为什么采用4-20毫安电流传输模拟量信号探索现场总线技术在社会应用中的优势
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?在工业应用中,大家都知道我们需要测量各种非电物理量,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通过数百米长的控制室或显示设备之间的距离。工业中最广泛采用的方法是使用4~20mA电流来传输模拟量。采用这种电流信号的原因之一是它们不容易受到干扰,因为工业现场噪声电压可能达到数V,但噪声功率很弱,因此噪声通常只产生nA级别的小电流;而且,由于电源内阻接近无穷大,并且导线中的串联阻抗不会影响精度,所以可以在普通双绞线上进行数百米长的传输;由于电源的大内阻以及恒流输出,在接收端,只需放置一个250欧姆到地的電阻,就能获得0-5V范围内的稳定直流输出,低输入阻抗接收器能够有效降低nA级别输入電流噪声对系统造成影响。
选择20mA作为上限,是为了满足防爆要求:20mA以下所产生火花能量不足以引发可燃气体爆炸。而设置4mA作为下限,是为了确保即使检测线路断开,也能够感知到这个状态,因为正常工作时不会低于这个值。当传输线因故障断开,环路当前变化为0时,可以检测到这一情况。在实际应用中,一般会设定2mA作为断线报警阈值。这些变送器将物理量转换成4-20mA范围内的一条直流电子脉冲,然后向外界提供该信息。
对于这类变送器来说,它们需要外部供电,以维持其内部工作。如果要连接两个这样的变送器,那么就需要四根导线——两根用于供给外部功耗(一般为24V),另外两根用于数据通信。这被称作“四通道”设计。不过,有一种更高效节省资源的手段,即通过共享供给一部分或全部必要能源,从而减少所需数量从1至3个依据具体情况不同。但是一种特殊的情况存在,即如果变送器本身能够根据用户需求自行维持其内部环境并适应不同的负载场景,而仅依靠单一来源则无法实现,则必须额外考虑如何最大化利用现有资源。此种设计模式被称为“两通道”设计,其中其中一个通道既包含了数据通信功能也包含了供给动力功能。
因此,在设计过程中,我们往往面临着如何将有限资源(如空间大小或者成本预算)最大化利用的问题。在某些情况下,比如只有24伏特和4毫安功率可用,这样就意味着我们的设备只能运行在极端条件下的优化操作。如果你正在寻找一种方案来解决这些问题,你可能想要考虑那些专门针对此类应用开发出来的小型、高效率DC/DC转换器,以及那些具有超低功耗但仍然保持出色的性能水平的小型微处理机或嵌入式系统。一旦你掌握了这些技术,你就会发现自己可以创建出更加紧凑、高效甚至是在限制条件下也能运行良好的设备,使得你的项目变得更加成功和经济实惠。
最后,如果你正处于研究阶段,并且想了解更多关于如何将零至三点三伏特间的输入信号转换成四至二十毫安间输出信号的话,那么运用运放LM358就是一个不错选项。你只需要把它连接到12伏特以上的一个稳定的交流适配器上,就可以开始探索这方面知识了。这是一个简单却又富有挑战性的实验,让我们一起深入探索吧!