Zašto 4-20mA?

Što je 4-20mA?

Standard signala 4-20mA DC (1-5V DC) definirala je Međunarodna elektrotehnička komisija (IEC) i koristi se za analogne signale u sustavima upravljanja procesima.

Općenito, struja signala za instrumente i mjerače postavljena je na 4-20 mA, pri čemu 4 mA predstavlja minimalnu struju, a 20 mA maksimalnu struju.

Zašto je trenutni izlaz?

U industrijskim postavkama, korištenje pojačala signala za uvjetovanje i prijenos signala na velike udaljenosti pomoću naponskih signala može dovesti do nekoliko problema.Prvo, naponski signali koji se prenose preko kabela mogu biti osjetljivi na šumove.Drugo, raspodijeljeni otpor dalekovoda može uzrokovati pad napona.Treće, napajanje pojačala signala na terenu može biti izazovno.

Kako bi se riješili ti problemi i smanjio utjecaj buke, struja se koristi za prijenos signala jer je manje osjetljiva na buku.Strujna petlja od 4-20 mA koristi 4 mA za predstavljanje nultog signala i 20 mA za predstavljanje punog signala, sa signalima ispod 4 mA i iznad 20 mA koji se koriste za razne alarme kvarova.

Zašto koristimo 4-20mA DC (1-5V DC)?

Terenski instrumenti mogu implementirati dvožilni sustav, gdje su napajanje i opterećenje povezani u seriju sa zajedničkom točkom, a samo dvije žice se koriste za komunikaciju signala i napajanje između odašiljača polja i instrumenta u kontrolnoj sobi.Korištenje 4mA DC signala kao početne struje daje statičku radnu struju odašiljaču, a postavljanje električne nulte točke na 4mA DC, koja se ne poklapa s mehaničkom nultočkom, omogućuje otkrivanje grešaka kao što su gubitak struje i prekidi kabela .Dodatno, dvožilni sustav prikladan je za korištenje sigurnosnih barijera, što pomaže u zaštiti od eksplozije.

Instrumenti u kontrolnoj sobi koriste naponski paralelni prijenos signala, gdje instrumenti koji pripadaju istom kontrolnom sustavu dijele zajednički terminal, što ga čini prikladnim za testiranje instrumenata, podešavanje, računalna sučelja i alarmne uređaje.

Razlog za korištenje 4-20mA DC za signalnu komunikaciju između instrumenata na terenu i instrumenata u kontrolnoj sobi je taj što udaljenost između polja i kontrolne sobe može biti značajna, što dovodi do veće otpornosti kabela.Prijenos naponskih signala na velike udaljenosti može rezultirati značajnim pogreškama zbog pada napona uzrokovanog otporom kabela i ulaznim otporom prijemnog instrumenta.Korištenje signala izvora konstantne struje za daljinski prijenos osigurava da struja u petlji ostaje nepromijenjena bez obzira na duljinu kabela, jamčeći točnost prijenosa.

Razlog za korištenje 1-5V DC signala za međusobno povezivanje instrumenata u kontrolnoj sobi je da se omogući više instrumenata da primaju isti signal i da se pomogne u ožičenju i formiranju različitih složenih kontrolnih sustava.Ako se izvor struje koristi kao signal međusobnog povezivanja, kada više instrumenata prima isti signal istovremeno, njihovi ulazni otpori moraju biti povezani u seriju.To bi premašilo kapacitet opterećenja odašiljačkog instrumenta, a potencijali uzemljenja signala prijemnih instrumenata bili bi drugačiji, unoseći smetnje i sprječavajući centralizirano napajanje.

Korištenje signala izvora napona za međusobno povezivanje zahtijeva pretvaranje strujnog signala koji se koristi za komunikaciju s terenskim instrumentima u naponski signal.Najjednostavnija metoda je spojiti standardni otpornik od 250 ohma u seriju u strujni prijenosni krug, pretvarajući 4-20 mA DC u 1-5 V DC.Tipično, ovaj zadatak obavlja odašiljač.

Ovaj dijagram koristi otpornik od 250 ohma za pretvaranje strujnog signala od 4-20 mA u naponski signal od 1-5 V, a zatim koristi RC filter i diodu spojenu na AD pretvorbeni pin mikrokontrolera.

“Ovdje je priložen jednostavan dijagram strujnog kruga za pretvaranje strujnog signala od 4-20 mA u naponski signal:

Zašto je odašiljač odabran za korištenje 4-20mA DC signala za prijenos?

1. Sigurnosna razmatranja za opasna okruženja: Sigurnost u opasnim okruženjima, posebno za instrumente otporne na eksploziju, zahtijeva minimiziranje statičke i dinamičke potrošnje energije potrebne za održavanje rada instrumenta.Odašiljači koji izlaze standardni signal 4-20 mA DC obično koriste napajanje od 24 V DC.Upotreba istosmjernog napona je uglavnom zato što eliminira potrebu za velikim kondenzatorima i induktorima i fokusira se na raspodijeljeni kapacitet i induktivitet spojnih žica između odašiljača i instrumenta u kontrolnoj sobi, što je mnogo niže od struje paljenja plinovitog vodika.

2. Prijenos izvora struje ima prednost nad izvorom napona: U slučajevima gdje je udaljenost između polja i kontrolne sobe znatna, upotreba signala izvora napona za prijenos može dovesti do značajnih pogrešaka zbog pada napona uzrokovanog otporom kabela i ulazom otpor prijemnog instrumenta.Korištenje signala izvora struje za daljinski prijenos osigurava da struja u petlji ostane konstantna, bez obzira na duljinu kabela, čime se održava točnost prijenosa.

3. Izbor od 20 mA kao maksimalne struje: Odabir maksimalne struje od 20 mA temelji se na razmatranjima sigurnosti, praktičnosti, potrošnje energije i cijene.Instrumenti otporni na eksploziju mogu koristiti samo niski napon i nisku struju.Struja od 4-20 mA i 24 V DC sigurni su za upotrebu u prisutnosti zapaljivih plinova.Struja paljenja za vodikov plin s 24 V DC je 200 mA, znatno viša od 20 mA.Dodatno, čimbenici kao što su udaljenost između instrumenata na mjestu proizvodnje, opterećenje, potrošnja energije, zahtjevi elektroničkih komponenti i zahtjevi za napajanje uzimaju se u obzir.

4. Izbor 4 mA kao početne struje: Većina odašiljača koji emitiraju 4-20 mA rade u dvožilnom sustavu, gdje su napajanje i opterećenje povezani u seriju sa zajedničkom točkom, a samo dvije žice se koriste za komunikaciju signala i napajanje između odašiljača polja i instrumenta u kontrolnoj sobi.Izbor početne struje od 4 mA bitan je za rad kruga odašiljača.Polazna struja od 4 mA, koja se ne poklapa s mehaničkom nultom točkom, osigurava "aktivnu nultu točku" koja pomaže identificirati greške poput gubitka struje i prekida kabela.

Upotreba signala 4-20 mA osigurava minimalne smetnje, sigurnost i pouzdanost, što ga čini široko prihvaćenim standardom u industrijskim primjenama.Međutim, drugi formati izlaznih signala, kao što su 3,33 mV/V, 2 mV/V, 0-5 V i 0-10 V, također se koriste za bolje rukovanje signalima senzora i podršku raznim kontrolnim sustavima.