控制装置与仪表标准化模拟信号

信号制即信号标准，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。

在控制装置与仪表的设计中，应力求做到通用化和相互兼容。通用化是指同一台仪表可用来显示或控制不同的参数。也就是说，虽然被测的被控参数及其变化范围千差万别，所用的传感器、变送器、转换器也不一样，但显示仪表及控制仪表却完全相同。相互兼容（可互操作）是指相同系列或不同企业生产的仪表能够共同使用在同一个检测控制系统中，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。要做到通用化和相互兼容，首先必须统一仪表间的信号标准。

1.气动仪表的信号标准

根据国家标准GB/T 777—2008《工业自动化仪表用模拟气动信号》，该标准规定的模拟气动信号下限值和上限值见表2-1。

表2-1 模拟气动信号的下限值和上限值

2.电动仪表的信号标准

我国颁布的国家标准GB/T 3369—2008《过程控制系统用模拟信号》中规定的模拟直流电流信号及其负载电阻见表2-2所示。

表2-2 模拟直流电流信号及其负载电阻

在表2-2所示两种电流信号范围中，应优先选用序号1。至于序号2，是考虑到目前DDZ-Ⅱ系列电动单元组合仪表仍在应用的现状而设置的。由于序号1的电流信号在接收端要转换为1～5V的直流电压信号，故负载电阻至少是250Ω。为了便于串联动圈仪表供当地显示，负载电阻应大于250Ω，但负载电阻过大势必要提高功率放大级的电源电压，所以一般不超过750Ω。序号2的负载电阻从零开始，以便与低输入电阻的仪表或晶体管电路配合，其负载电阻范围的上限值受到功率放大级电源电压的限制，一般不超过3000Ω。(www.xing528.com)

以上气动和电动模拟仪表的标准信号不适用于传感器和仪表内部，因为内部气路或电路的信号没有必要标准化，可以自由设计。

3.活零点的含义

表2-2中，传输信号的下限值（“零点电流”）不一样，序号1规定为4mA，序号2规定为0mA。后者称为“真零”信号，前者称为“活零”信号。

真零信号最为直观，而且便于四则运算和开方，处理起来十分方便。但是它难以区别正常情况下的下限值和电路故障（例如断线容易引起误解或误操作）。活零信号在正常状态时的下限值为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。

在运算处理活零信号之前，要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。这固然不甚方便，但在广泛应用运算放大器的仪表里，减或加某个常数（相当于电压1V）是非常容易的，所以采用活零信号也就不成问题了。

信号电流范围的上限值受到电路功率的限制，不宜过大，以免造成输出电路的设计和元器件的选择困难。况且信号电流过大还容易使导线和元器件发热，不利于安全防爆。国外的电动仪表，一般信号的上限值都不超过50mA。但是信号上限值选得过小也不好，因为微弱信号易受干扰，而且要求接收的仪表有较高的灵敏度，这会给仪表的输入和放大电路带来设计上的困难。当需要利用电磁作用将电流信号变为机械力时，若信号过小，就必须用极强的磁场和匝数过多的线圈，这也有一定的困难。因此，国外电动仪表的电流信号上限值都在5mA以上。

对于气动信号而言，作为气动仪表最基本的控制元件——喷嘴挡板机构，其特性曲线在输出压力接近最小和最大时的线性度很差，所以只能选取中间线性度较好的一段作为工作段，才能保证仪表的准确度，这一段的下限一般是0.02MPa。此外，气动仪表所用的弹性元件（如膜片、膜盒、弹簧管等），都具有一定的刚度，启动点都有一定的死区，故将整个气动仪表的压力下限标准定为0.02MPa。

当确定采用活零信号后，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，电流信号和气压信号就有一一对应的关系，容易相互换算。所以，我国规定的4～20mA电流信号及其辅助联络信号1～5V和20～100kPa具有同样的上下限比值。