Hvorfor 4-20mA?

Hvad er 4-20mA?

4-20mA DC (1-5V DC) signalstandard er defineret af International Electrotechnical Commission (IEC) og bruges til analoge signaler i processtyringssystemer.

Generelt er signalstrømmen for instrumenter og målere sat til 4-20mA, hvor 4mA repræsenterer minimumsstrømmen og 20mA repræsenterer den maksimale strøm.

Hvorfor er strømudgangen?

I industrielle omgivelser kan brug af en signalforstærker til at konditionere og transmittere signaler over lange afstande ved hjælp af spændingssignaler føre til flere problemer. For det første kan spændingssignaler, der transmitteres over kabler, være modtagelige for støjinterferens. For det andet kan transmissionsledningernes fordelte modstand forårsage spændingsfald. For det tredje kan det være en udfordring at levere strøm til signalforstærkeren i marken.

For at løse disse problemer og minimere virkningen af ​​støj bruges strøm til at transmittere signaler, fordi den er mindre følsom over for støj. 4-20mA strømsløjfen bruger 4mA til at repræsentere nulsignal og 20mA til at repræsentere fuldskalasignal, med signaler under 4mA og over 20mA brugt til forskellige fejlalarmer.

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

Feltinstrumenter kan implementere et to-leder system, hvor strømforsyning og belastning er forbundet i serie med et fælles punkt, og kun to ledninger bruges til signalkommunikation og strømforsyning mellem feltsender og kontrolrumsinstrument. Brug af et 4mA DC-signal som startstrøm giver statisk driftsstrøm til senderen, og indstilling af det elektriske nulpunkt til 4mA DC, som ikke falder sammen med det mekaniske nulpunkt, giver mulighed for detektering af fejl såsom strømtab og kabelbrud . Derudover er to-trådssystemet velegnet til brug af sikkerhedsbarrierer, der hjælper med eksplosionsbeskyttelse.

Kontrolrumsinstrumenter bruger spændingsparallel signaltransmission, hvor instrumenter, der tilhører det samme kontrolsystem, deler en fælles terminal, hvilket gør det praktisk til instrumenttest, justering, computergrænseflader og alarmenheder.

Grunden til at bruge 4-20mA DC til signalkommunikation mellem feltinstrumenter og kontrolrumsinstrumenter er, at afstanden mellem felt og kontrolrum kan være betydelig, hvilket fører til højere kabelmodstand. Transmission af spændingssignaler over lange afstande kan resultere i væsentlige fejl på grund af spændingsfaldet forårsaget af kabelmodstanden og det modtagende instruments inputmodstand. Brug af et konstant strømkildesignal til fjerntransmission sikrer, at strømmen i sløjfen forbliver uændret uanset kabellængden, hvilket garanterer transmissionsnøjagtighed.

Årsagen til at bruge et 1-5V DC-signal til sammenkobling mellem kontrolrumsinstrumenter er for at lette flere instrumenter, der modtager det samme signal og for at hjælpe med ledningsføring og dannelse af forskellige komplekse kontrolsystemer. Hvis en strømkilde bruges som sammenkoblingssignal, når flere instrumenter modtager det samme signal samtidigt, skal deres indgangsmodstande forbindes i serie. Dette ville overskride belastningskapaciteten for det transmitterende instrument, og signaljordpotentialerne for de modtagende instrumenter ville være forskellige, hvilket ville introducere interferens og forhindre centraliseret strømforsyning.

Brug af et spændingskildesignal til sammenkobling kræver konvertering af det aktuelle signal, der bruges til kommunikation med feltinstrumenter, til et spændingssignal. Den enkleste metode er at forbinde en standard 250 ohm modstand i serie i strømtransmissionskredsløbet, hvorved 4-20mA DC konverteres til 1-5V DC. Typisk udføres denne opgave af en sender.

Dette diagram bruger en 250-ohm modstand til at konvertere 4-20mA strømsignalet til et 1-5V spændingssignal, og derefter bruger det et RC-filter og en diode forbundet til mikrocontrollerens AD-konverteringsstift.

"Her vedhæftet et simpelt kredsløbsdiagram til at konvertere et 4-20mA strømsignal til et spændingssignal:

Hvorfor er senderen valgt til at bruge et 4-20mA DC-signal til transmission?

1. Sikkerhedshensyn for farlige miljøer: Sikkerhed i farlige miljøer, især for eksplosionssikre instrumenter, kræver minimering af det statiske og dynamiske strømforbrug, der er nødvendigt for at holde instrumentet i drift. Sendere, der udsender et 4-20mA DC standardsignal, bruger typisk en 24V DC strømforsyning. Brugen af ​​jævnspænding skyldes hovedsageligt, at det eliminerer behovet for store kondensatorer og induktorer og fokuserer på den fordelte kapacitans og induktans af forbindelsesledningerne mellem senderen og kontrolrumsinstrumentet, som er meget lavere end tændstrømmen for brintgas.

2. Strømkildetransmission foretrækkes frem for spændingskilde: I tilfælde, hvor afstanden mellem felt og kontrolrum er betydelig, kan brugen af ​​spændingskildesignaler til transmission introducere betydelige fejl på grund af spændingsfaldet forårsaget af kabelmodstanden og inputtet det modtagende instruments modstand. Brug af et strømkildesignal til fjerntransmission sikrer, at strømmen i sløjfen forbliver konstant, uanset kabellængde, og derved opretholder transmissionsnøjagtigheden.

3. Valget af 20mA som den maksimale strøm: Valget af en maksimal strøm på 20mA er baseret på overvejelser om sikkerhed, praktisk anvendelighed, strømforbrug og omkostninger. Eksplosionssikre instrumenter kan kun bruge lav spænding og lav strøm. 4-20mA-strømmen og 24V DC er sikre til brug i nærvær af brændbare gasser. Tændstrømmen for brintgas med 24V DC er 200mA, væsentligt højere end 20mA. Derudover tages der højde for faktorer såsom afstanden mellem produktionsstedets instrumenter, belastning, strømforbrug, elektroniske komponentkrav og strømforsyningskrav.

4. Valget af 4mA som startstrøm: De fleste sendere, der udsender 4-20mA, fungerer i et to-leder system, hvor strømforsyning og belastning er forbundet i serie med et fælles punkt, og kun to ledninger bruges til signalkommunikation og strømforsyning mellem feltsenderen og kontrolrumsinstrumentet. Valget af en 4mA startstrøm er afgørende for, at senderkredsløbet kan fungere. En startstrøm på 4mA, der ikke falder sammen med det mekaniske nulpunkt, giver et "aktivt nulpunkt", der hjælper med at identificere fejl såsom strømsvigt og kabelbrud.

Brugen af ​​4-20mA signaler sikrer minimal interferens, sikkerhed og pålidelighed, hvilket gør det til den almindeligt anvendte standard i industrielle applikationer. Andre outputsignalformater, såsom 3,33mV/V, 2mV/V, 0-5V og 0-10V, bruges dog også til bedre at håndtere sensorsignaler og understøtte forskellige kontrolsystemer.