4-20mA_0-20mA_±5V_±10V等標準模擬量信號的相互轉換及無擾傳輸
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- 發(fā)布時間：2013/11/25 11:50:08
- 作者：銀河電氣
一前言
在工業(yè)測控領域，您是否經(jīng)常為如下問題苦惱？
0-5V如何轉變?yōu)?span style="font-family:'Microsoft YaHei';font-size:14px;">4-20mA、0-20mA或4-24mA？
0-10V如何轉變?yōu)?-20mA、0-20mA或4-24mA？
±5V、±10V交流電壓信號如何轉變?yōu)?-20mA、0-20mA或4-24mA直流電流信號？
如何對
變送器和采集板卡之間建立電氣隔離，提高電磁兼容性和測量安全性？
如何保持0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA等標準模擬量信號在長距離傳輸中不受干擾或衰減？
二常規(guī)的4-20mA標準信號轉換思路
常見的標準模擬量信號有：0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA。常見的變送器或傳感器采用上述一種或多種制式輸出標準信號。
常見二次儀表或采集卡一般可接受上述一種或多種制式的輸入信號。
當變送器或傳感器的輸出信號與二次儀表或采集卡輸入信號制式不同時，我們需要在它們之間增加一個轉換器。
由于4-20mA標準信號具有抗干擾能力強，傳輸過程無衰減等優(yōu)點，在測控領域得到了廣泛的應用。
經(jīng)常為了實現(xiàn)接口兼容或提升電磁兼容性，需要將0-5V、0-10V等標準電壓信號轉變?yōu)?-20mA標準電流信號，或者需要將4-20mA電流信號轉變?yōu)檫m合采集卡輸入的0-5V或0-10V標準電壓信號。
上述轉變通常通過一運算放大器為核心的模擬電路實現(xiàn)，也有采用如AD693、AD694、AM462、XTR105等專用4-20mA轉換或隔離IC。
圖1為0-5V電壓輸入轉換為4-20mA電流輸出的典型電路原理圖：
圖1 0-5V轉換為4-20mA電路原理圖
各種轉換電路具有成本低，體積小等優(yōu)點，適合在專用量產(chǎn)的產(chǎn)品中應用，由于受通用性差、制作周期，產(chǎn)品調試，電磁兼容等等問題的影響和約束，不適合用于解決工業(yè)現(xiàn)場臨時遇到的轉換問題。
三OPC420的4-20mA轉換與傳輸原理
第二節(jié)的圖1中所示電路可以較好的滿足0-5V至4-20mA的轉換，適當變換電路，也可實現(xiàn)0-5V至0-20mA的轉換。
當輸入和輸出固定時，可以采用專用電路實現(xiàn)轉換。當希望轉換電路較通用時，比如說，輸出可以是0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA等7種制式時，要考慮7種電路的組合。而當輸入也要在7中制式中中選擇時，根據(jù)排列組合原理，需要7×6=42種電路的組合，電路將過于復雜而變得不實用。
實時上，在計算機技術高速發(fā)展和廣泛應用的今天，這種排列組合類的問題，完全可以交給各類微處理器通過軟件實現(xiàn)，輸入只需實現(xiàn)0-24mA電流和±10V電壓的測量，輸入電路匹配一個250Ω的高精度采樣電阻，將20mA電流信號變換為5V電壓信號，再經(jīng)過放大變換為10V標準電壓信號，之所以不采用500Ω電阻，是為了降低前端變送器的輸出負荷，同時，也降低了對前端變送器的最大順從電壓的要求。電壓信號可直接輸入。若電壓輸出的前端變送器不能驅動250Ω，可通過撥碼開關切除采樣電阻，降低變送器的二次負荷。
不論是電壓信號還是電流信號，經(jīng)過上述調理電路之后，均變?yōu)锳D可接受的標準±10V電壓信號。AD轉換器輸出數(shù)字信號經(jīng)過并/串轉換電路變換為串行數(shù)據(jù)輸出。
為了兼容4-24mA電流信號或測量更寬的電壓、電流范圍，以便與各種電量或非電量傳感器、變送器輸出兼容，調整電路參數(shù)可允許電路輸入500mA、30V的峰值電壓和峰值電流信號。
同時，變送器輸入采用多量程自動量程轉換電路，可精確測量1mA～500mA、60mV～30V以內(nèi)的各種電流和電壓信號。為了提高信號傳輸?shù)碾姶偶嫒菪院脱娱L無損傳輸距離，輸出數(shù)字信號采用光纖傳輸。
OPC420/B光纖轉換器為將上述數(shù)字信號轉變?yōu)楦鞣N標準模擬量輸出的轉換裝置。
其輸出可兼容0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA等7中標準模擬量傳輸制式。通過撥碼開關可方便的切換輸出制式。
圖2 OPC420/A和OPC420/B組合使用實現(xiàn)4-20mA等各種標準或非標準模擬量的轉換與傳輸
四OPC420光纖轉換器應用案例
OPC420/A和OPC420/B光纖轉換器組合使用，可方便的實現(xiàn)：
1、0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA等標準信號之間的相互轉換；
2、輸入可兼容1mA～500mA、60mV～30V以內(nèi)的各種電流和電壓信號，可方便的與各種傳感器直接配套；
3、輸入輸出之間完全電氣隔離，確保二次測量的安全進行和良好的電磁兼容性；
4、可實現(xiàn)100m的無擾、無損傳輸，增加中繼可實現(xiàn)更遠距離的傳輸。
變頻器給我們帶來方便和節(jié)能的同時，也會對環(huán)境產(chǎn)生較強的電磁干擾，OPC420光纖轉換器套件特別適用于各種變頻節(jié)能系統(tǒng)改造后，復雜電磁環(huán)境下各種標準或非標準信號的轉換與傳輸。圖3 為OPC420/A和OPC420/B光纖轉換器用于恒壓供水系統(tǒng)中的測量（水壓）信號和控制（頻率調節(jié)）信號的轉換與傳輸。
圖3 OPC420光纖轉換器套件在恒壓供水系統(tǒng)中的應用
壓力變送器及PLC的輸出信號可以是0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA或1mA～500mA、60mV～30V范圍之內(nèi)的任意電流或電壓信號，變頻器頻率調節(jié)輸入端子及PLC模擬量測量端口可以是0-5V、0-10V、±5V、±10V、4-20mA、0-20mA或4-24mA等7種標準信號之中的任意一種。
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