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4-20mA_0-20mA_±5V_±10V等标准模拟量信号的相互转换及无扰传输

  • 浏览次数:18544次
  • 发布时间:2013/11/25 11:50:08
  • 作者:银河电气

前言

  在工业测控领域,您是否经常为如下问题苦恼?
  0-5V如何转变为4-20mA0-20mA4-24mA
  0-10V如何转变为4-20mA、0-20mA或4-24mA?
  ±5V、±10V交流电压信号如何转变为4-20mA、0-20mA或4-24mA直流电流信号?
  如何对变送器和采集板卡之间建立电气隔离,提高电磁兼容性和测量安全性?
  如何保持0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA等标准模拟量信号在长距离传输中不受干扰或衰减?
  请把上述一切问题,交给OPC420模拟量光纤传输模块……

常规的4-20mA标准信号转换思路

  常见的标准模拟量信号有:0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA。常见的变送器或传感器采用上述一种或多种制式输出标准信号。
  常见二次仪表或采集卡一般可接受上述一种或多种制式的输入信号。
  当变送器或传感器的输出信号与二次仪表或采集卡输入信号制式不同时,我们需要在它们之间增加一个转换器。
  由于4-20mA标准信号具有抗干扰能力强,传输过程无衰减等优点,在测控领域得到了广泛的应用。
  经常为了实现接口兼容或提升电磁兼容性,需要将0-5V、0-10V等标准电压信号转变为4-20mA标准电流信号,或者需要将4-20mA电流信号转变为适合采集卡输入的0-5V或0-10V标准电压信号。
  上述转变通常通过一运算放大器为核心的模拟电路实现,也有采用如AD693、AD694、AM462、XTR105等专用4-20mA转换或隔离IC。
  图1为0-5V电压输入转换为4-20mA电流输出的典型电路原理图:
0-5V转换为4-20mA电路原理图
图1 0-5V转换为4-20mA电路原理图
  各种转换电路具有成本低,体积小等优点,适合在专用量产的产品中应用,由于受通用性差、制作周期,产品调试,电磁兼容等等问题的影响和约束,不适合用于解决工业现场临时遇到的转换问题。

OPC420的4-20mA转换与传输原理

  第二节的图1中所示电路可以较好的满足0-5V至4-20mA的转换,适当变换电路,也可实现0-5V至0-20mA的转换。
  当输入和输出固定时,可以采用专用电路实现转换。当希望转换电路较通用时,比如说,输出可以是0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA等7种制式时,要考虑7种电路的组合。而当输入也要在7中制式中中选择时,根据排列组合原理,需要7×6=42种电路的组合,电路将过于复杂而变得不实用。
  实时上,在计算机技术高速发展和广泛应用的今天,这种排列组合类的问题,完全可以交给各类微处理器通过软件实现,输入只需实现0-24mA电流和±10V电压的测量,输入电路匹配一个250Ω的高精度采样电阻,将20mA电流信号变换为5V电压信号,再经过放大变换为10V标准电压信号,之所以不采用500Ω电阻,是为了降低前端变送器的输出负荷,同时,也降低了对前端变送器的最大顺从电压的要求。电压信号可直接输入。若电压输出的前端变送器不能驱动250Ω,可通过拨码开关切除采样电阻,降低变送器的二次负荷。
  不论是电压信号还是电流信号,经过上述调理电路之后,均变为AD可接受的标准±10V电压信号。AD转换器输出数字信号经过并/串转换电路变换为串行数据输出。
  为了兼容4-24mA电流信号或测量更宽的电压、电流范围,以便与各种电量或非电量传感器、变送器输出兼容,调整电路参数可允许电路输入500mA、30V的峰值电压和峰值电流信号。
  湖南银河电气有限公司研制的OPC420/A光纤转换器就是这样的测量装置。
  同时,变送器输入采用多量程自动量程转换电路,可精确测量1mA~500mA、60mV~30V以内的各种电流和电压信号。为了提高信号传输的电磁兼容性和延长无损传输距离,输出数字信号采用光纤传输。
  OPC420/B光纤转换器为将上述数字信号转变为各种标准模拟量输出的转换装置。
  其输出可兼容0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA等7中标准模拟量传输制式。通过拨码开关可方便的切换输出制式。
OPC420A和OPC420B组合使用实现4-20mA等各种标准或非标准模拟量的转换与传输
图2 OPC420/A和OPC420/B组合使用实现4-20mA等各种标准或非标准模拟量的转换与传输

OPC420光纤转换器应用案例

  OPC420/A和OPC420/B光纤转换器组合使用,可方便的实现:
  1、0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA等标准信号之间的相互转换;
  2、输入可兼容1mA~500mA、60mV~30V以内的各种电流和电压信号,可方便的与各种传感器直接配套;
  3、输入输出之间完全电气隔离,确保二次测量的安全进行和良好的电磁兼容性;
  4、可实现100m的无扰、无损传输,增加中继可实现更远距离的传输。
  变频器给我们带来方便和节能的同时,也会对环境产生较强的电磁干扰,OPC420光纤转换器套件特别适用于各种变频节能系统改造后,复杂电磁环境下各种标准或非标准信号的转换与传输。图3 为OPC420/A和OPC420/B光纤转换器用于恒压供水系统中的测量(水压)信号和控制(频率调节)信号的转换与传输。
OPC420光纤转换器套件在恒压供水系统中的应用
图3 OPC420光纤转换器套件在恒压供水系统中的应用
  压力变送器及PLC的输出信号可以是0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA或1mA~500mA、60mV~30V范围之内的任意电流或电压信号,变频器频率调节输入端子及PLC模拟量测量端口可以是0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA等7种标准信号之中的任意一种。