能源计量数据在线采集4—20mA信号采集原理
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中图分类号：D925.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）07-0276-02
1、前言
我国电气自动化仪表从技术发展角度分类，准确地说应该称作DDZ-Ⅰ型、DDZ-Ⅱ型、DDZ-Ⅲ型等几个类型，有时也简称Ⅰ型仪表、Ⅱ型仪表、Ⅲ型仪表。DDZ是“电动单元组合”仪表用拼音字母首位的简称。DDZ-Ⅰ型仪表以电子管为核心电子元件，DDZ-Ⅱ型仪表以晶体管为核心电子元件，DDZ-Ⅲ型仪表以集成电路为核心电子元件，现代又发展出了DDZ-S型以微电脑为核心的智能型仪表。目前基本上都是电3型和电4型仪表，分别是指DDZ-Ⅲ型和DDZ-S型。
4-20mA.DC（1-5V.DC）信号制是国际电工委员会（IEC）：过程控制系统用模拟信号标准。我国从DDZ-Ⅲ型电动仪表开始采用这一国际标准信号制，仪表传输信号采用4-20mA.DC，联络信号采用1-5V.DC，即采用电流传输、电压接收的信号系统，参考标准GB/T 3369.1-2008和GB/T 3369.2-2008。
2、4-20mA信号的工作原理
在工业现场，用一个仪表放大器来完成信号的调理并进行长线传输，会产生以下问题：第一，由于传输的信号是电压信号，传输线会受到噪声的干扰；第二，传输线的分布电阻会产生电压降；第三，在现场如何提供仪表放大器工作电压的问题。为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，我们用电流来传输信号，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。
一般采用常见的2线4-20mA的电流环，通过一对双绞线即可向模块供电，也传输信号。另一种使用较少的模式是3线制，它的有限是能够向模块输出更大的功率（2线制系统的最大允许工作电流仅为4mA）。
3、4-20mA信号的优点
3.1现场仪表可实现两线制，所谓两线制即电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线。因为信号起点电流为4mA.DC，为变送器提供了静态工作电流，同时仪表电气零点为4mA.DC，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障。而且两线制还便于使用安全栅，利于安全防爆。 控制室仪表采用电压并联制信号传输，同一个控制系统所属的仪表之间有公共端，便于与检测仪表、调节仪表、计算机、报警装置配用，并方便接线。
3.2现场仪表与控制室仪表之间的联络信号采用4-20mA.DC的理由是：因为现场与控制室之间的距离较远，连接电线的电阻较大，如果用电压源信号远传，由于电线电阻与接收仪表输入电阻的分压，将产生较大的误差，而用恒电流源信号作为远传，只要传送回路不出现分支，回路中的电流就不会随电线长短而改变，从而保证了传送的精度。
3.3控制室仪表之间的联络信号采用1-5V.DC的理由是：为了便于多台仪表共同接收同一个信号，并有利于接线和构成各种复杂的控制系统。如果用电流源作联络信号，当多台仪表共同接收同一个信号时，它们的输入电阻必须串联起来，这会使最大负载电阻超过变送仪表的负载能力，而且各接收仪表的信号负端电位各不相同，会引入干扰，而且不能做到单一集中供电。采用电压源信号联络，与现场仪表的联络用的电流信号必须转换为电压信号，最简单的方法就是：在电流传送回路中串接一个250欧姆的标准电阻，把4-20mA.DC转换为1-5V.DC，通常由配电器来完成这一任务。
4、4-20mA信号的工业现场应用
大家可能会非常熟悉RS232，RS485，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、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，但是噪声的功率很弱，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的好处是nA级的输入电流噪声只产生非常微弱的电压噪声。
上限取20mA是因為防爆的要求：20mA的电流通断引起的火花能量不足以引燃瓦斯。下限没有取0mA的原因是为了能检测断线：正常工作时不会低于4mA，当传输线因故障断路，环路电流降为0。常取2mA作为断线报警值。电流型变送器将物理量转换成4～20mA电流输出，必然要有外电源为其供电。最典型的是变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线，总共要接4根线，称之为四线制变送器。当然，电流输出可以与电源公用一根线（公用VCC或者GND），可节省一根线，所以现在基本上将四线制变送器称之为三线制变送器。其实大家可能注意到， 4-20mA电流本身就可以为变送器供电，变送器在电路中相当于一个特殊的负载，这种变送器只需外接2根线，因而被称为两线制变送器。工业电流环标准下限为4mA，因此在量程范围内，变送器通常只有24V，4mA供电，低功耗的传感器和信号链产品、以及低功耗的处理器（如MSP430）对于两线制的4-20mA收发非常重要。这使得两线制传感器的设计成为可能而又富有挑战。
5、4-20MA信号采集与计算
最简单的4-20mA输入/5V输出的I/V转换电路： 在与电流输出的传感器接口的时候，为了把传感器（变送器）输出的1-10mA或者4-20mA电流信号转换成为电压信号，往往都会在后级电路的最前端配置一个I/V转换电路。
仅仅使用一只I/V转换取样电阻，就可以把输入电流转换成为信号电压，其取样电阻可以按照Vin/I=R求出，Vin是MCU需要的满度A/D信号电压，I是输入的最大信号电流。这种电路虽然简单，但是却不实用，首先，其实际意义是零点信号的时候，会有一个零点电流流过取样电阻，如果按照4～20mA输入电流转换到最大5V电压来分析，零点的时候恰好就是1V，这个1V在MCU资源足够的时候，可以由MCU软件去减掉它。可是这样一来。其有用电压就会剩下5-1=4V而不是5V了。由于MCU的A/D最大输入电压就是MCU的供电电压，这个电压通常就是5V，因此，处理这种简单的输入转换电路时比较麻烦。为了达到A/D转换的位数，就会导致芯片成本增加。
6、4-20MA信号计算方式
输出电流X对应的测值Y，按：Y=（H-L）×（X-4）÷16+L 计算，其中：H为20mA对应的测值，L为4mA对应的测值。例如，H为3000，L为500，那么10MA对应Y值就是： Y=（3000-500）×（10-4）÷16+500=1437.5 。具体示例如（表2）：
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