Waarom 4-20mA?

Wat is 4-20mA?

De signaalstandaard 4-20 mA DC (1-5 V DC) is gedefinieerd door de International Electrotechnical Commission (IEC) en wordt gebruikt voor analoge signalen in procesbesturingssystemen.

Over het algemeen wordt de signaalstroom voor instrumenten en meters ingesteld op 4-20 mA, waarbij 4 mA de minimale stroom vertegenwoordigt en 20 mA de maximale stroom vertegenwoordigt.

Waarom is de huidige output?

In industriële omgevingen kan het gebruik van een signaalversterker voor het conditioneren en verzenden van signalen over lange afstanden met behulp van spanningssignalen tot verschillende problemen leiden. Ten eerste kunnen spanningssignalen die via kabels worden verzonden gevoelig zijn voor ruisinterferentie. Ten tweede kan de verdeelde weerstand van de transmissielijnen spanningsdalingen veroorzaken. Ten derde kan het leveren van stroom aan de signaalversterker in het veld een uitdaging zijn.

Om deze problemen aan te pakken en de impact van ruis te minimaliseren, wordt stroom gebruikt om signalen over te brengen, omdat deze minder gevoelig is voor ruis. De stroomlus van 4-20 mA gebruikt 4 mA om het nulsignaal weer te geven en 20 mA om het volledige signaal weer te geven, waarbij signalen onder 4 mA en boven 20 mA worden gebruikt voor verschillende foutalarmen.

Waarom gebruiken we 4-20mA DC (1-5V DC)?

Veldinstrumenten kunnen een tweedraadssysteem implementeren, waarbij de voeding en belasting in serie zijn verbonden met een gemeenschappelijk punt, en slechts twee draden worden gebruikt voor signaalcommunicatie en stroomvoorziening tussen de veldzender en het instrument in de controlekamer. Door een 4mA DC-signaal als startstroom te gebruiken, wordt een statische bedrijfsstroom aan de zender geleverd, en door het elektrische nulpunt op 4 mA DC in te stellen, wat niet samenvalt met het mechanische nulpunt, kunnen fouten zoals stroomuitval en kabelbreuken worden gedetecteerd . Daarnaast is het tweedraadssysteem geschikt voor het gebruik van veiligheidsbarrières, wat bijdraagt ​​aan de explosiebeveiliging.

Instrumenten in de controlekamer maken gebruik van spanningsparallelle signaaloverdracht, waarbij instrumenten die tot hetzelfde besturingssysteem behoren een gemeenschappelijke terminal delen, wat het gemakkelijk maakt voor het testen, afstellen, computerinterfaces en alarmapparatuur van instrumenten.

De reden voor het gebruik van 4-20 mA DC voor signaalcommunicatie tussen veldinstrumenten en controlekamerinstrumenten is dat de afstand tussen het veld en de controlekamer aanzienlijk kan zijn, wat leidt tot een hogere kabelweerstand. Het verzenden van spanningssignalen over lange afstanden kan tot aanzienlijke fouten leiden als gevolg van de spanningsval veroorzaakt door de kabelweerstand en de ingangsweerstand van het ontvangende instrument. Het gebruik van een bronsignaal met constante stroom voor transmissie op afstand zorgt ervoor dat de stroom in de lus onveranderd blijft, ongeacht de kabellengte, waardoor de transmissienauwkeurigheid wordt gegarandeerd.

De reden voor het gebruik van een 1-5V DC-signaal voor de onderlinge verbinding tussen instrumenten in de controlekamer is om het mogelijk te maken dat meerdere instrumenten hetzelfde signaal ontvangen en om te helpen bij de bedrading en het vormen van verschillende complexe besturingssystemen. Als een stroombron als verbindingssignaal wordt gebruikt en meerdere instrumenten tegelijkertijd hetzelfde signaal ontvangen, moeten hun ingangsweerstanden in serie worden geschakeld. Dit zou de belastingscapaciteit van het zendende instrument overschrijden, en de signaalaardpotentialen van de ontvangende instrumenten zouden anders zijn, waardoor interferentie zou worden geïntroduceerd en een gecentraliseerde stroomvoorziening zou worden voorkomen.

Het gebruik van een spanningsbronsignaal voor onderlinge verbinding vereist het omzetten van het stroomsignaal dat wordt gebruikt voor communicatie met veldinstrumenten in een spanningssignaal. De eenvoudigste methode is om een ​​standaardweerstand van 250 ohm in serie aan te sluiten in het stroomtransmissiecircuit, waardoor 4-20 mA DC wordt omgezet in 1-5 V DC. Meestal wordt deze taak uitgevoerd door een zender.

Dit diagram gebruikt een weerstand van 250 ohm om het stroomsignaal van 4-20 mA om te zetten in een spanningssignaal van 1-5 V, en gebruikt vervolgens een RC-filter en een diode die is aangesloten op de AD-conversiepin van de microcontroller.

“Hierbij een eenvoudig schakelschema voor het omzetten van een stroomsignaal van 4-20 mA in een spanningssignaal:

Waarom is de zender geselecteerd om een ​​4-20mA DC-signaal te gebruiken voor verzending?

1. Veiligheidsoverwegingen voor gevaarlijke omgevingen: Veiligheid in gevaarlijke omgevingen, met name voor explosieveilige instrumenten, vereist het minimaliseren van het statische en dynamische energieverbruik dat nodig is om het instrument operationeel te houden. Zenders die een standaardsignaal van 4-20 mA DC uitvoeren, gebruiken doorgaans een voeding van 24 V DC. Het gebruik van gelijkspanning komt vooral doordat het de noodzaak voor grote condensatoren en inductoren elimineert en zich richt op de verdeelde capaciteit en inductie van de verbindingsdraden tussen de zender en het controlekamerinstrument, die veel lager is dan de ontstekingsstroom van waterstofgas.

2. Transmissie via stroombron heeft de voorkeur boven spanningsbron: In gevallen waarin de afstand tussen het veld en de controlekamer aanzienlijk is, kan het gebruik van spanningsbronsignalen voor transmissie aanzienlijke fouten veroorzaken als gevolg van de spanningsval veroorzaakt door de kabelweerstand en de ingangsspanning. weerstand van het ontvangende instrument. Het gebruik van een stroombronsignaal voor transmissie op afstand zorgt ervoor dat de stroom in de lus constant blijft, ongeacht de kabellengte, waardoor de transmissienauwkeurigheid behouden blijft.

3. De keuze voor 20 mA als maximale stroom: De keuze voor een maximale stroom van 20 mA is gebaseerd op overwegingen van veiligheid, bruikbaarheid, energieverbruik en kosten. Explosieveilige instrumenten kunnen alleen lage spanning en lage stroom gebruiken. De stroomsterkte van 4-20 mA en 24 V DC zijn veilig voor gebruik in de aanwezigheid van brandbare gassen. De ontstekingsstroom voor waterstofgas met 24V DC is 200mA, aanzienlijk hoger dan 20mA. Bovendien wordt rekening gehouden met factoren zoals de afstand tussen instrumenten op de productielocatie, belasting, energieverbruik, vereisten voor elektronische componenten en vereisten voor de stroomvoorziening.

4. De keuze voor 4 mA als startstroom: de meeste zenders die 4-20 mA uitvoeren, werken in een tweedraadssysteem, waarbij de voeding en belasting in serie zijn verbonden met een gemeenschappelijk punt en er slechts twee draden worden gebruikt voor signaalcommunicatie en voeding tussen de veldzender en het controlekamerinstrument. De keuze van een startstroom van 4 mA is essentieel voor de werking van het zendercircuit. Een startstroom van 4 mA, die niet samenvalt met het mechanische nulpunt, zorgt voor een “actief nulpunt” dat helpt bij het identificeren van fouten zoals stroomuitval en kabelbreuken.

Het gebruik van 4-20mA-signalen zorgt voor minimale interferentie, veiligheid en betrouwbaarheid, waardoor dit de algemeen aanvaarde standaard is in industriële toepassingen. Andere uitgangssignaalformaten, zoals 3,33 mV/V, 2 mV/V, 0-5V en 0-10V, worden echter ook gebruikt om sensorsignalen beter te verwerken en verschillende besturingssystemen te ondersteunen.