چرا 4-20 میلی آمپر؟

4-20 میلی آمپر چیست؟

استاندارد سیگنال 4-20mA DC (1-5V DC) توسط کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی (IEC) تعریف شده است و برای سیگنال های آنالوگ در سیستم های کنترل فرآیند استفاده می شود.

به طور کلی، جریان سیگنال برای ابزارها و مترها روی 4-20 میلی آمپر تنظیم می شود که 4 میلی آمپر نشان دهنده حداقل جریان و 20 میلی آمپر نشان دهنده حداکثر جریان است.

چرا خروجی جریان است؟

در تنظیمات صنعتی، استفاده از تقویت کننده سیگنال برای تنظیم و انتقال سیگنال ها در فواصل طولانی با استفاده از سیگنال های ولتاژ می تواند منجر به چندین مشکل شود. اولاً، سیگنال های ولتاژی که از طریق کابل ها منتقل می شوند، می توانند مستعد تداخل نویز باشند. دوم، مقاومت توزیع شده خطوط انتقال می تواند باعث افت ولتاژ شود. سوم، ارائه قدرت به تقویت کننده سیگنال در میدان می تواند چالش برانگیز باشد.

برای رسیدگی به این مسائل و به حداقل رساندن تاثیر نویز، جریان برای انتقال سیگنال ها استفاده می شود زیرا حساسیت کمتری به نویز دارد. حلقه جریان 4-20 میلی آمپر از 4 میلی آمپر برای نشان دادن سیگنال صفر و 20 میلی آمپر برای نمایش سیگنال در مقیاس کامل استفاده می کند، با سیگنال های کمتر از 4 میلی آمپر و بالاتر از 20 میلی آمپر برای آلارم های مختلف خطا استفاده می شود.

چرا از 4-20mA DC (1-5V DC) استفاده می کنیم؟

ابزارهای صحرایی می توانند یک سیستم دو سیمه را اجرا کنند که در آن منبع تغذیه و بار به صورت سری با یک نقطه مشترک به هم متصل می شوند و تنها از دو سیم برای ارتباط سیگنال و منبع تغذیه بین فرستنده میدان و ابزار اتاق کنترل استفاده می شود. استفاده از سیگنال 4 میلی آمپر DC به عنوان جریان راه اندازی، جریان عملیاتی استاتیکی را برای فرستنده فراهم می کند، و تنظیم نقطه صفر الکتریکی در 4 میلی آمپر DC، که با نقطه صفر مکانیکی منطبق نیست، امکان تشخیص عیوب مانند افت برق و قطع شدن کابل را فراهم می کند. . علاوه بر این، سیستم دو سیم برای استفاده از موانع ایمنی مناسب است و به محافظت در برابر انفجار کمک می کند.

ابزارهای اتاق کنترل از انتقال سیگنال موازی ولتاژ استفاده می کنند، جایی که ابزارهای متعلق به یک سیستم کنترل دارای یک ترمینال مشترک هستند که آن را برای تست ابزار، تنظیم، رابط های کامپیوتری و دستگاه های هشدار راحت می کند.

دلیل استفاده از 4 تا 20 میلی آمپر DC برای ارتباط سیگنال بین ابزارهای میدانی و ابزارهای اتاق کنترل این است که فاصله بین میدان و اتاق کنترل می تواند قابل توجه باشد و منجر به مقاومت کابل بیشتر شود. انتقال سیگنال های ولتاژ در فواصل طولانی می تواند به دلیل افت ولتاژ ناشی از مقاومت کابل و مقاومت ورودی دستگاه گیرنده، خطاهای قابل توجهی ایجاد کند. استفاده از سیگنال منبع جریان ثابت برای انتقال از راه دور تضمین می کند که جریان در حلقه بدون توجه به طول کابل بدون تغییر باقی می ماند و دقت انتقال را تضمین می کند.

دلیل استفاده از سیگنال 1-5 ولت DC برای اتصال بین ابزارهای اتاق کنترل، تسهیل در دریافت سیگنال یکسان و کمک به سیم کشی و تشکیل سیستم های کنترل پیچیده مختلف است. اگر یک منبع جریان به عنوان سیگنال اتصال استفاده شود، هنگامی که چندین ابزار به طور همزمان سیگنال یکسانی را دریافت می کنند، مقاومت های ورودی آنها باید به صورت سری متصل شوند. این از ظرفیت بار ابزار فرستنده فراتر می رود و پتانسیل زمین سیگنال ابزارهای دریافت کننده متفاوت خواهد بود که باعث ایجاد تداخل و جلوگیری از منبع تغذیه متمرکز می شود.

استفاده از سیگنال منبع ولتاژ برای اتصال به یکدیگر مستلزم تبدیل سیگنال فعلی مورد استفاده برای ارتباط با ابزارهای میدانی به سیگنال ولتاژ است. ساده ترین روش اتصال یک مقاومت استاندارد 250 اهم به صورت سری در مدار انتقال جریان است که 4-20mA DC را به 1-5V DC تبدیل می کند. به طور معمول، این کار توسط یک فرستنده انجام می شود.

این نمودار از یک مقاومت 250 اهم برای تبدیل سیگنال جریان 4-20 میلی آمپر به سیگنال ولتاژ 1-5 ولت استفاده می کند و سپس از یک فیلتر RC و یک دیود متصل به پین ​​تبدیل AD میکروکنترلر استفاده می کند.

در اینجا یک نمودار مدار ساده برای تبدیل سیگنال جریان 4-20 میلی آمپر به سیگنال ولتاژ ضمیمه شده است:

چرا فرستنده برای استفاده از سیگنال DC 4-20mA برای انتقال انتخاب شده است؟

1. ملاحظات ایمنی برای محیط‌های خطرناک: ایمنی در محیط‌های خطرناک، به‌ویژه برای ابزارهای ضد انفجار، مستلزم به حداقل رساندن توان مصرفی استاتیک و دینامیکی لازم برای حفظ کارکرد ابزار است. فرستنده هایی که سیگنال استاندارد 4-20 میلی آمپر DC را تولید می کنند معمولاً از منبع تغذیه 24 ولت DC استفاده می کنند. استفاده از ولتاژ DC عمدتاً به این دلیل است که نیاز به خازن ها و سلف های بزرگ را از بین می برد و بر ظرفیت و اندوکتانس توزیع شده سیم های اتصال بین فرستنده و ابزار اتاق کنترل تمرکز می کند که بسیار کمتر از جریان احتراق گاز هیدروژن است.

2. انتقال منبع جریان بر منبع ولتاژ ترجیح داده می شود: در مواردی که فاصله بین میدان و اتاق کنترل قابل توجه است، استفاده از سیگنال های منبع ولتاژ برای انتقال می تواند خطاهای قابل توجهی به دلیل افت ولتاژ ناشی از مقاومت کابل و ورودی ایجاد کند. مقاومت ابزار دریافت کننده استفاده از سیگنال منبع جریان برای انتقال از راه دور تضمین می کند که جریان در حلقه بدون توجه به طول کابل ثابت می ماند و در نتیجه دقت انتقال حفظ می شود.

3. انتخاب 20 میلی آمپر به عنوان حداکثر جریان: انتخاب حداکثر جریان 20 میلی آمپر بر اساس ملاحظات ایمنی، کاربردی، مصرف برق و هزینه است. ابزارهای ضد انفجار فقط می توانند از ولتاژ پایین و جریان کم استفاده کنند. جریان 4-20 میلی آمپر و 24 ولت DC برای استفاده در حضور گازهای قابل اشتعال بی خطر هستند. جریان احتراق گاز هیدروژن با 24 ولت DC 200 میلی آمپر است که به طور قابل توجهی بیشتر از 20 میلی آمپر است. علاوه بر این، عواملی مانند فاصله بین ابزارهای محل تولید، بار، مصرف برق، الزامات قطعات الکترونیکی و نیازهای منبع تغذیه در نظر گرفته می شود.

4. انتخاب 4 میلی آمپر به عنوان جریان شروع: اکثر فرستنده هایی که 4-20 میلی آمپر خروجی دارند در یک سیستم دو سیمه کار می کنند، جایی که منبع تغذیه و بار به صورت سری با یک نقطه مشترک به هم متصل می شوند و فقط از دو سیم برای ارتباط سیگنال استفاده می شود. و منبع تغذیه بین فرستنده میدان و ابزار اتاق کنترل. انتخاب جریان راه اندازی 4 میلی آمپر برای عملکرد مدار فرستنده ضروری است. یک جریان راه اندازی 4 میلی آمپر، که با نقطه صفر مکانیکی منطبق نیست، یک "نقطه صفر فعال" را فراهم می کند که به شناسایی عیوب مانند قطع برق و قطع شدن کابل کمک می کند.

استفاده از سیگنال های 4-20 میلی آمپر حداقل تداخل، ایمنی و قابلیت اطمینان را تضمین می کند و آن را به استانداردی که به طور گسترده در کاربردهای صنعتی پذیرفته شده است تبدیل می کند. با این حال، فرمت های سیگنال خروجی دیگر، مانند 3.33mV/V، 2mV/V، 0-5V و 0-10V نیز برای کنترل بهتر سیگنال های سنسور و پشتیبانی از سیستم های مختلف کنترل استفاده می شود.