Zašto 4-20mA?

Šta je 4-20mA?

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

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

Zašto je strujni izlaz?

U industrijskim postavkama, korištenje pojačala signala za kondicioniranje i prijenos signala na velike udaljenosti pomoću naponskih signala može dovesti do nekoliko problema.Prvo, signali napona koji se prenose preko kablova mogu biti osjetljivi na smetnje u buci.Drugo, raspoređeni otpor dalekovoda može uzrokovati pad napona.Treće, snabdijevanje pojačala signala na terenu može biti izazovno.

Za rješavanje ovih problema i minimiziranje utjecaja buke, struja se koristi za prijenos signala jer je manje osjetljiva na šum.Strujna petlja od 4-20 mA koristi 4 mA za predstavljanje nultog signala i 20 mA za predstavljanje signala pune skale, sa signalima ispod 4 mA i iznad 20 mA koji se koriste za različite alarme greške.

Zašto koristimo 4-20mA DC (1-5V DC)?

Terenski instrumenti mogu implementirati dvožični sistem, gdje su napajanje i opterećenje povezani u seriju sa zajedničkom tačkom, a samo dvije žice se koriste za komunikaciju signala i napajanje između predajnika i instrumenta u kontrolnoj sobi.Korištenje 4mA DC signala kao početne struje osigurava statičku radnu struju predajniku, a postavljanje električne nulte točke na 4mA DC, koja se ne poklapa s mehaničkom nultom točkom, omogućava otkrivanje kvarova kao što su gubitak struje i prekidi kabela .Dodatno, dvožični sistem je pogodan za korištenje sigurnosnih barijera, koje pomažu u zaštiti od eksplozije.

Instrumenti u kontrolnoj sobi koriste naponsko-paralelni prenos signala, gdje instrumenti koji pripadaju istom kontrolnom sistemu dijele zajednički terminal, što ga čini pogodnim za testiranje instrumenata, podešavanje, kompjuterske interfejse 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.Prenos naponskih signala na velike udaljenosti može rezultirati značajnim greškama zbog pada napona uzrokovanog otporom kabela i ulaznim otporom prijemnog instrumenta.Korištenje signala izvora konstantne struje za daljinski prijenos osigurava da struja u petlji ostane nepromijenjena bez obzira na dužinu kabela, jamčeći točnost prijenosa.

Razlog za korištenje 1-5V DC signala za međusobnu vezu između instrumenata u kontrolnoj sobi je da se omogući da više instrumenata prima isti signal i da se pomogne u ožičenju i formiranju različitih složenih kontrolnih sistema.Ako se kao signal za međusobno povezivanje koristi izvor struje, kada više instrumenata istovremeno prima isti signal, njihovi ulazni otpori moraju biti povezani u seriju.To bi premašilo nosivost predajnog instrumenta, a potencijali uzemljenja signala prijemnih instrumenata bi bili različiti, unoseći smetnje i sprečavajući centralizovano napajanje.

Korištenje signala izvora napona za međusobno povezivanje zahtijeva pretvaranje strujnog signala koji se koristi za komunikaciju sa terenskim instrumentima u naponski signal.Najjednostavniji način je povezivanje standardnog otpornika od 250 oma u seriju u strujnom krugu za prijenos, pretvarajući 4-20mA DC u 1-5V DC.Obično ovaj zadatak obavlja predajnik.

Ovaj dijagram koristi otpornik od 250 oma 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 konvertorski pin mikrokontrolera.

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

Zašto je predajnik odabran da koristi 4-20mA DC signal 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 neophodne za održavanje instrumenta u radu.Predajnici koji emituju 4-20mA DC standardni signal obično koriste 24V DC napajanje.Upotreba istosmjernog napona je uglavnom zato što eliminira potrebu za velikim kondenzatorima i induktorima i fokusira se na raspoređeni kapacitet i induktivnost spojnih žica između predajnika i instrumenta u kontrolnoj sobi, koji je mnogo niži od struje paljenja plinovitog vodika.

2. Prenos izvora struje je poželjniji od izvora napona: U slučajevima kada je udaljenost između polja i kontrolne sobe značajna, upotreba signala izvora napona za prijenos može dovesti do značajnih grešaka 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 dužinu kabela, čime se održava tačnost prijenosa.

3. Izbor od 20mA kao maksimalne struje: Izbor maksimalne struje od 20mA zasniva se na razmatranjima sigurnosti, praktičnosti, potrošnje energije i cene.Instrumenti zaštićeni od eksplozije mogu koristiti samo nizak napon i nisku struju.Struja 4-20mA i 24V DC su bezbedni za upotrebu u prisustvu zapaljivih gasova.Struja paljenja za gas vodonik sa 24V DC je 200mA, znatno veća od 20mA.Uz to se uzimaju u obzir faktori kao što su udaljenost između instrumenata na proizvodnom mjestu, opterećenje, potrošnja energije, zahtjevi za elektroničke komponente i zahtjevi za napajanje.

4. Izbor 4mA kao početne struje: Većina predajnika koji izlaze 4-20mA radi u dvožičnom sistemu, gdje su napajanje i opterećenje povezani u seriju sa zajedničkom tačkom, a samo dvije žice se koriste za komunikaciju signala i napajanje između predajnika polja i instrumenta u kontrolnoj sobi.Izbor početne struje od 4 mA je bitan da bi sklop predajnika radio.Startna struja od 4 mA, koja se ne poklapa sa mehaničkom nultom tačkom, daje „aktivnu nultu tačku“ koja pomaže u identifikaciji kvarova kao što su gubitak struje i prekidi kabla.

Upotreba signala od 4-20mA osigurava minimalne smetnje, sigurnost i pouzdanost, što ga čini široko prihvaćenim standardom u industrijskim primjenama.Međutim, drugi formati izlaznog signala, kao što su 3,33mV/V, 2mV/V, 0-5V i 0-10V, takođe se koriste za bolje rukovanje signalima senzora i podržavaju različite sisteme upravljanja.