工業(yè)上普遍需要測(cè)量各類(lèi)非電物理量，例如溫度、壓力、速度、角度等，它們都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號(hào)才能傳輸?shù)綆装倜淄獾目刂剖一蝻@示設(shè)備上。這種將物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的設(shè)備稱(chēng)為變送器。工業(yè)上最廣泛采用的是用4~20mA電流來(lái)傳輸模擬量。
4-20mA，指的就是最小電流為4mA，最大電流為20mA。
在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，要完成信號(hào)的調(diào)理并進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸，會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：
①由于傳輸?shù)男盘?hào)是電壓信號(hào)，傳輸線會(huì)受到噪聲的干擾；
②傳輸線的分布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降；
③在現(xiàn)場(chǎng)如何提供儀表放大器的工作電壓也是個(gè)問(wèn)題。
為了解決上述問(wèn)題和避開(kāi)相關(guān)噪聲的影響，我們會(huì)用電流來(lái)傳輸信號(hào)，因?yàn)殡娏鲗?duì)噪聲并不敏感。4-20mA的電流環(huán)便是用4mA表示零信號(hào)，用20mA表示信號(hào)的滿刻度，而低于4mA高于20mA的信號(hào)用于各種故障的報(bào)警。
肯定有很多朋友會(huì)問(wèn)：為什么選擇4-20mA而不是0-20mA呢？很簡(jiǎn)單，如果0是最小，那么開(kāi)路故障就檢測(cè)不到了！
那么，為什么偏偏是4mA呢？正常工作時(shí)，電流信號(hào)不會(huì)低于4mA。當(dāng)傳輸線因故障斷路，環(huán)路電流降為0。常取2mA作為斷線報(bào)警值。有兩個(gè)原因。一個(gè)原因是為了避免干擾，另一個(gè)原因是在4-20mA使用的是兩線制，即兩根線即是信號(hào)線，同時(shí)也是電源線，而4mA是為了給傳感器提供電路的靜態(tài)工作電流用。
4-20mA控制回路怎么工作?
4-20mA構(gòu)成基礎(chǔ)要件：
①24V電源供電
②變送器控制4-20mA信號(hào)使其與過(guò)程變量成比例變化
③指示器將4-20mA信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)過(guò)程變量
④指示器或控制器I/O輸入電阻250Ω分流器生成1-5V輸入信號(hào)(歐姆定律：電壓=電流×電阻，4-20mA×250Ω=1-5V)
通常情況下：
①它們將熱電偶或熱電阻傳感器的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA信號(hào)然后再輸出；
②控制器再將4-20mA反譯為具體的溫度值；
③基于此溫度值，控制回路給實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)程終端控制元件的控制。
同樣，控制回路中的壓力變送器，通常用來(lái)測(cè)量過(guò)程介質(zhì)的壓力值：
①傳感器感知壓力，又由變送器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA信號(hào)；
②調(diào)節(jié)器再將4-20mA信號(hào)反譯為壓力值；
③調(diào)節(jié)器根據(jù)壓力值，給閥門(mén)發(fā)送指令，控制閥門(mén)開(kāi)度實(shí)現(xiàn)安全閥控制，確保容器不產(chǎn)生危險(xiǎn)壓力。
常見(jiàn)故障、原因與排查步驟
◆接線和端子的問(wèn)題：壞的終端，絕緣問(wèn)題，線路的腐蝕及污染等；
◆回路電源：噪音干擾、過(guò)壓等問(wèn)題都可能導(dǎo)致回路工作的不正常；
◆控制系統(tǒng)I/O卡件故障；
◆變送器；
◆傳感器：元件的損壞、測(cè)量通道的阻塞。
1、驗(yàn)證4-20mA信號(hào)
用串聯(lián)法或用毫安電流鉗表測(cè)量4-20毫安信號(hào)：
①驗(yàn)證電源供電
②查找線路問(wèn)題
③查找I/O問(wèn)題
④查找有問(wèn)題的接線終端
故障排查步驟：
①測(cè)量回路中的毫安數(shù)值，如果測(cè)量到了0mA，那么繼續(xù)深入排障；
②如果控制器沒(méi)有指示顯示，可能是I/O輸入的保險(xiǎn)絲熔斷，回路出現(xiàn)開(kāi)路故障。
2、控制器I/O問(wèn)題排障：4-20mA回路排障(替代測(cè)試)
變送器替代測(cè)試是非常好的I/O故障分析方法，即使用測(cè)試設(shè)備輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)來(lái)核對(duì)控制的輸出。
故障排查步驟：
①斷開(kāi)變送器連接，將回路校準(zhǔn)器或過(guò)程表連接在原變送器位置；
②設(shè)置毫安模擬，并設(shè)置范圍在4-20毫安；
③驗(yàn)證指示器的正確數(shù)值，在同一測(cè)試中完成對(duì)線路、電源供電和I/O的測(cè)試；
④如果控制器沒(méi)有指示顯示，可能是I/O輸入的保險(xiǎn)絲熔斷，回路出現(xiàn)開(kāi)路故障。可通過(guò)測(cè)量在250Ω輸入來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。
3、電源供電問(wèn)題排查
使用回路校驗(yàn)儀或多用表，測(cè)量回路供電電壓。
故障排查步驟：
①測(cè)量電源供電，應(yīng)該在近似24V。
②如果測(cè)量結(jié)果是不確定的，就進(jìn)行替代測(cè)試。
a、斷開(kāi)裝置回路電源
b、將回路校準(zhǔn)器或過(guò)程表的24V回路供電端連接在這個(gè)位置
c、如果此時(shí)問(wèn)題得到解決，那么裝置的回路電源可能有缺陷或者存在過(guò)載
4、線路噪聲排障
線路噪聲產(chǎn)生的原因：絕緣性能差、電纜屏蔽故障、接地回路故障、臨界電源供電、布線錯(cuò)誤等。噪聲信號(hào)的捕捉和確認(rèn)可以通過(guò)帶萬(wàn)用表功能的過(guò)程多用表，或者萬(wàn)用表、手持式示波表等設(shè)備來(lái)查找系統(tǒng)中是否存在交流信號(hào)。
在正常情況下，系統(tǒng)中應(yīng)該只有少量的mV級(jí)的交流電壓存在。
回路故障工具推薦
1、測(cè)量4-20mA信號(hào)
所用工具：萬(wàn)用表、過(guò)程校驗(yàn)儀、FLUKE773毫安鉗形表、FLUKE789過(guò)程萬(wàn)用表
技術(shù)人員需要查驗(yàn)?zāi)男┬畔ⅲ簻y(cè)得的毫安數(shù)值是否為預(yù)計(jì)的數(shù)值？
2、輸出4-20mA信號(hào)
所用工具：過(guò)程校驗(yàn)儀、FLUKE789過(guò)程萬(wàn)用表
技術(shù)人員需要查驗(yàn)?zāi)男┬畔ⅲ篒/O或者其他毫安輸入設(shè)備是否正確工作？供電、布局和I/O是否正確工作？
3、測(cè)量DC24V回路電壓
所用工具：萬(wàn)用表、過(guò)程校驗(yàn)儀、FLUKE773毫安鉗形表、FLUKE789過(guò)程萬(wàn)用表
技術(shù)人員需要查驗(yàn)?zāi)男┬畔ⅲ和暾腄C24V供電是否可用？是否存在缺陷和過(guò)載情況？
4、輸出0-10V、1-5V電壓
所用工具：具備電壓輸出的過(guò)程校驗(yàn)儀或特定的毫安鉗形表FLUKE773
技術(shù)人員需要查驗(yàn)?zāi)男┬畔ⅲ篒/O或者其他電壓輸入設(shè)備是否正確工作？
5、連續(xù)性測(cè)量
所用工具：萬(wàn)用表、過(guò)程校驗(yàn)儀、多功能過(guò)程校驗(yàn)儀
技術(shù)人員需要查驗(yàn)?zāi)男┬畔ⅲ翰檎叶搪贰⒉涣级俗印㈦娮杞泳€等
兩線制4-20mA信號(hào)最遠(yuǎn)傳送距離？
4-20mA電流環(huán)是可以分為兩線制和三線制的，今天先不說(shuō)那么多其他內(nèi)容了，下面請(qǐng)大家跟小編一起計(jì)算一下吧。
1、干擾因素
①與激勵(lì)電壓高低有關(guān)；
②與變送器允許的最小工作電壓有關(guān)；
③與板卡設(shè)備采集電流用的取壓電阻大小有關(guān)；
④與導(dǎo)線電阻的大小有關(guān)。
通過(guò)這四項(xiàng)有關(guān)量，可以計(jì)算出4-20mA電流信號(hào)的理論傳輸距離。
2、要使4-20mA信號(hào)無(wú)損失在兩線回路里傳輸，必須滿足歐姆定律。即：(激勵(lì)電壓－變送器允許的最小工作電壓)≥輸出電流×電流環(huán)路總電阻。當(dāng)輸出電流I=20mA，即0.02A時(shí)，上式取等號(hào)，則電流環(huán)路總電阻=(激勵(lì)電壓-變送器允許的最小工作電壓)÷0.03，將這個(gè)計(jì)算值記作r，即r=(激勵(lì)電壓－變送器允許的最小工作電壓)×50，單位Ω。這個(gè)r，業(yè)界稱(chēng)之為電流信號(hào)的負(fù)載電阻，也就是電流信號(hào)的最大帶載能力。
3、為什么要特意給出這個(gè)r的計(jì)算式呢？
4-20mA電流信號(hào)能傳多遠(yuǎn)，實(shí)質(zhì)是實(shí)際電阻與r比大小的問(wèn)題。
當(dāng)環(huán)路實(shí)際總電阻＞r時(shí)，就算傳輸距離為0，變送器也是沒(méi)辦法輸出20mA電流的；
當(dāng)環(huán)路實(shí)際總電阻=r時(shí)，變送器輸出20mA電流，傳輸距離只能為0米(超導(dǎo)除外)；
當(dāng)環(huán)路實(shí)際總電阻＜r時(shí)，變送器輸出20mA電流，才能在環(huán)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(dǎo)線電阻大小，決定著傳輸距離的長(zhǎng)短；
②導(dǎo)線電阻越小，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)；
③導(dǎo)線若是超導(dǎo)，電阻≈0，那電流傳到美國(guó)去也不是事，傳到火星去也沒(méi)問(wèn)題。
綜上所述，電流環(huán)路的總電阻R，必須滿足R≤r，否則4-20mA信號(hào)，無(wú)法正常傳輸。
4、電流環(huán)路的總電阻R，由板卡設(shè)備上采集電流信號(hào)的取壓電阻R1，和導(dǎo)線電阻R2組成。
取壓電阻R1，多見(jiàn)250Ω、150Ω、100Ω、50Ω，而今流行100Ω-40Ω等小電阻取壓。
導(dǎo)線電阻R2＝電導(dǎo)率×導(dǎo)線總長(zhǎng)度÷導(dǎo)線橫截面積=單位長(zhǎng)度電阻×導(dǎo)線總長(zhǎng)度＝單位長(zhǎng)度電阻×傳輸距離×2
5、編個(gè)小題算一算
4-20mA電流信號(hào)的理論傳輸距離L(單位千米)，A采用2.5平方毫米雙絞線，每1000米的電阻=7.5Ω，用此導(dǎo)線傳輸信號(hào)A，最小允許激勵(lì)電壓=10VDC，DCS板卡上采集電流用的取壓電阻R1=100Ω，DCS板卡上的供電電壓＝24VDC，電流信號(hào)的最大傳輸距離距離為多少？
計(jì)算如下：
①先計(jì)算變送器的負(fù)載電阻r，r=(24-10)×50=700Ω
②再寫(xiě)出環(huán)路總電阻R的算式：R=R1+R2=100+7.5×L×2=100+15L，單位Ω
③由于有R≤r，即(100+15L)≤700，計(jì)算得：L≤40千米，即最大傳輸距離為40000米。
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