模拟信号传输与模拟信号标准化

2016/8/7 16:19:53 人评论 次浏览 分类:变送器  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/463.html

对于热工控制仪表,在设计时就应力求做到通用化和相互兼容。通用化是指同一台仪表可以来显示或控制不同的参数,尽管被测的参数千差万别,不论它们的变化范围如何,虽然所用的传感器、变送器、转换器不一样,但显示仪表却完全相同,目前这些技术在显示仪表上已成熟应用。相互兼容(也称可互换性)是指不同系列或不同生产厂家的仪表能够共同使用在同一检测控制系统中,彼此配合,共同实现系统的功能。如能做到通用化和相互兼容,就能改善控制仪表及其部件的互换性,减少备品备件,在生产工艺流程改变时,原有仪表中的大多数都能物尽其用,节省改建的投资。

以前广泛使用的电动或气动单元组合仪表具有很好的通用性,不仅其显示单元和控制单元是通用的,甚至像差压变送器这样的变送单元也可以用于压力、流量、液位、密度和力等多种信号的测量。比如智能温度变送器设计成既可以配热电偶,也可以配热电阻,既可以测或一个点的温度,也可以测量几个点的温度(通常被称为“温度远传监测仪”)或温差,其测量范围和零点都能自由调整。通用化不但使仪表制造厂减少了品种规格,还给用户带来灵活方便、一物多用的好处。

在火电厂中,安装在控制室的DCS系统要与安装在生产现场的变送器、执行器等进行信号连接,要做到通用性和相互兼容,必须统一仪表间的信号制式,无论模拟信号还是数字信号都应该标准化。

信号制是指在成套系列仪表中,各个仪表的输入、输出信号采用何种统一的联络信号问题。只有采用统一信号,才能使各个仪表间的任意连接成为可能。

1、模拟气动信号标准
GB/T 777-2008《工业自动化仪表用模拟气动信号》中规定:模拟气动信号下限值为20kPa,上限值为100kPa

2、模拟直流电流信号标准
GB/T 3369.1-2008《过程控制系统用模拟信号 第1部分:直流电流信号》中模拟直流电流信号(负载电阻为0-300Ω)的规定见表1                表1  模拟直流电流信号

下限(mA

下限(mA

说明

4

20   *

       *首选项

0

20  **

       **非首选项,今后将会被取消


3、电模拟信号
电模拟信号有直流电流、直流电压、交流电流和交流电压四种。从信号范围看,下限可以从零开始,也可以不从零开始(即有一个活零点),上限也可高可低。如何确定统一信号的种类和范围,对整套仪表的技术性和经济性有着直接影响。下面云润仪表对直流电流、直流电压进行分析比较。

3.1直流电流信号
直流电流信号是目前使用最广泛的信号类型,它具有以下优点:
①直流比交流干扰少
交流容易产生交变电磁场的干扰,对附近仪表和电路有影响,外界交流干扰信号混入后与有用信号形式相同,难以滤波;直流信号就没有这个缺点。在信号传输中,直流不受到交流感应影响,易于解决仪表的抗干扰问题。
②直流信号对负载的要求简单
交流有频率和相位问题,对负载的感抗或容抗敏感,使得影响因素增多,计算复杂;直流电路只考虑电阻。直流不受传输线路的电感、电容及负荷性质的影响,不存在相位移问题,使接线简化。
③采用直流信号便于进行模数转换和统一信号,便于现场仪表与数字仪表配用。
④直流信号容易获得基准电压。因此,世界各国都以直流电流和直流电压作为统一信号。

3.2 直流电压信号
用直流电压信号作为联络信号时,如果一个发送仪表的输出电压要同时输送给几个接收仪表,则几台接收仪表应并联连接,如图1所示。
发送仪表的输出电压要同时输送给几个接收仪表,则几台接收仪表应并联连接         

采用直流电压信号需要注意两点:
①为减少传输误差,要求发送仪表内阻r0及导线电阻Rcm足够小。若远距离传输电压信号,则增大了的Rcm值势必对接收仪表电阻ri提出过高的要求,而输入阻抗高将易于引入干扰,因此直流电压信号不适于作远距离传输的信号。
②接收仪表输入阻抗越高,误差越小。当并接的仪表较多时,相当于总的输入阻抗减小,误差增大,因此并接的仪表越多,要求每个仪表的输入阻抗就越大。

     
用直流电压作为联络信号时,由于仪表是并联连接,其主要优点是:在设计安装上比较简单;增加或减少某个仪表不会影响其他仪表工作;对仪表输出级的耐压要求可以降低,从而提高了仪表的可靠性。

从以上分析可见,直流电流信号传输与直流电压信号传输各有特点,直流电流信号适于远距离传输,电压信号使仪表可采用并联连接。因此,在国外的电动仪表系统以及我国的DDZ-Ⅲ型仪表中,进出控制室的传输信号采用直流电流信号,控制室内部各仪表之间联络信号采用直流电压信号,即连线的特点是电流传输、并联接收电压信号的方式。

4、信号上下限大小的比较
表1中,传输信号的下限值(零点)电流不一样,分别为4mA和0mA。前者称为活零点信号,后者称为真零信号。

真零信号下限值从零开始,便于进行模拟量的加、减、乘、除、开方等数学运算,处理起来十分方便,但是它难以区分正常情况下的下限值和电路故障(如断线),容易引起误解或误操;活零点信号在正常情况下是4mA,一旦出现0mA,肯定是发生了断线、短路或是停电,能及时发现故障,对生产安全极为有利。

采用活零点信号不但为两线制变送器创造了工作条件,而且还能避开晶体管特性曲线的起始非线性,这也是4-20mA信号比0-10mA信号优越之处。

要在运算处理活零点信号之前,先把对应于零点的信号值减掉,运算完的结果还要把零点信号加上去。固然不甚方便,但在广泛应用运算放大器和微处理器的仪表里,减或者加几个常数是非常容易的,所以采用活零点也就不成问题了。

信号电流范围的上限值受到电路功率的限制,不宜过大,以避免输出电路的设计和器件选择不便。况且信号电流过大还容易使导线和元件发热,不利于安全防爆。国外的电动仪表。一般信号的上限都不超过50mA。从减小直流电流性信号在传输线中的功率损失和减小仪表体积,以及提高仪表的防爆性能等方面看,电流信号的上限值小些好。但是,信号上限值选择过小也不好,因为微弱信号易受到干扰,而且要求接收仪表有较高的灵敏度,这就给仪表的输入和放大电路带来设计上的困难。

当确定采用活零点信号后,上限值与下限值之比最好是5:1,以便与气动模拟信号的上下限有同样的比值,这样,直流电流信号和气压信号就有一一对应关系,容易相互换算。所以,我国规定的4-20mA及辅助联络信号1-5V和20-100kPa具有同样的上下限比值。这些就是4-20mA信号上下限范围确定的由来。

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