Что такое токовая петля 4 20 ма: токовая петля 4-20 мА – от простого к сложному

Токовая петля 20 мА. Вопросы и ответы

Что делать, если Вам требуется считывать показания датчика температуры, работающего в условиях промышленного производства и расположенного на расстоянии 30 метров от управляющего контроллера? После долгих раздумий и тщательного изучения существующих решений, Вы наверняка выберете не Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Ethernet или RS-232/423, а токовую петлю 20 мА, которая с успехом используется уже более 50 лет. Несмотря на кажущуюся архаичность этого интерфейса, такой выбор, на самом деле, является оправданным во многих случаях.

В данной статье, построенной в виде вопросов и ответов, раскрываются особенности использования токовой петли для сбора данных и управления. В статье также рассказывается о различных улучшениях и модификациях токовой петли, которые были сделаны за всю историю ее практического использования.

Что такое токовая петля 20 мА?

Токовая петля 0-20 мА или токовая петля 4-20 мА представляет собой стандарт проводного интерфейса, в котором сигнал кодируется в виде аналогового тока. Ток 4 мА соответствует минимальному значению сигнала, а ток 20 мА соответствует максимальному значению сигнала (рис. 1). В типовом приложении напряжение датчика (часто милливольтного диапазона) преобразуется в токовый сигнал из диапазона 4-20 мА. Токовая петля использовалась во всех аналоговых системах еще до появления цифрового управления и заменяла пневматические системы управления в промышленных установках.

Рис. 1. При работе с датчиком токовая петля включает пять основных элементов: датчик, передатчик, источник питания, проводящий контур (петлю) и приемник

Может ли токовая петля использоваться совместно с цифровыми сигналами?

Да, может. Обычно для представления логического «0» используется токовый сигнал 4 мА, а для кодирования логической «1» используется токовый сигнал 20 мА. Подробнее об этом рассказывается далее.

Где используется интерфейс токовой петли 4-20 мА?

Он используется в основном в промышленных приложениях, в которых датчик и контроллер или контроллер и актуатор расположены на значительном удалении друг от друга, а коммуникационные кабели пролегают в помещениях с большим уровнем электромагнитных помех.

Почему используют токовую петлю, а не традиционные интерфейсы, например, RS-232, RS-423, RS-485 и т.д.?

Существует две веские причины.

Во-первых, низкоомный контур в токовой петле обеспечивает высокую стойкость к внешним шумам. В соответствии с законом Кирхгофа сумма токов замкнутого контура равна нулю. По этой причине в токовой петле невозможно ослабление или усиление тока (рис. 2). На практике питание токовой петли осуществляется от источника напряжения 12 до 30 В, но электроника передатчика преобразует напряжение в ток. С другой стороны, интерфейсы, использующие сигналы напряжения, строятся на основе высокоомных контуров, которые оказываются весьма восприимчивыми к помехам.

Во-вторых, токовая петля имеет естественную функцию самодиагностики: если контур разрывается – ток падает до нуля, что автоматически определяется схемой. После этого формируется аварийное предупреждение и производится локализация разрыва.

Рис. 2. Принцип, лежащий в основе токовой петли, определяется первым законом Кирхгофа: сумма токов замкнутого контура равна нулю

Как токовая петля реализуется на стороне датчика и на стороне актуатора?

Устройства, подключаемые к токовой петле, можно разделить на две основные группы: датчики и актуаторы. В датчиках реализуется схема передатчика, который формирует линейный токовый сигнал в диапазоне 4…20 мА. В актуаторах используется схема приемника, который преобразует ток в управляющее напряжение. Например, для задания минимальной скорости вращения двигателя контроллер формирует токовый сигнал 4 мА, а для задания максимальной скорости – сигнал 20 мА.

Почему вместо токовой петли не использовать беспроводной интерфейс, например, Wi-Fi или другой проводной интерфейс, например, Ethernet?

Выше уже было сказано, что токовая петля обладает двумя важными преимуществами: высокой помехозащищенностью и встроенной возможностью самодиагностики. Кроме того, данный интерфейс имеет и другие достоинства, в том числе: невысокую стоимость реализации, легкость настройки и отладки, простоту диагностики, высокую надежность, возможность создания длинных линий связи вплоть до нескольких сотен метров (в том случае, если источник питания позволяет покрыть падение напряжения на проводах).

Другие проводные стандарты сложнее настраивать и обслуживать, они чувствительны к шуму, слабо защищены от взлома и отличаются высокой стоимостью реализации.

Создать беспроводную связь в промышленной среде вполне возможно, если речь идет о небольших расстояниях. Но при работе на больших дистанциях возникают трудности, связнные с необходимостью многоуровневой фильтрации, реализацией механизмов обнаружения и исправления ошибок, что приводит также и к избыточности данных. Все это увеличивает стоимость и риск разрыва связи. Такое решение вряд ли оправдано, если требуется всего лишь подключить простой датчик температуры или контроллер клапана/двигателя.

Как сигнал токового контура преобразуется в напряжение?

Все довольно просто: ток проходит через резистор, а получаемое падение напряжения усиливается с помощью операционного или дифференциального усилителя. По разным причинам для резистора токовой петли было выбрано стандартное значение сопротивления 250 Ом. Таким образом, сигналу 4 мА соответствует напряжение 1 В, а сигналу 20 мА соответствует напряжение 5 В. Напряжение 1 В оказывается достаточно большим по сравнению с фоновыми шумом и может быть легко измерено. Напряжение 5 В также является весьма удобным и лежит в диапазоне допустимых значений для большинства аналоговых схем. В то же время, максимальная мощность, рассеиваемая на резисторе токовой петли (I²R), составляет всего 0,1 Вт, что приемлемо даже для устройств с ограниченными возможностями по отводу тепла. 

Действительно ли токовая петля 20 мА является пережитком прошлого и используется только в устаревших электронных приборах?

Совсем нет. Производители интегральных микросхем и приборов все еще выпускают новые продукты, поддерживающие этот интерфейс.

Каким образом аналоговая токовая петля адаптируется к цифровому миру?

Как было сказано выше, токовая петля позволяет передавать цифровые данные. Результаты измерений от датчика можно посылать не в виде аналогового непрерывного сигнала, а в виде дискретных токовых сигналов. Типовая разрядность данных при этом составляет от 12 до 16 бит. Иногда используют разрядность 18 бит, но это скорее является исключением, так как для обычных промышленных систем вполне хватает и 16 бит. Таким образом, токовая петля может быть интегрирована в цифровые системы управления.

Что еще требуется для передачи цифровых данных?

Для выполнения обмена цифровыми данными будет недостаточно простой пересылки битов в виде токовых импульсов. Необходимо каким-то образом сообщать пользователю, когда начинается и заканчивается пакет данных. Кроме того, требуется контролировать появление ошибок и выполнять некоторые другие функции. Таким образом, для передачи цифровых данных с помощью токовой петли требуется определить формат кадров и реализовать соответствующий протокол передачи.

Что такое стандарт HART?

HART – общепринятый стандарт, который оговаривает не только физическое кодирование битов, но определяет формат и протокол передачи данных. Например, в формате кадра используются различные поля: многобайтовая преамбула, стартовый байт, многобайтовый адрес, поле команды, поле данных, поле, указывающее количество байтов данных, фактические данные и, наконец, контрольная сумма.

Разработка HART была инициирована Rosemount Corp в 1980-х годах, и вскоре он стал отраслевым стандартом де-факто. Обозначение HART (Highway Addressable Remote Transducer) было закреплено в 1990-х годах, когда стандарт стал открытым и даже был реализован в виде стандарта МЭК для использования в Европе. HART претерпел три основных модификации, но сохранил обратную совместимость со всеми предыдущими версиями, что является крайне важным для рынка промышленной электроники.

Дополнительной особенностью HART является включение информации о производителе электронного устройства в поле команды. Эта информация позволяет избежать путаницы при выполнении установки, отладки и документирования, так как существует более 100 поставщиков HART-совместимых устройств.

Какие еще улучшения дает HART?

Использование байтового поля адреса позволяет одной токовой петле работать с множеством подключенных датчиков, поскольку каждому датчику может быть присвоен уникальный номер. Это приводит к значительной экономии средств, затрачиваемых на прокладку проводов и монтаж по сравнению с соединением точка-точка.

Подключение множества устройств к одной общей токовой петле означает, что эффективная скорость передачи данных для каждого отдельного устройства уменьшается. Однако чаще всего это не является проблемой. Дело в том, что в большинстве промышленных приложений обновление данных и передача команд происходит довольно редко – порядка одного раза в секунду. Например, температура — наиболее часто измеряемая физическая величина- как правило, меняется достаточно медленно.

Таким образом, стандарт HART делает токовую петлю 20 мА востребованной даже в век цифровых технологий.

Есть ли какие-либо другие улучшения, которые повышают актуальность данного интерфейса?

Да, другое важное усовершенствование касается питания. Напомним, что токовая петля использует диапазон сигналов 4-20 мА. Источник тока может находиться в передатчике или приемнике. В то же время и датчику, и актуатору требуется дополнительный источник для питания собственной электроники (АЦП, усилители, драйверы и т.д.). Это приводит к усложнению монтажа и увеличению стоимости.

Однако по мере развития интегральных технологий потребление приемников и передатчиков уменьшалось. В результате появилась реальная возможность питания устройств непосредственно от токовой петли. Если потребление электронных компонентов, входящих в состав датчика или актуатора, не превышает 4 мА, то нет необходимости в дополнительном источнике питания. Пока напряжение сигнального контура достаточно велико, интерфейс токовой петли может питать сам себя.

Есть ли какие-либо другие преимущества у устройств с питанием от токовой петли?

Да. Многие устройства с питанием от сигнальных линий должны иметь разрешение на использование во взрывоопасных зонах. Например, они должны быть сертифицированы, как невоспламеняющиеся (N.I.) или искробезопасные (I.S.). Для устройств любого из этих классов требуется, чтобы энергии, потребляемой электроникой, было так мало, чтобы ее не хватало для возгорания как при нормальных условиях эксплуатации, так и при авариях. Потребляемая мощность устройств с питанием от токовой петли столь мала, что они обычно без проблем проходят данную сертификацию.

Что делают производители ИС для упрощения работы с токовой петлей?

Они делают то же, что и всегда: создают ИС, которые обеспечивают реализацию не только базового функционала, но множества других дополнительных возможностей. Например, Maxim Integrated MAX12900 представляет собой малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА (рис. 3).

Рис. 3. MAX12900 – малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА, который обеспечивает выполнение базовых функций, а также множества дополнительных полезных возможностей, в том числе питание напрямую от токовой петли

MAX12900 обеспечивает не только передачу данных, но и питание напрямую от токовой петли. Микросхема объединяет в одном корпусе множество функциональных блоков: стабилизатор напряжения LDO; две схемы для формирования ШИМ-сигналов; два малопотребляющих и стабильных ОУ общего назначения; один широкополосный ОУ с нулевым смещением; два диагностических компаратора, схему управления подачей питания для обеспечения плавного включения; источники опорного напряжения с минимальным дрейфом.

Можете ли вы привести пример реализации датчика с интерфейсом токовой петли?

Компания Texas Instruments предлагает TIDM-01000 – референсную схему датчика температуры с интерфейсом токовой петли 4-20 мА. Схема построена на базе микроконтроллера MSP430 и представляет собой бюджетное решение с минимальным набором компонентов.

Рис. 4. Референсная схема TIDM-01000 представляет собой датчик температуры (RTD) с токовым интерфейсом 4-20 мА. Схема построена на базе нескольких ИС, которые обеспечивают обработку показаний датчика и взаимодействие с токовой петлей

В TIDM-01000 для управления током используется модуль Smart Analog Combo (SAC), встроенный в микроконтроллер MSP430FR2355. Таким образом, отдельный ЦАП не требуется. Схема имеет 12-битное разрешение с шагом квантования выходного тока 6 мкА. Предложенное решение обеспечивает защиту от обратной полярности, а защита входов токовой петли отвечает требованиям IEC61000-4-2 и IEC61000-4-4 (рис. 5).

Рис. 5. Передатчик, построенный с использованием TIDM-01000, умещается на небольшой печатной плате. Компактность является еще одним достоинством токовой петли

Заключение

В статье были рассмотрены основные вопросы, посвященные использованию токовой петли 4-20 мА в промышленных приложениях. Несмотря на то, что этот интерфейс является настоящей «древностью» по меркам электроники, тем не менее, его по-прежнему широко используют, в том числе в современных цифровых устройствах. В статье также рассказывалось о том, каким образом питание от токового контура дополнительно расширяет возможности данного интерфейса.

Автор: Билл Швебер

Перевод: Гавриков Вячеслав (г. Смоленск)

 

Разделы: Интерфейс токовой петли

Опубликовано: 14.11.2018

Основы токовой петли 4-20 мА

Подробности

Опубликовано 14. 09.2019 23:15

 

В эпоху современных стандартов цифровой связи, таких как Bluetooth или Ethernet, гораздо более старые решения все еще можно найти в промышленных системах, включая Токовая петля 4-20 мА. Этот интерфейс, проверенный на протяжении многих лет, все еще воспринимается как привлекательный, в том числе из-за его надежности и относительно низкой стоимости внедрения.

Основы токовой петли 4-20 мА

Токовая петля 4-20 мА — это простой аналоговый интерфейс связи, который позволяет передавать и считывать один измерительный сигнал. В течение многих лет он был одним из самых распространенных стандартов в системах промышленного контроля и управления, известных и используемых в течение нескольких десятилетий. Любая электроника, имеющая контакт с промышленными системами, вероятно, рано или поздно встретит это решение, поэтому вам следует изучить основную информацию по этому вопросу и ознакомиться с принципом ее работы. domino qiu qiu 99

Основы работы токовой петли

Рис. 1. Пример простой токовой петли, состоящей из источника напряжения и трех нагрузок

Для токовой петли 4-20 мА электрическим значением, которое передает информацию, является величина электрического тока, который присутствует. Пример простой токовой петли показан на рисунке 1. Он состоит из источника напряжения и трех нагрузок переменного сопротивления.

Все элементы соединены последовательно, поэтому каждый из них течет с одинаковым током, что является наиболее важной особенностью токовой петли. Благодаря этому, в отличие от сигналов напряжения, можно отправлять информацию на значительные расстояния, не беспокоясь о потерях и помехах, связанных с высоким сопротивлением кабелей передачи.

Измеренная величина преобразуется в текущее значение, предполагается, что текущее значение 4 мА означает 0%, а 20 мА — 100% диапазона измерения. Благодаря смещению нулевого значения сигнала, была получена не только возможность легкого обнаружения ошибок в системе (значение 0 мА на приемнике может обнаружить обрыв в цепи, а значительное превышение 20 мА позволяет идентифицировать короткое замыкание), но и питание компонентов системы непосредственно от сигнальной линии, если только сумма израсходованных через них тока питания не будет превышать примерно 3,5 мА.

Как упомянуто, одна токовая петля может использоваться для поддержки только одного измерительного сигнала, то есть для контроля одной величины. Цикл состоит из определенных типов элементов, которые будут описаны ниже.

Датчик. Необходимым элементом в каждом измерительном тракте является датчик, то есть система, которая преобразует измеренную физическую величину в электрическую, такую как сопротивление или напряжение. Датчики могут быть изготовлены разными способами и с использованием различных технологий, в зависимости от измеряемого размера. Типичные значения, отслеживаемые в промышленных системах с использованием токовой петли, включают температуру, влажность, давление, расход, смещение или, например, уровень жидкости в резервуаре.

Преобразователь / передатчик. Роль преобразователя заключается в преобразовании выходного сигнала датчика в сигнал тока, совместимый со стандартом токовой петли 4-20 мА . Например, если датчик измеряет уровень жидкости в резервуаре высотой два метра, передатчик должен будет преобразовать сигнал датчика при нулевой (минимальной) высоте в силу тока 4 мА, при половине высоты (1 м) до 12 мА и при максимуме ( 2 м) при 20 мА.

Обычно передатчик контролирует сигнал в контуре через переменное значение сопротивления. В зависимости от реализации, передатчик может питаться напрямую от токовой петли или от внешнего источника питания. Различия между этими решениями будут описаны ниже.

Источник питания. Необходимым элементом петли является источник постоянного напряжения. В измерениях используются разные значения напряжения (например, 9, 12, 24 В), хотя наиболее распространенным является напряжение 24 В. Значение напряжения связано с концепцией бюджета контура, который будет обсуждаться позже в тексте. Недооценка бюджета из-за слишком низкого напряжения питания может привести к неисправности системы.

Физически токовая петля состоит из проводов, соединяющих отдельные элементы. Соединительные кабели также вносят некоторое сопротивление в схему, но это обычно опускается из-за низкого значения по сравнению с другими элементами измерительного тракта. Он отличается в случае соединений на значительных расстояниях, порядка нескольких сотен метров. Тогда сопротивление проводов должно быть включено в расчет.

Приемник. Устройство должно быть помещено в цикл для получения и считывания результата измерения, а также для представления его в удобочитаемой форме. Основным элементом приемника является система измерения тока (миллиамперметр), обычно работающая по принципу измерения напряжения, подаваемого на измерительный резистор с известным сопротивлением (обычно 250 Ом). Приемник может быть оснащен многими дополнительными элементами, например, дисплеем или исполнительными механизмами, а также может быть интегрирован с более обширной системой управления и контроля.

Зная сопротивление записывающего устройства (350 Ом) и приемника (250 Ом), вы можете использовать закон Ома для расчета падения напряжения на этих элементах. Это будет 5,75 В (0,023 × 250) для приемника и 8,05 В для рекордера (0,023 × 350 соответственно). Предположим, что минимальное напряжение питания передатчика составляет 8 В, а сопротивление проводов составляет 10,7 Ом (около 40 м при сечении 0,445 мм²), поэтому максимальное падение напряжения на них составляет 0,25 В.

Чтобы получить значение бюджета контура, вычтите все полученные значения падения напряжения из напряжения питания. Для приведенного примера (таблица 1) результат составил 1,95 В, что позволяет утверждать, что токовая петля должна работать должным образом в таких условиях.

Преимущества и недостатки петли 4-20 мА

Наиболее важные преимущества петли 4-20 мА:

• Токовая петля 4-20 мА является широко принятым отраслевым стандартом, благодаря которому на рынке можно найти множество устройств, адаптированных к этим требованиям. Это проверенное решение, отличающееся высокой надежностью.

• Обеспечивает простоту подключения и настройки.
• Требуется использование минимального количества проводов, что значительно снижает стоимость установки системы.
• Токовый сигнал намного лучше, чем сигнал напряжения для передачи на большие расстояния, потому что он устойчив к помехам из-за падения напряжения на проводах.
• Токовая петля позволяет легко диагностировать повреждения системы, такие как короткое замыкание, поскольку каждый измерительный элемент имеет свою собственную петлю, а нулевое значение сигнала было смещено на 4 миллиампера.

Основным недостатком этого решения является тот факт, что за один цикл может быть отправлен только один измерительный сигнал. Хотя это облегчает диагностику неисправностей, оно требует создания нескольких путей измерения, если вам нужно считывать результаты измерений с нескольких датчиков.

Большое количество проводов может привести к проблемам из-за отсутствия надлежащей изоляции между ними, например, случайных контуров заземления. В то же время, наряду с количеством расположенных рядом петель, возрастают требования к качеству взаимной изоляции проводов.

Пример токовой петли с передатчиком, питаемым от внешнего источника питания (4 провода)

Как уже упоминалось, отдельные элементы измерительного тракта могут использовать внешний источник питания или питаться напрямую от тока, протекающего в контуре. Устройства второго типа называются петлевыми или двухпроводными, поскольку для них требуется только два соединительных кабеля: положительный (+) и отрицательный (-).

Устройства с питанием от контура должны иметь низкое энергопотребление, поэтому они обычно имеют простую конструкцию, включая отсутствие дисплеев или механических переключателей, они также имеют довольно ограниченный набор функций. В результате они также дешевле, чем устройства, которые требуют дополнительного источника питания.

Основным преимуществом использования петлевого питания является простота монтажа системы, особенно в труднодоступных или удаленных местах. Нет необходимости в дополнительных кабелях, вся система также может получать питание от одного источника, например, от батареи или солнечного элемента. Обычно только передатчик подключен напрямую к источнику, который в контуре выполняет функцию источника тока.

Некоторые устройства, предназначенные для токовой петли, используют внешний источник питания. Этим типам систем больше не нужно рассматривать энергосбережение как ограничительное, поэтому они обычно характеризуются более высокой степенью сложности и большей функциональностью, например дисплеи с графическим пользовательским интерфейсом или дополнительными интерфейсами связи для соединения с другими системами. Существует два типа устройств этого типа — с полностью (4-проводной) и частично (3-проводной) изолированной системой электропитания.

Устройства с полностью изолированным источником питания иногда называют четырехпроводными, потому что они имеют четыре провода — два для сигнальных линий и питания. Эти типы систем потребляют энергию от внешнего источника, поэтому они вызывают только минимальное падение напряжения в токовой петле.

Они могут питаться как от постоянного, так и от переменного тока напрямую от электрической сети. При такой конфигурации токовая петля обычно гальванически изолирована от системы электропитания, и между двумя цепями отсутствует постоянный ток.

Благодаря внешнему источнику питания устройства этого типа могут реализовывать гораздо более сложные и энергозатратные функции. Настройка пути измерения с использованием таких устройств также может быть проще, потому что это не требует знаний, связанных с вычислением энергетического баланса цикла.

Несомненным недостатком этого решения является необходимость предоставления дополнительного источника питания для отдельных элементов контура. Кроме того, 4-жильные провода обычно дороже, и при установке требуется больше соединительных кабелей.

3-проводные устройства в основном аналогичны 4-проводным, за исключением отсутствия изоляции источника питания. В этом типе решения сигнальные цепи и цепи питания имеют общее заземление, то есть также общий путь возврата тока.

По сравнению с упомянутыми 4-х проводными системами 3-х проводные устройства имеют меньшую стоимость из-за отсутствия встроенной изоляции, их также легче установить (меньше соединительных проводов). На них может подаваться только постоянное напряжение, поэтому их невозможно подключить непосредственно к электроустановке. Они также требуют более тщательной сборки и прокладки кабеля, потому что в случае неправильной конфигурации контура результат измерения будет зависеть от тока источника питания.

Вывод

Токовая петля 4-20 мА по-прежнему является одним из самых популярных стандартов в промышленных измерительных системах. Он отлично подходит для связи на больших расстояниях, поскольку он не чувствителен к помехам, связанным с падением напряжения на соединительных кабелях, по крайней мере, до тех пор, пока не будет сохранен положительный энергетический баланс контура. Характеризуется также простотой сборки и эксплуатации.

Элементы измерительного тракта могут питаться непосредственно от контура (через передаваемый сигнал тока) или от внешнего источника питания. Устройства с питанием от контура должны иметь низкое энергопотребление, поэтому они обычно более просты по конструкции и имеют меньше дополнительных функциональных возможностей.

• < Назад
• Вперёд >

Назад к основам: Основы токовых контуров 4-20 мА

Щелкните здесь, чтобы просмотреть версию на испанском языке

В мире управления процессами существует множество различных типов входных данных процесса. Термопары и RTD обеспечивают прямое считывание температуры, а цифровые сигналы, такие как Modbus ^® , обеспечивают точное управление параметрами процесса и отображением. Аналоговые сигналы, в которых информация о процессе передается с помощью переменного напряжения или тока, являются преобладающим типом ввода в отраслях, требующих управления технологическим процессом сегодня. Из всех возможных аналоговых сигналов, которые можно использовать для передачи информации о процессе, контур 4-20 мА, безусловно, является доминирующим стандартом в отрасли.

Несмотря на то, что стандарт контура 4–20 мА стал основным в отрасли управления технологическими процессами, многие не понимают основ его настройки и использования. Незнание основ может стоить вам денег, когда придет время принимать решения об отображении процесса и управлении им. Понимание истории, работы, плюсов и минусов контура 4–20 мА поможет вам понять, почему он является доминирующим стандартом в отрасли, и позволит вам принимать обоснованные решения по управлению вашим технологическим процессом.

 

Связанный: Почему сигнал 0 мА нецелесообразен

 

До появления электронных схем управление технологическим процессом было полностью механическим. На объектах использовались пневматические сигналы управления, где контроллеры питались от переменного давления сжатого воздуха. В конечном счете сжатие воздуха 3-15 фунтов на квадратный дюйм стало стандартом по нескольким причинам:

• Очень дорого разрабатывать системы, обнаруживающие сигналы давления ниже 3 фунтов на квадратный дюйм
• Сигналы ниже 3 фунтов на квадратный дюйм были бы неузнаваемы
• Легче отличить сигнал активного нуля (3 фунта на квадратный дюйм) от неисправности в системе (0 фунтов на квадратный дюйм)

В 1950-х годах, когда электронные системы стали менее дорогими, токовый ввод стал предпочтительным и более эффективный сигнал управления технологическим процессом. Диапазон 4-20 мА позже стал стандартом по тем же причинам, что и 3-15 фунтов на квадратный дюйм.

 

Чтобы понять, что такое контур постоянного тока 4–20 мА и как он работает, нам нужно немного знать математику. Не волнуйся; мы не будем углубляться в какие-либо передовые электротехнические формулы. На самом деле нужная нам формула относительно проста: V = I x R. Это закон Ома. Это говорит о том, что напряжение (V) равно току (I), умноженному на сопротивление (R) («I» означает Intensité de Courant, по-французски «Интенсивность тока»). Это основное уравнение в электротехнике.

Рис. 1. Простая цепь постоянного тока

Рассмотрим приведенную выше простую цепь постоянного тока, состоящую из источника питания и трех нагрузок. Токовой петле требуется напряжение для управления током. Это обеспечивается источником питания, напряжение которого обозначено как Vtot. Затем ток протекает через петлю, проходя через каждую нагрузку. Падение напряжения на каждой нагрузке можно рассчитать по закону Ома. Падение напряжения V1 на резисторе R1:

Рис. 2. Закон Ома

Каждый элемент контура либо обеспечивает напряжение, либо имеет падение напряжения. Однако ток «I» одинаков везде в контуре. Это критический принцип контура 4-20 мА. Ток одинаков во всех местах петли. Может быть трудно понять, почему ток остается постоянным, поэтому рассмотрите для сравнения водопроводную систему вашего дома. В водопроводных трубах существует определенное давление, толкающее воду к вашему дому.

Рис. 3. Аналогия тока/потока воды

Напряжение аналогичным образом действует как давление, проталкивая ток через цепь. Когда в вашем доме открывается кран, из него течет вода. Поток воды аналогичен потоку электронов или току. Способность давления проталкивать воду по трубам ограничена изгибами и ограничениями в трубе. Эти ограничения ограничивают объем потока в трубе подобно тому, как резистор ограничивает ток. Поток по трубе, а также ток по проводу остаются постоянными во всей системе, даже если давление, а также напряжение падают в различных точках. Вот почему использование тока в качестве средства передачи информации о процессе настолько надежно.

 

Рекомендуемые: PD9502 Недорогой генератор сигналов

 

Теперь, когда вы понимаете, как и почему используется ток, вы можете начать понимать, для чего именно нужен контур.

Рис. 4. Компоненты токовой петли 4-20 мА

1. Датчик

Во-первых, должен быть какой-то датчик, который измеряет переменную процесса. Датчик обычно измеряет температуру, влажность, расход, уровень или давление. Технология, используемая в датчике, будет сильно различаться в зависимости от того, что именно он предназначен для измерения, но это не относится к данному обсуждению.

2. Передатчик

Во-вторых, что бы ни отслеживал датчик, должен быть способ преобразовать его измерение в токовый сигнал от четырех до двадцати миллиампер. Вот где передатчик вступит в игру. Если бы, например, датчик измерял высоту пятидесятифутового резервуара, передатчик должен был бы преобразовать ноль футов в пустой резервуар, а затем передать сигнал в четыре мА. И наоборот, пятьдесят футов будут означать, что бак полон, а затем будет передан сигнал в двадцать миллиампер. Если бак был наполовину полон, передатчик подавал сигнал на половине пути, или двенадцать миллиампер.

3. Источник питания

Для подачи сигнала необходим источник питания, точно так же, как в аналогии с системой водоснабжения необходим источник давления воды. Помните, что источник питания должен выдавать постоянный ток (это означает, что ток течет только в одном направлении).

В токовых петлях 4–20 мА используется много распространенных напряжений (9, 12, 24 и т. д.) в зависимости от конкретной настройки. Принимая решение о том, какое напряжение источника питания использовать для вашей конкретной установки, обязательно учтите, что напряжение источника питания должно быть как минимум на 10 % больше, чем общее падение напряжения подключенных компонентов (передатчик, приемник и даже провод). Использование неподходящих источников питания может привести к выходу оборудования из строя.

4. Петля

В дополнение к соответствующему источнику постоянного тока также должна быть петля, которая относится к фактическому проводу, соединяющему датчик с устройством, получающим сигнал 4–20 мА, а затем обратно к преобразователю. Текущий сигнал в петле регулируется преобразователем в соответствии с показаниями датчика. Этот компонент обычно упускается из виду при настройке токовой петли, потому что провод является неотъемлемой частью любой современной электронной системы, но его следует учитывать при изучении основ. Хотя сам провод является источником сопротивления, которое вызывает падение напряжения в системе, обычно это не вызывает беспокойства, поскольку падение напряжения на участке провода ничтожно мало. Однако на больших расстояниях (более 1000 футов) он может составлять значительную сумму, в зависимости от толщины (калибра) провода.

5. Приемник

Наконец, где-то в контуре будет устройство, которое может принимать и интерпретировать текущий сигнал. Этот текущий сигнал должен быть переведен в единицы измерения, которые могут быть легко понятны операторам, например, в футах жидкости в резервуаре или в градусах Цельсия жидкости. Это устройство также должно либо отображать полученную информацию (в целях мониторинга), либо автоматически что-то делать с этой информацией. Цифровые дисплеи, контроллеры, приводы и клапаны являются обычными устройствами для включения в контур.

Этих компонентов достаточно для создания токовой петли 4–20 мА. Датчик измеряет переменную процесса, преобразователь преобразует это измерение в сигнал тока, сигнал проходит по проводной петле к приемнику, а приемник отображает или выполняет действие с этим сигналом.

 

Одной из задач работы в отрасли, требующей управления процессами, является определение того, перевешивают ли плюсы минусы. Принятие правильного решения может сэкономить как время, так и деньги.

Pros

• Токовая петля 4-20 мА является доминирующим стандартом во многих отраслях промышленности.
• Самый простой вариант подключения и настройки.
• В нем используется меньше проводки и соединений, чем в других сигналах, что значительно снижает первоначальные затраты на установку.
• Лучше подходит для поездок на большие расстояния, так как ток не ухудшается при длинных соединениях, как напряжение.
• Менее чувствителен к фоновым электрическим шумам.
• Поскольку 4 мА соответствует выходному сигналу 0 %, обнаружить неисправность в системе невероятно просто.

Минусы

• Токовые петли могут передавать только один конкретный сигнал процесса.
• Несколько циклов должны быть созданы в ситуациях, когда имеется множество переменных процесса, требующих передачи. Прокладка такого количества проводов может привести к проблемам с контурами заземления, если независимые контуры не изолированы должным образом.
• Эти требования к изоляции экспоненциально усложняются по мере увеличения количества циклов.

 

Избранное: PD420 Генератор заданных значений 4–20 мА для панельного монтажа

 

Токовая петля 4–20 мА является преобладающим сигналом управления процессом во многих отраслях промышленности. Это идеальный метод передачи технологической информации, поскольку ток не меняется при переходе от передатчика к приемнику. Кроме того, это намного проще и дешевле. Однако перепады напряжения и количество переменных процесса, которые необходимо отслеживать, могут повлиять на его стоимость и сложность. Зная эти основы, вы сможете принимать более обоснованные решения об управлении процессами на вашем предприятии, которые могут повлиять на вашу прибыль.

 

Саймон Паонесса, технический писатель
Брюс Макдаффи, технический писатель
Precision Digital Corporation

 

Загрузить информационный документ

Прочтите часть 2. Основы устройств с питанием от контура

4 9003 90

Посмотрите запись вебинара, разработанного как вводное занятие для тех, кто имеет дело с технологическими сигналами. Получите глубокое понимание основ токовых петель 4-20 мА и будьте лучше подготовлены, чтобы решить, когда, где и подходит ли решение токовой петли 4-20 мА для вашего приложения.

 

---

Вас может заинтересовать

PD9502 Недорогой генератор сигналов

Недорогой, компактный, простой в использовании генератор сигналов 4–20 мА или 0–10 В постоянного тока.

PD420 Генератор заданных значений 4–20 мА для панельного монтажа

Обеспечивает удобный способ генерации сигнала 4–20 мА, который можно использовать для управления другим устройством.

Наука о токовых петлях от 4 до 20 мА. Рекомендации по применению

---

История токовых петель

Многие из нас до сих пор помнят дни пневматического управления; некоторые из нас до сих пор используют пневматические системы управления. Регуляторы соотношения, ПИД-регуляторы, датчики температуры и приводы питаются от сжатого воздуха. Стандарт модуляции от трех до пятнадцати фунтов на квадратный дюйм, 3 фунта на квадратный дюйм для живого нуля и 15 фунтов на квадратный дюйм для 100%. Любое давление ниже 3 фунтов на квадратный дюйм было мертвым нулем и состоянием тревоги.

В 1950-х годах дебютировали электрические и электронные системы управления. Сигнал от четырех до двадцати мА имитировал пневматический сигнал от 3 до 15 фунтов на квадратный дюйм. Провода легче устанавливать и обслуживать, чем пневматические напорные линии, энергопотребление намного ниже; вам больше не нужен компрессор мощностью от двадцати до пятидесяти лошадиных сил, а электроника позволяет использовать более сложные алгоритмы управления.

Основы токовой петли

Токовая петля 4–20 мА является очень надежным стандартом сигнализации датчиков. Токовые петли идеально подходят для передачи данных. Весь сигнальный ток проходит через все компоненты; один и тот же ток течет, даже если выводы проводов не идеальны. Все компоненты контура падают под напряжением из-за протекающего через них сигнального тока.

На сигнальный ток не влияет, пока напряжение источника питания больше, чем сумма падений напряжения на контуре при максимальном сигнальном токе 20 мА.

На рис. 1 показана схема простейшей токовой петли от 4 до 20 мА. Есть четыре компонента,
1. Блок питания постоянного тока;
2. Двухпроводной передатчик;
3. Резистор приемника, преобразующий сигнал тока в напряжение; и
4. Провод, который все это соединяет. Существует два Rwire, так как у вас есть провод к датчикам и другой обратно.

Ток, поступающий от источника питания, проходит по проводу к преобразователю. Передатчик регулирует ток. Преобразователь пропускает только ток, пропорциональный измеряемому параметру, который называется контурным током. Ток течет обратно к контроллеру по проводу.

Контурный ток течет через Rприемник на землю и возвращается к источнику питания. Ток, протекающий через R-приемник, создает напряжение, которое легко измерить с помощью аналогового входа. Для резистора 250 Ом напряжение будет 1 В постоянного тока при 4 мА и 5 В постоянного тока при 20 мА.

Компоненты токовой петли

Источник питания
Источники питания для 2-проводных датчиков всегда должны быть постоянными. Поскольку изменяющийся ток представляет собой измеряемый параметр, переменный ток использовать нельзя. Если бы использовался переменный ток, ток постоянно менялся бы, и сигнал, представляющий измеряемый параметр, нельзя было бы отличить от сигнала, вызванного мощностью переменного тока. Стандартные напряжения питания: 36 В постоянного тока, 24 В постоянного тока, 15 В постоянного тока и 12 В постоянного тока. Источники питания для 3-проводных преобразователей могут быть как переменного, так и постоянного тока. Наиболее распространенным источником переменного напряжения является управляющий трансформатор на 24 В переменного тока. Обязательно ознакомьтесь с литературой по установке преобразователя на предмет правильного напряжения.

Передатчик
Передатчик является сердцем сигнальной системы от 4 до 20 мА. Он изменяет физическое свойство, такое как температура, влажность или давление, в электрический сигнал. Сигнал представляет собой ток, пропорциональный измеряемому физическому свойству. 4 мА соответствует нижнему пределу диапазона измерений, а 20 мА соответствует верхнему пределу. Передатчик потребляет от 7 до 15 В постоянного тока контурного напряжения, в зависимости от модели, для собственного питания. BAPI указывает мощность наших текущих передатчиков в диапазоне от 15 до 24 В постоянного тока для BA/h300 или от 7 до 40 В постоянного тока для BA/T1K. Более низкое напряжение — это минимальное напряжение, необходимое для обеспечения правильной работы передатчика. Более высокое напряжение — это максимальное напряжение, которое преобразователь может выдержать и работать в соответствии с заявленными характеристиками.

Резистор приемника
Намного проще измерить напряжение, чем ток. Пропуск тока контура через резистор преобразует ток в напряжение. На рис. 1 R-приемник представляет собой прецизионный резистор с четко определенными характеристиками, главной из которых является сопротивление. Чаще всего используется сопротивление 250 Ом. В зависимости от применения могут использоваться сопротивления от 100 Ом до 750 Ом.

Провод
Прохождение тока по проводу приводит к падению напряжения, пропорциональному длине провода. Все провода имеют сопротивление, обычно выражаемое в омах на 1000 футов. Падение напряжения можно рассчитать по закону Ома. В 1825 году Георг Саймон Ом обнаружил, что ток через электропроводящие материалы прямо пропорционален разности потенциалов, приложенных к материалу. В 1827 году, когда Ом опубликовал свои открытия, эксперты того времени сказали, что открытия Ома были «паутиной голых фантазий».

Сегодня мы знаем работу Ома как закон Ома, гласит формула; ток, умноженный на сопротивление, равен напряжению. Формула может быть записана как:

E = I * R

Где E — напряжение на сопротивлении в вольтах, I — ток, протекающий через проводник в амперах, а R — сопротивление проводника в Омах. (Греческая заглавная буква омега, Ω, обычно обозначает омы.) В отличие от дней Ома, теперь у нас есть стандартные калибры проводов с четко определенными сопротивлениями. Сопротивления проводов для обычных сечений показаны в таблице 1.

Нечувствительность к электрическим помехам

Самым большим преимуществом является присущая токовой петле нечувствительность к электрическим помехам. Каждый датчик тока имеет некоторое выходное сопротивление, связанное с ним. В идеале, исходя из элементарной теории электроники, выходное сопротивление преобразователя тока должно быть бесконечным. Поскольку передатчики реального мира сделаны из электронных частей, а не из учебников, они имеют очень большие, но не бесконечные выходные сопротивления. Например, BA/T1K имеет выходное сопротивление 3 640 000 Ом или 3,64 МОм. Выходное сопротивление можно представить как резистор.

На Рисунке 2 ниже схематически показаны сопротивления компонентов с добавленным в контур источником шума. Выход, который видит ваш контроллер, — это напряжение на Rreceiver. Если источник шума имеет амплитуду 20 вольт, то ошибка, наблюдаемая на приемнике R, равна;

Verror = 20*(250/(10+3 640 000+250) = 0,0014 вольт

Напряжение на приемнике R при 20 мА составляет пять вольт.