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如何進(jìn)行 4-20 mA 電流環(huán)路測(cè)量
更新時(shí)間:2020-04-10   點(diǎn)擊次數(shù):11025次

   我們經(jīng)常需要測(cè)量4-20mA(毫安)電流信號(hào),但是如何正確測(cè)量呢?我們認(rèn)為應(yīng)該重點(diǎn)通過各種4-20mA電流環(huán)路的配置上,來詳細(xì)講解成功測(cè)量所需了解的細(xì)節(jié)。下面將從較為常見到較不常見的配置順序進(jìn)行討論說明,盡可能地涵蓋客戶在實(shí)際應(yīng)用中遇到的配置。

4-20 mA 電流環(huán)路基礎(chǔ)知識(shí)

   具有4-20mA電流環(huán)路輸出的傳感器或其他設(shè)備,在工業(yè)測(cè)量和控制應(yīng)用中極為常見。它們具有易部署,對(duì)供電電源要求寬泛,低噪聲輸出,并且可以遠(yuǎn)距離無損失傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。在過程控制、數(shù)據(jù)記錄器及數(shù)據(jù)采集中應(yīng)用廣泛。4-20mA電流環(huán)路的原理是,傳感器電流值與其測(cè)量的機(jī)械特性成正比。以帶有電流環(huán)路輸出的100psi傳感器為例。壓力為0psi時(shí),傳感器電流值為4 mA。壓力為100psi時(shí),傳感器電流值為20mA。壓力為50psi時(shí),傳感器電流值為12mA 依此類推,機(jī)械性能測(cè)量值與電流輸出之間的關(guān)系幾乎總是線性的,因此可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的kx+b公式對(duì)得到的電流環(huán)路數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放,以顯示更為有用的工程單位值。在實(shí)際應(yīng)用中如何測(cè)量4-20mA電流環(huán)路信號(hào),取決于傳感器的構(gòu)造和測(cè)量?jī)x器的功能。

專業(yè)術(shù)語

為了便于表述,下文將采用如下標(biāo)準(zhǔn)化術(shù)語:

 “ E”(直流激勵(lì))

   以下大多數(shù)配置中都會(huì)有直流電壓激勵(lì)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(gè)外部直流電源。有時(shí)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(huán)路傳感器時(shí)尤其要注意,是否需要提供這種激勵(lì)源。

 “ R”(分流電阻)

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

“ i”(電流回路值,范圍為4-20 mA

   在此指?jìng)鞲衅鳟a(chǎn)生的4-20mA電流信號(hào)。某些傳感器可能會(huì)產(chǎn)生0-20mA甚至其他值,但絕大多數(shù)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(shí)際測(cè)量所得的分流電阻兩端的電壓降。在行業(yè)應(yīng)用中通常將分流電阻阻值定為250歐姆,因此對(duì)于4-20 mA的電流環(huán)路信號(hào),“ v”將在1~5伏之間(電壓 = 電流 * 阻值)。請(qǐng)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(shí)還需要確保它不會(huì)增加環(huán)路的負(fù)擔(dān),因此阻值低一些更好。請(qǐng)記住,我們使用的是電流,而不是電壓,因此規(guī)則是相反的。正如無窮大的電阻器負(fù)載對(duì)于電壓源工作正常一樣,對(duì)于電流源可以將負(fù)載減至零歐姆,而不會(huì)產(chǎn)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(nèi)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(nèi)部供電的源的輸出。    

2線制傳感器(低端分流)

       ?這可能會(huì)使初次使用4-20 mA電流環(huán)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(shí)完成了傳感器供電和電流測(cè)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(cè)量的機(jī)械性能成正比。隨著電流的變化,電阻R兩端產(chǎn)生的電壓也會(huì)變化,從而提供適合連接到測(cè)量?jī)x器(數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等)的信號(hào)。

   在大多數(shù)情況下,應(yīng)注意將電阻器放置在環(huán)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(jìn)行測(cè)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(huán)路的。請(qǐng)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(duì)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(cè)量電壓的儀器設(shè)置了條件。

   如果使用帶有隔離前端的測(cè)量?jī)x器,在具有高CMV電壓情況下,仍然可以成功進(jìn)行測(cè)量。使用不帶隔離的單端輸入測(cè)量?jī)x器,傳感器將會(huì)對(duì)地短路。使用不帶隔離的差分輸入測(cè)量?jī)x器,會(huì)造成飽和或提供錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)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(dú)的地線、信號(hào)線(4-20 mA)和電源線。這種配置對(duì)于電流環(huán)路初學(xué)者來說是容易掌握的,一個(gè)輸入用于電源,另一個(gè)輸入用于具有共同接地點(diǎn)的電流環(huán)路。與兩線制傳感器相比,三線制傳感器主要優(yōu)勢(shì)在于它能夠驅(qū)動(dòng)更高的電阻負(fù)載。對(duì)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(duì)于兩線制傳感器,電流恒定時(shí),分流電阻越大,其兩端的壓降也會(huì)增大。在某點(diǎn),分流器的分壓會(huì)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(huán)路測(cè)量功能良好,直到環(huán)路電流達(dá)到約18mA后,測(cè)量失去了控制。經(jīng)過仔細(xì)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(cè)量才能達(dá)到滿量程,通過250歐姆電阻轉(zhuǎn)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(guān)。

注意接地(或使用隔離的儀器)

   大多數(shù)4-20mA電流環(huán)路傳感器應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)合中,與大多數(shù)人的認(rèn)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(shì)。此時(shí),使用數(shù)字電壓表(DVM)的直流和交流檔分別來測(cè)量傳感器的地與儀器的地之間的電壓差,測(cè)量值應(yīng)該為零伏或非常接近零伏。而實(shí)際上,測(cè)量值至少會(huì)是幾伏,我們?cè)娺^高達(dá)75伏特。當(dāng)不同電位的地被連接到一起時(shí),將會(huì)產(chǎn)生電流,在使用非隔離式儀器進(jìn)行測(cè)量時(shí),會(huì)造成如下幾種可能的結(jié)果

1.測(cè)量值為噪聲。
2.測(cè)量不準(zhǔn)確。
3. 儀器損壞。
4.儀器飽和,雖然沒有損壞,但也無法成功進(jìn)行測(cè)量。

要解決這些問題,需要執(zhí)行以下操作:

如果您沒有帶有隔離的儀器,請(qǐng)閱讀1~4

1.確保回路電源已隔離。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(gè)地相連(例如非隔離的儀器)而不會(huì)產(chǎn)生任何后果。

2.如果使用自供電傳感器,請(qǐng)確保電流環(huán)路的低壓側(cè)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(qǐng)確保將分流電阻器放置在環(huán)路的低端(請(qǐng)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(rèn)電源是非隔離的,那么可以選擇從同一電源插座為所有設(shè)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(gè)插座板上的插座用完了,請(qǐng)使用接線板。

5.使用帶有隔離的儀器進(jìn)行4-20mA電流環(huán)路測(cè)量,這樣可以*避免接地問題,在任何情況下都可以成功進(jìn)行測(cè)量。

    再重申一下,如果使用帶有隔離的儀器進(jìn)行測(cè)量,則這些與正確接地相關(guān)的所有注意事項(xiàng)都可以忽視。

    幾乎所有領(lǐng)域和配置中都會(huì)遇到4-20mA電流輸出型的傳感器,如果您遇到特殊情況,請(qǐng)與我們聯(lián)系。

北京康泰電子有限公司

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