所帶負(fù)載等因素?12。
?信號起點(diǎn)電流的選擇?：4mA是變送器的靜態(tài)工作電流，同時也是儀表電氣零點(diǎn)。這種“活零點(diǎn)”有利于識別斷電和斷線等故障?。
?抗干擾能力?：電流信號在傳輸過程中受外界干擾的影響相對較小，能夠在較長距離傳輸中保持相對穩(wěn)定。即使在有干擾的工況下，電流信號也比電壓信號更強(qiáng)?。
?易于檢測和故障診斷?：4-20mA信號的范圍設(shè)定便于檢測線路是否存在斷路或短路故障。當(dāng)信號為4mA時通常表示測量值為下限，當(dāng)信號為20mA時表示測量值為上限。這樣的范圍設(shè)定有助于快速診斷線路故障?。
在遠(yuǎn)傳信號的傳輸過程中，電流源相較于電壓源具有顯著優(yōu)勢。當(dāng)現(xiàn)場與控制室距離較遠(yuǎn)，連接電線的電阻增大時，若采用電壓源信號遠(yuǎn)傳，電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓會導(dǎo)致較大誤差。然而，恒電流源信號作為遠(yuǎn)傳信號時，只要傳送回路不出現(xiàn)分支，回路中的電流就不會因電線長短而改變，從而確保了遠(yuǎn)傳信號的準(zhǔn)確性。這一技術(shù)特性使得4~20mA成為遠(yuǎn)傳信號的理想選擇。
為何選擇20mA作為信號最大電流
選擇最大電流為20mA，是綜合考慮了安全、實(shí)用、功耗及成本等多個因素。首先，安全方面，火花儀表需采用低電壓、低電流，以確保20mA電流通斷時產(chǎn)生的火花能量不足以引燃瓦斯，從而保障現(xiàn)場安全。其次，從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，需綜合考慮儀表之間的連接距離、負(fù)載情況等實(shí)用因素。此外，功耗和成本也是重要考量，包括對電子元件的要求以及供電功率的需求等。通過這些綜合權(quán)衡，最終確定了20mA作為信號的最大電流選擇。
為何選擇4mA作為信號起點(diǎn)電流
在4~20mA的變送器中，兩線制是常見的設(shè)計方式，其中電源和負(fù)載串聯(lián)，并共享一個公共點(diǎn)，僅需兩根電線即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場變送器與控制室儀表之間的信號傳輸與供電。那么，為什么起點(diǎn)信號不設(shè)置為0mA呢?這主要基于以下兩個原因：
靜態(tài)工作電流需求：變送器的電路需要一定的靜態(tài)工作電流才能正常工作。在這個場景下，4mA.DC的信號起點(diǎn)電流恰好充當(dāng)了這一角色。
電氣零點(diǎn)與機(jī)械零點(diǎn)的分離：儀表的電氣零點(diǎn)被設(shè)置為4mA.DC，這一設(shè)計使得電氣零點(diǎn)與機(jī)械零點(diǎn)不重合，從而形成了所謂的“活零點(diǎn)”。這種設(shè)計對于識別斷電和斷線等故障情況極為有利。
? 4-20mA信號制基礎(chǔ)
一般而言，儀器儀表常采用4-20mA電流信號標(biāo)準(zhǔn)，以避免電壓信號傳輸時的壓降誤差和噪聲干擾。在信號傳輸過程中，由于導(dǎo)線本身具有一定的電阻，若采用電壓傳輸方式，導(dǎo)線內(nèi)將不可避免地產(chǎn)生壓降，從而導(dǎo)致接收端信號出現(xiàn)誤差。因此，為了確保信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，通常選擇電流信號作為變送器的標(biāo)準(zhǔn)傳輸方式。
選擇4-20mA.DC(1-5V.DC)信號制因兩線制帶來的布線便捷性、抗干擾性和較高的傳輸精度。現(xiàn)場儀表采用兩線制，即電源與負(fù)載串聯(lián)，共用一個公共點(diǎn)。這種配置使得現(xiàn)場變送器與控制室儀表之間的信號傳輸及供電僅需兩根電線即可完成。
4mA.DC作為信號起點(diǎn)，不僅為變送器提供了必要的工作電流，還確保了儀表電氣零點(diǎn)與機(jī)械零點(diǎn)的分離，從而有利于故障診斷，如斷電或斷線等。此外，兩線制還簡化了安全柵的使用，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全防爆性能。
在控制室，儀表則采用電壓并聯(lián)信號傳輸方式。這種配置下，同一控制系統(tǒng)內(nèi)的儀表共享一個公共端，極大地方便了檢測儀表、調(diào)節(jié)儀表、計算機(jī)以及報警裝置的配用和接線。
為何選擇4~20mA.DC作為現(xiàn)場儀表與控制室儀表之間的聯(lián)絡(luò)信號呢?這是因為遠(yuǎn)距離傳輸時，電線電阻較大。若采用電壓信號傳輸，會因電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓而產(chǎn)生顯著誤差。而恒流源信號則能有效避免這一問題，只要傳輸回路保持完整，回路中的電流就不會隨電線長度變化而改變，從而確保了傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。
? 變送器的選擇理由
變送器傾向于4-20mA.DC信號，因其安全性、電流信號長距離傳輸?shù)臏?zhǔn)確性以及方便的故障診斷功能。首要考慮的是現(xiàn)場應(yīng)用的安全性。在以防爆安全火花型儀表為前提的條件下，我們致力于將儀表正常工作所需的靜態(tài)和動態(tài)功耗降至最低。采用輸出4~20mA.DC標(biāo)準(zhǔn)信號的變送器，其電源電壓通常設(shè)定為24V.DC。
選用電流源作為傳送信號更佳。在現(xiàn)場與控制室距離較遠(yuǎn)、連接電線電阻較大的情況下，若采用電壓源信號進(jìn)行遠(yuǎn)傳，由于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓作用，會產(chǎn)生顯著的誤差。然而，若選用電流源信號進(jìn)行遠(yuǎn)傳，且傳送回路中無分支，那么回路中的電流將不受電線長短的影響，從而確保了信號傳送的精確度。
為何選擇20mA作為信號最大電流?在安全方面，火花儀表通常采用低電壓、低電流設(shè)計，而4~20mA的電流范圍以及24V.DC電壓對易燃?xì)錃鈦碚f是安全的。此外，對于24V.DC氫氣，其引爆電流遠(yuǎn)大于20mA。在實(shí)用性和成本方面，也需要綜合考慮生產(chǎn)現(xiàn)場儀表之間的連接距離、所帶負(fù)載等因素，以及電子元件和供電功率的要求。
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