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
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。下面昌晖仪表对直流电流、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。
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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