为什么在工业总线和现场总线应用中采用4-20毫安电流传输模拟量信号

  • 科研进展
  • 2025年02月05日
  • 我可能会非常熟悉RS232、RS485和CAN等工业上常用的总线,他们都是传输数字信号的方式。那么,我们用什么方式来传输模拟信号呢?工业上普遍需要测量各类非电物理量,例如温度、压力、速度和角度等,这些都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。采用电流信号的原因是不容易受干扰,因为工业现场的噪声电压的幅度可能达到数V

为什么在工业总线和现场总线应用中采用4-20毫安电流传输模拟量信号

我可能会非常熟悉RS232、RS485和CAN等工业上常用的总线,他们都是传输数字信号的方式。那么,我们用什么方式来传输模拟信号呢?工业上普遍需要测量各类非电物理量,例如温度、压力、速度和角度等,这些都需要转换成模拟量电信号才能传输到几百米外的控制室或显示设备上。工业上最广泛采用的是用4~20mA电流来传输模拟量。采用电流信号的原因是不容易受干扰,因为工业现场的噪声电压的幅度可能达到数V,但是噪声功率很弱,所以噪声电流通常小于nA级别,因此给4-20mA传输带来的误差非常小;电流源内阻趋于无穷大,导线电阻串联在回路中不影响精度,因此在普通双绞线上可以传输数百米;由于电流源的大内阻和恒流输出,在接收端我们只需放置一个250欧姆到地的电阻就可以获得0-5V的电压,低输入阻抗的接收器有利于减少nA级别输入電流量噪声产生的小巧微弱電壓干擾。

选择20mA作为最高值是出于防爆要求:20mA通断引起火花能量不足以引燃瓦斯。而没有选择0mA作为最低值,是为了能够检测断线:正常工作时不会低于4mA,当传输线因故障断路,环路electric current降为0。常取2mA作为断线报警值。

变送器将物理量转换成4~20mA输出,一定要有外部供给其功耗。在很多情况下,它们需要两根供给线加两根输出线,所以被称为四線制变送器。但是,如果它们可以与供给共享一条连接(即公用VCC或者GND),那么它只需要三根连接,就被称为三線制变送器。这实际上意味着只有当它正在提供某种形式的手动切换功能时,它才真正是“独立”的。

事实证明,即使它们本身能够充当一个特殊类型负载并通过自己的内部维持必要当前水平而不从任何其他来源获取额外力量,这些单独运行的时候也仍然被视作仅使用两个连结点——因此成为所谓“二線制”变送器。

最后,我想强调的是,由於工業電流環標準設定為至少為 4 毫安,因此當變送器處於運行狀態時,它們會從一個24伏特/400毫安(最大)輸出,但實際負載應該遠低於這個數字,因此在輕負荷情況下的高效率DC-DC轉換器(如TPS54331, TPS54160)、低功耗傳感器與訊號鏈產品以及對兩線制系統來說適合的一般微處理機(如MSP430)特別重要。此類設計挑戰導致了我們對如何將這種技術集成進現代嵌入式系統中的興趣越來越大。我個人認為,這種技術之所以具有挑战性,是因为设计一个VI转换器,从0-3.3v输入,可以输出4-20ma,也就是说你必须找到一种方法,将这个较小范围扩展到满足工业标准。如果你使用运放LM358,并且你的输入是一个稳定的12v,那么这应该不是太难的事情。但如果你的应用程序允许,你也许会考虑使用更现代化,更高效率甚至比LM358更先进的小型化IC解决方案,以进一步提高系统整体性能。你还可能想要探索其他技术,比如使用智能扬声机或光纤通信系统,以实现更长距离、高可靠性的数据交互。这将涉及到对这些技术潜力的深入研究,以及了解它们如何适应不同环境和需求。在我的看法里,这是一个令人兴奋的问题空间,对我来说是个绝佳机会去探索新的技术解决方案,并推动行业向前发展。

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