实现0~20mA变送器接入4~20mA采集模块的一种方法

苏会勇，刘伟

（北京中电红石科技股份有限公司，北京 100086）

0 引言

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，联络信号采用1-5VDC，即采用电流传输、电压接收的信号系统。因为信号起点电流为4mA，为变送器提供了静态工作电流，同时仪表电气零点为4mA，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。鉴于此原因，现场多数采用4～20mA模拟量采集模块及响应量程的变送器。传统方案中，被选传感器[1]的电流输出量程为0～20mA时，就应该选择对应量程的模拟量输入模块，由于现场传感器提供厂家和PLC[2]系统集成厂家不一定一致，这就有可能导致传感器输出信号量程与PLC模拟量模块输入量程不对应，致使调试过程受阻，进一步有可能导致会更换相关硬件。有没有一种办法使得在充分利用模拟量输入模块输入特性的情况下将被测信号尽可能全量程采集，同时避免模拟量输入模块进入下溢范围。

1 量程转化分析设计

根据西门子模拟量采集模块在4～20mA量程范围内的模拟值分析，虽然模拟量采集模块标称采集范围为4～20mA，但实际可接纳的输入范围是大于该标称量程的。模拟量采集模块的输入量程对应模拟量值[3]如表1。

由表1可以看到当模拟量采集模块的量程为4～20 mA时，实际可测的最小输入信号为1.185 mA，对应模拟量值为-4864。充分利用这部分信号输入范围是解决问题的关键步骤。

模拟量采集模块在采用4～20mA量程时，4mA对应模拟量值为0，20mA对应模拟量值为27648，转化为模拟量值后每毫安对应的转换码数为M4。公式如（1）。

在采用0～20mA量程时，0mA对应模拟量值为0,20mA对应模拟量值为27648，转化为模拟量值后每毫安对应的转换码数为M0。公式如（2）。

由M4和M0可知不同量程下，虽然最大量程20mA对应的模拟量值都是27648，但是由于最小量程的不同导致模拟量值的线性化斜率不一致，这就存在一个相互变换的过程如公式（3）。

由表1可知输入信号小于1.185mA时，模拟量采集模块是无法识别的，这部分0～1.185mA的小信号要由硬件电路来处理。当输入信号在1.1，5mA～4mA范围内时对应的模拟量值为-4864～0，该测量范围内每毫安对应的转换码数为M-0，公式如（4）。

对比M-0与M4可知，在1.185～4mA范围内的线性化斜率与4～20mA范围内的线性化斜率一致。尽管在使用4～20mA量程时小于1.185mA的电流信号无法采测，但根据线性化斜率可导到出0mA的模拟量值为Z0。公式如（5）。

表1 模拟量采集模块的输入量程对应模拟量值

当传感器输出的0～20mA电流信号接入西门子的4～20mA模拟量采集模块，根据公式（2）和公式（4）在程序中就需要有一个模拟量值转换的过程，将用4～20mA模拟量采集模块采集到的模拟量值转换为在0～20mA量程范围内的模拟量值。如公式（6）。

2 小信号切除硬件电路分析设计

4～20mA模拟量采集模块在输入信号小于1.185mA时，会出现下溢现象，程序读数为0x8000，为了不使程序进入下溢范围，需要对实际输入信号进行小信号切除[4]处理，当外部传感器输出信号小于1.185mA时通过增加硬件电路将西门子模拟量模块的输入信号钳制在1.185mA左右。考虑传感器端有内阻，可以通过增加一个20KΩ的外置电阻，电阻一端接模块本身提供的24V电压，一端接入模块监测回路构成小信号切除电路，小信号切除硬件电路如图1。

图中I2电流的理论计算值如公式（7）

实际工程应用中，测得模块供电电压为23.5V，不足24V，所以I2实际计算为1.172mA。在误差分析中可取此值I2≈1.2mA。

3 具体实施方法

3.1 硬件实施方法

根据图1所示，模块接线要串入一个外置20KΩ电阻，模拟量输入模块采用两线制接线方法，输入通道本身会向外提供24V电源[5]。

3.2 软件实施方法

根据量程转化分析设计中推导的公式得出PIW修正值，如公式（8）。

4 修正结果分析

4.1 I2取值为1.2mA时的误差分析

当模块输出电压为理论24V时，I2根据公式（7）计算结果为1.197mA，相对误差为：

综合考虑在理论电压下的相对误差0.15‰能满足I2（定为1）2mA的精度要求。

4.2 最终修正值测量误差分析

当电流传感器I1=1.185mA时，I2=1.172mA。利用I1根据公式（4）计算得出I1在正常情况下使用0～20mA模拟量输入模块时，所得模拟量值为：

当I1=1.185mA时，通过小信号切除电路接入4～20mA模拟量输入模块，实际模块接收到的电流为I2=1.172mA。通过公式（8）可以得到修正后的值为：

相对误差为：

当输入电流信号大于1.185 mA时。经测算相对误差为0.065%，在工程实际使用过程中可以满足要求。

5 结语

在现场实际硬件条件受限的情况下，利用本文说明的方法，可以充分利用模拟量输入模块的下冲范围。但该方法也存在一定问题，在小信号输入时，虽然设计了小信号切除电路，但不可避免在输入信号小于1.185 mA时无法采集。由于实际工程应用中，正常测量信号大多数不会停留在小信号范围内，所以该方法能满足绝大数情况下正常使用且能保证测量精度。