4-20mA,指的就是最小电流为4mA,最大电流为20mA 。
在工业现场,要完成信号的调理并进长线传输,行会产生以下问题:
为了解决上述问题和避开相关噪声的影响,我们会用电流来传输信号,因为电流对噪声并不敏感。4-20mA的电流环便是用4mA表示零信号,用20mA表示信号的满刻度,而低于4mA高于20mA的信号用于各种故障的报警。(一般2mA判断为断线)。
肯定有很多朋友会问:为什么选择4-20mA而不是0-20mA呢?很简单,如果0是最小,那么开路故障就检测不到了!
这个4-20mA控制回路是怎么工作的呢?
4-20mA构成基础要件:
24V电源供电;
变送器控制4-20mA信号使其与过程变量成比例变化;
指示器将4-20mA信号转化为相应过程变量;
指示器或控制器I/O输入电阻250Ω分流器生成1-5V输入信号(欧姆定律:电压=电流*电阻,4-20 mA X 250 ohms = 1-5V)
1)它们将热电偶或热电阻传感器的温度信号转换为4-20mA信号然后再输出;
2)控制器再将4-20mA反译为具体的温度值;
3)基于此温度值,控制回路给实现对过程终端控制元件的控制。
同样,控制回路中的压力变送器,通常用来测量过程介质的压力值:
1)传感器感知压力,又由变送器将信号转换为4-20mA信号;
2)控制器再将4-20mA信号反译为压力值;
3)控制器根据压力值,给阀门发送指令,控制阀门开度实现安全阀控制,确保容器不产生危险压力。
两线制4-20mA电流信号能传多远呢?
1.干扰因素
①与激励电压高低有关;
②与变送器允许的最小工作电压有关;
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,必须满足欧姆定律。即:
3.为什么要特意给出这个r的计算式呢?
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,才能在环路中有效传输若干米。
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,必须满足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。
5.编个小题算一算
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,即最大传输距离为40000米。
常见故障、原因与排查步骤
接线和端子的问题:坏的终端,绝缘问题,线路的腐蚀及污染等; 回路电源:噪音干扰、过压等问题都可能导致回路工作的不正常; 控制系统I/O卡件故障; 变送器; 传感器:元件的损坏、测量通道的阻塞。
1. 验证4-20mA信号
用串联法或用毫安电流钳表测量4-20毫安信号:
1)验证电源供电
2)查找线路问题
3)查找I/O问题
4)查找有问题的接线终端
故障排查步骤:
1)测量回路中的毫安数值,如果测量到了0mA,那么继续深入排障;
2)如果控制器没有指示显示,可能是I/O输入的保险丝熔断,回路出现开路故障。
2.控制器I/O问题排障:4-20mA回路排障(替代测试)
故障排查步骤:
1)断开变送器连接,将回路校准器或过程表连接在原变送器位置;
2)设置毫安模拟,并设置范围在4-20毫安;
3)验证指示器的正确数值,在同一测试中完成对线路、电源供电和I/O的测试;
4)如果控制器没有指示显示,可能是I/O输入的保险丝熔断,回路出现开路故障。可通过测量在250Ω输入来进行验证。
3.电源供电问题排查
使用回路校验仪或多用表,测量回路供电电压。
故障排查步骤:
1)测量电源供电,应该在近似24V。
2)如果测量结果是不确定的,就进行替代测试。
a. 断开装置回路电源
b.将回路校准器或过程表的24V回路供电端连接在这个位置
c.如果此时问题得到解决,那么装置的回路电源可能有缺陷或者存在过载
4.线路噪声排障
在正常情况下,系统中应该只有少量的mV级的交流电压存在。