Hvorfor 4-20mA?

Hva er 4-20mA?

4-20mA DC (1-5V DC) signalstandard er definert av International Electrotechnical Commission (IEC) og brukes for analoge signaler i prosesskontrollsystemer.

Generelt er signalstrømmen for instrumenter og målere satt til 4-20mA, hvor 4mA representerer minimumsstrømmen og 20mA representerer maksimalstrømmen.

Hvorfor er strømutgangen?

I industrielle omgivelser kan bruk av en signalforsterker for å kondisjonere og overføre signaler over lange avstander ved bruk av spenningssignaler føre til flere problemer. For det første kan spenningssignaler som sendes over kabler, være utsatt for støyforstyrrelser. For det andre kan den distribuerte motstanden til overføringslinjene forårsake spenningsfall. For det tredje kan det være utfordrende å gi strøm til signalforsterkeren i felten.

For å løse disse problemene og minimere virkningen av støy, brukes strøm til å overføre signaler fordi den er mindre følsom for støy. 4-20mA strømsløyfen bruker 4mA for å representere nullsignal og 20mA for å representere fullskalasignal, med signaler under 4mA og over 20mA brukt til ulike feilalarmer.

Hvorfor bruker vi 4-20mA DC (1-5V DC)?

Feltinstrumenter kan implementere et to-leder system, hvor strømforsyning og last er koblet i serie med et felles punkt, og kun to ledninger brukes til signalkommunikasjon og strømforsyning mellom feltsender og kontrollromsinstrument. Bruk av et 4mA DC-signal som startstrøm gir statisk driftsstrøm til senderen, og innstilling av det elektriske nullpunktet til 4mA DC, som ikke sammenfaller med det mekaniske nullpunktet, gjør det mulig å oppdage feil som strømtap og kabelbrudd . I tillegg er to-trådssystemet egnet for bruk av sikkerhetsbarrierer, som hjelper til med eksplosjonsbeskyttelse.

Kontrollromsinstrumenter bruker spenningsparallell signaloverføring, der instrumenter som tilhører samme kontrollsystem deler en felles terminal, noe som gjør det praktisk for instrumenttesting, justering, datagrensesnitt og alarmenheter.

Grunnen til å bruke 4-20mA DC for signalkommunikasjon mellom feltinstrumenter og kontrollromsinstrumenter er at avstanden mellom felt og kontrollrom kan være betydelig, noe som fører til høyere kabelmotstand. Overføring av spenningssignaler over lange avstander kan resultere i betydelige feil på grunn av spenningsfallet forårsaket av kabelmotstanden og inngangsmotstanden til mottakerinstrumentet. Bruk av et konstant strømkildesignal for fjernoverføring sikrer at strømmen i sløyfen forblir uendret uavhengig av kabellengden, noe som garanterer overføringsnøyaktighet.

Grunnen til å bruke et 1-5V DC-signal for sammenkobling mellom kontrollromsinstrumenter er for å gjøre det lettere for flere instrumenter å motta samme signal og for å hjelpe til med kabling og forming av ulike komplekse kontrollsystemer. Hvis en strømkilde brukes som sammenkoblingssignal, når flere instrumenter mottar det samme signalet samtidig, må inngangsmotstandene deres kobles i serie. Dette ville overskride belastningskapasiteten til senderinstrumentet, og signaljordpotensialene til mottakerinstrumentene ville være forskjellige, og introdusere interferens og forhindre sentralisert strømforsyning.

Bruk av et spenningskildesignal for sammenkobling krever konvertering av strømsignalet som brukes for kommunikasjon med feltinstrumenter til et spenningssignal. Den enkleste metoden er å koble en standard 250 ohm motstand i serie i strømoverføringskretsen, og konvertere 4-20mA DC til 1-5V DC. Vanligvis utføres denne oppgaven av en sender.

Dette diagrammet bruker en 250-ohm motstand for å konvertere 4-20mA strømsignalet til et 1-5V spenningssignal, og deretter bruker det et RC-filter og en diode koblet til mikrokontrollerens AD-konverteringspinne.

"Her vedlagt et enkelt kretsskjema for å konvertere et 4-20mA strømsignal til et spenningssignal:

Hvorfor er senderen valgt for å bruke et 4-20mA DC-signal for overføring?

1. Sikkerhetshensyn for farlige miljøer: Sikkerhet i farlige miljøer, spesielt for eksplosjonssikre instrumenter, krever å minimere det statiske og dynamiske strømforbruket som er nødvendig for å holde instrumentet i drift. Sendere som sender ut et 4-20mA DC standardsignal bruker vanligvis en 24V DC strømforsyning. Bruken av likespenning er hovedsakelig fordi det eliminerer behovet for store kondensatorer og induktorer og fokuserer på den distribuerte kapasitansen og induktansen til tilkoblingsledningene mellom senderen og kontrollromsinstrumentet, som er mye lavere enn tennstrømmen til hydrogengass.

2. Strømkildeoverføring foretrekkes fremfor spenningskilde: I tilfeller hvor avstanden mellom felt og kontrollrom er betydelig, kan bruk av spenningskildesignaler for overføring introdusere betydelige feil på grunn av spenningsfallet forårsaket av kabelmotstanden og inngangen motstanden til mottakerinstrumentet. Bruk av et strømkildesignal for fjernoverføring sikrer at strømmen i sløyfen forblir konstant, uavhengig av kabellengde, og opprettholder dermed overføringsnøyaktigheten.

3. Valg av 20mA som maksimal strøm: Valget av maksimal strøm på 20mA er basert på hensyn til sikkerhet, praktisk, strømforbruk og kostnad. Eksplosjonssikre instrumenter kan kun bruke lavspenning og lavstrøm. 4-20mA-strømmen og 24V DC er trygge for bruk i nærvær av brennbare gasser. Tennstrømmen for hydrogengass med 24V DC er 200mA, betydelig høyere enn 20mA. I tillegg tas faktorer som avstanden mellom instrumenter på produksjonsstedet, belastning, strømforbruk, krav til elektroniske komponenter og strømforsyningskrav i betraktning.

4. Valg av 4mA som startstrøm: De fleste sendere som gir ut 4-20mA opererer i et to-leder system, hvor strømforsyning og last er koblet i serie med et felles punkt, og kun to ledninger brukes til signalkommunikasjon og strømforsyning mellom feltsender og kontrollromsinstrument. Valget av en 4mA startstrøm er avgjørende for at senderkretsen skal fungere. En startstrøm på 4mA, som ikke sammenfaller med det mekaniske nullpunktet, gir et "aktivt nullpunkt" som hjelper til med å identifisere feil som strømtap og kabelbrudd.

Bruken av 4-20mA-signaler sikrer minimal interferens, sikkerhet og pålitelighet, noe som gjør den til den utbredte standarden i industrielle applikasjoner. Imidlertid brukes andre utgangssignalformater, som 3,33mV/V, 2mV/V, 0-5V og 0-10V, også for å bedre håndtere sensorsignaler og støtte ulike kontrollsystemer.