Почему в аналоговых устройствах предпочитают использовать передачу сигнала по схеме 4–20 мА?

Thread Content

4–20 мА. Сигнальная система постоянного тока (1–5 В постоянного тока) является стандартом передачи аналоговых сигналов, принятым Международным комитетом по электroteхнике (IEC) для систем управления процессами. Наша страна также использует этот международный стандарт сигнализации: для передачи сигналов от приборов применяется ток 4–20 мА постоянного тока, а для приема сигналов — напряжение 1–5 В постоянного тока. То есть используется система сигнализации, в которой сигналы передаются в виде тока, а принимаются в виде напряжения. У обычных измерительных приборов сигнальный ток составляет 4–20 мА, причем минимальный ток — 4 мА, а максимальный — 20 мА. При передаче сигнала, поскольку в проводах также присутствует сопротивление, при передаче напряжения внутри проводов возникает определенное падение напряжения, что приводит к появлению ошибок в сигнале на приемной стороне. Поэтому в качестве стандартного способа передачи сигнала в трансмиттерах обычно используется ток. I. Что такое сигнальная система 4–20 мА постоянного тока (1–5 В постоянного тока)? Сигнальная система 4~20 мА постоянного тока (1~5 В постоянного тока) является стандартом Международного комитета по электroteхнике (IEC) для аналоговых сигналов в системах управления процессами. Наша страна начала использовать этот международный стандарт сигнализации с электрических измерительных приборов типа DDZ-Ⅲ. Для передачи сигналов используется напряжение 4–20 мА постоянного тока, а для обмена информацией — напряжение 1–5 В постоянного тока. То есть используется система сигнализации, при которой сигналы передаются в виде тока, а принимаются в виде напряжения. Принцип работы тока 4–20 мА: На промышленных площадках для обработки сигнала и его передачи по длинным линиям используется усилитель сигналов. Однако это приводит к следующим проблемам: во-первых, поскольку передаваемый сигнал является напряженческим, линии передачи подвергаются воздействию шумов ； Во-вторых, дифференциальное сопротивление линии передачи приводит к падению напряжения ； В-третьих, также возникает вопрос о том, как на месте обеспечить рабочее напряжение усилителя с высоким коэффициентом усиления. Чтобы решить вышеуказанные проблемы и избежать влияния связанного шума, мы используем ток для передачи сигналов, поскольку ток нечувствителен к шуму. В цифровом токовом контуре диапазон 4–20 мА означает следующее: значение 4 мА соответствует нулевому сигналу, а значение 20 мА — максимальному уровню сигнала. Сигналы, значения которых находятся между 4 мА и 20 мА, используются для сигнализации о различных неисправностях. II. Каковы преимущества сигнальной системы 4~20 мА постоянного тока (1~5 В постоянного тока)? Приборы, установленные на месте, могут работать в двухпроводной схеме. Под двухпроводной схемой подразумевается соединение источника питания и нагрузки последовательно, при этом существует общая точка соединения. Для передачи сигналов и подачи питания от прибора, установленного на месте, к приборам в контрольной комнате, достаточно двух проводов. Поскольку начальный ток сигнала составляет 4 мА постоянного тока, это обеспечивает трансмиттеру ток для работы в статическом режиме. Кроме того, электрический нуль прибора также равен 4 мА постоянного тока; он не совпадает с механическим нулем. Такой «динамический нуль» способствует выявлению таких неисправностей, как отсутствие питания или прерывание соединения. Кроме того, двухпроводная схема облегчает использование защитных устройств, способствуя безопасности и взрывозащите. Приборы в комнате управления используют передачу сигналов по параллельным цепям напряжения; приборы, относящиеся к одной системе управления, имеют общий вывод, что облегчает контроль за приборами, их настройку, а также использование компьютеров и устройств сигнализации, к тому же это упрощает прокладку проводов. Причина использования сигналов 4–20 мА постоянного тока для связи между приборами, находящимися на месте эксплуатации, и приборами в контрольной комнате, заключается в том, что расстояние между ними велико, а сопротивление проводов высоко. Если использовать сигналы напряжения для передачи данных, то из-за сопротивления проводов и входного сопротивления приборов-приемников возникают значительные ошибки. В то же время, при использовании сигнала постоянного тока, если в цепи передачи нет разветвлений, ток в цепи не изменяется в зависимости от длины проводов, что обеспечивает точность передачи данных. Для передачи сигналов между приборами в контрольной комнате используется напряжение 1–5 В постоянного тока. Это делается для того, чтобы несколько приборов могли одновременно получать один и тот же сигнал, а также для упрощения подключений и создания различных сложных систем управления. Если в качестве сигнала связи использовать источник тока, то при одновременном приеме одного и того же сигнала несколькими измерительными устройствами их входные резисторы должны быть соединены последовательно. Это приводит к тому, что максимальное сопротивление нагрузки превышает возможности устройства передачи сигналов. Кроме того, потенциалы отрицательных полюсов сигнала у разных измерительных устройств будут различаться, что вызывает помехи. Также невозможно обеспечить единое централизованное питание. Для связи с сигналами источника напряжения сигналы тока, используемые для взаимодействия с приборами на месте, должны преобразовываться в сигналы напряжения. Самый простой способ — это подключение стандартного резистора сопротивлением 250 Ом в последовательную цепь передачи тока, что позволяет преобразовать значения 4–20 мА постоянного тока в значения 1–5 В постоянного тока. Обычно эту функцию выполняет распределительный устройство. III. Почему в качестве сигнала передачи в трансмиттерах используется значение 4–20 мА постоянного тока? 1. Во-первых, речь идет о безопасности при применении оборудования на месте. Основной акцент делается на использовании измерительных устройств, устойчивых к взрывам и не генерирующих искр. Кроме того, необходимо контролировать энергопотребление таких устройств, чтобы снизить до минимума как статическое, так и динамическое потребление энергии, необходимое для их нормальной работы. Передатчик, выдающий стандартный сигнал 4–20 мА постоянного тока; напряжение питания такого передатчика обычно составляет 24 В постоянного тока. Основная причина использования постоянного напряжения заключается в том, что не требуется использование конденсаторов и индукторов большой емкости. Необходимо учитывать лишь распределенную емкость и индуктивность проводов, соединяющих передатчик с приборами в контрольной комнате. Например, для провода сечением 2 мм² распределенная емкость составляет примерно 0,05 μ/км ； Для однопроводной линии индуктивность составляет примерно 0,4 мГ/км ； **Значение, ниже порога взрывчатости водорода, очевидно, очень выгодно с точки зрения предотвращения взрывов. 2. Для передачи сигналов источник тока предпочтительнее источника напряжения. Поскольку расстояние между местом установки оборудования и контрольной комнатой велико, а сопротивление проводов большое, при использовании сигнала от источника напряжения из-за разделения напряжения между сопротивлением проводов и входным сопротивлением прибора возникают значительные ошибки. Если же для передачи сигнала использовать источник тока, то, при условии отсутствия ответвлений в цепи передачи, ток в ней не будет изменяться в зависимости от длины проводов, что обеспечивает точность передачи сигнала. 3. Причина выбора максимального тока сигнала в 20 мА: выбор максимального тока в 20 мА обусловлен соображениями безопасности, практичности, энергопотребления и стоимости. Датчики безопасных искр могут использовать только низкое напряжение и низкий ток — ток в диапазоне 4–20 мА и напряжение 24 В постоянного тока. Это также безопасно для легковоспламеняющегося водорода. Для водорода при напряжении 24 В ток взрыва составляет 200 мА, что значительно превышает значение 20 мА. Кроме того, необходимо учитывать расстояние между датчиками на производственном объекте, а также нагрузку, которую они должны обслуживать ； Есть ещё проблемы, связанные с энергопотреблением и затратами, требования к электронным компонентам, требования к мощности питания и т. д. 4. Причина выбора тока на входе сигнала в размере 4 мА заключается в том, что передатчики с выходным сигналом 4–20 мА в основном работают по двухпроводной схеме. При такой схеме источник питания и нагрузка соединены последовательно, имея общую точку; для передачи сигнала и подачи питания между передатчиком, находящимся на площадке, и приборами в контрольной комнате используются всего два провода. Почему сигнал начала не равен 0 мА? Это обусловлено двумя факторами: во-первых, схема передатчика не может функционировать без постоянного тока работы; начальный ток сигнала составляет 4 мА постоянного тока, и он не совпадает с механической нулевой точкой. Такая «динамическая нулевая точка» способствует выявлению таких неисправностей, как отсутствие питания или разрыв проводов. IV. Откуда появились датчики 4–20 мА? Причина использования сигнала тока заключается в том, что он мало подвержен помехам, а внутреннее сопротивление источника тока бесконечно велико; сопротивление проводов, включенных последовательно в цепь, не влияет на точность. По обычным парным проводам сигнал может передаваться на расстояние в сотни метров. Причина использования сигнала тока заключается в том, что он менее подвержен помехам. Амплитуда шумового напряжения на промышленных площадках может достигать нескольких вольт, однако мощность этих шумов невелика; поэтому сила шумового тока обычно составляет менее nA. В результате ошибка, возникающая при передаче сигнала в диапазоне 4–20 мА, очень мала ； Внутреннее сопротивление источника тока стремится к бесконечности, а сопротивление проводов, подключенных последовательно в цепи, не влияет на точность. Поэтому по обычным парам проводов можно передавать сигнал на расстояние в сотни метров ； Благодаря высокому внутреннему сопротивлению источника тока и его способности поддерживать постоянный ток, на приемной стороне достаточно установить резистор сопротивлением 250 ом между клеммами, чтобы получить напряжение в диапазоне 0–5 В. Преимущество приемника с низким входным сопротивлением заключается в том, что шум входного тока на уровне наноамперов вызывает лишь очень слабый шум напряжения. Максимальное значение 20 мА установлено из-за требований к взрывобезопасности: энергия искры, возникающей при перекрытии тока в 20 мА, недостаточна для воспламенения газа. Нижний предел не установлен равным 0 мА для того, чтобы можно было обнаружить прерывание соединения: в нормальных условиях значение тока не будет ниже 4 мА, а при обрыве линии передачи из-за неисправности ток в цепи снижается до 0. Часто в качестве значения для сигнализации об обрыве линии используется 2 мА. Трансмиттеры тока преобразуют физические величины в сигнал тока 4–20 мА; для их работы необходимо наличие внешнего источника питания. Самый типичный вариант — это трансмиттер, который требует двух кабелей питания и двух кабелей для передачи тока; в сумме нужно 4 кабеля. Такой трансмиттер называется четырехпроводным. Конечно, сигнал тока может передаваться по одному проводу вместе с питанием — через VCC или GND, что позволяет сэкономить ещё один провод; такой прибор называется трехпроводным трансмиттером. На самом деле, как, вероятно, заметили многие, ток 4–20 мА может служить источником питания для трансмиттера. Трансмиттер в схеме электрической цепи представляет собой особый нагрузочный элемент; особенность заключается в том, что ток потребления трансмиттера изменяется в диапазоне от 4 до 20 мА в зависимости от сигнала, поступающего от датчика. Для отображения показаний достаточно подключить прибор последовательно в цепь. Для работы такого трансмиттера требуется всего 2 внешних провода, поэтому его называют двухпроводным трансмиттером. Минимальное значение по стандарту промышленных токовых контуров составляет 4 мА, поэтому при нахождении в диапазоне измерений трансмиттер получает питание не менее 4 мА. Поэтому сигнал выхода 4–20 мА, как правило, не подвержен помехам, является надежным и безопасным; по этой причине в промышленности широко используется сигнал выхода 4–20 мА в двухпроводной системе. Но для более эффективной обработки сигналов от датчиков в настоящее время существует ещё множество других форм выходных сигналов: 3,33 МВ/В ； 2MV/V ； 0-5В; 0-10В и т. д.