兩線制4-20mA電流信號究竟能傳多遠?

時間:2018-06-04 關鍵詞:遠傳型渦輪流量計,液體流量計,渦輪流量計
工業上普遍需要測量各類非電物理量,例如溫度、壓力、速度、角度等,都需要轉換成模擬量電信號才能傳輸到幾百米外的控制室或顯示設備上。這種將物理量轉換成電信號的設備稱為變送器。工業上最廣泛采用的是用4~20mA電流來傳輸模擬量信號,這也廣泛的使用與流量計的信號傳輸上面,比如液體渦輪流量計、電磁流量計等等都是帶有4-20mA信號輸出的。
 
那么為什么需要采用4-20mA電流信號呢?采用電流信號的原因是不容易受干擾。并且電流源內阻無窮大,導線電阻串聯在回路中不影響精度,在普通雙絞線上可以傳輸數百米。上限取20mA是因為防爆的要求:20mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒有取0mA的原因是為了能檢測斷線:正常工作時不會低于4mA,當傳輸線因故障斷路,環路電流降為0。常取2mA作為斷線報警值。

 
電流型變送器將物理量轉換成4~20mA電流輸出,必然要有外電源為其供電。最典型的是變送器需要兩根電源線,加上兩根電流輸出線,總共要接4根線,稱之為四線制變送器。當然,電流輸出可以與電源公用一根線(公用VCC或者GND),可節省一根線,稱之為三線制變送器。

 
其實大家可能注意到, 4-20mA電流本身就可以為變送器供電。變送器在電路中相當于一個特殊的負載,特殊之處在于變送器的耗電電流在4~20mA之間根據傳感器輸出而變化。顯示儀表只需要串在電路中即可。這種變送器只需外接2根線,因而被稱為兩線制變送器。工業電流環標準
下限為4mA,因此只要在量程范圍內,變送器至少有4mA供電。這使得兩線制傳感器的設計成為可能。

兩線制4~20mA變送器的電流信號究竟能傳多遠呢?

1、干擾因素:
 ①、與激勵電壓高低有關,
 ②、與變送器允許的最小工作電壓有關,
 ③、與板卡設備采集電流用的取壓電阻大小有關,
 ④、與導線電阻的大小有關
 通過這四項有關量,可以計算出4~20mA電流信號的理論傳輸距離

2、要使4~20mA信號,無損失在兩線回路里傳輸,必須滿足歐姆定律,
 即滿足:(激勵電壓-變送器允許的最小工作電壓)≥ 輸出電流×電流環路總電阻 
 當輸出電流I=20mA,即0.02A時,上式取等號,則:
 電流環路總電阻=(激勵電壓-變送器允許的最小工作電壓)÷0.03、將這個計算值記作r,
 即r=(激勵電壓-變送器允許的最小工作電壓)×50 , 單位Ω
 這個r,業界稱之為電流信號的負載電阻,也就是電流信號的最大帶載能力

3、業界為啥要特意給出這個r的計算式呢?
 那是由于:4~20mA電流信號能傳多遠,實質是實際電阻,與r比大小的問題,
 當環路實際總電阻>r時,就算傳輸距離為0,變送器也是沒辦法輸出20mA電流的,
 當環路實際總電阻=r時,變送器輸出20mA電流,傳輸距離只能為0米,(超導除外)
 當環路實際總電阻<r時,變送器輸出20mA電流,才能在環路中有效傳輸若干米,
  ①、由于板卡采集電流用的取壓電阻為定值,故導線電阻大小,決定著傳輸距離的長短
  ②、導線電阻越小,信號傳輸的距離越遠
  ③、導線若是超導,電阻≈0,那電流傳到美國去也不是事,傳到火星去也木問題 , 
 綜上:電流環路的總電阻R,必須滿足R≤r ,否則4~20mA信號,無法正常傳輸    
    
4、電流環路的總電阻R,由板卡設備上,采集電流信號的取壓電阻R1,和導線電阻R2組成
  取壓電阻R1,多見250Ω、150Ω、100Ω、50Ω,而今流行100Ω~40Ω等小電阻取壓
  導線電阻R2=電導率×導線總長度÷導線橫截面積=單位長度電阻×導線總長度
                       =單位長度電阻×(液體渦輪流量計)傳輸距離×2
    

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