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                    如何進行 4-20 mA 電流環路測量
                    發布時間:2020-04-10   點擊次數:1667次

                       我們經常需要測量4-20mA(毫安)電流信號,但是如何正確測量呢?我們認為應該重點通過各種4-20mA電流環路的配置上,來詳細講解成功測量所需了解的細節。下面將從較為常見到較不常見的配置順序進行討論說明,盡可能地涵蓋客戶在實際應用中遇到的配置。

                    4-20 mA 電流環路基礎知識

                       具有4-20mA電流環路輸出的傳感器或其他設備,在工業測量和控制應用中極為常見。它們具有易部署,對供電電源要求寬泛,低噪聲輸出,并且可以遠距離無損失傳輸等優點。在過程控制、數據記錄器及數據采集中應用廣泛。4-20mA電流環路的原理是,傳感器電流值與其測量的機械特性成正比。以帶有電流環路輸出的100psi傳感器為例。壓力為0psi時,傳感器電流值為4 mA。壓力為100psi時,傳感器電流值為20mA。壓力為50psi時,傳感器電流值為12mA。 依此類推,機械性能測量值與電流輸出之間的關系幾乎總是線性的,因此可以用一個簡單的kx+b公式對得到的電流環路數據進行縮放,以顯示更為有用的工程單位值。在實際應用中如何測量4-20mA電流環路信號,取決于傳感器的構造和測量儀器的功能。

                    專業術語

                    為了便于表述,下文將采用如下標準化術語:

                     “ E”(直流激勵)

                       以下大多數配置中都會有直流電壓激勵源,將其表示為“E”。除非傳感器是自供電型的(即交流電源供電),否則我們需要提供一個外部直流電源。有時可以由儀器直接提供,可接受值的范圍通常很寬,典型值為10-24VDC。*使用電流環路傳感器時尤其要注意,是否需要提供這種激勵源。

                     “ R”(分流電阻)

                       需要注意的是:沒有儀器可以直接測量電流。大家通常采用的方法是:通過測量已知阻值電阻兩端的電壓降來間接測量,然后通過歐姆定律來計算實際電流。這個電阻被稱為“shunt-分流電阻,是進行電流測量所必需的,可以從外部提供,也可以內置在測量儀中。為了更好地說明情況,我們假設它是外部提供的。

                    “ i”(電流回路值,范圍為4-20 mA

                       在此指傳感器產生的4-20mA電流信號。某些傳感器可能會產生0-20mA甚至其他值,但絕大多數傳感器采用4-20mA。

                     “ v”(與電流成比例的分流電壓)

                           V是指由儀器實際測量所得的分流電阻兩端的電壓降。在行業應用中通常將分流電阻阻值定為250歐姆,因此對于4-20 mA的電流環路信號,“ v”將在1~5伏之間(電壓 = 電流 * 阻值)。請注意,分流電阻器的阻值可以是任意值,只要是已知值即可。同時還需要確保它不會增加環路的負擔,因此阻值低一些更好。請記住,我們使用的是電流,而不是電壓,因此規則是相反的。正如無窮大的電阻器負載對于電壓源工作正常一樣,對于電流源可以將負載減至零歐姆,而不會產生任何后果。

                    自供電傳感器

                        自供電傳感器是較為常見的傳感器之一,是無需外部直流供電的傳感器。自供電傳感器有可能是在傳感器內部集成了交流電源;也有可能它根本就不是傳感器;也有可能是來自PLC或其他具有內部供電的源的輸出。    

                    2線制傳感器(低端分流)

                           ?這可能會使初次使用4-20 mA電流環路的用戶感到困惑。但是我們的確可以僅用兩條線就可以同時完成了傳感器供電和電流測量。如右圖所示例,只有兩根線將傳感器連接到供電電源,并且傳感器電流值與所測量的機械性能成正比。隨著電流的變化,電阻R兩端產生的電壓也會變化,從而提供適合連接到測量儀器(數據記錄儀、數據采集系統等)的信號。

                       在大多數情況下,應注意將電阻器放置在環路的低端(如圖所示),而不是。這樣做的目的是可以允許使用非隔離的儀器進行測量。

                    2線制傳感器(分流)

                           此配置和上述2線制低端分流的方法非常相似,只是將分流電阻器放置在環路的。請注意,盡管電阻兩端的電壓與傳感器電流值成正比(同低端分流法一樣),但對地的每一端都存在共模電壓(CMV),一端等于電源電壓,另一端等于電源電壓減去電阻(v)下降的電壓CMV的存在為我們選擇測量電壓的儀器設置了條件。

                       如果使用帶有隔離前端的測量儀器,在具有高CMV電壓情況下,仍然可以成功進行測量。使用不帶隔離的單端輸入測量儀器,傳感器將會對地短路。使用不帶隔離的差分輸入測量儀器,會造成飽和或提供錯誤的測量結果。

                    3線制傳感器

                       具有過程電流輸出的三線制傳感器具有單獨的地線、信號線(4-20 mA)和電源線。這種配置對于電流環路初學者來說是容易掌握的,一個輸入用于電源,另一個輸入用于具有共同接地點的電流環路。與兩線制傳感器相比,三線制傳感器主要優勢在于它能夠驅動更高的電阻負載。對于任何給定的電流,電阻的壓降與其阻值成正比。保持電流不變,電阻值越大,電壓降越大。對于兩線制傳感器,電流恒定時,分流電阻越大,其兩端的壓降也會增大。在某點,分流器的分壓會將傳感器兩端的電壓降低到低于傳感器正常工作所需的小值。

                       有一位客戶的2線電流環路測量功能良好,直到環路電流達到約18mA后,測量失去了控制。經過仔細檢查,我們確定該客戶使用的電源電壓至少低了0.56V。需要再增加2mA的測量才能達到滿量程,通過250歐姆電阻轉換為0.56V。解決方案是采用更高電壓的供電電源,以確保傳感器兩端的電壓降保持在低水平以上。如果采用3線制傳感器,可以確保施加到傳感器的電壓與分流電阻器的壓降無關。

                    注意接地(或使用隔離的儀器)

                       大多數4-20mA電流環路傳感器應用于工業場合中,與大多數人的認知所相反的是,幾乎都是不一樣的。相同,就意味著它們具有相同的電勢。此時,使用數字電壓表(DVM)的直流和交流檔分別來測量傳感器的地與儀器的地之間的電壓差,測量值應該為零伏或非常接近零伏。而實際上,測量值至少會是幾伏,我們曾見過高達75伏特。當不同電位的地被連接到一起時,將會產生電流,在使用非隔離式儀器進行測量時,會造成如下幾種可能的結果

                    1.測量值為噪聲。
                    2.測量不準確。
                    3. 儀器損壞。
                    4.儀器飽和,雖然沒有損壞,但也無法成功進行測量。

                    要解決這些問題,需要執行以下操作:

                    如果您沒有帶有隔離的儀器,請閱讀1~4。

                    1.確?;芈冯娫匆迅綦x。即輸出端的地(連接到傳感器端)與輸入端的地(連接交流電源的地線)沒有相連。隔離電源意味著輸出地可與另一個地相連(例如非隔離的儀器)而不會產生任何后果。

                    2.如果使用自供電傳感器,請確保電流環路的低壓側與其電源隔離。

                    3.如果使用需要外部直流電源供電的傳感器,請確保將分流電阻器放置在環路的低端(請參閱上面的“ 2線制傳感器(低端分流器))。

                    4.如果無法控制并確認電源是非隔離的,那么可以選擇從同一電源插座為所有設備(電源、自供電傳感器、儀器及其連接的PC)供電。即使是相近的插座也不行。如果單個插座板上的插座用完了,請使用接線板。

                    5.使用帶有隔離的儀器進行4-20mA電流環路測量,這樣可以徹底避免接地問題,在任何情況下都可以成功進行測量。

                        再重申一下,如果使用帶有隔離的儀器進行測量,則這些與正確接地相關的所有注意事項都可以忽視。

                        幾乎所有領域和配置中都會遇到4-20mA電流輸出型的傳感器,如果您遇到特殊情況,請與我們聯系。

                    北京康泰電子有限公司

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