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面对0-5V、0-10V、4-20mA模拟量信号如何来选择?

工业现场通讯中,数字量传输的方式我们见的比较多,诸如RS232、RS485、CAN总线等大家都非常熟悉了,详见“什么是RS232、RS485通讯”。而普遍需要测量的各类非电物理量,例如温度、压力、流量等,这些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,那么,我们面对0-5V、0-10V、4-20mA等常用的模拟量信号,采用用什么方式来传输模拟信号呢?目前最广泛采用的是用4-20mA电流来传输模拟量。

1、为何采用电流信号
提到模拟量信号,我们一般都会想到0-5V、0-10V、4-20mA,那么到底采用哪一种呢,具体的当然要看所提供的输入输出量是什么类型的,若是设计人员,那就尽量选择4-20mA,因为电流信号传输抗干扰性能优于电压信号。
因为工业现场的噪声电压的幅度可能达到数伏,但是噪声的功率很弱,所以噪声电流通常小于nA级别,因此给4-20mA传输带来的误差非常小;在某些强干扰场合,如采用直流电源的试验场地,通过线缆耦合的噪声电压幅值可能达到十伏以上甚至几十伏,此时采用电压传输模拟量已经被噪声电压完全污染了。
电流源内阻趋于无穷大,导线电阻串联在回路中不影响精度(如采用电压源信号远传,由于线路电阻与接收仪表输入电阻分压,将产生较大误差),因此在普通双绞线上可以传输数百米。

2、信号最大电流选择20mA的原因
20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。如30V电压30mA电流所引起的火花是可以点燃危险气体的平均下限,为了保险起见,同时参照其它传统设定,所以将许多仪表定位24V供电,同时限定电流小于30mA,为了留有余地,信号上限定为20mA。
最大电流20mA的选择也是基于安全、使用、功耗、成本的考虑。安全火花仪表只能采用低电压、低电流,综合考虑生产现场仪表之间的连接距离,所带负载等因素,还有就是功耗及成本问题,对电子元器件的要求,供电功率的要求等因素,最后由国际电工委员会(IEC)确定4-20mA信号为过程控制系统用模拟信号标准。

3、信号起点电流选择4mA的原因
为了能检测断线:正常工作时不会低于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。为了区分没有信号和信号为零,信号的起始值(信号零位值)不能为零(电气值)。
另外,两线制仪表在信号值为零时仍需要一定的能量供应,在24V供电条件下,4mA电流提供的能量,是当时制定标准时,大部分仪表生产商能接受的能量供应下限。工业电流环标准下限为4mA,因此在量程范围内,变送器通常只有24V,4mA供电(因此,在轻负载条件下高效率的DC/DC电源(TPS54331,TPS54160),低功耗的传感器和信号链产品、以及低功耗的处理器(如MSP430)对于两线制的4-20mA收发非常重要)。这使得两线制传感器的设计成为可能而又富有挑战。

4-20mA电流作用在250欧姆电阻上,正好符合标准信号的电压标准1-5V。


一般需要设计一个VI转换器,输入0-3.3v,输出4mA-20mA,可采用运放LM358,供电+12v。

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