詳解為什么4-20mA成為工業(yè)信號(hào)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)
在儀表領(lǐng)域，我們常常會(huì)遇到一種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)范圍，即4-20mA。這個(gè)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(lái)，讓我們一起探索這個(gè)問題的答案。
首先，要理解4-20mA這一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)范圍的選定，我們不得不提及它的起源。在工業(yè)自動(dòng)化和儀表測(cè)量領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(hào)范圍。
其次，從技術(shù)層面來(lái)看，4-20mA信號(hào)范圍具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它能夠滿足工業(yè)自動(dòng)化中對(duì)于信號(hào)精度和穩(wěn)定性的高要求。同時(shí)，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(hào)傳輸和處理。
再者，實(shí)際應(yīng)用中，4-20mA信號(hào)范圍也展現(xiàn)出了其廣泛適用性。無(wú)論是用于測(cè)量流量、壓力、溫度還是其他物理量，這一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)都能滿足需求，為工業(yè)自動(dòng)化提供了有力的支持。
綜上所述，4-20mA作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(shì)，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(hào)制，這一國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)所制定的過程控制系統(tǒng)用模擬信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，在我國(guó)有著深厚的歷史淵源。自DDZ-Ⅲ型電動(dòng)儀表問世以來(lái)，我國(guó)便開始采用這一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)制。在這一系統(tǒng)中，儀表傳輸信號(hào)采用4-20mA.DC，而聯(lián)絡(luò)信號(hào)則采用1-5V.DC，形成了獨(dú)特的電流傳輸、電壓接收的信號(hào)模式。那么，究竟是何原因使得標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)最終選定為4-20mA呢?
4-20mA直流電流作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的原因主要包括以下幾個(gè)方面?：
?遠(yuǎn)距離傳輸?shù)木群头€(wěn)定性?：在現(xiàn)場(chǎng)與控制室距離較遠(yuǎn)的情況下，使用電壓源信號(hào)會(huì)因?yàn)殡娋€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(hào)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(huì)隨電線長(zhǎng)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(chǎng)儀表之間的連接距離、所帶負(fù)載等因素?12。
?信號(hào)起點(diǎn)電流的選擇?：4mA是變送器的靜態(tài)工作電流，同時(shí)也是儀表電氣零點(diǎn)。這種“活零點(diǎn)”有利于識(shí)別斷電和斷線等故障?。
?抗干擾能力?：電流信號(hào)在傳輸過程中受外界干擾的影響相對(duì)較小，能夠在較長(zhǎng)距離傳輸中保持相對(duì)穩(wěn)定。即使在有干擾的工況下，電流信號(hào)也比電壓信號(hào)更強(qiáng)?。
?易于檢測(cè)和故障診斷?：4-20mA信號(hào)的范圍設(shè)定便于檢測(cè)線路是否存在斷路或短路故障。當(dāng)信號(hào)為4mA時(shí)通常表示測(cè)量值為下限，當(dāng)信號(hào)為20mA時(shí)表示測(cè)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(hào)的傳輸過程中，電流源相較于電壓源具有顯著優(yōu)勢(shì)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)與控制室距離較遠(yuǎn)，連接電線的電阻增大時(shí)，若采用電壓源信號(hào)遠(yuǎn)傳，電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓會(huì)導(dǎo)致較大誤差。然而，恒電流源信號(hào)作為遠(yuǎn)傳信號(hào)時(shí)，只要傳送回路不出現(xiàn)分支，回路中的電流就不會(huì)因電線長(zhǎng)短而改變，從而確保了遠(yuǎn)傳信號(hào)的準(zhǔn)確性。這一技術(shù)特性使得4~20mA成為遠(yuǎn)傳信號(hào)的理想選擇。
為何選擇20mA作為信號(hào)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(gè)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(shí)產(chǎn)生的火花能量不足以引燃瓦斯，從而保障現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(hào)的最大電流選擇。
為何選擇4mA作為信號(hào)起點(diǎn)電流
在4~20mA的變送器中，兩線制是常見的設(shè)計(jì)方式，其中電源和負(fù)載串聯(lián)，并共享一個(gè)公共點(diǎn)，僅需兩根電線即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)變送器與控制室儀表之間的信號(hào)傳輸與供電。那么，為什么起點(diǎn)信號(hào)不設(shè)置為0mA呢?這主要基于以下兩個(gè)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(gè)場(chǎng)景下，4mA.DC的信號(hào)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(jì)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(jì)對(duì)于識(shí)別斷電和斷線等故障情況極為有利。
? 4-20mA信號(hào)制基礎(chǔ)
一般而言，儀器儀表常采用4-20mA電流信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，以避免電壓信號(hào)傳輸時(shí)的壓降誤差和噪聲干擾。在信號(hào)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(hào)出現(xiàn)誤差。因此，為了確保信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，通常選擇電流信號(hào)作為變送器的標(biāo)準(zhǔn)傳輸方式。
選擇4-20mA.DC(1-5V.DC)信號(hào)制因兩線制帶來(lái)的布線便捷性、抗干擾性和較高的傳輸精度。現(xiàn)場(chǎng)儀表采用兩線制，即電源與負(fù)載串聯(lián)，共用一個(gè)公共點(diǎn)。這種配置使得現(xiàn)場(chǎng)變送器與控制室儀表之間的信號(hào)傳輸及供電僅需兩根電線即可完成。
4mA.DC作為信號(hào)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(jiǎn)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(hào)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(gè)公共端，極大地方便了檢測(cè)儀表、調(diào)節(jié)儀表、計(jì)算機(jī)以及報(bào)警裝置的配用和接線。
為何選擇4~20mA.DC作為現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室儀表之間的聯(lián)絡(luò)信號(hào)呢?這是因?yàn)檫h(yuǎn)距離傳輸時(shí)，電線電阻較大。若采用電壓信號(hào)傳輸，會(huì)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(hào)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(huì)隨電線長(zhǎng)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(hào)，因其安全性、電流信號(hào)長(zhǎng)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(chǎng)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(dòng)態(tài)功耗降至最低。采用輸出4~20mA.DC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(hào)更佳。在現(xiàn)場(chǎng)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(hào)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(huì)產(chǎn)生顯著的誤差。然而，若選用電流源信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)傳，且傳送回路中無(wú)分支，那么回路中的電流將不受電線長(zhǎng)短的影響，從而確保了信號(hào)傳送的精確度。
為何選擇20mA作為信號(hào)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(jì)，而4~20mA的電流范圍以及24V.DC電壓對(duì)易燃?xì)錃鈦?lái)說(shuō)是安全的。此外，對(duì)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(chǎng)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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