Miksi 4-20mA?

Mikä on 4-20mA?

4-20 mA DC (1-5 V DC) signaalistandardi on Kansainvälisen sähköteknisen komission (IEC) määrittelemä, ja sitä käytetään analogisille signaaleille prosessinohjausjärjestelmissä.

Yleensä laitteiden ja mittareiden signaalivirta on asetettu arvoon 4-20 mA, jolloin 4 mA edustaa minimivirtaa ja 20 mA maksimivirtaa.

Miksi virta on lähtöisin?

Teollisissa olosuhteissa signaalivahvistimen käyttö signaalien käsittelyyn ja lähettämiseen pitkiä matkoja käyttämällä jännitesignaaleja voi johtaa useisiin ongelmiin. Ensinnäkin kaapeleiden kautta lähetetyt jännitesignaalit voivat olla herkkiä häiriöille. Toiseksi siirtolinjojen hajautettu vastus voi aiheuttaa jännitehäviöitä. Kolmanneksi signaalinvahvistimen tehon toimittaminen kentällä voi olla haastavaa.

Näiden ongelmien ratkaisemiseksi ja kohinan vaikutuksen minimoimiseksi signaalien lähettämiseen käytetään virtaa, koska se on vähemmän herkkä kohinalle. 4-20 mA virtasilmukka käyttää 4 mA edustamaan nollasignaalia ja 20 mA edustamaan täyden mittakaavan signaalia. Alle 4 mA ja yli 20 mA signaaleja käytetään erilaisiin vikahälytyksiin.

Miksi käytämme 4-20 mA tasavirtaa (1-5 V DC)?

Kenttäinstrumenteilla voidaan toteuttaa kaksijohtiminen järjestelmä, jossa tehonsyöttö ja kuorma on kytketty sarjaan yhteisen pisteen kanssa ja signaaliviestintään ja virransyöttöön käytetään vain kahta johtoa kenttälähettimen ja valvomolaitteen välillä. 4mA DC-signaalin käyttäminen käynnistysvirtana antaa lähettimelle staattisen käyttövirran, ja sähköisen nollapisteen asettaminen 4mA DC:ksi, joka ei ole sama kuin mekaaninen nollapiste, mahdollistaa vikojen, kuten tehohäviön ja kaapelikatkojen havaitsemisen. . Lisäksi kaksijohtiminen järjestelmä soveltuu turvakaiteiden käyttöön, mikä auttaa räjähdyssuojauksessa.

Valvomolaitteet käyttävät jännite-rinnakkaissignaalin siirtoa, jossa samaan ohjausjärjestelmään kuuluvilla laitteilla on yhteinen liitin, mikä tekee siitä kätevän instrumenttien testaamiseen, säätöön, tietokoneliitäntöihin ja hälytyslaitteisiin.

Syynä 4-20 mA DC:n käyttämiseen signaaliviestintään kenttäinstrumenttien ja valvomolaitteiden välillä on se, että kentän ja valvomon välinen etäisyys voi olla merkittävä, mikä johtaa korkeampaan kaapelin resistanssiin. Jännitesignaalien lähettäminen pitkiä matkoja voi aiheuttaa merkittäviä virheitä johtuen kaapelin vastuksen ja vastaanottavan instrumentin tuloresistanssin aiheuttamasta jännitehäviöstä. Vakiovirtalähdesignaalin käyttäminen etälähetyksessä varmistaa, että silmukan virta pysyy muuttumattomana kaapelin pituudesta riippumatta, mikä takaa lähetyksen tarkkuuden.

Syy 1-5 V DC-signaalin käyttämiselle valvomolaitteiden välisessä kytkennässä on helpottaa useiden instrumenttien vastaanottamista saman signaalin ja helpottaa johdotusta ja erilaisten monimutkaisten ohjausjärjestelmien muodostamista. Jos kytkentäsignaalina käytetään virtalähdettä, kun useat instrumentit vastaanottavat saman signaalin samanaikaisesti, niiden tulovastukset on kytkettävä sarjaan. Tämä ylittäisi lähettävän instrumentin kuormituskapasiteetin ja vastaanottavien instrumenttien signaalin maapotentiaalit olisivat erilaiset, mikä aiheuttaisi häiriöitä ja estäisi keskitetyn virransyötön.

Jännitelähdesignaalin käyttäminen yhteenliittämiseen edellyttää kenttäinstrumenttien kanssa viestimiseen käytetyn virtasignaalin muuntamista jännitesignaaliksi. Yksinkertaisin tapa on kytkeä standardi 250 ohmin vastus sarjaan virransiirtopiiriin, jolloin 4-20mA DC muunnetaan 1-5V DC:ksi. Tyypillisesti tämä tehtävä suoritetaan lähettimen avulla.

Tämä kaavio käyttää 250 ohmin vastusta 4-20 mA:n virtasignaalin muuntamiseen 1-5 V jännitesignaaliksi, minkä jälkeen se käyttää RC-suodatinta ja mikro-ohjaimen AD-muunnosnastaan ​​kytkettyä diodia.

"Tähän on liitetty yksinkertainen piirikaavio 4-20 mA virtasignaalin muuntamiseksi jännitesignaaliksi:

Miksi lähetin on valittu käyttämään 4-20 mA DC-signaalia lähetykseen?

1. Turvallisuusnäkökohdat vaarallisissa ympäristöissä: Turvallisuus vaarallisissa ympäristöissä, erityisesti räjähdyssuojattujen instrumenttien osalta, edellyttää staattisen ja dynaamisen virrankulutuksen minimoimista, jotta instrumentti pysyy toiminnassa. Lähettimet, jotka lähettävät 4–20 mA DC-standardin signaalin, käyttävät tyypillisesti 24 V:n tasavirtalähdettä. Tasajännitteen käyttö johtuu pääasiassa siitä, että se eliminoi suurten kondensaattoreiden ja induktorien tarpeen ja keskittyy lähettimen ja valvomon instrumentin välisten liitäntäjohtojen hajaantuneeseen kapasitanssiin ja induktanssiin, joka on paljon pienempi kuin vetykaasun sytytysvirta.

2. Virtalähteen siirto on parempi kuin jännitelähde: Tapauksissa, joissa kentän ja valvomon välinen etäisyys on huomattava, jännitelähteen signaalien käyttö siirtoon voi aiheuttaa merkittäviä virheitä johtuen kaapelin vastuksen ja tulon aiheuttamasta jännitehäviöstä. vastaanottavan instrumentin vastus. Virtalähdesignaalin käyttäminen etälähetyksessä varmistaa, että silmukan virta pysyy vakiona kaapelin pituudesta riippumatta, mikä säilyttää lähetyksen tarkkuuden.

3. 20 mA:n valinta maksimivirraksi: 20 mA:n enimmäisvirran valinta perustuu turvallisuuteen, käytännöllisyyteen, virrankulutukseen ja kustannuksiin. Räjähdyssuojatut instrumentit voivat käyttää vain pientä jännitettä ja pientä virtaa. 4-20 mA virta ja 24 V DC ovat turvallisia käytettäväksi syttyvien kaasujen kanssa. 24 V DC:n vetykaasun sytytysvirta on 200 mA, huomattavasti suurempi kuin 20 mA. Lisäksi otetaan huomioon sellaiset tekijät kuin tuotantopaikan instrumenttien välinen etäisyys, kuormitus, virrankulutus, elektronisten komponenttien vaatimukset ja tehonsyöttövaatimukset.

4. 4mA:n valinta käynnistysvirraksi: Useimmat lähettimet, jotka antavat 4-20mA, toimivat kaksijohtimisjärjestelmässä, jossa teholähde ja kuorma on kytketty sarjaan yhteisen pisteen kanssa ja signaaliviestintään käytetään vain kahta johtoa. ja virransyöttö kenttälähettimen ja valvomolaitteen välillä. 4 mA:n käynnistysvirran valinta on välttämätöntä lähetinpiirin toiminnan kannalta. 4 mA:n käynnistysvirta, joka ei ole sama kuin mekaaninen nollapiste, tarjoaa "aktiivisen nollapisteen", joka auttaa tunnistamaan viat, kuten tehohäviöt ja kaapelikatkot.

4-20 mA signaalien käyttö takaa minimaaliset häiriöt, turvallisuuden ja luotettavuuden, joten se on laajalti hyväksytty standardi teollisissa sovelluksissa. Kuitenkin myös muita lähtösignaaliformaatteja, kuten 3.33mV/V, 2mV/V, 0-5V ja 0-10V, käytetään anturisignaalien parempaan käsittelyyn ja erilaisten ohjausjärjestelmien tukemiseen.