Prečo 4-20mA?

Čo je 4-20 mA?

Štandard signálu 4-20mA DC (1-5V DC) je definovaný Medzinárodnou elektrotechnickou komisiou (IEC) a používa sa pre analógové signály v systémoch riadenia procesov.

Vo všeobecnosti je signálový prúd pre prístroje a merače nastavený na 4-20mA, pričom 4mA predstavuje minimálny prúd a 20mA predstavuje maximálny prúd.

Prečo je aktuálny výstup?

V priemyselnom prostredí môže použitie zosilňovača signálu na úpravu a prenos signálov na veľké vzdialenosti pomocou napäťových signálov viesť k niekoľkým problémom. Po prvé, napäťové signály prenášané cez káble môžu byť náchylné na rušenie šumom. Po druhé, rozložený odpor prenosových vedení môže spôsobiť poklesy napätia. Po tretie, poskytovanie energie zosilňovaču signálu v teréne môže byť náročné.

Na vyriešenie týchto problémov a minimalizáciu vplyvu hluku sa na prenos signálov používa prúd, pretože je menej citlivý na šum. Prúdová slučka 4-20 mA používa 4 mA na reprezentáciu nulového signálu a 20 mA na reprezentáciu signálu v plnom rozsahu, pričom signály pod 4 mA a nad 20 mA sa používajú na rôzne poruchové alarmy.

Prečo používame 4-20mA DC (1-5V DC)?

Poľné prístroje môžu implementovať dvojvodičový systém, kde sú napájanie a záťaž zapojené do série so spoločným bodom a iba dva vodiče sa používajú na komunikáciu signálu a napájanie medzi vysielačom poľa a prístrojom vo velíne. Použitie 4 mA jednosmerného signálu ako štartovacieho prúdu poskytuje vysielaču statický prevádzkový prúd a nastavenie elektrického nulového bodu na 4 mA jednosmerného prúdu, ktorý sa nezhoduje s mechanickým nulovým bodom, umožňuje detekciu porúch, ako je strata napájania a prerušenie kábla . Okrem toho je dvojvodičový systém vhodný na použitie bezpečnostných bariér, ktoré pomáhajú pri ochrane pred výbuchom.

Prístroje vo velíne využívajú napäťovo paralelný prenos signálu, kde prístroje patriace do rovnakého riadiaceho systému zdieľajú spoločnú svorku, čo je vhodné na testovanie prístrojov, nastavovanie, počítačové rozhrania a poplašné zariadenia.

Dôvodom použitia 4-20 mA jednosmerného prúdu na komunikáciu signálu medzi poľnými prístrojmi a prístrojmi riadiacej miestnosti je skutočnosť, že vzdialenosť medzi poľom a riadiacou miestnosťou môže byť značná, čo vedie k vyššiemu odporu kábla. Prenos napäťových signálov na veľké vzdialenosti môže viesť k významným chybám v dôsledku poklesu napätia spôsobeného odporom kábla a vstupným odporom prijímacieho prístroja. Použitie zdroja signálu konštantného prúdu na diaľkový prenos zaisťuje, že prúd v slučke zostane nezmenený bez ohľadu na dĺžku kábla, čo zaručuje presnosť prenosu.

Dôvodom použitia 1-5V jednosmerného signálu na prepojenie medzi prístrojmi riadiacej miestnosti je uľahčenie prijímania rovnakého signálu pre viacero prístrojov a pomoc pri zapájaní a vytváraní rôznych komplexných riadiacich systémov. Ak sa ako prepojovací signál použije zdroj prúdu, keď viacero prístrojov prijíma rovnaký signál súčasne, ich vstupné odpory musia byť zapojené do série. To by prekročilo zaťažiteľnosť vysielacieho prístroja a potenciál uzemnenia signálu prijímacích prístrojov by bol odlišný, čo by spôsobilo rušenie a zabránilo by sa centralizovanému napájaniu.

Použitie signálu zdroja napätia na prepojenie vyžaduje konverziu prúdového signálu používaného na komunikáciu s poľnými prístrojmi na napäťový signál. Najjednoduchšou metódou je zapojenie štandardného 250-ohmového odporu do série v prúdovom prenosovom obvode, čím sa 4-20 mA jednosmerného prúdu mení na jednosmerný prúd 1-5 V. Túto úlohu zvyčajne vykonáva vysielač.

Táto schéma používa 250-ohmový odpor na konverziu prúdového signálu 4-20 mA na napäťový signál 1-5 V a potom používa RC filter a diódu pripojenú k AD prevodnému kolíku mikrokontroléra.

"Tu je pripojená jednoduchá schéma zapojenia na konverziu prúdového signálu 4-20 mA na napäťový signál:

Prečo je vysielač vybraný na používanie 4-20 mA jednosmerného signálu na prenos?

1. Bezpečnostné hľadiská pre nebezpečné prostredia: Bezpečnosť v nebezpečných prostrediach, najmä pre prístroje odolné voči výbuchu, si vyžaduje minimalizáciu statickej a dynamickej spotreby energie potrebnej na udržanie prevádzky prístroja. Vysielače, ktoré vydávajú štandardný signál 4-20 mA jednosmerný prúd, zvyčajne používajú 24 V jednosmerné napájanie. Použitie jednosmerného napätia je hlavne preto, že eliminuje potrebu veľkých kondenzátorov a tlmiviek a zameriava sa na rozloženú kapacitu a indukčnosť spojovacích vodičov medzi vysielačom a prístrojom vo velíne, ktorá je oveľa nižšia ako zapaľovací prúd plynného vodíka.

2. Prenos zdroja prúdu sa uprednostňuje pred zdrojom napätia: V prípadoch, keď je vzdialenosť medzi poľom a riadiacou miestnosťou značná, použitie signálov zdroja napätia na prenos môže spôsobiť značné chyby v dôsledku poklesu napätia spôsobeného odporom kábla a vstupom odpor prijímacieho nástroja. Použitie signálu zdroja prúdu na diaľkový prenos zaisťuje, že prúd v slučke zostane konštantný, bez ohľadu na dĺžku kábla, čím sa zachová presnosť prenosu.

3. Výber 20 mA ako maximálneho prúdu: Výber maximálneho prúdu 20 mA je založený na úvahách o bezpečnosti, praktickosti, spotrebe energie a nákladoch. Prístroje s ochranou proti výbuchu môžu používať iba nízke napätie a nízky prúd. Prúd 4-20 mA a 24 V DC sú bezpečné pre použitie v prítomnosti horľavých plynov. Zážihový prúd pre vodíkový plyn s 24 V DC je 200 mA, výrazne vyšší ako 20 mA. Okrem toho sa berú do úvahy také faktory, ako je vzdialenosť medzi nástrojmi na mieste výroby, zaťaženie, spotreba energie, požiadavky na elektronické komponenty a požiadavky na napájanie.

4. Voľba 4mA ako štartovacieho prúdu: Väčšina vysielačov s výstupom 4-20mA pracuje v dvojvodičovom systéme, kde sú napájanie a záťaž zapojené do série so spoločným bodom a na komunikáciu signálu sa používajú iba dva vodiče a napájanie medzi vysielačom poľa a prístrojom riadiacej miestnosti. Výber štartovacieho prúdu 4 mA je nevyhnutný pre fungovanie obvodu vysielača. Štartovací prúd 4 mA, ktorý sa nezhoduje s mechanickým nulovým bodom, poskytuje „aktívny nulový bod“, ktorý pomáha identifikovať poruchy, ako je strata napájania a prerušenie kábla.

Použitie signálov 4-20mA zaisťuje minimálne rušenie, bezpečnosť a spoľahlivosť, čo z neho robí široko prijímaný štandard v priemyselných aplikáciách. Avšak aj iné formáty výstupných signálov, ako napríklad 3,33 mV/V, 2 mV/V, 0-5V a 0-10V, sa tiež používajú na lepšie spracovanie signálov snímačov a podporu rôznych riadiacich systémov.