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变送器为什么要用4-20mA

工业上普遍需要测量各类非电物理量,例如温度、压力、速度、角度等,它们都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。这种将物理量转换成电信号的设备称为变送器。工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。


4-20mA,指的就是最小电流为4mA,最大电流为20mA 。

在工业现场,要完成信号的调理并进行长线传输,会产生以下问题:

第一,由于传输的信号是电压信号,传输线会受到噪声的干扰;

第二,传输线的分布电阻会产生电压降;

第三,在现场如何提供仪表放大器的工作电压也是个问题。

为了解决上述问题和避开相关噪声的影响,我们会用电流来传输信号,因为电流对噪声并不敏感。4-20mA的电流环便是用4mA表示零信号,用20mA表示信号的满刻度,而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。肯定有很多朋友会问:为什么选择4-20mA而不是0-20mA呢?很简单,如果0是最小,那么开路故障就检测不到了!
那么,为什么偏偏是4mA呢?正常工作时,电流信号不会低于4mA。当传输线因故障断路,环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。有两个原因。一个原因是为了避免干扰,另一个原因是在4-20mA使用的是两线制,即两根线即是信号线,同时也是电源线,而4mA是为了给传感器提供电路的静态工作电流用。
这个4-20mA控制回路是怎么工作的呢?

4-20mA构成基础要件:

24V电源供电

变送器控制4-20mA信号使其与过程变量成比例变化

指示器将4-20mA信号转化为相应过程变量

指示器或控制器I/O输入电阻250Ω分流器生成1-5V输入信号(欧姆定律:电压=电流*电阻,4-20 mA X 250 ohms = 1-5V)

通常情况下:

1)它们将热电偶或热电阻传感器的温度信号转换为4-20mA信号然后再输出;

2)控制器再将4-20mA反译为具体的温度值;

3)基于此温度值,控制回路给实现对过程终端控制元件的控制。

同样,控制回路中的压力变送器,通常用来测量过程介质的压力值:

1)传感器感知压力,又由变送器将信号转换为4-20mA信号;

2)控制器再将4-20mA信号反译为压力值;

3)控制器根据压力值,给阀门发送指令,控制阀门开度实现安全阀控制,确保容器不产生危险压力。

常见故障、原因与排查步骤

接线和端子的问题:坏的终端,绝缘问题,线路的腐蚀及污染等;

回路电源:噪音干扰、过压等问题都可能导致回路工作的不正常;

控制系统I/O卡件故障;

变送器;

传感器:元件的损坏、测量通道的阻塞。

1. 验证4-20mA信号

用串联法或用毫安电流钳表测量4-20毫安信号:

1)验证电源供电

2)查找线路问题

3)查找I/O问题

4)查找有问题的接线终端

故障排查步骤:

1)测量回路中的毫安数值,如果测量到了0mA,那么继续深入排障;

2)如果控制器没有指示显示,可能是I/O输入的保险丝熔断,回路出现开路故障。
2.控制器I/O问题排障:4-20mA回路排障(替代测试)

变送器替代测试是非常好的I/O故障分析方法,即使用测试设备输出一个标准信号来核对控制的输出。

故障排查步骤:

1)断开变送器连接,将回路校准器或过程表连接在原变送器位置;

2)设置毫安模拟,并设置范围在4-20毫安;

3)验证指示器的正确数值,在同一测试中完成对线路、电源供电和I/O的测试;

4)如果控制器没有指示显示,可能是I/O输入的保险丝熔断,回路出现开路故障。可通过测量在250Ω输入来进行验证。
3.电源供电问题排查

使用回路校验仪或多用表,测量回路供电电压。

故障排查步骤:

1)测量电源供电,应该在近似24V。

2)如果测量结果是不确定的,就进行替代测试。

a. 断开装置回路电源

b.将回路校准器或过程表的24V回路供电端连接在这个位置

c.如果此时问题得到解决,那么装置的回路电源可能有缺陷或者存在过载
4.线路噪声排障

线路噪声产生的原因绝缘性能差、电缆屏蔽故障、接地回路故障、临界电源供电、布线错误等。

噪声信号的捕捉和确认可以通过带万用表功能的过程多用表,或者万用表、手持式示波表等设备来查找系统中是否存在交流信号。

在正常情况下,系统中应该只有少量的mV级的交流电压存在。

两线制4-20mA电流信号能传多远呢?

4-20mA电流环是可以分为两线制和三线制的,今天先不说那么多其他内容了,下面请大家跟小编一起计算一下吧。

1.干扰因素

①与激励电压高低有关;

②与变送器允许的最小工作电压有关;

③与板卡设备采集电流用的取压电阻大小有关;

④与导线电阻的大小有关。

通过这四项有关量,可以计算出4-20mA电流信号的理论传输距离。

2.要使4-20mA信号无损失在两线回路里传输,必须满足欧姆定律。

即:

(激励电压-变送器允许的最小工作电压)≥输出电流×电流环路总电阻

当输出电流I=20mA,即0.02A时,上式取等号,

则:

电流环路总电阻=(激励电压-变送器允许的最小工作电压)÷0.02,将这个计算值记作r,

即r=(激励电压-变送器允许的最小工作电压)×50,单位Ω。

这个r,业界称之为电流信号的负载电阻,也就是电流信号的最大带载能力。

3.为什么要特意给出这个r的计算式呢?

4-20mA电流信号能传多远,实质是实际电阻与r比大小的问题。

当环路实际总电阻>r时,就算传输距离为0,变送器也是没办法输出20mA电流的;

当环路实际总电阻=r时,变送器输出20mA电流,传输距离只能为0米(超导除外);

当环路实际总电阻<r时,变送器输出20mA电流,才能在环路中有效传输若干米。

①由于板卡采集电流用的取压电阻为定值,故导线电阻大小,决定着传输距离的长短;

②导线电阻越小,信号传输的距离越远;

③导线若是超导,电阻≈0,那电流传到美国去也不是事,传到火星去也没问题。

综上所述,电流环路的总电阻R,必须满足R≤r,否则4~20mA信号,无法正常传输。

4.电流环路的总电阻R,由板卡设备上采集电流信号的取压电阻R1,和导线电阻R2组成。

取压电阻R1,多见250Ω、150Ω、100Ω、50Ω,而今流行100Ω-40Ω等小电阻取压。

导线电阻R2=电导率×导线总长度÷导线横截面积=单位长度电阻×导线总长度=单位长度电阻×传输距离×2
4~20mA电流信号的理论传输距离L(单位千米),A采用2.5平方毫米双绞线,每1000米的电阻=7.5Ω,用此导线传输信号A自研自造的SC322无零漂压力变送器,最小允许激励电压=10VDC,DCS板卡上采集电流用的取压电阻R1=100Ω,DCS板卡上的供电电压=24VDC,电流信号的最大传输距离距离为多少?

计算如下:

①先计算变送器的负载电阻r,r=(24-10)×50=700Ω

②再写出环路总电阻R的算式:

R=R1+R2=100+7.5×L×2=100+15L 单位Ω

③由于有R≤r,即(100+15L)≤700

计算得:L≤40千米,即最大传输距离为40000米。

 

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