工業(yè)4-20mA采集電源和采集電流設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.前言

工廠自動化和控制系統(tǒng)中 4-20mA 電流回路的簡單性和穩(wěn)健性非常出色。它們甚至為現(xiàn)場變送器供電，后者轉(zhuǎn)換測量值并相應(yīng)地將回路中的電流設(shè)置為 4-20mA，然后模擬輸入模塊測量電流。

一般儀器儀表的信號電流都為4-20mA，指最小電流為4mA,最大電流為20mA 。

傳輸信號時(shí)候，要考慮到導(dǎo)線上也有電阻，如果用電壓傳輸則會在導(dǎo)線上產(chǎn)生一定的壓降，那接收端的信號就會產(chǎn)生一定的誤差了，所以使用電流信號作為變送器的標(biāo)準(zhǔn)傳輸。在工業(yè)現(xiàn)場，用一個(gè)儀表放大器來完成信號的調(diào)理并進(jìn)行長線傳輸，會產(chǎn)生以下問題：第一，由于傳輸?shù)男盘柺请妷盒盘?，傳輸線會受到噪聲的干擾；第二，傳輸線的分布電阻會產(chǎn)生電壓降；第三，在現(xiàn)場如何提供儀表放大器的工作電壓也是個(gè)問題。

為了解決上述問題和避開相關(guān)噪聲的影響，我們用電流來傳輸信號，因?yàn)殡娏鲗υ肼暡⒉幻舾小?/span>4～20mA的電流環(huán)便是用4mA表示零信號，用20mA表示信號的滿刻度，而低于4mA高于20mA的信號用于各種故障的報(bào)警。

2. 4-20mA采集

測量 4-20mA 回路電流非常簡單?；芈冯娏髁鬟^負(fù)載電阻器，負(fù)載電阻器上產(chǎn)生的壓降通常由 delta-sigma 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓。盡管如此，仔細(xì)研究負(fù)載電阻器、模擬前端 (AFE) 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的要求還是值得的。

出于多種原因，優(yōu)選具有低電阻的負(fù)載。從系統(tǒng)的角度來看，模塊輸入端的壓降應(yīng)盡可能小，以保持 4-20mA 回路其余部分的電壓儲備。此外，負(fù)載的功耗降低（P = I 2R)。這導(dǎo)致負(fù)載的自熱減少，從而實(shí)現(xiàn)更小的封裝和更高的通道密度，這在多通道模塊中尤為重要。輸入的性能高度依賴于絕對精度和負(fù)載的溫度漂移。電阻下限的限制是轉(zhuǎn)換器的負(fù)擔(dān)和分辨率的成本?，F(xiàn)代 delta-sigma 轉(zhuǎn)換器（例如新的 ADS124S08）提供了足夠的性能來應(yīng)對負(fù)載兩端的較低壓降，而無需在 ADC 前進(jìn)行任何有源信號調(diào)節(jié)。我們甚至可以繞過內(nèi)置的可編程增益放大器 (PGA)。圖 1顯示了 ADS124S06/8 的框圖。 

圖 1：ADS124S08 框圖

我們必須針對工業(yè)系統(tǒng)中的浪涌和接線錯(cuò)誤采取保護(hù)措施。對于短時(shí)間/高能量浪涌，放置在輸入和地之間的雙向瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管是一種常見的設(shè)計(jì)技術(shù)。該二極管在其擊穿電壓以上導(dǎo)電，并將浪涌電壓降低到可接受的水平。但是，擊穿電壓必須高于場電源電壓，這可能會意外連接到輸入端，以避免永久性和致命的過應(yīng)力。在這種情況下，電流將流過負(fù)載，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其最大額定值。過流限制器的最簡單方法是使用保險(xiǎn)絲或正溫度系數(shù) (PTC) 電阻器。不過，PTC 在正常操作期間會增加一些阻力。

我們可以堆疊兩個(gè)或多個(gè)模擬電流輸入，以冗余測量高可用性和安全相關(guān)應(yīng)用中的關(guān)鍵信號。在這種情況下，模擬量輸入模塊必須是單通道或通道間隔離的模塊。即使模擬輸入模塊（或隔離通道）面臨斷電或損壞，4-20mA 回路電流也必須能夠不受阻礙地流過負(fù)載電阻器。圖 2顯示了具有兩個(gè)獨(dú)立模擬輸入模塊的示例。

工業(yè)4-20mA采集電源和采集電流設(shè)計(jì)要點(diǎn)

圖 2：堆疊模擬輸入模塊

一個(gè)常見的要求是抑制到達(dá)轉(zhuǎn)換器的電源頻率紋波的 50/60Hz 抑制。ADS124S08 在 delta-sigma 調(diào)制器之后的數(shù)字濾波器中集成了此功能。如果 10Hz 的模擬帶寬就足夠了，那么數(shù)據(jù)速率設(shè)置為 20SPS 的有限脈沖響應(yīng) (FIR) 型濾波器可以同時(shí)抑制 50Hz 和 60Hz。

4-20mA 回路只能以相對較低的帶寬將單個(gè)傳感器值從變送器傳輸?shù)?PLC。如果需要提高速度的雙向通信，則在頂部添加公路可尋址遠(yuǎn)程傳感器 (HART) 協(xié)議。出站數(shù)據(jù)（從 PLC 到傳感器發(fā)射器）是電壓調(diào)制的，而入站數(shù)據(jù)是電流調(diào)制的。輸入模塊接收到的 HART 信號在負(fù)載電阻處耦合輸出，并由專用 HART 調(diào)制解調(diào)器或微控制器單獨(dú)處理。

除了測量 4-20mA 回路電流之外，我們還必須考慮其他方面，例如保護(hù)、用例和抑制不需要的頻率。