Por que 4-20 mA?

Que é 4-20 mA?

O estándar de sinal de 4-20 mA DC (1-5 V DC) está definido pola Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) e úsase para sinais analóxicos en sistemas de control de procesos.

En xeral, a corrente de sinal para instrumentos e medidores establécese en 4-20 mA, con 4 mA que representa a corrente mínima e 20 mA que representan a corrente máxima.

Por que é a saída actual?

En ambientes industriais, usar un amplificador de sinal para condicionar e transmitir sinais a longas distancias usando sinais de tensión pode provocar varios problemas. En primeiro lugar, os sinais de tensión transmitidos por cables poden ser susceptibles a interferencias de ruído. En segundo lugar, a resistencia distribuída das liñas de transmisión pode provocar caídas de tensión. En terceiro lugar, proporcionar enerxía ao amplificador de sinal no campo pode ser un reto.

Para resolver estes problemas e minimizar o impacto do ruído, a corrente utilízase para transmitir sinais porque é menos sensible ao ruído. O bucle de corrente de 4-20 mA usa 4 mA para representar o sinal cero e 20 mA para representar o sinal de escala completa, con sinais inferiores a 4 mA e superiores a 20 mA utilizados para varias alarmas de falla.

Por que usamos 4-20mA DC (1-5V DC)?

Os instrumentos de campo poden implementar un sistema de dous fíos, onde a fonte de alimentación e a carga están conectadas en serie cun punto común, e só se utilizan dous fíos para a comunicación de sinal e a subministración de enerxía entre o transmisor de campo e o instrumento da sala de control. Usar un sinal de 4 mA DC como corrente de arranque proporciona unha corrente de funcionamento estática ao transmisor e establecer o punto cero eléctrico en 4 mA DC, que non coincide co punto cero mecánico, permite detectar fallos como perdas de enerxía e roturas de cable. . Ademais, o sistema de dous fíos é axeitado para o uso de barreiras de seguridade, axudando na protección contra explosións.

Os instrumentos da sala de control usan a transmisión de sinal de voltaxe en paralelo, onde os instrumentos que pertencen ao mesmo sistema de control comparten un terminal común, polo que é conveniente para probas, axustes, interfaces de ordenador e dispositivos de alarma.

A razón para usar 4-20mA DC para a comunicación de sinal entre os instrumentos de campo e os instrumentos da sala de control é que a distancia entre o campo e a sala de control pode ser significativa, o que leva a unha maior resistencia do cable. A transmisión de sinais de tensión a longas distancias pode producir erros significativos debido á caída de tensión causada pola resistencia do cable e a resistencia de entrada do instrumento receptor. O uso dun sinal de fonte de corrente constante para a transmisión remota garante que a corrente no bucle permaneza inalterada independentemente da lonxitude do cable, garantindo a precisión da transmisión.

O motivo para usar un sinal de 1-5 V CC para a interconexión entre os instrumentos da sala de control é facilitar que varios instrumentos reciban o mesmo sinal e axudar a cablear e formar varios sistemas de control complexos. Se se utiliza unha fonte de corrente como sinal de interconexión, cando varios instrumentos reciben o mesmo sinal simultaneamente, as súas resistencias de entrada deben conectarse en serie. Isto superaría a capacidade de carga do instrumento transmisor, e os potenciais de terra do sinal dos instrumentos receptores serían diferentes, introducindo interferencias e impedindo a subministración de enerxía centralizada.

O uso dun sinal de fonte de tensión para a interconexión require converter o sinal de corrente utilizado para a comunicación cos instrumentos de campo nun sinal de tensión. O método máis sinxelo é conectar unha resistencia estándar de 250 ohmios en serie no circuíto de transmisión actual, convertendo 4-20 mA DC en 1-5 V DC. Normalmente, esta tarefa é realizada por un transmisor.

Este diagrama usa unha resistencia de 250 ohmios para converter o sinal de corrente de 4-20 mA nun sinal de tensión de 1-5 V e, a continuación, usa un filtro RC e un díodo conectado ao pin de conversión AD do microcontrolador.

"Aquí adxunto un diagrama de circuíto sinxelo para converter un sinal de corrente de 4-20 mA nun sinal de tensión:

Por que se selecciona o transmisor para utilizar un sinal de 4-20 mA DC para a transmisión?

1. Consideracións de seguridade para ambientes perigosos: a seguridade en ambientes perigosos, especialmente para instrumentos a proba de explosión, require minimizar o consumo de enerxía estática e dinámica necesaria para manter o instrumento en funcionamento. Os transmisores que emiten un sinal estándar de 4-20 mA DC normalmente usan unha fonte de alimentación de 24 V DC. O uso de tensión continua débese principalmente a que elimina a necesidade de grandes capacitores e indutores e céntrase na capacitancia e inductancia distribuídas dos fíos de conexión entre o transmisor e o instrumento da sala de control, que é moito máis baixa que a corrente de ignición do gas hidróxeno.

2. A transmisión da fonte de corrente é preferible á fonte de tensión: nos casos en que a distancia entre o campo e a sala de control é considerable, o uso de sinais de fonte de tensión para a transmisión pode introducir erros significativos debido á caída de tensión causada pola resistencia do cable e a entrada. resistencia do instrumento receptor. O uso dun sinal de fonte de corrente para a transmisión remota garante que a corrente no bucle permaneza constante, independentemente da lonxitude do cable, mantendo así a precisión da transmisión.

3. A elección de 20 mA como corrente máxima: a elección dunha corrente máxima de 20 mA baséase en consideracións de seguridade, practicidade, consumo de enerxía e custo. Os instrumentos a proba de explosión só poden usar baixa tensión e baixa corrente. A corrente de 4-20 mA e 24 V DC son seguras para o seu uso en presenza de gases inflamables. A corrente de ignición para o gas hidróxeno con 24 V CC é de 200 mA, significativamente superior a 20 mA. Ademais, téñense en conta factores como a distancia entre os instrumentos do lugar de produción, a carga, o consumo de enerxía, os requisitos de compoñentes electrónicos e os requisitos de fonte de alimentación.

4. A elección de 4 mA como corrente de arranque: a maioría dos transmisores que emiten 4-20 mA funcionan nun sistema de dous fíos, onde a fonte de alimentación e a carga están conectadas en serie cun punto común e só se utilizan dous fíos para a comunicación de sinal. e fonte de alimentación entre o transmisor de campo e o instrumento da sala de control. A elección dunha corrente de arranque de 4 mA é esencial para que o circuíto transmisor funcione. Unha corrente de arranque de 4 mA, que non coincide co punto cero mecánico, proporciona un "punto cero activo" que axuda a identificar fallos como perdas de enerxía e roturas de cables.

O uso de sinais de 4-20 mA garante unha mínima interferencia, seguridade e fiabilidade, polo que é o estándar amplamente adoptado nas aplicacións industriais. Non obstante, outros formatos de sinal de saída, como 3,33 mV/V, 2 mV/V, 0-5V e 0-10V, tamén se utilizan para xestionar mellor os sinais de sensores e admitir varios sistemas de control.