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4-20MA輸出的工作原理及環境

時間:2016/3/30閱讀:1749
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4-20MA輸出的工作原理及環境

現在有很多秤都帶有4-20MA輸出,例如:電子臺秤,電子地磅,電子叉車秤,電子汽車衡,電子鋼瓶秤等等

那么4-20MA輸出的工作原理及對環境的要求又是什么樣的呢?下面就由上海湘續實業有限公司的給你們做一個詳細的介紹:

一般儀器儀表的信號電流都為4-20mA,指zui小電流為4mA,zui大電流為20mA 。   

傳輸信號時候,要考慮到導線上也有電阻,如果用電壓傳輸則會在導線的產生一定的壓降,那接收端的信號就會產生一定的誤差了!所以使用電流信號作為變送器的標準傳輸!   

雙絞線特性阻抗是50歐姆左右,相隔1CM寬的0.2平方毫米的導線特性阻抗300歐姆左右,所以負載電阻選擇50-300歐姆比較理想,為了AD轉換方便,負載電阻上的信號zui大量程值一般5-10V比較合適,那么權衡所有,負載電阻250歐姆,電流20mA,負載壓降5V比較滿意。

那么為什么選擇4-20mA而不是0-20mA呢?為了減少接線的復雜性,傳感器選擇2線要比多線簡單的多,2線既要傳輸信號,又要給傳感器供電,所以設計者從中盜竊4mA電流給傳感器放大電路供電,這樣4-20mA的標準就確定了。在工業現場,用一個儀表放大器來完成信號的調理并進行長線傳輸,會產生以下問題:

*,由于傳輸的信號是電壓信號,傳輸線會受到噪聲的干擾;

第二,傳輸線的分布電阻會產生電壓降;

第三,在現場如何提供儀表放大器的工作電壓也是個問題。   

為了解決上述問題和避開相關噪聲的影響,我們用電流來傳輸信號,因為電流對噪聲并不敏感。

4~20mA的電流環便是用4mA表示零信號,用20mA表示信號的滿刻度,而低于4mA高于20mA的信號用于各種故障的報警。   

4~20mA電流環有兩種類型:二線制和三線制。當監控系統需要通過長線驅動現場的驅動器件如閥門等時,一般采用三線制變送器,這里XTR位于監控的系統端,由系統直接向XTR供電,供電電源是二根電流傳輸線以外的第三根線。二線系統是XTR和傳感器位于現場端,由于現場供電問題的存在,一般是接收端利用4~20mA的電流環向遠端的XTR供電,通過4~20mA來反映信號的大小。   

4~20mA產品的典型應用是傳感和測量應用,在工業現場有許多種類的傳感器可以被轉換成4~20mA的電流信號,TI擁有一些很方便的用于RTD和電橋的變送器芯片。由于TI的變送器芯片含有通用的功能電路比如電壓激勵源、電流激勵流、穩壓電路、儀表放大器等,所以可以很方便地把許多傳感器的信號轉化為4~20mA的信號。   

電橋傳感器的大多數應用是用于測量壓力。在一個實際電路中,如果惠斯登電橋每條臂上的電阻為2k ,那么無論從激勵電壓端或差分輸出端看進去,它的等效電阻都是2k 。在沒有壓力的時候,它的電橋是平衡的,輸出電壓為0。當施加壓力時,由于電橋失衡,會產生一個差分電壓,差分電壓便會反映這個壓力的大小。   

滿度和色調是壓力傳感器的兩個主要技術指標,現實世界里使用著的傳感器都存在著一定的非線性,它的輸出電壓會隨著溫度的變化而變化。輸出電壓隨溫度的變化不是線性的,滿度和色調都具有這種性質。   

4~20mA的傳感器信號調理解決方案   

4~20mA電流環在結構上由兩部分即變送器和接收器組成,變送器一般位于現場端、傳感器端或模塊端,而接收器一般在PLC和計算機端,它一般在控制器內。   

二線制4~20mA電路應用,其工作電源和信號共用一根導線,工作電源由接收端提供。為了避免50/60Hz的工頻干擾,采用電流來傳輸信號。二線制方案需要考慮的主要問題:確定所用接收器的數量,當有多個接收器時,它將要求變送器擁有一個較低的工作電源電壓。另外一種考慮是降低回路電流在接收端的壓降。   

二線制方案設計需要考慮:   

(1)電路環中的接收器的數量:更多的接收器將要求變送器有較低的工作電壓;

(2)變送器所必需的工作電壓要有一定的余量;   

(3)決定傳感器的激勵方法是電壓還是電流。   

圖中XTR115/116是用于4~20mA信號的精密的信號轉換器,它包含有5V電壓的穩壓電路,可以向外部電路供電。一個精密的片上基準電壓可以用于電壓偏置或者傳感器的激勵。   

三線制4~20mA電路在設計上是由變送器端提供工作電源,為避免50/60Hz的工頻干擾,采用電流來傳輸信號。XTR調節器和現場的負載共用一個地接。方案設計需要考慮:   

(1)電流環路中的接收器的數量;   

(2)更多的接收器要求變送器擁有更高的工作電壓;   

(3)保證變送器所必需的工作電壓,并應該有一定的余量。   

TI提供的三線制的變送器應用方案如圖3所示,圖中XTR110是一個用于模擬信號傳送的精密的電壓-電流轉換器,它可以將0~5V或0~10V的輸入電壓直接轉換到4~20mA、0~20mA、5~25mA的輸出信號。XTR110含有精密的電阻網絡,以適應不同的輸入輸出要求。一個10V的電壓參考可以用于驅動外部電路。

編輯本段4~20mA的校正

傳統的4~20mA校正,要求特殊的夾具固定,需要特別的激光或手動電阻器調整,而調整是相互影響的,需要一個測試、調整,再測試、再調整的過程,調整次數和范圍有限。電子器件和傳感器調整起來不夠方便。   現代的數字化4~20mA校正,它允許電子器件和傳感器在封裝之后進行調整;可通過計算機計算出校正系數來簡化數值調整;可以有無限的調整次數,并且有很好的分辨率和較寬的調整范圍;調整過程中不存在相互影響;電子器件和傳感器可以很方便地調整。   

XTR108是TI提供的校正4~20mA的解決方法。它具有480 A的電流參考,它提供RTD的非線性校正,不需要外加可調電阻器。

XTR108的特點有:   

(1)具有傳感器的線性化電路;   

(2)數字校正。通過SPI接口可以直接對XTR108設置,通過SPI接口可直接編程EEPROM;   

(3)自動穩零的可編程增益的應用放大器的增益范圍為6.26~400倍;   

(4)RTD激勵的可編程電流的分辨率為1.54 A;   

(5)校正參數存儲在外接的EEPROM中;   

(6)可編程的過量程和欠量程的輸出。   

此外,TI還提供一款橋路傳感器的數字校正解決方案——PGA309,它是專為壓力橋路傳感器設計的可編程模擬信號調節器。它模擬放大器傳感信號并提供對色調電壓和滿度電壓的數字校正,由于避免了手動調整而獲得了長期的穩定性,并將輸出電壓信號轉換成4~20mA的輸出

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