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传感器为何是4-20ma?4-20ma到底能传多远?

发表于2023/1/28 / 1次浏览

 4-20mA传感器的由来


    采用电流信号的原因是不容易受干扰、并且电流源内阻无穷大,导线电阻串联在回路中不影响精度。


    采用电流信号的原因是不容易受干扰,因为工业现场的噪声电压的幅度可能达到数V,但是噪声的功率很弱,所以噪声电流通常小于nA,因此给4-20mA传输带来的误差非常小;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,因此在普通双绞线上可以传输数百米;由于电流源的大内阻和恒流输出,在接收端我们只需放置一个250欧姆到地的电阻就可以获得0-5V的电压,低输入阻抗的接收器的好处是nA输入电流噪声只产生非常微弱的电压噪声。


    上限取20mA是因为防爆的要求:20mA的电流通断引起的火花不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线: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。电流型变送器将物理量转换成4~20mA电流输出,必然要有外电源为其供电。典型的是变送器需要两根电源线,加上两根电流输出线,总共要接4根线,称之为四线制变送器。当然,电流输出可以与电源公用一根线公用VCC或者GND,可节省一根线,称之为三线制变送器。其实大家可能注意到,4-20mA电流本身就可以为变送器供电。变送器在电路中相当于一个特殊的负载,特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。显示仪表只需要串在电路中即可。这种变送器只需外接2根线,因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA,因此只要在量程范围内,变送器至少有4mA供电。


因此、4-20mA的信号输出一般不容易受干扰而且稳定可靠、所以工业上普遍使用的都是二线制4-20mA的电源输出信号。但为了能更好的处理传感器的信号、目前还有更多其它形式的输出信号:3.33MV/V;2MV/V;0-5V; 0-10V等。



4-20ma到底能传多远?


两线制4~20mA电流信号能传多远呢?今天小编就来给大家科普一下!


1.两线制4~20mA变送器的电流信号究竟能传多远呢?


干扰因素:


①与激励电压高低有关;


②与变送器允许的工作电压有关;


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,满足欧姆定律。


即满足:(激励电压-变送器允许的工作电压)≥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-变送器允许的工作电压)÷0.03、将这个计算值记作r,


即r=(激励电压-变送器允许的工作电压)×50,单位Ω


这个r,业界称之为电流信号的负载电阻,也就是电流信号的带载能力。


3.业界为什么要特意给出这个r的计算式呢?


那是由于: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,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


5、编个小题算一算


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,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,即传输距离为40000米


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