Основы токовой петли 4-20 мА

 

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.