Почему 4–20 мА?

Что такое 4–20 мА?

Стандарт сигнала 4–20 мА постоянного тока (1–5 В постоянного тока) определен Международной электротехнической комиссией (IEC) и используется для аналоговых сигналов в системах управления технологическими процессами.

Обычно ток сигнала для приборов и измерителей устанавливается на уровне 4–20 мА, при этом 4 мА соответствует минимальному току, а 20 мА — максимальному току.

Почему текущий выход?

В промышленных условиях использование усилителя сигнала для формирования и передачи сигналов на большие расстояния с использованием сигналов напряжения может привести к нескольким проблемам.Во-первых, сигналы напряжения, передаваемые по кабелям, могут быть подвержены шумовым помехам.Во-вторых, распределенное сопротивление линий электропередачи может вызвать падение напряжения.В-третьих, обеспечение питанием усилителя сигнала в полевых условиях может оказаться сложной задачей.

Чтобы решить эти проблемы и минимизировать влияние шума, для передачи сигналов используется ток, поскольку он менее чувствителен к шуму.Токовая петля 4–20 мА использует 4 мА для представления нулевого сигнала и 20 мА для представления полномасштабного сигнала, при этом сигналы ниже 4 мА и выше 20 мА используются для различных сигналов тревоги.

Почему мы используем постоянный ток 4–20 мА (1–5 В постоянного тока)?

Полевые приборы могут реализовать двухпроводную систему, в которой источник питания и нагрузка соединены последовательно с общей точкой, и только два провода используются для передачи сигналов и подачи питания между полевым передатчиком и прибором диспетчерской.Использование сигнала постоянного тока 4 мА в качестве пускового тока обеспечивает статический рабочий ток преобразователя, а установка электрической нулевой точки на уровне 4 мА постоянного тока, которая не совпадает с механической нулевой точкой, позволяет обнаруживать такие неисправности, как потеря мощности и обрыв кабеля. .Кроме того, двухпроводная система подходит для использования барьеров безопасности, способствующих взрывозащите.

В приборах диспетчерской используется передача сигналов параллельно напряжению, когда приборы, принадлежащие одной и той же системе управления, имеют общий терминал, что делает его удобным для тестирования, настройки приборов, компьютерных интерфейсов и устройств сигнализации.

Причина использования постоянного тока 4–20 мА для передачи сигналов между полевыми приборами и приборами диспетчерской заключается в том, что расстояние между полем и диспетчерской может быть значительным, что приводит к более высокому сопротивлению кабеля.Передача сигналов напряжения на большие расстояния может привести к значительным ошибкам из-за падения напряжения, вызванного сопротивлением кабеля и входным сопротивлением приемного устройства.Использование источника сигнала постоянного тока для удаленной передачи гарантирует, что ток в контуре остается неизменным независимо от длины кабеля, гарантируя точность передачи.

Причина использования сигнала постоянного тока 1–5 В для соединения между приборами диспетчерской состоит в том, чтобы облегчить получение несколькими приборами одного и того же сигнала, а также облегчить подключение и формирование различных сложных систем управления.Если в качестве сигнала соединения используется источник тока, то когда несколько приборов одновременно получают один и тот же сигнал, их входные сопротивления должны быть соединены последовательно.Это превысит нагрузочную способность передающего прибора, а потенциалы земли сигналов приемных приборов будут разными, создавая помехи и препятствуя централизованному электроснабжению.

Использование сигнала источника напряжения для соединения требует преобразования сигнала тока, используемого для связи с полевыми приборами, в сигнал напряжения.Самый простой метод — подключить стандартный резистор сопротивлением 250 Ом последовательно в цепь передачи тока, преобразуя постоянный ток 4–20 мА в постоянный ток 1–5 В.Обычно эту задачу выполняет передатчик.

На этой схеме используется резистор сопротивлением 250 Ом для преобразования сигнала тока 4–20 мА в сигнал напряжения 1–5 В, а затем используются RC-фильтр и диод, подключенный к выводу преобразования AD микроконтроллера.

«Здесь приложена простая принципиальная схема преобразования сигнала тока 4-20мА в сигнал напряжения:

Почему передатчик выбран для использования сигнала постоянного тока 4–20 мА для передачи?

1. Соображения безопасности в опасных средах. Безопасность в опасных средах, особенно для взрывозащищенных приборов, требует минимизации статического и динамического энергопотребления, необходимого для поддержания работы прибора.Датчики, выдающие стандартный сигнал постоянного тока 4–20 мА, обычно используют источник питания 24 В постоянного тока.Использование напряжения постоянного тока обусловлено главным образом тем, что оно устраняет необходимость в больших конденсаторах и катушках индуктивности и фокусируется на распределенной емкости и индуктивности соединительных проводов между передатчиком и прибором диспетчерской, которая намного ниже, чем ток зажигания газообразного водорода.

2. Передача от источника тока предпочтительнее, чем от источника напряжения: в случаях, когда расстояние между полем и диспетчерской значительна, использование сигналов источника напряжения для передачи может привести к значительным ошибкам из-за падения напряжения, вызванного сопротивлением кабеля и входным сигналом. сопротивление принимающего прибора.Использование сигнала источника тока для удаленной передачи гарантирует, что ток в контуре остается постоянным, независимо от длины кабеля, тем самым сохраняя точность передачи.

3. Выбор максимального тока 20 мА. Выбор максимального тока 20 мА основан на соображениях безопасности, практичности, энергопотребления и стоимости.Взрывозащищенные приборы могут использовать только низкое напряжение и малый ток.Ток 4–20 мА и напряжение 24 В постоянного тока безопасны для использования в присутствии горючих газов.Ток воспламенения газообразного водорода при напряжении 24 В постоянного тока составляет 200 мА, что значительно выше, чем 20 мА.Кроме того, учитываются такие факторы, как расстояние между приборами на производственной площадке, нагрузка, потребляемая мощность, требования к электронным компонентам и требования к источнику питания.

4. Выбор 4мА в качестве пускового тока: Большинство датчиков, выдающих 4-20мА, работают в двухпроводной системе, где источник питания и нагрузка соединены последовательно с общей точкой, а для передачи сигнала используются только два провода. и источник питания между полевым передатчиком и прибором диспетчерской.Выбор пускового тока 4 мА важен для работы схемы передатчика.Пусковой ток 4 мА, не совпадающий с механической нулевой точкой, обеспечивает «активную нулевую точку», которая помогает идентифицировать такие неисправности, как потеря мощности и обрыв кабеля.

Использование сигналов 4–20 мА обеспечивает минимальные помехи, безопасность и надежность, что делает их широко распространенным стандартом в промышленных приложениях.Однако другие форматы выходных сигналов, такие как 3,33 мВ/В, 2 мВ/В, 0–5 В и 0–10 В, также используются для лучшей обработки сигналов датчиков и поддержки различных систем управления.