למה 4-20mA?

מה זה 4-20mA?

תקן האות 4-20mA DC (1-5V DC) מוגדר על ידי הנציבות האלקטרוטכנית הבינלאומית (IEC) ומשמש לאותות אנלוגיים במערכות בקרת תהליך.

באופן כללי, זרם האות עבור מכשירים ומדים מוגדר ל-4-20mA, כאשר 4mA מייצג את הזרם המינימלי ו-20mA מייצג את הזרם המקסימלי.

למה הפלט הנוכחי?

במסגרות תעשייתיות, שימוש במגבר אותות לתנאי והעברת אותות למרחקים ארוכים באמצעות אותות מתח יכול להוביל למספר בעיות. ראשית, אותות מתח המועברים דרך כבלים יכולים להיות רגישים להפרעות רעש. שנית, ההתנגדות המפוזרת של קווי ההולכה עלולה לגרום לירידות מתח. שלישית, אספקת חשמל למגבר האותות בשטח יכולה להיות מאתגרת.

כדי לטפל בבעיות אלו ולמזער את השפעת הרעש, זרם משמש להעברת אותות מכיוון שהוא פחות רגיש לרעש. לולאת הזרם של 4-20mA משתמשת ב-4mA לייצוג אות אפס ו-20mA לייצוג אות בקנה מידה מלא, כאשר אותות מתחת ל-4mA ומעל ל-20mA משמשים לאזעקות תקלות שונות.

מדוע אנו משתמשים 4-20mA DC (1-5V DC)?

מכשירי שטח יכולים ליישם מערכת דו-חוטית, שבה ספק הכוח והעומס מחוברים בסדרה עם נקודה משותפת, ורק שני חוטים משמשים לתקשורת אותות ואספקת חשמל בין משדר השדה למכשיר חדר הבקרה. שימוש באות DC 4mA כזרם ההתחלה מספק זרם הפעלה סטטי למשדר, והגדרת נקודת האפס החשמלית ב-4mA DC, שאינה חופפת לנקודת האפס המכנית, מאפשרת זיהוי של תקלות כמו הפסקת חשמל ושבירת כבלים. . בנוסף, מערכת הדו-חוטים מתאימה לשימוש במחסומי בטיחות, המסייעים בהגנה מפני פיצוץ.

מכשירי חדר בקרה משתמשים בהעברת אותות מתח מקביל, כאשר מכשירים השייכים לאותה מערכת בקרה חולקים מסוף משותף, מה שהופך אותו לנוח לבדיקת מכשירים, התאמה, ממשקי מחשב והתקני אזעקה.

הסיבה לשימוש ב-4-20mA DC לתקשורת אותות בין מכשירי שדה ומכשירי חדר בקרה היא שהמרחק בין השדה לחדר הבקרה יכול להיות משמעותי, מה שמוביל להתנגדות גבוהה יותר של הכבלים. העברת אותות מתח למרחקים ארוכים עלולה לגרום לשגיאות משמעותיות עקב ירידת המתח הנגרמת על ידי התנגדות הכבל והתנגדות הכניסה של המכשיר המקבל. שימוש באות מקור זרם קבוע לשידור מרחוק מבטיח שהזרם בלולאה יישאר ללא שינוי ללא קשר לאורך הכבל, מה שמבטיח דיוק שידור.

הסיבה לשימוש באות 1-5V DC לחיבור בין מכשירי חדר בקרה היא להקל על מספר מכשירים המקבלים את אותו אות ולסייע בחיווט ויצירת מערכות בקרה מורכבות שונות. אם משתמשים במקור זרם כאות החיבור, כאשר מכשירים מרובים מקבלים את אותו אות בו זמנית, יש לחבר את התנגדות הכניסה שלהם בסדרה. זה יחרוג מיכולת העומס של המכשיר המשדר, ופוטנציאל הארקת האות של המכשירים המקבלים יהיו שונים, יביא הפרעות וימנע אספקת חשמל מרכזית.

שימוש באות מקור מתח לחיבור הדדי מחייב המרת אות הזרם המשמש לתקשורת עם מכשירי שדה לאות מתח. השיטה הפשוטה ביותר היא לחבר נגד סטנדרטי של 250 אוהם בסדרה במעגל השידור הנוכחי, תוך המרת 4-20mA DC ל-1-5V DC. בדרך כלל, משימה זו מתבצעת על ידי משדר.

תרשים זה משתמש בנגד 250 אוהם כדי להמיר את אות הזרם של 4-20mA לאות מתח של 1-5V, ולאחר מכן הוא משתמש במסנן RC ודיודה המחוברים לפין ההמרה AD של המיקרו-בקר.

"מצורף כאן תרשים מעגל פשוט להמרת אות זרם של 4-20mA לאות מתח:

מדוע נבחר המשדר להשתמש באות DC 4-20mA לשידור?

1. שיקולי בטיחות בסביבות מסוכנות: בטיחות בסביבות מסוכנות, במיוחד עבור מכשירים חסיני פיצוץ, מחייבת מזעור צריכת החשמל הסטטית והדינמית הדרושה לשמירה על פעולת המכשיר. משדרים המוציאים אות סטנדרטי של 4-20mA DC משתמשים בדרך כלל בספק כוח של 24V DC. השימוש במתח DC נובע בעיקר בגלל שהוא מייתר את הצורך בקבלים ומשרנים גדולים ומתמקד בקיבול וההשראות המבוזרים של חוטי החיבור בין המשדר למכשיר חדר הבקרה, הנמוך בהרבה מזרם ההצתה של גז מימן.

2. שידור מקור זרם מועדף על פני מקור מתח: במקרים בהם המרחק בין השדה לחדר הבקרה גדול, השימוש באותות מקור מתח לשידור יכול להכניס שגיאות משמעותיות עקב ירידת המתח הנגרמת מהתנגדות הכבל והכניסה התנגדות של המכשיר המקבל. שימוש באות מקור זרם לשידור מרחוק מבטיח שהזרם בלולאה יישאר קבוע, ללא קשר לאורך הכבל, ובכך שומר על דיוק השידור.

3. הבחירה ב-20mA כזרם המקסימלי: הבחירה בזרם מקסימלי של 20mA מבוססת על שיקולים של בטיחות, פרקטיות, צריכת חשמל ועלות. מכשירים חסיני פיצוץ יכולים להשתמש רק במתח נמוך ובזרם נמוך. זרם 4-20mA ו-24V DC בטוחים לשימוש בנוכחות גזים דליקים. זרם ההצתה עבור גז מימן עם 24V DC הוא 200mA, גבוה משמעותית מ-20mA. בנוסף, נלקחים בחשבון גורמים כגון המרחק בין מכשירי אתר הייצור, עומס, צריכת חשמל, דרישות רכיבים אלקטרוניים ודרישות אספקת חשמל.

4. הבחירה ב-4mA כזרם ההתחלה: רוב המשדרים שמוציאים 4-20mA פועלים במערכת דו-חוטית, שבה ספק הכוח והעומס מחוברים בסדרה עם נקודה משותפת, ורק שני חוטים משמשים לתקשורת אותות ואספקת חשמל בין משדר השדה למכשיר חדר הבקרה. הבחירה בזרם התחלה של 4mA חיונית להפעלת מעגל המשדר. זרם התנעה של 4mA, שאינו חופף לנקודת האפס המכנית, מספק "נקודת אפס פעילה" המסייעת בזיהוי תקלות כגון הפסקת חשמל ושבירת כבלים.

השימוש באותות של 4-20mA מבטיח הפרעות מינימליות, בטיחות ואמינות, מה שהופך אותו לסטנדרט הנפוץ ביישומים תעשייתיים. עם זאת, פורמטים אחרים של אותות פלט, כגון 3.33mV/V, 2mV/V, 0-5V ו-0-10V, משמשים גם לטיפול טוב יותר באותות חיישנים ולתמוך במערכות בקרה שונות.