流量開關(guān)為什么要用4—20mA的電流來(lái)傳輸模擬量？
流量開關(guān)采用電流信號(hào)的原因是不容易受干擾，因?yàn)楣I(yè)現(xiàn)場(chǎng)的噪聲電壓的幅度可能達(dá)到數(shù)V，但是噪聲的功率很弱，所以噪聲電流通常小于nA級(jí)別，因此給4－20mA傳輸帶來(lái)的誤差非常??；電流源內(nèi)阻趨于無(wú)窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度，因此在普通雙絞線上可以傳輸數(shù)百米；由于電流源的大內(nèi)阻和恒流輸出，在接收端我們只需放置一個(gè)250歐姆到地的電阻就可以獲得0－5V的電壓，低輸入阻抗的接收器的好處是nA級(jí)的輸入電流噪聲只產(chǎn)生非常微弱的電壓噪聲。
上限取20mA是因?yàn)榉辣囊螅?0mA的電流通斷引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限沒(méi)有取0mA的原因是為了能檢測(cè)斷線：正常工作時(shí)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。電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)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(dāng)然，電流輸出可以與電源公用一根線（公用VCC或者GND），可節(jié)省一根線，所以現(xiàn)在基本上將四線制變送器稱之為三線制變送器。其實(shí)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(dāng)于一個(gè)特殊的負(fù)載，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(yè)電流環(huán)標(biāo)準(zhǔn)下限為4mA，因此在量程范圍內(nèi)，變送器通常只有24V，4mA供電（因此，在輕負(fù)載條件下高效率的DC/DC電源（TPS54331,TPS54160），低功耗的傳感器和信號(hào)鏈產(chǎn)品、以及低功耗的處理器（如MSP430）對(duì)于兩線制的4-20mA收發(fā)非常重要）。這使得兩線制傳感器的設(shè)計(jì)成為可能而又富有挑戰(zhàn)。
一般需要設(shè)計(jì)一個(gè)VI轉(zhuǎn)換器，輸入0-3.3v，輸出4mA-20mA，可采用運(yùn)放LM358，供電+12v。
流量開關(guān)
我們系統(tǒng)地來(lái)看看流量開關(guān)模擬量設(shè)備為什么都偏愛(ài)用4~20mA傳輸信號(hào)~
4-20mA. DC(1-5V.DC)信號(hào)制是國(guó)際電工委員會(huì)( IEC )過(guò)程控制系統(tǒng)采用的模擬信號(hào)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)也采用這一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)制，儀表傳輸信號(hào)采用4-20mA.DC，接收信號(hào)采用1-5V.DC，即采用電流傳輸、電壓接收的信號(hào)系統(tǒng)。
一般儀器儀表的信號(hào)電流都為4-20mA，指最小電流為4mA,最大電流為20mA 。傳輸信號(hào)時(shí)候，因?yàn)閷?dǎo)線上也有電阻，如果用電壓傳輸則會(huì)在導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生一定的壓降，那接收端的信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生一定的誤差了，所以一般使用電流信號(hào)作為變送器的標(biāo)準(zhǔn)傳輸。
為什么變送器選擇4~20mA.DC作傳送信號(hào)？
1、首先是從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的安全考慮
安全重點(diǎn)是以防爆安全火花型儀表來(lái)考慮的，并以控制儀表能量為前提，把維持儀表正常工作的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗降低到最低限度。輸出4~20mA.DC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的變送器，其電源電壓通常采用24V.DC，采用直流電壓的主要原因是可以不用大容量的電容器及電感器，就只需考慮變送器與控制室儀表連接導(dǎo)線的分布電容及電感，如2mm2 的導(dǎo)線其分布電容為0.05μ/km左右；對(duì)于單線的電感為0.4mH/km左右；大大低于引爆氫氣的數(shù)值，顯然這對(duì)防爆是非常有利的。
2、傳送信號(hào)用電流源優(yōu)于電壓源
因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)與控制室之間的距離較遠(yuǎn)，連接電線的電阻較大時(shí)，如果用電壓源信號(hào)遠(yuǎn)傳，由于電線電阻與接收儀表輸入電阻的分壓，將產(chǎn)生較大的誤差，如果用電流源信號(hào)作為遠(yuǎn)傳，只要傳送回路不出現(xiàn)分支，回路中的電流就不會(huì)隨電線長(zhǎng)短而改變，從而保證了傳送的精度。
3、信號(hào)最大電流選擇20mA的原因
最大電流20mA的選擇是基于安全、實(shí)用、功耗、成本的考慮。安全火花儀表只能采用低電壓、低電流，4~20mA電流和24V.DC對(duì)易燃?xì)錃庖彩前踩?，?duì)于24V.DC氫氣的引爆電流為200mA，遠(yuǎn)在20mA以上，此外還要綜合考慮生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)儀表之間的連接距離，所帶負(fù)載等因素；還有功耗及成本問(wèn)題，對(duì)電子元件的要求，供電功率的要求等因素。
4、信號(hào)起點(diǎn)電流選擇4mA的原因
輸出為4~20mA的變送器以兩線制的居多，兩線制即電源、負(fù)載串聯(lián)在一起，有一公共點(diǎn)，而現(xiàn)場(chǎng)變送器與控制室儀表之間的信號(hào)聯(lián)絡(luò)及供電僅用兩根電線。為什么起點(diǎn)信號(hào)不是0mA？這是基于兩點(diǎn)：一是變送器電路沒(méi)有靜態(tài)工作電流將無(wú)法工作，信號(hào)起點(diǎn)電流4mA.DC，不與機(jī)械零點(diǎn)重合，這種活零點(diǎn)有利于識(shí)別斷電和斷線等故障。
