Защо 4-20mA?

Какво е 4-20mA?

Стандартът за сигнал 4-20mA DC (1-5V DC) е определен от Международната електротехническа комисия (IEC) и се използва за аналогови сигнали в системи за контрол на процеси.

По принцип токът на сигнала за инструменти и измервателни уреди е настроен на 4-20mA, като 4mA представлява минималния ток и 20mA представлява максималния ток.

Защо е текущият изход?

В промишлени условия използването на усилвател на сигнала за кондициониране и предаване на сигнали на дълги разстояния с помощта на сигнали за напрежение може да доведе до няколко проблема. Първо, сигналите за напрежение, предавани по кабели, могат да бъдат податливи на шумови смущения. Второ, разпределеното съпротивление на преносните линии може да причини спадове на напрежението. Трето, осигуряването на захранване на усилвателя на сигнала на място може да бъде предизвикателство.

За справяне с тези проблеми и минимизиране на въздействието на шума, токът се използва за предаване на сигнали, тъй като е по-малко чувствителен към шума. Токовият контур 4-20 mA използва 4 mA за представяне на нулев сигнал и 20 mA за представяне на пълномащабен сигнал, като сигналите под 4 mA и над 20 mA се използват за различни аларми за повреда.

Защо използваме 4-20mA DC (1-5V DC)?

Полевите инструменти могат да реализират двупроводна система, където захранването и товарът са свързани последователно с обща точка и само два проводника се използват за комуникация на сигнала и захранване между полевия предавател и инструмента в контролната зала. Използването на 4 mA DC сигнал като начален ток осигурява статичен работен ток към трансмитера и настройката на електрическата нулева точка на 4 mA DC, която не съвпада с механичната нулева точка, позволява откриването на неизправности като загуба на захранване и прекъсване на кабела . Освен това, двупроводната система е подходяща за използване на предпазни бариери, подпомагащи защитата от експлозия.

Инструментите в контролната зала използват предаване на сигнала с паралелно напрежение, където инструментите, принадлежащи към една и съща система за управление, споделят общ терминал, което го прави удобно за тестване на инструменти, настройка, компютърни интерфейси и алармени устройства.

Причината за използването на 4-20 mA DC за сигнална комуникация между полеви инструменти и инструменти в контролната зала е, че разстоянието между полето и контролната зала може да бъде значително, което води до по-високо съпротивление на кабела. Предаването на сигнали за напрежение на дълги разстояния може да доведе до значителни грешки поради спад на напрежението, причинен от съпротивлението на кабела и входното съпротивление на приемащия инструмент. Използването на сигнал от източник на постоянен ток за дистанционно предаване гарантира, че токът във веригата остава непроменен независимо от дължината на кабела, гарантирайки точност на предаване.

Причината за използването на 1-5V DC сигнал за взаимно свързване между инструментите в контролната зала е да се улесни получаването на един и същ сигнал от множество инструменти и да се подпомогне свързването и формирането на различни сложни системи за управление. Ако източник на ток се използва като сигнал за взаимно свързване, когато множество инструменти получават един и същ сигнал едновременно, техните входни съпротивления трябва да бъдат свързани последователно. Това би надхвърлило капацитета на натоварване на предавателния инструмент и потенциалите на заземяването на сигнала на приемащите инструменти биха били различни, внасяйки смущения и предотвратявайки централизирано захранване.

Използването на сигнал от източник на напрежение за взаимно свързване изисква преобразуване на токовия сигнал, използван за комуникация с полеви инструменти, в сигнал за напрежение. Най-простият метод е да свържете стандартен резистор от 250 ома последователно във веригата за предаване на ток, преобразувайки 4-20mA DC в 1-5V DC. Обикновено тази задача се изпълнява от предавател.

Тази диаграма използва резистор от 250 ома за преобразуване на токовия сигнал от 4-20 mA в сигнал за напрежение от 1-5 V, а след това използва RC филтър и диод, свързан към щифта за преобразуване на AD на микроконтролера.

„Тук е приложена проста електрическа схема за преобразуване на токов сигнал 4-20mA в сигнал за напрежение:

Защо предавателят е избран да използва 4-20mA DC сигнал за предаване?

1. Съображения за безопасност за опасни среди: Безопасността в опасни среди, особено за взривозащитени инструменти, изисква минимизиране на статичната и динамична консумация на енергия, необходима за поддържане на работата на инструмента. Предавателите, които извеждат стандартен сигнал 4-20 mA DC, обикновено използват 24 V DC захранване. Използването на постоянно напрежение е главно защото елиминира необходимостта от големи кондензатори и индуктори и се фокусира върху разпределения капацитет и индуктивност на свързващите проводници между предавателя и инструмента в контролната зала, който е много по-нисък от тока на запалване на водородния газ.

2. Предаването от източник на ток е за предпочитане пред източника на напрежение: В случаите, когато разстоянието между полето и контролната зала е значително, използването на сигнали от източник на напрежение за предаване може да доведе до значителни грешки поради спада на напрежението, причинен от съпротивлението на кабела и входа съпротивление на приемащия инструмент. Използването на сигнал от източник на ток за дистанционно предаване гарантира, че токът във веригата остава постоянен, независимо от дължината на кабела, като по този начин се поддържа точността на предаване.

3. Изборът на 20 mA като максимален ток: Изборът на максимален ток от 20 mA се основава на съображения за безопасност, практичност, консумация на енергия и цена. Взривозащитените инструменти могат да използват само ниско напрежение и нисък ток. Токът 4-20 mA и 24 V DC са безопасни за използване в присъствието на запалими газове. Токът на запалване за водороден газ с 24 V DC е 200 mA, значително по-висок от 20 mA. Освен това се вземат предвид фактори като разстоянието между инструментите на производствената площадка, натоварване, консумация на енергия, изисквания за електронни компоненти и изисквания за захранване.

4. Изборът на 4 mA като начален ток: Повечето предаватели, които извеждат 4-20 mA, работят в двупроводна система, където захранването и товарът са свързани последователно с обща точка и само два проводника се използват за комуникация на сигнала и захранване между полевия предавател и инструмента в контролната зала. Изборът на начален ток от 4 mA е от съществено значение за работата на предавателната верига. Начален ток от 4 mA, който не съвпада с механичната нулева точка, осигурява „активна нулева точка“, която помага за идентифициране на неизправности като загуба на захранване и прекъсване на кабела.

Използването на 4-20 mA сигнали гарантира минимални смущения, безопасност и надеждност, което го прави широко възприет стандарт в индустриалните приложения. Въпреки това, други формати на изходен сигнал, като 3,33 mV/V, 2 mV/V, 0-5 V и 0-10 V, също се използват за по-добра обработка на сензорни сигнали и поддръжка на различни системи за управление.