4-20mA传感器的由来

采用电流信号的原因是不容易受干扰、并且电流源内阻无穷大,导线电阻串联在回路中不影响精度,在普通双绞线上可以传输数百米。

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是因为防爆的要求: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,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,特殊之处在于变送器的耗电电流在4~20mA之间根据传感器输出而变化。显示仪表只需要串在电路中即可。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,因此只要在量程范围内,变送器至少有4mA供电。

因此、4-20mA的信号输出一般不容易受干扰而且安全可靠、所以工业上普遍使用的都是二线制4-20mA的电源输出信号。但为了能更好的处理传感器的信号、目前还有更多其它形式的输出信号:3.33MV/V;2MV/V;0-5V; 0-10V等。

另附一张4到20mA转电压信号的简单电路图:
这里写图片描述

这张图使用一个250欧姆的电阻将4到20mA的电流信号转换成1到5V的电压信号,然后使用一个RC滤波加一个二极管(原谅我模拟电路不好,并不知道是什么意思)接到单片机的AD转换引脚。

### STM32 采集 0-20mA 电流环传感器的数据处理及电路设计 #### 设计概述 STM32四通道4-20mA模拟量采集板是一个专为工业自动化和传感器数据采集而优化的解决方案[^1]。为了实现对0-20mA范围内的电流信号的有效采集,需要考虑硬件接口的设计以及软件算法的编写。 #### 硬件部分 对于0-20mA电流环路来说,通常会通过一个精密电阻将电流转换成电压信号再输入到ADC中去测量。假设使用的是标准的250Ω取样电阻,则满度时对应的压降约为\( V=I*R = 20\, mA * 250 \Omega = 5V\)。因此,在选择ADC的时候要确保其能够覆盖这个电压范围并提供足够的分辨率来分辨较小的变化。 考虑到实际应用场景中的噪声影响因素,建议加入低通滤波器以减少高频干扰的影响。此外,还可以利用差分放大器提高共模抑制比(CMRR),从而进一步增强系统的抗噪性能。 ```c // ADC初始化配置示例代码 (C语言) void ADC_Configuration(void){ // 配置GPIO引脚作为模拟输入 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0; // PA0连接至采样电阻一端 GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_ANALOG; HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStruct); // 初始化ADC外设 AdcHandle.Instance = ADC1; AdcHandle.Init.ScanConvMode = DISABLE; AdcHandle.Init.ContinuousConvMode = ENABLE; AdcHandle.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE; AdcHandle.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_NONE; AdcHandle.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT; AdcHandle.Init.NbrOfConversion = 1; if(HAL_ADC_Init(&AdcHandle)!= HAL_OK){ Error_Handler(); // 错误处理函数定义 } } ``` #### 软件部分 当完成上述硬件准备工作之后,就可以着手于编程实现了。这里给出一段简单的伪码用于说明基本流程: 1. 启动ADC进行单次或连续模式下的转换操作; 2. 获取最新的ADC数值,并将其转化为相应的物理单位——即毫安(mA); 3. 对所得结果实施必要的线性化校正(如果适用的话),因为某些类型的变送器可能并非完全呈线性的特性曲线; 4. 将最终计算出来的流量/压力等参数显示出来或者发送至上位机保存分析; 值得注意的是,针对不同的应用场合还需要额外增加诸如过流保护机制等功能模块,比如设置合理的上下限阈值触发中断服务程序执行相应动作如点亮指示灯、切断电源供应等等措施保障设备安全稳定运行[^2]。 #### 注意事项 DAC采用内部基准源可以有效降低因外部元件波动带来的误差风险,同时简化了外围电路结构。不过需要注意的是,这种做法可能会使得整个系统对外界电磁场更加敏感一些,所以在布局布线上应特别小心谨慎[^3]。
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