Токовая петля 4 20 для чайников: 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 (I

2R), 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.

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 >

Драйверы токовой петли 4-20 мА

1	AD5749	0V to 4.096V	0.15	0mA to 24mA, 4mA to 20mA	–	Single	$1.80 (AD5749ACPZ)
2	AD5748	0V to 4.096V	0.15	±10V, ±5V, 0mA to 21mA, 0V to 10V, 0V to 5V, 4mA to 21mA	0.05	Dual	$2.15 (AD5748ACPZ)
3	AD5751	0V to 4.096V	0.03	0mA to 20mA, 0mA to 24mA, 0V to 10V, 0V to 12V, 0V to 40V, 0V to 44V, 0V to 5V, 0V to 6V, 4mA to 20mA	02″>0.02	Single	$3.10 (AD5751ACPZ)
4	AD5750-1	0V to 2.5V	0.03	±10V, ±12V, ±2.5V, ±20mA, ±24mA, ±5V, ±6V, 0mA to 20mA, 0mA to 24mA, 0V to 10V, 0V to 12V, 0V to 5V, 4mA to 20mA	0.02	Dual	$2.52 (AD5750-1ACPZ)
5	AD5750	0V to 4.096V	0.03	±10V, ±12V, ±2.5V, ±20mA, ±24mA, ±5V, ±6V, 0mA to 20mA, 0mA to 24mA, 0V to 10V, 0V to 12V, 0V to 5V, 4mA to 20mA	0.02	Dual	$2.52 (AD5750ACPZ)
6	AD693	0V to 0.06V	0.25	0mA to 20mA, 4mA to 20mA	–	Single	$10.39 (AD693AQ)

Измерение сигнала в токовом контуре 4–20 мА

Токовый контур 4–20 мА является распространенным способом передачи данных во многих системах мониторинга промышленных процессов — как правило, в системах, контролирующих давление, температуру, pH, расход и другие физические характеристики. В этих системах используется двухпроводной токовый контур 4–20 мА, в котором один кабель с витой парой подает питание на датчик, а также передает выходной сигнал.

Принцип работы контура очень прост: сначала выходное напряжение датчика преобразуется в пропорциональный ток, где 4 мА обычно соответствуют выходу нулевого уровня датчика, а 20 мА — полномасштабному выходу датчика. Например, значение 20 мА означает, что клапан прямого действия полностью открыт, в то время как значение 4 мА означает, что клапан закрыт. (Для клапана обратного действия верно противоположное утверждение). Показания между максимальным и минимальным значениями означают, что контур управляет клапаном.

Проверка контура 4–20 мА — это важный этап в поиске и устранении неисправностей и калибровке технологических систем. Полная проверка включает в себя проверку выходного сигнала датчика, проверку проводки, входного сигнала системы управления и платы входящих сигналов системы управления, а также проверку проводки, идущей к датчику.

Дополнительные функции калибратора токового контура позволяют техническим специалистам выполнять поиск и устранение неисправностей на месте, не отсоединяя провода и не разрывая контур. Многофункциональные калибраторы процессов используются для тестирования как токовых контуров 4–20 мА, так и цифровых органов управления.

Для измерения сигнала контура 4–20 мА с помощью токоизмерительных клещей:

1. Получите доступ к сигнальным проводам (как правило, для этого нужно снять крышку датчика).
2. Найдите сигнал мА и обнулите токоизмерительные клещи для измерения малых токов
3. Убедитесь, что значение тока в мА находится в диапазоне от 4 до 20 мА
4. Эта методика измерения не прерывает (не разрывает) контур при измерении сигнала 4–20 мА

Для измерения сигнала контура 4–20 мА с помощью мультиметра или калибратора петли тока:

1. Перед началом измерения сверьтесь с порядком работы
2. Получите доступ к сигнальным проводам (как правило, для этого нужно снять крышку датчика).
3. Выберите функцию измерения постоянного тока в мА и подключите измерительные провода для измерения тока в мА
4. Найдите сигнальный провод мА, отсоедините один выход сигнального провода и последовательно подключите измерительный прибор к сигнальному проводу мА, затем просмотрите результат измерения тока мА
5. Этот метод измерения прерывает (разрывает) контур при измерении сигнала 4–20 мА

Токовая петля: назначение, применение, особенности

Токовая петля – это двухпроводной интерфейс передачи информации, где данные закладываются в значение тока.

Благодарности

Большое спасибо Михаилу Гуку за интересные книги. Некогда авторы начинали изучение современной электроники с энциклопедией и изданий этого замечательного человека. Без интернета учебники приходилось терпеливо перелистывать руками, а мышки бегали преимущественно в подполе.

Компания muRata постоянно снабжает читателей свежей информацией, значит, теперь в курсе новостей окажутся и читатели. Рассматриваемая продукция уже упоминается в разделе про герконовые датчики. Речь о новейшей разработке – RedRock.

Необходимость токовой петли

Токовая петля 4-20 мА считается распространённым протоколом передачи информации датчиков. В индустрии часто возникает необходимость измерения физических параметров, к примеру:

• Давление;
• Температура;
• Поток жидкости.

Потребность возникает постоянно, когда информацию нужно передать на расстояния в сотни метров и более. Токовая петля считается медленным цифровым интерфейсом, и обусловлено это зарядом ёмкости кабеля от источника (что проявляется с ростом частоты), для аналоговых или дискретных устройств возможностей вполне хватает. Передатчики снабжаются аккумуляторами на 12 (реже) либо 24 В (чаще). Последние позволяют дальше передать информацию, значащим параметром становится ток, а не напряжение. Чем длиннее линия, тем ощутимее падение потенциала.

У приведённого технического решения есть пара недостатков. Во-первых, приходится использовать экранированные провода, во-вторых, увеличение дальности приводит к резкому снижению КПД. Типичная токовая петля состоит из четырёх компонентов:

1. Источник питания. Месторасположение произвольное.
2. Приёмник или монитор.
3. Передатчик (сенсор).
4. Преобразователь напряжения в ток.

Сенсоры выдают информацию, пропорциональную измеряемому параметру, представленному напряжением. Следовательно, нужно заняться преобразованием в ток. Потом информация кодируется либо по уровню тока, либо в двоичный вид: 4 мА – нуль, 20 мА – единичка. На стороне приёмника информация расшифровывается.

Поклонники цифровых технологий заявляют о низком быстродействии токовой петли. Действительно, при погонной ёмкости в 75 пФ/м километровый отрез провода образует конденсатор с номиналом 75 нФ. С ростом частоты сопротивление падает, эффект сглаживания и фильтрации не даёт правильно работать с информацией. За 19 мкс конденсатор наполняется полностью от напряжения 5 В, обусловливая замеченное ограничение в 9,6 кбит/сек.

Собственно токовая петля считается отжившим протоколом, на её место готовы прийти прочие, массово используемые, к примеру, MIDI и малоизвестный средь широкой публики промышленный интерфейс HART.

Общая информация

Первым сюрпризом становится отсутствие единых стандартов. Доминирующими стали протоколы 4-20 мА, 0-20 мА и 0-60 мА, жёстких правил нет. В токовой петле может передаваться любая информация. Если это двоичный код, единице соответствует наличие тока в размере 20 мА в зависимости от настроек системы, а нулю – отсутствие сигнала либо наличие 4 мА. Если при передаче пакета происходит разрыв линии, это непременно опознаётся через стоп-байт.

Интерфейс применялся с 50-х годов, первоначально единица кодировалась как 60 мА постоянного тока. Следовательно, КПД системы оказывался намного ниже. Петля на 20 мА появилась в 1962 году как сигнал для телетайпов – для дистанционной печати сообщений (соединяла две электрические печатные машинки). С началом 80-х ток попытались уменьшить, не всегда успешно. Решили сделать компромисс:

1. 4 мА означает «живой» нуль. Чтобы система точно знала, не произошёл ли в сети обрыв.
2. Единицей остаётся 20 мА.

Основным ограничением служит расстояние передачи информации. На параметр влияет битрейт: на километровых дистанциях допустимая скорость передачи информации составляет 9600 бит/сек. Выше 19,2 кбит/сек линию не используют. В итоге на дальность влияют электрические параметры линии и уровень помех. Токовую петлю предполагалось заменить по задумкам Fieldbus, в действительности в обиход вошёл стандартный сегодня RS-485 (1983 год) – вариант COM-порта. И поныне терминалы по протоколу RS-232 присоединяются при помощи токовой петли, а на приёмной стороне производится нужное преобразование. Иногда по протоколу работают избранные принтеры. Пусть теоретический предел здесь составляет 115 кбис/с, на практике применяется 9600.

Особенность токовой петли – в передатчике не обращают внимание на напряжение. Мощность бывает разной. Главное – выдержать значение тока, 20 мА. Следовательно, чем линия длиннее, тем меньше КПД. Это неукоснительно исполняемое правило. Периодически встречается токовая петля с гальванической развязкой. Для этого используются оптопары и подобные полупроводниковые конструкции.

Как правило, кабель используется экранированный, чтобы избежать параллельных ёмкостных помех, которые не удаётся компенсировать или отследить. Для создания сети неплохо подходит экранированная витая пара. Благодаря тесному переплетению проводов, она избавляет от внешних наводок в виде индуктивных и синфазных помех. Для создания дуплексного канала используют две витые пары, программно интерфейс управляется через методы XON/XOFF. Достойные специализированные приложения обходят затруднение созданием предварительных запросов на передачу и ответов.

На приёмнике ток преобразуют в напряжение при помощи резистивного делителя. В зависимости от вольтажа применяются сопротивления 125 – 500 Ом. Иногда на стороне передатчика или приёмника ставится адаптер (преобразователь сигнала) к последовательному интерфейсу COM-порта. Падение напряжения на резисторе высчитывается по закону Ома, к примеру, для номинала 250 Ом это составит 250 х 0,02 = 5 В. Соответственно, приёмник возможно откалибровать при необходимости на нужный уровень.

Где применяется токовая петля

1. Контроль технологических процессов. На производстве токовая петля 4-20 мА считается главным аналоговым интерфейсом. Используется «живой» нуль, когда полное отсутствие сигнала означает обрыв линии. Ток в 4 мА иногда используется как питание для передатчика либо входящий сигнал модулируется датчиком и возвращается в виде информации. Встречаются цепи, где батарея стоит отдельно, тогда модулируется её сигнал. Ни приёмник, ни передатчик не тратят собственную энергию.
2. Во времена аналоговой телефонии токовая петля оставалась излюбленным интерфейсом для подключения. И сегодня ещё находятся бьющиеся током провода в квартирах. Здесь телефон питается от станции и модулирует сигнал для вызова абонента. Как в случае с датчиком, описанным выше. Эти линии остались в качестве наследия былых времён. К примеру, компания Система Белла применяет питание постоянным током до 125 В.
3. Токовая петля иногда используется для передачи информации уровнем сигнала. К примеру, 15 мА означает «горим!», 6 мА – «все в порядке», 0 мА — обрыв линии. Любой местечковый производитель устанавливает собственные правила и пользуется протоколом.
4. В телефонии через токовую петлю может контролироваться базовая станция. Это называется «дистанционный контроль постоянным током». К примеру, Motorola MSF-5000 использует постоянные токи для 4 мА для передачи сервисных сигналов. Пример подобного протокола:

• Нет тока – вести приём на 1 канале.
• +6 мА – передавать на 1 канале.
• -6 мА – принять информацию на 2 канале.
• -12 мА – передать на 2 канале.

Интерфейс MIDI

MIDI формат популярен среди музыкантов, это специализированный протокол цифровой звукозаписи. На физическом уровне он организован по схеме токовой петли 5 мА. Разумеется, из-за разницы уровней единиц напрямую два стандарта передачи не совместимы. Согласно Михаилу Гуку, MIDI разработан в 1983 году и стал правилом де-факто подключения синтезаторов.

Википедия сообщает, что в июне 1981 года корпорация Роланд подала крупному производителю синтезаторов – Обергейм Электроникс – идею стандартного интерфейса. Уже в октябре Смит, Обергейм и Какихаши обсудили это с правлением Ямаха, Корг и Каваи, а в ноябре на выставке общества AES продемонстрировали первый работоспособный вариант.

Два года интерфейс находился на доработке, и в январе 1983-го Смит объединил через MIDI два аналоговых синтезатора. Это позволило напрямую перекачивать аранжировки и создавать новые музыкальные композиции. Позднее файлы MIDI введены в поддержку операционной системы Windows, позволяя авторам напрямую заниматься обработкой мелодий, насыщая их новыми спецэффектами, отсутствующими в оригинальных синтезаторах. Внедрение сэмплов различных инструментов позволяло исполнителю воспроизводить музыкальное сопровождение любой сложности.

Применение MIDI

В MIDI используются физические линии на 5 мА. Редко встречается 10. Гальваническая развязка осуществляется через оптрон. Характерной чертой признано инвертирование сигнала:

1. Есть ток.
2. Нет тока.

Поэтому MIDI напрямую не совместим с обычной токовой петлёй. Физический интерфейс видели многие, но не знали название. Визуально розетка представляет собой диск диэлектрика с боковым вырезом, по периметру расположены 5 отверстий (DIN). Конструкция охвачена по кругу экраном. Музыканты насчитывают три вида интерфейса:

1. MIDI-In.
2. MIDI-Out.
3. MIDI-Thru.

Порт MIDI иногда стоит на материнской плате персонального компьютера. Физически задействуются в нормальном режиме не используемые контакты 12 и 15 порта игрового адаптера DB-15S. Используемая здесь логика ТТЛ требует наличия адаптера для стыковки со стандартными синтезаторами по протоколу токовой петли. Микросхема преобразователя не слишком сложная, включает оптрон, диод, ряд логических элементов.

Порт MIDI программируется через UART как последовательный COM-порт. В продаже есть звуковые карты с MIDI либо отдельные платы расширения на свободные слоты.

Протокол HART

Это развитие протокола Fieldbus, массово применяемое в промышленности. Подосновой становится токовая петля 4-20 мА, а значит, может использовать витые пары, оставшиеся от морально устаревших протоколов. Поначалу стандарт считался укзоспециализированным связным интерфейсом, но в 1986 году вышел на всеобщее обозрение. Передача по HART идёт полными пакетами, имеющими состав:

1. Преамбула – 5-20 байт. Служит для синхронизации и определения несущей.
2. Старт-байт – 1 байт. Указывает номер хозяина шины.
3. Адрес – от 1 до 5 байт. Присваивается хозяину, слуге и служит специальным признаком пакетного режима.
4. Расширение – от 0 до 3 байт. Его длина указывается в старт-байте.
5. Команда – 1 байт. То, что слуга должен исполнить.
6. Число байтов данных – 1 байт. Размер поля данных в байтах.
7. Данные – от 0 до 255 байтов. Данные, помогающие расшифровать порядок действий.
8. Проверочная сумма – 1 байт. Содержит результат логической операции XOR для всех байтов, кроме стартового и заключительного в блоке данных.

Разумеется, пакетная структура характерна для цифровых устройств, нуждается в расшифровке для правильного исполнения команды.

Подключение датчиков с токовым выходом к вторичным приборам

Получившие наибольшее распространение в сфере автоматизации производства датчики с унифицированным токовым выходом 4-20, 0-50 или 0-20 мА могут иметь различные схемы подключения к вторичным приборам. Современные датчики, имеющие низкое энергопотребление и токовый выход 4-20 мА, чаще всего подключают по двухпроводной схеме. То есть к такому датчику подключается всего один кабель с двумя жилами, по которым этот датчик запитывается, и по этим же двум жилам осуществляется передача выходного сигнала 4-20 мА.

Как правило, датчики с выходом 4-20 мА и двухпроводной схемой подключения имеют пассивный выход и им для работы необходим внешний источник питания. Этот источник питания может быть встроен непосредственно во вторичный прибор (в его вход) и при подключении датчика к такому прибору в сигнальной цепи сразу появляется ток. О приборах, которые имеют встроенный во вход источник питания для датчика, говорят, что это приборы с активным входом.

Большинство современных вторичных приборов и контроллеров имеет встроенные источники питания для работы с датчиками с пассивными выходами.

Если же вторичный прибор имеет пассивный вход – по сути, просто резистор, с которого измерительная схема прибора “считывает” падение напряжения, пропорциональное протекающему в цепи току, то для работы датчика необходим дополнительный внешний блок питания. Внешний блок питания в этом случае включается последовательно с датчиком и вторичным прибором в разрыв токовой петли.

Вторичные приборы обычно проектируются и выпускаются с таким расчетом, чтобы к ним можно было подключить как двухпроводные датчики 4-20 мА, так и датчики 0-5, 0-20 или 4-20 мА, подключаемые по трехпроводной схеме. Для подключения двухпроводного датчика к входу вторичного прибора с тремя входными клеммами (+U, вход и общий) задействуют клеммы “+U” и “вход”, клемма “общий” остается свободной.

Так как датчики, как уже было сказано выше, могут иметь не только выход 4-20 мА, а, например, 0-5 или 0-20 мА или их невозможно подключить по двухпроводной схеме из-за большого собственного энергопотребления (более 3 мА), то применяют трехпроводную схему подключения. В этом случае цепи питания датчика и цепи выходного сигнала разделены. Датчики имеющие трехпроводную схему подключения обычно имеют активный выход. То есть, если подать на датчик с активным выходом напряжение питания и между его выходными клеммами “выход” и “общий” подключить нагрузочное сопротивление, то в выходной цепи побежит ток, пропорциональный величине измеряемого параметра.

Вторичные приборы обычно имеют достаточно маломощный встроенный блок питания для запитки датчиков. Максимальный выходной ток встроенных блоков питания обычно находиться в пределах 22-50 мА, чего не всегда достаточно для питания датчиков имеющих большое энергопотребление: электромагнитных расходомеров, инфракрасных газоанализаторов и т.п. В этом случае для питания трехпроводного датчика приходиться использовать внешний, более мощный блок питания, обеспечивающий необходимую мощность. Встроенный во вторичный прибор источник питания при этом не используется.

Подобная схема включения трехпроводных датчиков обычно используется и в том случае, когда напряжение встроенного в прибор источника питания не соответствует тому напряжению питания, которое допускается подавать на этот датчик. Например, встроенный источник питания имеет выходное напряжение 24В, а датчик разрешается питать напряжением от 10 до 16В.

Некоторые вторичные приборы могут иметь несколько входных каналов и достаточно мощный блок питания для запитки внешних датчиков. Необходимо помнить, что суммарная потребляемая мощность всех подключенных к такому многоканальному прибору датчиков должна быть меньше мощности встроенного источника питания, предназначенного для их питания. Кроме того, изучая технические характеристики прибора необходимо четко различать назначение встроенных в него блоков (источников) питания. Один встроенный источник используется для питания непосредственно самого вторичного прибора – для работы дисплея и индикаторов, выходных реле, электронной схемы прибора и т.п. Этот источник питания может иметь достаточно большую мощность. Второй встроенный источник используется для запитки исключительно входных цепей – подключенных к входам датчиков.

Перед подключением датчика к вторичному прибору следует внимательно изучить руководства по эксплуатации на данное оборудование, определить типы входов и выходов (активный/пассивный), проверить соответствие потребляемой датчиком мощности и мощности источника питания (встроенного или внешнего) и только после этого производить подключение. Реальные обозначения входных и выходных клемм датчиков и приборов могут отличаться от тех, что приведены выше. Так клеммы “Вх (+)” и “Вх (-)” могут иметь обозначение +J и -J, +4-20 и -4-20, +In и -In и т.п. Клемма “+U пит” может быть обозначена как +V, Supply, +24V и т.п., клемма “Выход” – Out, Sign, Jout, 4-20 mA и т.п., клемма “общий” – GND, -24V, 0V и т. п., но смысла это не меняет.

Датчики с токовым выходом имеющие четырехпроводную схему подключения имеют аналогичную схему подключения, что и двухпроводные датчики с той лишь разницей, что питание четырепроводных датчиков осуществляется по отдельной паре проводов. Кроме того, четырехпроводные датчики могут иметь как активный, так и пассивный выход, что необходимо учитывать при выборе схемы подключения.

РЗУ-420 переносной задатчик сигнала 4…20 мА

Назначение 

Калибратор токовой петли РЗУ-420 предназначен для задания унифицированных сигналов тока 4…20 мА в процессе испытания систем автоматики, а также для контроля величины тока и напряжения. Питание токового контура может осуществляться как от испытываемой системы, так и от прибора.

Исполнение прибора – переносное, с автономным питанием от батарей. Возможно также питание прибора от сети 220 В с применением внешнего сетевого адаптера. 

Прибор имеет интуитивно понятный интерфейс и прост в использовании. Широкая функциональность РЗУ-420, эргономичность и невысокая стоимость делают его незаменимым для наладчика АСУ ТП при проведении пуско-наладочных работ. Использование РЗУ-420 позволяет существенно сократить время пуско-наладки. 

Калибратор токовой петли РЗУ-420 прошел всестороннее тестирование в условиях реальной работы и получил положительные оценки во всех технических проверках и тестах. 

Возможности РЗУ-420

• Одновременное отображение на дисплее задания тока с точностью до тысячной доли мА и отображение выходного задания в процентах от шкалы 4…20 мА с точностью до десятой доли процента.
• Диапазон задания тока: 0…25 мА (по шкале с линейной зависимостью).
• РЗУ-420 имеет возможность измерять такие параметры токовой петли, как ток I и напряжение U.
• Прибор может работать как от внешнего источника питания, так и от встроенного. Переключение режимов производится нажатием клавиши на панели прибора с постоянным отображением выбранного режима питания на дисплее.
• Прибор позволяет производить как плавное задание тока с дискретностью 0,1 % шкалы, так и пошаговое задание тока каждые 1 мА. Также РЗУ-420 позволяет генерировать сигнал 4…20 мА в режиме функционального задания: меандр, пила, треугольник, синусоида. Переключение режима задания производится клавишей на лицевой панели прибора с постоянным отображением выбранного режима на дисплее.
• Прибор имеет индикацию обрыва токовой петли. При обрыве токовой петли загорается сообщение «обрыв» на ЖК-индикаторе.
• Прибор имеет индикацию состояния батареи питания, постоянно отображаемую на дисплее, что позволяет рассчитать предполагаемое время работы от данного комплекта батарей.
• Дисплей прибора оснащен подсветкой для возможности работы в условиях с недостаточной освещенностью.
• Максимальная основная погрешность задания/измерения составляет всего ±0,1 %.
• Корпус прибора выполнен из ударопрочного пластика с уровнем пылевлагозащиты IP20.
• Имеется сертификат средства измерения.

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

---

История текущего цикла

Многие из нас до сих пор помнят времена пневматического управления; некоторые из нас до сих пор используют пневматические системы управления. Контроллеры соотношения, ПИД-регуляторы, датчики температуры и исполнительные механизмы питаются сжатым воздухом. От трех до пятнадцати фунтов на квадратный дюйм – это стандарт модуляции, 3 фунта на квадратный дюйм для живого нуля и 15 фунтов на квадратный дюйм для 100%. Любое давление ниже 3 фунтов на квадратный дюйм считалось мертвым нулем и тревожным состоянием.

В 1950-х годах дебютировали электрические и электронные системы управления. Сигнал от 4 до 20 мА имитировал пневматический сигнал от 3 до 15 фунтов на квадратный дюйм. Провода проще в установке и обслуживании, чем пневматические напорные линии, требования к энергии намного ниже; Вам больше не нужен компрессор мощностью от 20 до 50 лошадиных сил, а электроника позволяет использовать более сложные алгоритмы управления.

Основы токовой петли

Токовая петля от 4 до 20 мА является очень надежным стандартом сигнализации датчиков.Токовые петли идеально подходят для передачи данных. Весь ток сигнализации протекает через все компоненты; такой же ток течет, даже если заделка проводов не идеальна. Напряжение на всех компонентах контура падает из-за протекающего через них сигнального тока.

На ток сигнализации не влияет, пока напряжение источника питания больше, чем сумма падений напряжения вокруг контура при максимальном токе сигнализации 20 мА.

На рисунке 1 показана схема простейшей токовой петли от 4 до 20 мА.Имеется четыре компонента:
1. Источник питания постоянного тока;
2. 2-проводный передатчик;
3. Резистор приемника, преобразующий сигнал тока в напряжение; и
4. Провод, который все это соединяет. Два Rwires существуют, так как у вас есть провод к датчикам и другой обратно.

Ток, подаваемый от источника питания, течет по проводу к передатчику. Передатчик регулирует ток. Измерительный преобразователь пропускает только ток, пропорциональный измеряемому параметру, называемый током контура.Ток возвращается к контроллеру по проводу.

Ток контура протекает через приемник на землю и возвращается к источнику питания. Ток, протекающий через Rreceiver, создает напряжение, которое легко измеряется аналоговым входом. Для резистора 250 Ом напряжение будет 1 В постоянного тока при 4 мА и 5 В постоянного тока при 20 мА.

Компоненты токовой петли

Блок питания
Блоки питания для 2-проводных преобразователей всегда должны быть постоянного тока. Поскольку изменяющийся ток представляет собой измеряемый параметр, переменный ток использовать нельзя.Если бы использовался переменный ток, ток постоянно изменялся бы, и сигнал, представляющий измеряемый параметр, нельзя было бы отличить от сигнала, вызванного мощностью переменного тока. Стандартные напряжения питания составляют 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 переменного или постоянного тока. Наиболее распространенным источником переменного напряжения является управляющий трансформатор 24 В переменного тока. Обязательно ознакомьтесь с документацией по установке любого передатчика на предмет правильного напряжения.

Передатчик
Передатчик является сердцем сигнальной системы от 4 до 20 мА.Он преобразует физические свойства, такие как температура, влажность или давление, в электрический сигнал. Сигнал – это ток, пропорциональный измеряемому физическому свойству. 4 мА представляет нижнюю границу диапазона измерения, а 20 мА – верхнюю границу. Передатчик потребляет от 7 до 15 В постоянного тока петлевого напряжения, в зависимости от модели, для своего питания. BAPI определяет мощность наших датчиков тока 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 передатчик может выдерживать и работать в соответствии с заявленными характеристиками.

Резистор приемника
Напряжение намного проще измерить, чем ток. Пропуск петлевого тока через резистор преобразует ток в напряжение. На рисунке 1 Rreceiver – это прецизионный резистор с четко определенными характеристиками, главная из которых – сопротивление. Чаще всего используется сопротивление 250 Ом. В зависимости от области применения можно использовать сопротивление от 100 Ом до 750 Ом.

Провод
При передаче тока по проводу происходит падение напряжения, пропорциональное длине провода. Все провода имеют сопротивление, обычно выражаемое в Ом на 1000 футов. Падение напряжения можно рассчитать по закону Ома. В 1825 году Георг Симон Ом обнаружил, что ток через электропроводящие материалы прямо пропорционален разности потенциалов, приложенной к материалу. В 1827 году, когда Ом опубликовал свои выводы, эксперты того времени заявили, что результаты Ома представляют собой «сеть обнаженных фантазий».”

Сегодня мы знаем работу Ома как закон Ома, гласит формула; ток умноженный на сопротивление – это напряжение. Формулу можно записать как:

E = I * R

Где E – напряжение на сопротивлении в вольтах, I – ток, протекающий через проводник, в амперах, а R – сопротивление проводника в Ом. (Греческая заглавная буква омега, Ω, обычно обозначает Ом.) В отличие от времен Ома, теперь у нас есть стандартные калибры проводов с четко определенным сопротивлением. Сопротивление проводов для обычных размеров проводов показано в Таблице 1.

Нечувствительность к электрическим шумам

Самым большим преимуществом является внутренняя нечувствительность токовой петли к электрическим помехам. С каждым передатчиком тока связано выходное сопротивление. В идеале, исходя из теории элементарной электроники, выходное сопротивление датчика тока должно быть бесконечным. Поскольку реальные передатчики сделаны из электронных компонентов, а не из учебников, они имеют очень большое, но не бесконечное выходное сопротивление.Например, BA / T1K имеет выходное сопротивление 3 640 000 Ом или 3,64 МОм. Выходное сопротивление можно смоделировать как резистор.

На рисунке 2 ниже схематично показаны сопротивления компонентов с источником шума, добавленным в контур. Выходной сигнал, который видит ваш контроллер, – это напряжение на приемнике Rreceiver. Если источник шума имеет амплитуду 20 В, то ошибка, наблюдаемая на приемнике Rreceiver, составляет:

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

Напряжение на Rприемнике при 20 мА составляет пять вольт.0,0014 вольт – это 0,028% от пяти вольт, погрешность незначительная.

Высокий выходной импеданс BA / T1K исключает ошибки, вызванные колебаниями напряжения питания. Если источник питания, показанный на Рисунке 1, изменяется так, что падение напряжения на передатчике изменяется от 7 до 24 В постоянного тока, выходной ток изменяется только на 0,000005 ампер или 5 мкА. 5 мкА – это 0,031% от общего размаха сигнала. Поскольку большое выходное сопротивление по своей сути препятствует большему шуму и колебаниям напряжения питания, будьте уверены, что при измерении параметра с помощью передатчика BAPI вы всегда будете получать правильные показания.

Если вам нужна дополнительная информация о токовых петлях от 4 до 20 мА, позвоните представителю BAPI или ознакомьтесь с примечаниями по применению «Конфигурации токовых петель от 4 до 20 мА» и «Проектирование токовых петель от 4 до 20 мА».

---

Версия для печати в формате pdf

Упрощение токовых петель от 4 до 20 мА

Эдвард Э. Херцег, вице-президент и технический директор Alliance Sensors Group

Токовая петля 4–20 мА – очень распространенный метод передачи данных датчика, полученных для аналоговой передачи данных датчика.Датчики или преобразователи обычно предназначены для измерения диапазона значений измеряемого параметра, известного как измеряемая величина . Измерение и значение должны быть преобразованы в ток в измерительном устройстве, чтобы ток в контуре был пропорционален измеряемому значению. Диапазон тока контура, от 4 мА до 20 мА, называется диапазоном преобразователя. Преобразователь обычно конфигурируется так, что одна конечная точка значения измерения будет соответствовать 4 мА, а другое измеренное значение конечной точки будет соответствовать 20 мА.

Токовая петля 4-20 мА стала стандартом для передачи сигналов и электронного управления в большинстве аналоговых систем управления. Цепь токовой петли 4-20 мА показана на рисунке 1. Ток отбирается от источника питания контура постоянного тока в токовой петле , затем проходит через передатчик с использованием полевой проводки , подключенной к нагрузочному резистору контура в приемнике или контроллере. Затем вернемся к петлевому питанию, когда все элементы подключены последовательно.Все измерительные системы на основе токовой петли используют по крайней мере эти четыре элемента.

Рисунок 1. Типовая токовая петля 4-20 мА

Преимущества токовой петли

Возникает очевидный вопрос: зачем использовать токовую петлю 4-20 мА для передачи аналоговых данных с датчика? Ответ заключается в том, что токовая петля 4-20 мА дает несколько преимуществ для такой передачи данных датчика:

• Основная причина заключается в том, что ток контура не изменяется при использовании длинной полевой проводки до тех пор, пока напряжение, развиваемое в контуре, называемое напряжением соответствия , может поддерживать максимальный контур
• Еще одним преимуществом является то, что токовая петля имеет низкий импеданс и не особенно восприимчива к шумам или электромагнитным помехам при
• Третье преимущество – это функция «живого нуля» контура (нижний предел 4 мА), которая выполняет самодиагностику контура при обрыве или плохом соединении в контуре или источнике питания контура.
• Токовая петля позволяет подключать другие устройства, управляемые током, такие как дистанционное считывание или регистратор, последовательно с петлей в пределах ограничений, допускаемых соответствием петли
• Низкий уровень максимального тока контура (20 мА) позволяет использовать относительно простые защитные барьеры для ограничения тока контура до искробезопасного уровня, предотвращающего возгорание в опасной зоне

Источник питания контура и напряжение согласования

Когда ток передается в петле, напряжение падает из-за проводов полевой проводки и любых подключенных устройств.Однако эти падения напряжения не влияют на ток в контуре, пока общее напряжение контура достаточно для поддержания максимального тока контура. Элементом, ответственным за поддержание стабильного тока в контуре (как показано на рисунке 1), является источник питания постоянного тока контура. Диапазон напряжения, в котором будет работать контур, называется его напряжением соответствия . Общие значения для источников питания контура 4-20 мА – 24 В постоянного тока или 36 В постоянного тока. Выбранное конструктором напряжение зависит от количества элементов, последовательно включенных в контур.Напряжение источника питания контура всегда должно быть выше суммы всех падений напряжения в цепи, включая падение напряжения в полевой проводке. Сумма всех этих падений напряжения называется минимальным податливым напряжением контура. Соответствующее напряжение должно соответствовать определенным требованиям, два наиболее важных из которых:

• Напряжение источника питания должно обеспечивать питание всех устройств в контуре, включая падение напряжения полевой проводки, когда ток достигает максимального значения, обычно 20
• Максимальное выходное напряжение источника питания контура должно быть равным или ниже максимального номинального напряжения любого устройства в

Преобразователь

Датчик или преобразователь, который измеряет физический параметр, такой как температура, давление, положение или расход жидкости, подключен к схеме преобразования сигнала, которая преобразует значение измеренного параметра в электрический выходной сигнал, такой как напряжение или ток, пропорциональный измеряемый физический параметр.Если этот электрический сигнал представляет собой выход 4–20 мА постоянного тока, подключенный к токовой петле, аппаратная и электронная система, которая передает этот ток в петлю, называется передатчиком . Передатчик может состоять из одного устройства, содержащего чувствительный элемент и внутреннюю электронику. Он может использовать датчик или преобразователь, подключенный к отдельной электронике преобразования сигнала, сконфигурированной как датчик тока 4-20 мА.

Полевая проводка

В контуре циркулирует ток 4-20 мА.Расстояние между комбинацией сенсор-трансмиттер и контроллером процесса или считывающим устройством может составлять несколько сотен футов или более. Полевая проводка проводов используются в контуре для подключения преобразователя к оборудованию для контроля или управления технологическим процессом. Важно рассматривать их как элемент контура, потому что они имеют некоторое сопротивление и вызывают падение напряжения, как и любой другой элемент контура. Если сумма всех падений напряжения выше, чем напряжение согласования источника питания контура, ток не будет пропорционален измеряемому параметру, и система выдаст непригодные для использования данные.

Сопротивление проводов полевой проводки обычно указывается в Ом на длину, обычно в Ом на 1000 футов, поэтому полное сопротивление является произведением этого значения на длину проводов, деленную на 1000. Обратите внимание, что длина провода включает петлю. выходящий проводник и проводник контура для обратного тока, что в два раза превышает длину отдельного проводника. Общее сопротивление проводки обозначено символом Rw, как показано на схеме. Закон Ома дает падение напряжения из-за полевой проводки:

Где I в амперах; Rw в Ом; и Vw в вольтах.

Ресивер или контроллер процесса

После того, как ток контура сгенерирован, его обычно необходимо обработать в системе. Например, ток можно использовать в качестве обратной связи для контроллера клапана, чтобы открывать, закрывать или модулировать клапан для запуска или управления процессом. Управляющие функции легче выполнять с помощью напряжения, а не тока. Приемник – это часть контурной схемы, которая преобразует контурный ток в напряжение. На рисунке 3 приемник представляет собой простой резистор, включенный последовательно с контуром, поэтому, согласно закону Ома, напряжение, развиваемое на нем, прямо пропорционально измеряемому физическому параметру, измеряемой величине.

Нагрузочный резистор контура

Нагрузочный резистор, используемый в токовой петле 4–20 мА, не является произвольным. Существует максимальное сопротивление нагрузки контура для любого указанного согласованного напряжения, которое позволит развить полный ток в контуре. Превышение максимального сопротивления контура, которое должно включать сопротивление полевой проводки, не позволяет системе обеспечивать полный выходной ток 20 мА в контуре. В случае типичного датчика с токовым выходом, график нагрузки контура которого показан на Рисунке 2 ниже, при входном напряжении 18 В общая нагрузка контура может достигать 550 Ом.При входном напряжении 24 В общая нагрузка контура может достигать 850 Ом, а при максимальном входном сигнале системы 32 В общая нагрузка контура может составлять 1200 Ом.

Рис. 2 Зависимость сопротивления нагрузки контура от напряжения питания контура для типичного датчика на выходе токового контура.

Важность выбора правильного резистора нагрузки контура

Выбор резистора нагрузки контура обычно зависит от напряжения входного сигнала приемной системы для хорошего разрешения. Ток контура 4–20 мА будет развивать 2–10 В постоянного тока на нагрузочном резисторе 500 Ом (E = IR).Если система приемника удовлетворительно работает с более низким входным напряжением, ток контура 4–20 мА будет развивать 1–5 В постоянного тока на нагрузочном резисторе 250 Ом, который является наиболее распространенной нагрузкой контура. Обратите внимание, что резистор нагрузки контура довольно часто уже встроен во входные клеммы приемника. Проверьте характеристики приемного устройства, чтобы определить, есть ли на его входе резистор нагрузки контура.

Крайне важно, чтобы номинальная мощность резистора нагрузки контура была достаточной для гарантии того, что любой нагрев, вызванный током, протекающим через резистор, не изменит номинал резистора и не изменит развиваемое на нем напряжение.Напомним, что мощность, рассеиваемая резистором, равна I² x R. Для нагрузочного резистора 500 Ом мощность, рассеиваемая при 20 мА, составляет 0,2 Вт. Хороший выбор для номинальной мощности резистора – не менее 2 Вт, потому что такая нагрузка не сильно нагревается. Даже при полном токе контура не будет изменения напряжения на нагрузочном резисторе из-за тепла от рассеиваемой мощности вместо фактических изменений тока контура. Резисторы с проволочной обмоткой обычно имеют более низкие температурные коэффициенты, чем металлизированные резисторы.

Типы передатчиков

Существует несколько различных разновидностей датчиков тока, используемых для токовых петель 4–20 мА.В целом они соответствуют следующим категориям, разграниченным по количеству соединений, необходимых для работы:

• 2-проводные преобразователи, которые обычно работают как отводящие ток от токовой петли
• 3-проводные преобразователи с независимым питанием от источника тока контура
• 4-проводные преобразователи, которые обычно представляют собой устройства с независимым питанием, используемые, когда изоляция контура необходима для устранения шума или контура заземления или для работы в опасных местах (опасные зоны).
• Производные от 4-проводных передатчиков, такие как изоляторы или повторители токовой петли. В некоторых случаях эти устройства встраиваются в утвержденные национальным агентством защитные барьеры для искробезопасных (IS) систем, которые можно безопасно эксплуатировать в определенных опасных зонах

2-проводные преобразователи с питанием от токовой петли

• проводные преобразователи с питанием от токовой петли – это электронные устройства, подключенные в токовую петлю без отдельного или независимого источника питания.Они предназначены для получения энергии от тока, протекающего в контуре. Типичные устройства с питанием от контура включают датчики, преобразователи, передатчики, повторители, изоляторы, измерители, регистраторы, индикаторы, регистраторы данных, мониторы и многие другие типы полей

Устройства с питанием от контура важны, потому что для некоторых систем трудно подавать отдельное питание на все устройства и инструменты в контуре. Устройство может быть расположено в корпусе, доступ к которому может быть затруднен, или в опасном месте (hazloc), где невозможно разрешить или необходимо ограничить мощность.

На рисунке 3 показано 2-проводное устройство с питанием от токовой петли, подключенное к токовой петле. Считается устройством, потребляющим ток в контурной цепи. Питание устройства полностью обеспечивается неиспользованным током ниже 4 мА в контуре. 2-проводные передатчики с питанием от токовой петли популярны, но обычно более дорогие, чем 3-проводные.

Рисунок 3 Типичная система с 2-проводным контуром питания.

3-проводные преобразователи тока

Проволочные передатчики
• отличаются от передатчиков с питанием от контура, потому что их контурный ток вырабатывается из источника постоянного тока, который выдает больше тока, чем просто контурный ток.Весь передатчик работает от этого источника питания и может потреблять намного больше тока, чем типичные устройства с 2-проводным питанием по токовой петле. Однако 3-проводная система является элементом источника питания, поэтому она питает токовую петлю, несмотря на ее использование. 3-проводные передатчики часто дешевле 2-проводных. Типичный 3-проводной контур показан на Рисунке 4 ниже. Важно отметить, что 3-проводный передатчик никогда не следует подключать к какому-либо 2-проводному контуру
с питанием от контура.

Рис. 4 Типичная токовая петля с использованием 3-проводного передатчика

Обратите внимание, что сторона высокого напряжения источника питания не подключена напрямую к контуру, а обратная сторона источника питания подключена через точку заземления, поэтому 3-проводный передатчик требует тщательного рассмотрения вопросов заземления для предотвращения потенциальных контуров заземления.Если приложение, использующее 3-проводный передатчик, требует изоляции в контуре, существует несколько путей.

Один из способов – использовать отдельный источник питания постоянного тока для каждого устройства вывода 3-проводного контура, чтобы он не взаимодействовал с другими контурами тока. Другой способ – использовать модуль изолятора шлейфа. В этих устройствах используются различные методы гальванической развязки, обычно с использованием трансформаторов или оптических соединителей. Они принимают сигнал 4-20 мА, функционируют как ретранслятор или ретранслятор и выдают восстановленный сигнал токовой петли 4-20 мА, который полностью изолирован.Третий способ – использовать 4-проводный передатчик с уже встроенной изоляцией.

4-проводные преобразователи тока

4-проводные преобразователи

обладают преимуществами 3-проводного источника тока и обеспечивают гальваническую развязку для выхода токовой петли. 4-проводные устройства существенно дороже, чем 3-проводные. По этой причине они обычно используются там, где требуется изоляция, или они являются частью комбинированного устройства с утвержденным барьером безопасности для работы токовой петли в конкретном опасном месте.Блок-схема 4-проводного преобразователя показана на Рисунке 5 ниже. Примечательным моментом является то, что само 4-проводное устройство использует отдельный источник питания постоянного тока для работы, как и 3-проводный передатчик, и таким образом подает контурный ток.

Рисунок 5 Типовая токовая петля с использованием 4-проводного преобразователя

Обзор передачи данных 4-20 мА

Вышеизложенное описание дало краткое описание процесса передачи данных 4-20 мА. В заключение полезно кратко рассказать об особенностях и преимуществах этого процесса, а также об его ограничениях.

Преимущества

• Токовая петля 4-20 мА является доминирующим стандартом передачи данных во многих
• Он признан самым простым способом аналоговой передачи данных для подключения и
• Он использует меньше проводов и соединений, чем другие методы, что значительно сокращает запуск / настройку
• Он лучше на больших расстояниях, так как ток не уменьшается при длинных соединениях, таких как
• Он относительно нечувствителен к большинству электрических шумов и связанных с ними электромагнитных волн
• Позволяет вставлять в
как локальные, так и удаленные устройства считывания или мониторинга.
• Легко обнаружить неисправность в измерительной системе, потому что 4 мА равно 0% выходного сигнала системы, поэтому любой ток контура, существенно ниже 4 мА, становится прямым индикатором контура

Ограничения

• Токовые петли 4-20 мА могут передавать только один определенный датчик или сигнал процесса на петлю
• Множественные контуры необходимы для приложений, в которых необходимо передавать много датчиков или выходных сигналов процесса.Потребуется много полевой проводки, что может привести к серьезным проблемам с контурами заземления, если независимые контуры тока не изолированы должным образом от каждого
• Требования к изоляции усложняются экспоненциально с увеличением количества шлейфов

Об авторе

Эдвард Э. Герцег в настоящее время является вице-президентом и главным техническим директором Alliance Sensors Group, подразделения компании H. G. Schaevitz LLC. Имея выдающуюся карьеру в индустрии датчиков, охватывающую более полувека, он высоко ценится как за свои знания в области разработки приложений, так и за свои технические инновации.До прихода в ASG он занимал ведущие технические и маркетинговые должности в Everight Sensors Corp., AST Macro Sensors LLC (теперь входит в TE Connectivity), Massa Products Corp. и Schaevitz Engineering (теперь также в TE Connectivity) и хорошо известен. в промышленности как автор руководства Schaevitz Handbook of Measurement and Control .

Как проводить измерения токовой петли 4-20 мА

Дополнительное считывание:
Устройства для регистрации данных токовой петли 4-20 мА
Устройства для сбора данных токовой петли 4-20 мА

Похоже, что нашему типичному покупателю требуется хотя бы одно измерение 4-20 мА (миллиампер), и способ его выполнения является постоянным источником путаницы для многих.Поэтому я подумал, что сосредоточусь на различных конфигурациях токовой петли 4–20 мА и подробно остановлюсь на деталях, которые вам нужно знать, чтобы провести успешное измерение. Следующее обсуждение упорядочено от наиболее распространенной к наименее распространенной конфигурации, и я надеюсь охватить все те, с которыми я сталкивался в клиентских приложениях. Если вашего нет в списке, заполните меня в разделе комментариев.

Основы токовой петли 4-20 мА

Датчики или другие устройства с выходом токовой петли 4-20 мА чрезвычайно распространены в промышленных измерительных и управляющих приложениях.Они просты в развертывании, имеют широкие требования к источникам питания, генерируют низкий уровень шума и могут передаваться без потерь на большие расстояния. Мы постоянно сталкиваемся с ними как в приложениях для управления технологическим процессом, так и в базовых приложениях для регистрации данных измерений и сбора данных.

Идея работы токовой петли 4-20 мА заключается в том, что датчик потребляет ток от источника питания прямо пропорционально измеряемым им механическим свойствам. Возьмем, к примеру, датчик 100 фунтов на квадратный дюйм с выходом токовой петли.При давлении 0 psi датчик потребляет 4 мА от источника питания. При давлении 100 фунтов на квадратный дюйм датчик потребляет 20 мА. При 50 фунтах на квадратный дюйм датчик потребляет 12 мА и так далее. Связь между измерением механических свойств и выходным током почти всегда линейна, что позволяет масштабировать результирующие данные токовой петли с помощью простой формулы mx + b, чтобы получить более полезные измерения, преобразованные в технические единицы.

То, как вы фактически измеряете сигнал токовой петли 4–20 мА, зависит от архитектуры датчика и возможностей прибора, который вы будете использовать для измерения.

Терминология

Чтобы мое обсуждение хорошо переносилось на различные типы конфигураций токовой петли 4–20 мА, я решил стандартизировать терминологию, которую использую для описания каждой из них. Вот обзор:

«E» (возбуждение постоянным током)

В большинстве следующих ниже конфигураций будет показан источник возбуждения постоянного напряжения, который я обозначил буквой «E». Многие, кто впервые использует датчики с токовой петлей, с удивлением узнают, что им необходимо питать этот источник возбуждения. Тем не менее, если датчик не имеет автономного питания (т.е.е. Питание от сети переменного тока) требуется внешний источник постоянного тока. Хорошая новость заключается в том, что иногда это может быть обеспечено прибором, и диапазон допустимых значений обычно очень широк, обычно 10-24 В постоянного тока.

«R» (шунтирующий резистор)

Вот вам небольшая мелочь: никакие инструменты напрямую не измеряют ток. Все они делают это косвенно, измеряя напряжение, падающее на резисторе известного номинала, а затем используют закон Ома для расчета фактического тока. Резистор называется «шунтом», он абсолютно необходим для измерения тока и либо подключается к измерительному прибору извне, либо встроен в него.Для ясности предполагаю, что он поставляется извне.

«i» (значение токовой петли в диапазоне от 4 до 20 мА)

Это токовый сигнал 4-20 мА, генерируемый датчиком. Обратите внимание, что некоторые датчики могут потреблять 0–20 мА и даже другие значения, но подавляющее большинство из них используют условное обозначение 4–20 мА.

«В» (напряжение шунта, пропорциональное току)

Это падение напряжения на шунте, которое фактически измеряется прибором. Поскольку наша промышленность стандартизировала значение сопротивления шунта 250 Ом, «v» будет находиться в диапазоне от 1 до 5 вольт для сигнала токовой петли 4–20 мА (v = i * сопротивление).Обратите внимание, что значение шунтирующего резистора является произвольным, если оно известно. Вам также необходимо убедиться, что он не перегружает цикл, поэтому более низкие значения лучше, чем более высокие. Да я имею ввиду нижний . Помните, что мы работаем с током, а не с напряжением, поэтому правила перевернуты. Так же, как бесконечно высокие резистивные нагрузки хорошо подходят для источника напряжения, вы можете полностью довести нагрузку до нуля Ом для источника тока без каких-либо последствий.

Датчики с автономным питанием

Я обещал заказать эти конфигурации от наиболее распространенных до наименее распространенных, и датчик с автономным питанием просто выбивает первого, занявшего второе место.Датчики с автономным питанием – это те, которые питаются сами по себе. Датчик может иметь встроенный источник питания переменного тока, что устраняет необходимость во внешнем источнике питания постоянного тока. Или это может быть вовсе не датчик. Это может быть выход ПЛК или другого источника с внутренним питанием.

2-проводные датчики (шунт низкого уровня)

Хорошо, это может сбить с толку тех, кто впервые использует токовую петлю 4-20 мА. Да, можно питать датчик и измерять ток, который он потребляет, по одним и тем же двум проводам.В двухпроводных примерах, показанных здесь, только два провода подключают датчик к источнику питания, и датчик потребляет ток от него прямо пропорционально измеряемым им механическим свойствам. По мере изменения тока напряжение, развиваемое на резисторе R, будет изменяться, обеспечивая таким образом сигнал, который подходит для подключения к измерительному прибору, такому как регистратор данных или система сбора данных.

В большинстве ситуаций следует позаботиться о размещении резистора на стороне низкого напряжения контура, как показано здесь, а не на стороне высокого напряжения.Это позволит неизолированным приборам производить измерения. В следующем разделе я буду иметь дело с размещением шунта на стороне высокого давления и более подробно обсудить эти предостережения.

2-проводные датчики (шунт высокого уровня)

Эта конфигурация почти полностью аналогична двухпроводной схеме со стороны низкого напряжения, но при этом шунтирующий резистор помещается на стороне высокого напряжения контура. Обратите внимание, что хотя напряжение на резисторе пропорционально току, потребляемому датчиком (точно так же, как и при подходе со стороны низкого уровня), с обеих сторон по отношению к земле присутствует также синфазное напряжение (CMV).С одной стороны, заземленной, CMV равно напряжению питания. На другой стороне заземления оно равно напряжению питания за вычетом напряжения, падающего на резистор (v). Наличие CMV создает условия для инструмента, который вы используете для измерения v. В частности, у инструмента должен быть изолированный передний конец, чтобы он мог плавать до уровня CMV и при этом успешно выполнять измерения. Попробуйте это с неизолированным несимметричным прибором, и вы замкните датчик на землю.Неизолированный дифференциальный прибор приведет к насыщению или выдаст ошибочные результаты.

3-проводные датчики

Трехпроводные датчики с выходом рабочего тока имеют отдельный провод для заземления, сигнала (4-20 мА) и источника питания. Эту конфигурацию проще всего понять новичкам в токовой петле: один вход для питания, а второй – для токовой петли с общей землей. Основным преимуществом 3-проводного датчика перед его 2-проводным аналогом является его способность управлять более высокими резистивными нагрузками.На резисторах падает напряжение при любом заданном токе прямо пропорционально их значению сопротивления. При постоянном токе более высокие сопротивления падают больше напряжения. Вернувшись к 2-проводному датчику и удерживая ток постоянным, по мере увеличения сопротивления шунта падение напряжения на нем также увеличивается. Вы можете достичь точки, в которой падение напряжения на шунте снизит падение напряжения на датчике ниже минимума, необходимого для его правильной работы.

У нас был заказчик, чьи двухпроводные измерения токовой петли прекрасно работали, пока ток в петле не достиг примерно 18 мА, после чего все пошло наперекосяк.При внимательном рассмотрении мы определили, что напряжение питания, которое она использовала, было слишком низким как минимум на 0,56 В. Ей нужно было на 2 мА больше измерения, чтобы выйти на полную шкалу, что соответствует 0,56 В с ее резистором 250 Ом. Решением было использовать источник питания с более высоким напряжением, чтобы падение напряжения на датчике оставалось выше минимального уровня. Она также могла бы использовать 3-проводной датчик, который гарантирует, что напряжение, подаваемое на датчик, не зависит от падения напряжения на шунтирующем резисторе.

Наблюдайте за своей территорией (или используйте изолированный инструмент)

Вопреки тому, что многие считают (и ошибочно учили в школе), заземление почти никогда не бывает одинаковым в промышленных условиях, где именно используется большинство датчиков токовой петли 4–20 мА.Два или более заземления, которые являются одним и тем же , означают, что они имеют одинаковый потенциал . Если это так, то измерение между заземлением различных датчиков поля и прибором с использованием цифрового вольтметра (DVM) при настройках постоянного и переменного тока покажет ноль вольт или очень близкое к нему. На самом деле вы измеряете как минимум несколько вольт, а я видел целых 75 вольт. Когда заземления с разным потенциалом связаны вместе (что необходимо сделать для проведения измерения), через них протекает ток, создавая несколько возможных результатов измерения для неизолированных инструментов:

1. Измерение зашумлено.
2. Измерение неточное.
3. Вы безвозвратно повредили инструмент.
4. Вы насыщаете прибор (он не поврежден, но и вы не можете провести успешное измерение).

Для устранения этих проблем требуется следующее:

1. Используйте изолированный прибор для измерений токовой петли 4–20 мА. Это единственное решение позволяет игнорировать все другие проблемы с заземлением в обмен на успешные измерения в любой ситуации.Если у вас нет изолированного инструмента, читайте дальше…
2. Убедитесь, что источник питания контура изолирован. Это означает, что его выходное заземление (то, которое подключено к датчику) не связано с его входным заземлением (тем, которое подключается к сети переменного тока). Изолированный источник питания означает, что выходное заземление может быть связано с другим заземлением (например, неизолированный инструмент) без последствий.
3. При использовании датчиков с автономным питанием убедитесь, что нижняя сторона контура изолирована от источника питания.
4. При использовании датчиков, которым требуется внешний источник питания постоянного тока, убедитесь, что шунтирующий резистор размещен на стороне низкого напряжения контура (см. «2-проводные датчики (шунт на стороне низкого напряжения)» выше).
5. Если вам не хватает контроля над источниками питания и вы определили, что они не изолированы, то единственный вариант – запитать ВСЕ устройства (источники питания, датчики с автономным питанием, прибор и подключенный к нему компьютер) от одной и той же розетки. Не делайте ошибки, используя розетки, расположенные близко друг к другу.Если у вас закончились розетки в одной розетке, используйте удлинитель.

Опять же, стоит повторить, что все меры предосторожности, связанные с правильным заземлением, исчезают, если для измерения используется изолированный прибор.

Датчики с выходами 4-20 мА встречаются во всех дисциплинах и во многих конфигурациях. Свяжитесь с нами с любыми вопросами, которые возникают в вашей уникальной ситуации.

Follow Us

Основы, проектирование системы и настройка токовой петли от 4 до 20 мА

Выбор преобразователя
Первым шагом в разработке системы с токовой петлей является выбор преобразователя.Помимо типа измерения (расход, давление, температура и т. Д.), Важным фактором при выборе любого преобразователя является рабочее напряжение. Источник напряжения обеспечивает питание преобразователя тока, позволяя ему регулировать ток через провода. Для поддержания работоспособности преобразователя подаваемое напряжение должно быть не ниже минимально необходимого; Точно так же подача напряжения выше указанного максимального значения может привести к повреждению преобразователя.

Для примера системы с токовой петлей выбранный вами датчик измеряет давление и имеет рабочее напряжение от 12 до 30 В.При выбранном преобразователе необходимо правильно измерить текущий сигнал, чтобы обеспечить точное представление давления, приложенного к преобразователю.

Выбор устройства сбора данных для измерения тока
Важным аспектом построения системы с токовой петлей является устранение контуров заземления. Распространенным методом предотвращения образования контуров заземления с помощью устройства сбора данных измерений является изоляция. С изоляцией вы можете избежать контуров заземления, подобных показанному на Рисунке 3.

Рисунок 3.Контур заземления

Контуры заземления создаются, когда две подключенные клеммы в цепи имеют разные потенциалы заземления. Эта разница заставляет ток течь в межсоединении, что может привести к ошибкам смещения.

Изоляция устройства сбора данных – это средство электрического отделения земли источника сигнала от земли усилителя устройства сбора данных, как показано на рисунке 4. Поскольку ток не может течь через изолирующий барьер, опорный потенциал заземления усилителя может иметь тот же потенциал. в качестве заземления источника сигнала.Таким образом, вы не можете случайно создать контур заземления.

Рисунок 4. Синфазное и нормальное напряжение с изоляцией

Изоляция

также предотвращает повреждение устройств сбора данных большим синфазным напряжением. Синфазное напряжение – это напряжение, присутствующее как на положительном, так и на отрицательном входе инструментального усилителя. Например, оба контакта + и – устройства сбора данных на Рисунке 4 находятся над +14 В синфазного напряжения.Многие устройства сбора данных имеют максимальный входной диапазон ± 10 В. Если устройство сбора данных не имеет изоляции и синфазное напряжение выходит за пределы максимального входного диапазона, вы можете повредить устройство. Несмотря на то, что напряжение в нормальном режиме на Рисунке 4 составляет всего +2 В со смещением +14 В постоянного тока, результирующее рабочее напряжение составляет +16 В (напряжение в нормальном режиме – это разница напряжений между выводами + и -; рабочее напряжение нормальное. – и синфазное напряжение суммируются). Это будет опасный уровень напряжения для устройства сбора данных с меньшим рабочим напряжением.

С изоляцией опорный сигнал заземления усилителя электрически отделен от земли. Как и на фиг 4, базовое заземление усилителя может быть на одном уровне со сдвигом в соответствии +14 В. Поднятие усилителя заземление к +14 V эффективно сдвигает +16 до +2 В на усилителе сбора данных. Теперь устройство сбора данных больше не подвержено риску повреждения из-за перенапряжения. (Обратите внимание, что изоляторы имеют максимальное синфазное напряжение, которое они могут отклонить.)

При изолированном и защищенном устройстве сбора данных измерения тока согласование источника питания является последним шагом в создании базовой системы токовой петли.

Выбор блока питания
Определить, какой блок питания лучше всего соответствует вашим требованиям, очень просто. В токовой петле источник питания должен выдавать напряжение, равное или превышающее все падения напряжения в системе вместе взятые.

Устройство сбора данных для этого примера использует прецизионный шунтирующий резистор для измерения тока. Вам нужно рассчитать падение напряжения на резисторе. Типичный шунтирующий резистор составляет 249 Ом. Выполнение основных расчетов с токовой петлей от 4 до 20 мА показывает следующее:

С помощью этого шунтирующего резистора 249 Ом можно назначить ток в диапазоне от 1 до 5 В, позволяя соотносить показания напряжения усилителя сбора данных с сигналом датчика давления.

Для датчика давления сверху требуется минимальное рабочее напряжение 12 В и максимальное 30 В. Если добавить к датчику падение напряжения прецизионного шунтирующего резистора, получим следующее:

Это говорит о том, что достаточно источника питания 17 В. Однако внутреннее сопротивление провода токовой петли создает дополнительную нагрузку на источник питания.

В приложениях, где преобразователь находится далеко от измерительных приборов, вы должны учитывать сопротивление провода при расчетах мощности контура.Медные провода имеют сопротивление постоянному току, которое прямо пропорционально их длине и диаметру (калибру). С датчиком давления из примера системы вам необходимо рассчитать расстояние 2000 футов в требованиях к мощности. Для сплошного медного провода калибра 24 внутреннее сопротивление составляет 2,62 Ом / 100 футов [1]. Расчет сопротивления принимает следующий вид:

.

На расстоянии 2000 футов на проводе наблюдается падение напряжения 1,05 В. Чтобы завершить петлю, вам понадобятся два провода, что фактически удвоит длину до 4000 футов:

Всего примерно 2.1 В теряется из-за проводки, когда датчик давления находится на расстоянии 2000 футов от устройства сбора данных. Суммирование всех падений напряжения приводит к следующему:

Если вы использовали источник питания 17 В для управления предыдущей установкой, напряжение датчика давления будет ниже минимального рабочего уровня для датчика из-за естественного сопротивления провода и требований к шунтирующему резистору. Выбор обычного источника питания 24 В соответствует требованиям к мощности системы датчиков давления.При желании достаточно напряжения, чтобы разместить датчик давления на большем расстоянии.

Когда датчик, устройство сбора данных, длина кабеля и источник питания правильно согласованы, простая система контура датчика давления завершена. Для более крупных приложений вы можете включить в систему дополнительные измерения.

Добавление дополнительных датчиков и инструментов
Для более крупных приложений вы можете добавить дополнительные преобразователи и инструменты параллельно источнику питания, как показано на рисунке 5.

Рис. 5. Добавление дополнительных датчиков

Поскольку вы добавляете дополнительные токовые петли параллельно, напряжение источника питания изменять не нужно; вам нужно только убедиться, что он может обеспечивать необходимый ток. Вы можете комбинировать и сочетать различные типы преобразователей, если рабочее напряжение каждого преобразователя и источника питания соответствует. В предыдущем примере, если максимальное рабочее напряжение нового датчика не ниже 24 В источника питания, вы можете добавить новый датчик параллельно.

Иногда вам может потребоваться несколько устройств сбора данных для измерения тока для измерения одного и того же сигнала. Чтобы добавить другое устройство сбора данных к тому же датчику, вы должны поместить новый инструмент последовательно с конкретным контуром. В этом примере вы добавляете простой цифровой измеритель токовой петли к существующему устройству сбора данных, как показано на рисунке 6.

Рис. 6. Добавление дополнительного инструмента к датчику

Каждый раз, когда вы добавляете устройство сбора данных измерения тока последовательно с преобразователем, вы должны пересчитывать общее требуемое напряжение, чтобы убедиться, что требования к мощности контура все еще находятся в пределах спецификации.В этом примере в новом измерителе тока используется прецизионный резистор 105 Ом:

С шунтирующим резистором 105 Ом для измерителя тока требуется максимум 2,1 В, поэтому общее напряжение системы составляет:

Поскольку добавление измерителя приводит к общему требованию напряжения всего около 21,2 В, ранее рекомендованного источника питания 24 В все еще достаточно для применения.

С небольшими вычислениями и дополнительным оборудованием вы можете быстро расширить прикладную базу системы токовой петли.Кроме того, с помощью более новых стандартов и типов преобразователей вы можете расширить измерительные возможности существующей инфраструктуры токовой петли.

Основы токовой петли 4–20 мА ~ Изучение контрольно-измерительной техники

Пользовательский поиск

Токовая петля 4–20 мА является очень надежным и популярным стандартом сигнализации датчиков.Токовые петли идеальны для передачи данных из-за своей нечувствительности к электрическим шумам. В токовой петле 4–20 мА весь ток сигнализации проходит через все устройства. Все устройства в контуре падают напряжение из-за протекающего через них сигнального тока. Эти падения напряжения не влияют на сигнальный ток, пока напряжение источника питания больше, чем сумма падений напряжения вокруг контура при максимальном сигнальном токе 20 мА. Как показано на диаграмме выше, ток, подаваемый от источника питания, течет по проводам контура с сопротивлением RW к датчику, а датчик 4–20 мА регулирует ток в контуре.Ток, разрешенный передатчиком, называется током контура, и он пропорционален измеряемому параметру. Ток контура течет обратно к контроллеру через провод, а затем течет через резистор R на землю и возвращается к источнику питания. Ток, протекающий через R, создает напряжение, которое легко измеряется аналоговым входом контроллера. Для резистора на 250 Ом напряжение будет 1 В постоянного тока при 4 мА и 5 В постоянного тока при 20 мА.

Как показано на схеме выше, в токовой петле 4-20 мА есть четыре основных компонента, а именно:
(а) Блок питания
(b) 2-проводный передатчик
(c) Резистор приемника R, преобразующий ток контура в напряжение
(d) Провода контура, которые соединяют все устройства или компоненты контура.

Блок питания

Блок питания для 2-проводных преобразователей 4–20 мА всегда должен быть постоянным током, потому что изменение тока является репрезентативным для измеряемого параметра. Для контуров 4–20 мА с 2-проводными датчиками общие напряжения источника питания составляют 36 В постоянного тока, 24 В постоянного тока, 15 В постоянного тока и 12 В постоянного тока. Токовые петли, использующие 3-проводные преобразователи, могут иметь источники питания переменного или постоянного тока. Наиболее распространенным источником питания переменного тока является управляющий трансформатор 24 В переменного тока. Обязательно ознакомьтесь с руководством по установке вашего передатчика на предмет надлежащих требований к напряжению.

2-проводной преобразователь 4-20 мА

Передатчик является сердцем сигнальной системы 4-20 мА. Он преобразует физические свойства, такие как температура, поток или давление, в электрический сигнал. Этот электрический сигнал представляет собой ток, пропорциональный измеряемой температуре, расходу или давлению. В контуре 4–20 мА 4 мА представляет нижнюю границу диапазона измерения, а 20 мА – верхнюю границу.

Характеристики напряжения для большинства передатчиков находятся в диапазоне. Например, если напряжение 2-проводного передатчика задано от 15 до 24 В постоянного тока, более низкое напряжение является минимальным напряжением, необходимым для обеспечения правильной работы передатчика.Более высокое напряжение – это максимальное напряжение, которое передатчик может выдержать и работать в соответствии с заявленными характеристиками без повреждений или неблагоприятных последствий.

Резистор приемника, R

В технике гораздо проще измерить напряжение, чем ток. Поэтому во многих схемах с токовой петлей используется резистор приемника (в нашем случае R) для преобразования тока в напряжение. На схеме выше R – резистор 250 Ом. Ток, протекающий через него, создает напряжение, которое легко измеряется аналоговым входом контроллера.Для резистора на 250 Ом напряжение будет 1 В постоянного тока при токе контура 4 мА и 5 В постоянного тока при токе контура 20 мА. Наиболее распространенный резистор приемника в контуре 4–20 мА составляет 250 Ом; однако, в зависимости от конкретного применения, можно использовать сопротивление от 100 Ом до 750 Ом.

Провода петли

Когда ток течет по проводу, он вызывает падение напряжения, пропорциональное длине и толщине (калибру) провода. Все провода контура имеют сопротивление, обычно выражаемое в Ом на длину.Падение напряжения можно рассчитать по закону Ома:
E = I x RW
E = напряжение на резисторе в вольтах;
I = ток, протекающий по проводам контура, в амперах;
RW = сопротивление контурного провода в Ом.
Однако, поскольку ток, протекающий в типичном контуре 4–20 мА, невелик, падение напряжения обычно невелико, хотя при прокладке проводки КИП необходимо учитывать прокладку проводов контура, чтобы снизить падение напряжения.
Эти базовые компоненты присутствуют в любом контуре 4–20 мА, с которым вы будете иметь дело.Чтобы успешно устранить этот цикл, вы должны быть знакомы со всеми этими компонентами, которые были обсуждены.

Токовые петли 4 … 20 мА – основы

Ток 4… 20 мА обычно используется для подключения сигналов процесса к контроллеру в промышленных приложениях. Иногда используется аналоговый сигнал напряжения или цифровая связь, но использование токовой петли для отправки значений процесса в контроллер дает много преимуществ.

В этой статье мы более подробно рассмотрим принципы, лежащие в основе стандартных токовых петель 4… 20 мА.

Зачем использовать ток вместо напряжения?

Чтобы понять это, нам сначала нужно фундаментальное представление о токе , , напряжении , и сопротивлении :

• Ток : Ток – это поток электронов по цепи.Ток в 1 ампер равен потоку 6,24 x 10¹⁸ электронов в секунду. Чтобы измерить ток, разомкните цепь и вставьте в нее амперметр. Таким образом, все электроны должны проходить через счетчик, обеспечивая точное измерение тока.

  Единица измерения: ампер, символ: A.

• Сопротивление : Сопротивление – это противодействие току. Если сопротивление увеличивается, ток уменьшается. Чтобы измерить сопротивление, отключите компонент, имеющий сопротивление, от цепи, а затем с помощью омметра измерьте сопротивление компонента.

  Единица измерения: Ом, символ: Ом.

• Напряжение : Напряжение – это разница электрического заряда между двумя точками цепи. Разница в электрическом заряде существует, если электроны в одной точке находятся на другом уровне энергии по сравнению с электронами в другой точке, или если в одной точке больше электронов с таким же уровнем энергии по сравнению с другой точкой. Разницы в электрическом заряде в 1 В достаточно энергии, чтобы пропустить ток 1 А через сопротивление 1 Ом.Для измерения напряжения подключите вольтметр параллельно к двум точкам цепи.

  Единица измерения: Напряжение, символ: В.

Закон Ома определяет, как ток, напряжение и сопротивление соотносятся друг с другом в цепи:

• Ток = напряжение / сопротивление
• Напряжение = ток x сопротивление
• Сопротивление = Напряжение / Ток

Чтобы проиллюстрировать закон Ома, рассмотрим типичную батарею AA:

Заряд на левом выводе (точка A) отрицательный по сравнению с зарядом на правом выводе (точка B).В этом аккумуляторе разница в заряде (напряжении) составляет 1,5 В.

Когда цепь подключена к батарее, она создает путь для прохождения тока от положительной клеммы к отрицательной. Лампа в следующей цепи имеет сопротивление 5 Ом. Это сопротивление регулирует количество тока, протекающего по цепи.

Ток = напряжение / сопротивление, поэтому ток, протекающий по контуру, равен 1.5 В / 5 Ом = 0,3 А.

Величину протекающего тока можно изменить, изменив сопротивление контура или напряжение контура. Большинство токовых контуров, используемых в промышленных приложениях, питаются от фиксированного источника 24 В, поэтому ток контура изменяется путем изменения противодействия току, протекающему по контуру.

Что такое петлевой передатчик?

Датчик контура измеряет параметр процесса и регулирует ток контура в пределах от 0,004 до 0,02 А (4 мА… 20 мА), изменяя сопротивление току, протекающему в контуре.Контурные преобразователи могут измерять практически любую переменную процесса, например температуру, давление, уровень или расход.

В приведенном ниже примере контурный преобразователь измеряет датчик температуры. Преобразователь запрограммирован на регулирование тока контура в пределах 4… 20 мА при изменении температуры от 0… 100 ° C.

Контроллер процесса также подключен к контуру для измерения тока контура. Символ сопротивления на этом рисунке обозначает контроллер; большинство из них имеют фиксированное сопротивление 250 Ом.Сам контурный провод также имеет некоторое сопротивление, которое следует учитывать при расчете бюджета контура (подробнее об этом ниже).

Ток является обычным в последовательной цепи, поэтому ток контура, регулируемый передатчиком, и ток, измеряемый контроллером, идентичны.

Электромагнитные помехи

Для обеспечения точных измерений процесса важно минимизировать ошибку из-за электромагнитных помех (EMI) .

Что такое электромагнитные помехи?

Электромагнитные помехи (EMI) – это помехи, вызванные электромагнитными полями, создаваемыми электрическими или электронными устройствами во время их работы. Электромагнитные помехи обычно встречаются в промышленных средах, и некоторыми их источниками являются: частотно-регулируемые приводы, устройства плавного пуска, линейные контакторы, мобильные радиостанции, шум 50/60 Гц от электросети, контактные кольца генератора, коммутаторы двигателя постоянного тока и электростатический разряд, возникающий внутри процесс или молниеносно (больше информации по этому поводу мы собрали здесь).

Сигналы тока по своей природе более устойчивы к электромагнитным помехам, чем сигналы напряжения, особенно на больших расстояниях. Это одно из больших преимуществ использования тока вместо напряжения для передачи результатов измерений в систему управления. Другими причинами, по которым 4… 20 мА является широко установленным стандартом для использования в управлении технологическими процессами, являются:

• Сигналы напряжения немного ослабевают на большом расстоянии из-за сопротивления проводов. Это особенно проблематично, если уровень сигнала низкий (например.грамм. выходы мВ от тензодатчиков). В отличие от сигналов напряжения, сигналы тока 4… 20 мА не затухают на большом расстоянии (в определенных пределах). Не имеет значения, находится ли датчик процесса от контроллера на расстоянии 5 м, 100 м или даже больше. Текущий поток, регулируемый датчиком, правильный и идентичный везде в токовой петле.
• Обрыв провода в токовой петле приводит к протеканию тока 0 мА. Контроллер может легко определить этот необычно низкий уровень тока как ошибку кабеля. Если используются сигналы напряжения, разорванная проводка может действовать как антенна, позволяя местным электромагнитным помехам наводить напряжение на сигнальные провода.Это затрудняет обнаружение обрыва кабеля, если контроллер измеряет напряжение.
• Большинство современных передатчиков можно запрограммировать на регулирование тока до необычно высокого или низкого уровня, если датчик выходит из строя. Например, преобразователь может регулировать ток контура до 3,5 или 23 мА, если датчик термопары сломается.

Петля бюджетная

В предыдущем примере передатчик регулирует ток в контуре, который питается от 24 В и имеет еще одно устройство, контроллер, подключенный к контуру.

Теперь, если мы добавим в контур самописец, мы должны выяснить, будет ли контур по-прежнему правильно работать с дополнительным сопротивлением 350 Ом. Для этого мы рассчитываем бюджет цикла.

Как рассчитать бюджет цикла:

Сначала определяем максимальный ток в контуре. В этом примере преобразователь настроен на увеличение тока контура до 23 мА при возникновении ошибки датчика. Следовательно, максимальный ток во всем контуре равен 0.023 А.

Закон

Ома гласит: напряжение = ток x сопротивление. Следовательно:

• Контроллер Требование к напряжению контура составляет: 0,023 A x 250 Ом = 5,75 В .
• Самописец Требуемое напряжение контура составляет 0,023 А x 350 Ом = 8,05 В .

В техническом описании преобразователя указано, что для подачи питания требуется не менее 8 В, .

Наконец, необходимо учитывать длину провода .В этом примере расстояние между передатчиком и контроллером / самописцем составляет 40 метров. Таким образом, общая длина провода контура составляет 80 метров. Предполагая, что используются провода с поперечным сечением 0,445 мм², общее сопротивление проводов контура составляет 10,7 Ом. Используя закон Ома: 0,023 А x 10,7 Ом = 0,25 В .

Теперь вычтите все падения напряжения из источника напряжения контура:

Напряжение контура	24 В
Напряжение, необходимое для контроллера	-5.75 В
Напряжение, необходимое для самописца	-8,05 В
Напряжение, необходимое для подачи питания на преобразователь	-8 В
Напряжение, необходимое для сопротивления провода контура	-0,25
Напряжение, остающееся для питания других нагрузок контура	1,95 В

После расчета нашего бюджета мы теперь знаем, что этот контур имеет более чем достаточное напряжение для подачи 23 мА через все нагрузки контура в случае возникновения ошибки датчика.

Предохранитель

Шлейф всегда должен быть защищен от тока короткого замыкания путем добавления плавкого предохранителя в шлейф. Этот предохранитель защищает контур от чрезмерного тока в случае короткого замыкания в обход регулирования тока 4… 20 мА, обеспечиваемого датчиком. При сгорании предохранителя ток в контуре упадет до 0 мА, в результате чего контроллер и самописец определят это необычно низкое значение тока как ошибку.

2-проводные преобразователи vs.4-проводные преобразователи

Передатчики, рассмотренные до сих пор, являются так называемыми «2-проводными» передатчиками. 2-проводный передатчик питается от источника питания контура, поэтому его иногда называют передатчиком с питанием от контура.

Некоторые преимущества 2-проводных преобразователей:

• Отдельные провода питания при установке не требуются
• Более низкая стоимость
• Они могут располагаться в головке датчика (т.е. очень близко к датчику)
• Они имеют очень низкое энергопотребление

Однако, в зависимости от ваших потребностей, 4-проводные передатчики могут быть лучшим выбором.

В этом примере источник 24 В подключен к передатчику. Часть его мощности используется для непосредственного включения передатчика, в то время как дополнительная мощность используется для питания токовой петли 4… 20 мА.

Некоторые преимущества 4-проводных преобразователей:

• Доступной мощности достаточно для использования дополнительных функций передатчика, таких как контактные выходы и встроенный дисплей
• Доступной мощности достаточно, чтобы обеспечить более высокий уровень возбуждения датчика; е.g., почти все передатчики весоизмерительных ячеек являются 4-проводными передатчиками, потому что каждый весоизмерительный датчик обычно требует 10 В при возбуждении 29 мА
• 4-проводные преобразователи могут запитываться переменным или постоянным напряжением, в то время как преобразователи с контурным питанием запитываются только постоянным напряжением

Активный и пассивный ток

Устройства в токовой петле могут быть активными или пассивными. «Активный» в этом контексте означает, что устройство имеет источник напряжения, питающий контур. В токовой петле может быть только одно активное устройство.«Пассивные» устройства – полная противоположность – они не имеют собственного источника напряжения и, следовательно, зависят от внешнего источника. Вы можете найти больше информации об активных / пассивных сигналах здесь.

Вернуться в библиотеку знаний по связям с общественностью

Полезна ли эта информация?

Основы токовой петли 4-20 мА

Токовая петля 4–20 мА является очень надежным стандартом сигнализации датчиков. Токовые петли идеальны для передачи данных из-за своей нечувствительности к электрическим шумам.

В токовой петле 4-20 мА весь ток сигнализации протекает через все компоненты; такой же ток течет, даже если заделка проводов не идеальна.

Напряжение на всех компонентах контура падает из-за протекающего через них сигнального тока. Эти падения напряжения не влияют на сигнальный ток, пока напряжение источника питания больше, чем сумма падений напряжения вокруг контура при максимальном сигнальном токе 20 мА.

Основы токовой петли 4-20 мА

На рисунке 1 показана схема простейшей токовой петли 4–20 мА.

В основном состоит из четырех компонентов:

1. А Источник питания постоянного тока;
2. 2-проводный передатчик;
3. Резистор приемника, преобразующий сигнал тока в напряжение;
4. Провод, соединяющий его

Два символа «Rwire» обозначают сопротивление проводов, идущих к датчикам и обратно к источнику питания (источник питания означает карты ввода-вывода или барьеры).

На рисунке 1 ток, подаваемый от источника питания, течет по проводу к передатчику, а передатчик регулирует ток, протекающий в контуре.Ток, разрешенный передатчиком, называется током контура, и он пропорционален измеряемому параметру.

Ток контура протекает обратно к контроллеру по проводу, затем проходит через резистор приемника на землю и возвращается к источнику питания (карте ввода-вывода или барьеру).

Ток, протекающий через Rreceiver, создает напряжение, которое легко измеряется аналоговым входом контроллера. Для резистора 250 Ом напряжение будет 1 В постоянного тока при 4 мА и 5 В постоянного тока при 20 мА.

Компоненты токовой петли 4-20 мА:

1. Блок питания

Источники питания для 2-проводных преобразователей всегда должны быть постоянным током, потому что изменение тока представляет собой измеряемый параметр. Если бы использовалась мощность переменного тока, ток в контуре постоянно менялся.

Следовательно, изменение тока, протекающего от преобразователя, невозможно отличить от изменения тока, вызванного источником питания переменного тока.

Для контуров 4–20 мА с 2-проводными датчиками общие напряжения источника питания составляют 36 В постоянного тока, 24 В постоянного тока, 15 В постоянного тока и 12 В постоянного тока.

Токовые петли, использующие 3-проводные преобразователи, могут иметь источники питания переменного или постоянного тока. Наиболее распространенным источником питания переменного тока является управляющий трансформатор 24 В переменного тока или 230 А переменного тока.

Обязательно сверьтесь с любой литературой по установке преобразователя на предмет надлежащих требований к напряжению.

Для 2-проводного передатчика источником питания является плата ввода-вывода в системном шкафу или барьер в шкафу коммутации.

2 . Передатчик

Измерительный преобразователь является сердцем сигнальной системы 4–20 мА.Это устройство, используемое для передачи данных от датчика по двухпроводной токовой петле. В любой токовой петле может быть только один выход передатчика. Он действует как переменный резистор по отношению к входному сигналу и является ключом к системе передачи сигнала 4–20 мА.

Преобразователь преобразует реальный сигнал, такой как расход, скорость, положение, уровень, температура, влажность, давление и т. Д., В управляющий сигнал, необходимый для регулирования протекания тока в токовой петле. Уровень тока контура регулируется датчиком, чтобы он был пропорционален фактическому входному сигналу датчика.

Важным отличием является то, что передаваемый сигнал – это не ток в контуре, а скорее сигнал датчика, который он представляет. Преобразователь обычно использует выход 4 мА для представления калиброванного нулевого входа или 0% и выход 20 мА для представления калиброванного входного сигнала полной шкалы или 100%

Обычно мощность передатчиков составляет от 12 до 36 В постоянного тока. Более низкое напряжение – это минимальное напряжение, необходимое для обеспечения правильной работы передатчика. Более высокое напряжение – это максимальное напряжение, которое передатчик может выдерживать и работать в соответствии с заявленными характеристиками.

Распространенное заблуждение о датчиках состоит в том, что они являются источником тока контура, но датчик не является источником тока. Скорее, это последовательно соединенная цепь отвода тока, которая будет пытаться потреблять ток от источника питания, подключенного к его выходным клеммам.

Ток в контуре – это среда, через которую передается сигнал датчика. Ток, протекающий через преобразователь, пропорционален измеряемому входному сигналу. При правильной калибровке этот ток будет варьироваться от 4 до 20 мА в диапазоне входного сигнала датчика.Передатчик также будет делать поправки на поддержку уровней выходного тока ниже и выше диапазона.

3. Резистор приемника

Намного легче измерить напряжение, чем измерить ток. Поэтому во многих схемах токовой петли (например, в схеме на Рисунке 1) используется резистор приемника (Rreceiver) для преобразования тока в напряжение.

На рисунке 1 Rreceiver представляет собой прецизионный резистор 250 Ом. Ток, протекающий через него, создает напряжение, которое легко измеряется аналоговым входом контроллера.

Для резистора 250 Ом напряжение будет 1 В постоянного тока при токе контура 4 мА и 5 В постоянного тока при токе контура 20 мА. Самый распространенный резистор приемника в контуре 4–20 мА – 250 Ом; однако, в зависимости от применения, можно использовать сопротивление от 100 Ом до 750 Ом.

4. Проволока

Влияние сопротивления провода в токовой петле часто игнорируется, так как оно обычно приводит к незначительному падению напряжения на коротких расстояниях и в небольших установках.

Однако на больших расстояниях передачи это падение может быть значительным и должно быть учтено, поскольку в некоторых установках с токовой петлей будут использоваться провода, распределенные на сотни и даже тысячи футов.

Чтобы проиллюстрировать влияние сопротивления проводов, в следующей таблице перечислены сопротивления обычных калибров медных проводов.

При пропускании тока по проводу происходит падение напряжения, пропорциональное длине и толщине (калибру) провода. Как правило, будет предпочтительнее использовать кабель толщиной 1,5 кв. Мм, однако в зависимости от области применения или конструкции установки также будут использоваться 0,5 кв. Мм, 2,5 кв. Мм, 3 кв. Мм, 6 кв. Мм и т. Д.

Все провода имеют сопротивление, обычно выражаемое в Ом на 1000 футов.

Падение напряжения можно рассчитать по закону Ома:

E = I x R

E = напряжение на резисторе в вольтах;
I = ток, протекающий по проводнику, в амперах;
R = сопротивление проводника в Ом.

Сопротивление проводов для обычных размеров проводов показано в Таблице 1 выше.

В качестве примера потенциального сопротивления провода удара, которое может иметь в установке, предположим, что мы соединили наши элементы контура вместе, используя 3000 футов 24 AWG.Обратите внимание, что 3000 футов – это общая длина провода в оба конца. Таким образом, мы можем рассчитать сопротивление провода 3000 футов * 26,2 Ом / 1000 футов = 78,6 Ом. Это приведет к падению напряжения 0,022 А * 78,6 Ом = 1,73 В при максимальном токе контура 22 мА.

Если вам часто приходится выполнять такие расчеты, но у вас нет под рукой диаграммы AWG для медных проводов, вы можете приблизительно определить сопротивление провода данного калибра, заняв в память три точки:

Медный провод 40 AWG составляет примерно 1 Ом на фут (см. Таблицу 1 и см. 40 AWG – 1070 Ом на 1000 футов, или 1.07 Ом на фут).

Каждые 10 проводов сечения ниже делят сопротивление на 10 (см. Таблицу 1 и обратите внимание, что 30AWG составляет 105,2 Ом на 1000 футов или 0,1 Ом на фут).

Каждые 3 калибра проводов уменьшают сопротивление наполовину.

Например, чтобы приблизительно определить сопротивление медного провода 24AWG, не обращаясь к таблице, вы можете вычислить в уме следующим образом:

Помните, что 40AWG составляет 1 Ом / фут. Тогда 10AWG ниже – это 30AWG и одна десятая от этого значения, или 0.1 Ом / фут. Тогда на 3 AWG ниже будет 27AWG при половине этого значения, или 0,05 Ом / фут. Тогда на 3 AWG ниже при 24AWG это половина этого значения, или 0,025 Ом / фут.

Теперь сравните это с таблицей 1 и обратите внимание, что провод 24AWG на самом деле составляет 26,17 Ом на 1000 футов или 0,02617 Ом на фут. Наше приближение составляет менее 5% от значения в таблице 1. Вы заметите небольшие различия в значениях сопротивления проводов от производителя к производителю.

Insensitivit y к электрическому шуму

Самым большим преимуществом использования токовой петли для передачи данных является внутренняя нечувствительность токовой петли к электрическим шумам.С каждым передатчиком связано выходное сопротивление.

В идеале выходное сопротивление датчика тока должно быть бесконечным. Однако реальные передатчики имеют очень большое, но не бесконечное выходное сопротивление. Это выходное сопротивление можно представить в виде резистора на принципиальной схеме.

На схеме справа (рис. 2) показаны сопротивления компонентов токовой петли 4–20 мА с источником шума, добавленным к петле.

Из-за высокого выходного сопротивления передатчика (3.64MegΩ) подавляющая часть шумового напряжения падает на передатчик, и лишь малая его часть падает на приемник. Поскольку контроллер видит только напряжение на приемнике, шумовое напряжение почти не влияет на контроллер.

Пример уменьшения шума токовой петли:

Если источник шума на Рисунке 2 имеет амплитуду 20 В, то напряжение шума, видимое на приемнике, составляет всего 0,0014 вольт. Это связано с тем, что напряжение шума, измеренное на любом резисторе, равно сопротивлению этого резистора, деленному на общее сопротивление в цепи, умноженное на напряжение шума.

Шум напряжения на приемнике =

Vnoise x Rreceiver / (Rwire + Rtransmitter + Rreceiver)

Вшум = 20 x 250 / 3,640,260 = 0,0014 вольт

Напряжение на приемнике при токе контура 20 мА составляет пять вольт. Добавление 0,0014 вольт шума составляет всего 0,028% от пяти вольт, что является незначительной ошибкой.

Если источник питания, показанный на Рисунке 1, изменяется так, что падение напряжения на передатчике изменяется от 7 до 24 В постоянного тока, выходной ток изменяется только на 0.000005 ампер или 5 микроампер. Это составляет всего 0,00125 В на резисторе приемника 250 Ом, что является незначительным отклонением.

Что делает передачу сигнала 4-20 мА такой привлекательной?

Хотя мы рассмотрели некоторые основы двухпроводных токовых петель 4–20 мА и основные элементы петли, и у нас есть представление о том, как они работают вместе, давайте рассмотрим некоторые преимущества передачи сигнала 4–20 мА.

Вероятно, самым большим преимуществом использования токовой петли для передачи сигнала является низкая чувствительность токовой петли к электрическим шумам.Это очень важно для передачи на большие расстояния в суровых промышленных условиях. Как обычно система с низким импедансом, она гораздо менее чувствительна к наведенному шуму, чем, возможно, высокоимпедансный вход усилителя напряжения.

Токи, подаваемые типичными источниками шума, обычно не превышают нескольких сотен микроампер, что обычно незначительно для диапазона 16 мА. Использование «живого нуля» также улучшает отношение сигнал / шум на низких уровнях, позволяя нам точно различать низкие уровни сигнала без добавления шума или помех.

Еще одно преимущество токовой петли 4–20 мА состоит в том, что она практически без потерь в отношении среды передачи (провода) и межсоединений (разъемов). То есть на точность сигнала не влияет падение напряжения в соединительной проводке. Это позволяет передавать сигнал на большие расстояния с разными проводниками.

Сравните это с сигналами напряжения, которые всегда будут иметь связанные потери сигнала, связанные с длиной проводов – ток сигнала 4–20 мА не вызывает никаких потерь сигнала в этом же сценарии.Закон Кирхгофа учит нас, что ток в петле эквивалентен в любой точке петли. То есть, если вы обнаружите 12 мА на входе приемника, вы можете быть уверены, что 12 мА проходит через ваш передатчик.

4 мА «смещение нуля», «действующий ноль» или «положительный ноль» являются отказоустойчивыми. Использование 4 мА в качестве отправной точки для нашего передаваемого сигнала полезно при поиске неисправностей, поскольку целостность сигнала проверяется с 0% входного и выходного сигнала.

Отказ токовой петли из-за обрыва провода или разомкнутого устройства можно сразу определить как нулевой ток, что является безопасным уровнем за пределами диапазона сигнала.Путем смещения сигнала от нуля некоторые передатчики определяют предел срабатывания сигнализации чуть ниже 4 мА и отличный от нуля, что позволяет приемнику обнаруживать другие сбои в системе, например обрыв провода входного датчика.

Наличие живого нуля в вашей системе управления также позволяет вам установить «ноль» вашего управляемого устройства (то есть клапана привода или другого устройства) чуть ниже 4 мА, чтобы удерживать его полностью выключенным.