Подключение токового датчика 4–20 мА

5 Jun 2021 в 17:50
Понимание датчиков токовой петли
Для передачи данных аналоговых датчиков токовая петля 4-20 мА является очень распространенным методом передачи и полученных данных. Датчики или преобразователи обычно предназначены для измерения диапазона значений измеряемого параметра, который называется измеряемой величиной. Значение измеряемого параметра должно быть преобразовано в ток в измерительном устройстве таким образом, чтобы ток в контуре был пропорционален значению измеряемого параметра. Диапазон тока в контуре, от 4 мА до 20 мА, называется диапазоном преобразователя. Обычно преобразователь настроен таким образом, что одна конечная точка измеряемой величины будет соответствовать 4 мА, а другая конечная измеряемая величина - 20 мА.
ENERGETIK.UZ

Токовая петля 4-20 мА стала стандартом для передачи сигнала и электронного управления в большинстве аналоговых систем управления. Схема токовой петли 4-20 мА показана на рисунке 1. В токовой петле ток берется от источника питания постоянного тока, затем проходит через преобразователь с помощью полевой проводки, подключенной к резистору нагрузки петли в приемнике или контроллере, а затем возвращается к источнику питания петли, причем все элементы соединены в последовательную цепь. Все измерительные системы на основе токовой петли используют как минимум эти четыре элемента.

Преимущества токовой петли
Возникает очевидный вопрос: Зачем использовать токовую петлю 4-20 мА для передачи аналоговых данных с датчика? Ответ заключается в том, что токовая петля 4-20 мА обладает рядом преимуществ для передачи данных с датчика:
- Основная причина заключается в том, что ток петли не меняется при длинной полевой проводке, пока напряжение, развиваемое в петле, называемое напряжением соответствия, может поддерживать максимальный ток петли.
- Другим преимуществом является то, что токовая петля имеет низкий импеданс и не особенно восприимчива к шумам или электромагнитным помехам.
- Третьим преимуществом является функция "живого нуля" (нижний предел 4 мА), которая делает петлю самодиагностируемой в случае обрыва или плохого соединения в петле, или сбоя питания петли.
- Токовая петля позволяет подключать к ней последовательно другие устройства, работающие с током, например, дистанционное считывающее устройство или регистратор, в пределах ограничений, допускаемых напряжением соответствия петли.
- Низкий уровень максимального тока петли (20 мА) позволяет использовать относительно простые барьеры безопасности для ограничения тока петли до искробезопасного уровня, который предотвращает воспламенение во взрывоопасной зоне.

Источник питания шлейфа и соответствующее напряжение
При передаче тока в шлейфе возникают падения напряжения на проводниках полевой проводки и любых подключенных устройствах. Однако эти падения напряжения не влияют на ток в контуре, пока общее напряжение контура достаточно для поддержания максимального тока в контуре. Элементом, ответственным за поддержание стабильного тока в контуре (как показано на рис. 1), является источник постоянного тока контура. Диапазон напряжений, в котором петля будет функционировать, называется напряжением соответствия. Обычные значения для источников питания шлейфа 4-20 мА - 24 В постоянного тока или 36 В постоянного тока. Напряжение, выбранное разработчиком, зависит от количества элементов, последовательно соединенных с шлейфом, поскольку напряжение питания шлейфа всегда должно быть выше, чем сумма всех падений напряжения в цепи, включая падение напряжения полевой проводки. Сумма всех этих падений напряжения называется минимальным напряжением соответствия контура. Существуют определенные требования, которым должно удовлетворять напряжение соответствия, два наиболее важных из них:
- Напряжение питания должно обеспечивать питание всех устройств в шлейфе, включая падение напряжения на полевой проводке, при максимальном значении тока, обычно 20 мА.
- Максимальное выходное напряжение источника питания шлейфа должно быть равно или ниже максимального номинального напряжения любого устройства в шлейфе.

Передатчик
Датчик или преобразователь, измеряющий физический параметр, такой как температура, давление, положение или поток жидкости, подключается к схеме формирования сигнала, которая преобразует значение измеренного параметра в электрический выходной сигнал, такой как напряжение или ток, пропорциональный измеренному физическому параметру. Если этот электрический сигнал представляет собой выходной сигнал постоянного тока 4-20 мА, подключенный к токовой петле, то аппаратно-электронная система, которая посылает этот ток в петлю, называется передатчиком. Передатчик может состоять из одного устройства, содержащего чувствительный элемент и внутреннюю электронику, или в нем может использоваться датчик или преобразователь, подключенный к отдельной электронике формирования сигнала, сконфигурированной как преобразователь тока 4-20 мА.

Полевая проводка
Ток 4-20 мА циркулирует в контуре. Расстояние между комбинацией датчика и преобразователя и контроллером процесса или считывающим устройством может составлять сотню метров и более. Проводники полевой электропроводки используются в контуре для подключения датчика к аппаратуре контроля или управления процессом. Важно рассматривать их как элемент контура, поскольку они имеют некоторое сопротивление и создают падение напряжения, как и любой другой элемент контура. Если сумма всех падений напряжения выше, чем напряжение соответствия источника питания контура, ток не будет пропорционален измеряемому параметру, и система будет выдавать непригодные данные.
Сопротивление проводов полевой электропроводки обычно указывается в Омах. Падение напряжения, обусловленное проводкой возбуждения, определяется законом Ома.

Приемник или контроллер процесса
После того, как ток в контуре сгенерирован, он обычно должен быть дополнительно обработан в системе. Например, ток может быть использован в качестве обратной связи с контроллером клапана, чтобы открыть, закрыть или модулировать клапан для инициирования или управления процессом. Легче выполнять функции управления с помощью напряжения, а не тока. Приемник - это часть контура, которая преобразует ток контура в напряжение. На рисунке 3 приемник представляет собой простой резистор, включенный последовательно с контуром, поэтому, исходя из закона Ома, напряжение, развиваемое на нем, прямо пропорционально измеряемому физическому параметру - измеряемой величине.

Резистор нагрузки шлейфа
Резистор нагрузки, используемый в токовой петле 4-20 мА, не является произвольной величиной. Для любого заданного напряжения соответствия существует максимальное сопротивление нагрузки контура, при котором в контуре будет развиваться полный ток. Превышение максимального сопротивления петли, которое должно включать сопротивление полевой проводки, не позволяет системе обеспечить полный выходной ток 20 мА в петле. В случае типичного датчика с токовым выходом, график нагрузки контура которого показан на рисунке 2 ниже, при входном напряжении 18 Вольт общая нагрузка контура может достигать 550 Ом. При входном напряжении 24 вольта общая нагрузка контура может достигать 850 Ом, а при максимальном входном напряжении системы 32 вольта общая нагрузка контура может составлять 1200 Ом.
ENERGETIK.UZ

Рисунок 2 Сопротивление нагрузки петли в зависимости от напряжения питания петли для типичного датчика с выходным токовым контуром.

Важность выбора правильного резистора нагрузки петли
Выбор резистора нагрузки петли обычно зависит от напряжения входного сигнала, которое требуется системе приемника для хорошего разрешения. Ток петли 4-20 мА будет развивать 2-10 В постоянного тока через резистор нагрузки 500 Ом (E=IR). Если система приемника будет удовлетворительно работать при более низком входном напряжении, ток петли 4-20 мА будет развиваться на 1-5 В постоянного тока через резистор нагрузки 250 Ом, который является наиболее распространенной нагрузкой петли. Обратите внимание, что резистор нагрузки шлейфа довольно часто уже встроен во входные клеммы приемника. Проверьте технические характеристики приемного устройства, чтобы определить, имеется ли на его входе резистор нагрузки шлейфа.
Очень важно, чтобы мощность резистора нагрузки шлейфа была достаточной для того, чтобы любой нагрев, вызванный протекающим через резистор током, не изменил значение резистора и тем самым не изменил напряжение, развиваемое на нем. Напомним, что мощность, рассеиваемая резистором, равна I² x R. Для резистора с нагрузкой 500 Ом мощность, рассеиваемая при токе 20 мА, составляет 0,2 Вт. Хороший выбор для номинальной мощности резистора - не менее 2 Вт, поскольку такая нагрузка не будет сильно нагреваться. Даже при полном токе контура не будет изменения напряжения на резисторе нагрузки из-за нагрева от рассеиваемой мощности вместо фактического изменения тока контура. Намотанные проволокой резисторы обычно имеют более низкие температурные коэффициенты, чем металлизированные резисторы.

Типы преобразователей
Существует несколько разновидностей преобразователей тока, используемых для токовых петель 4-20 мА. В целом, они соответствуют следующим категориям, разделенным по количеству соединений, необходимых для работы:
- 2-проводные преобразователи, которые обычно работают в качестве токопоглощающих устройств с питанием от петли.
- 3-проводные передатчики, которые являются устройствами с независимым питанием от петли источника тока.
- 4-проводные передатчики, которые обычно представляют собой устройства с независимым питанием, используемые в тех случаях, когда требуется изоляция контура для устранения помех или контура заземления, или для работы в опасных зонах (hazlocs).
- Производные 4-проводных передатчиков, такие как изоляторы петли или повторители токовой петли. Часто такие устройства включаются в барьер безопасности, одобренный национальным агентством, для искробезопасных систем (ИБ), которые могут безопасно эксплуатироваться в условиях опасной зоны по определенному коду.

Двухпроводные передатчики с питанием от токовой петли
Двухпроводные передатчики с питанием от токовой петли - это электронные устройства, которые могут быть подключены к токовой петле без отдельного или независимого источника питания. Они предназначены для получения энергии от тока, протекающего в контуре. Типичные устройства с питанием от петли включают датчики, преобразователи, передатчики, повторители, изоляторы, счетчики, регистраторы, индикаторы, регистраторы данных, мониторы и многие другие типы полевых приборов.
Устройства с питанием от шлейфа важны, поскольку в некоторых системах трудно обеспечить отдельное питание для всех устройств и приборов в шлейфе. Устройство может быть расположено в шкафу, доступ к которому может быть затруднен, или в опасной зоне (hazardloc), где питание не допускается или должно быть ограничено.
На рисунке 3 показано устройство с питанием от двухпроводной петли, подключенное к токовой петле. Оно считается токопоглощающим устройством в цепи петли. Питание устройства полностью обеспечивается неиспользуемым током ниже 4 мА в контуре. Двухпроводные преобразователи с питанием от петли популярны, но обычно более дороги, чем трехпроводные.
ENERGETIK.UZ

Рисунок 3 Типичная система с питанием от 2-проводной петли

Трехпроводные преобразователи тока
Трехпроводные преобразователи отличаются от преобразователей с питанием от петли тем, что ток петли вырабатывается от источника питания постоянного тока, который обеспечивает больший ток, чем просто ток петли. Весь передатчик работает от этого источника питания и может потреблять гораздо больше тока, чем типичные устройства с питанием от двухпроводной петли. Однако 3-проводная система является источником тока, поэтому она питает петлю током, несмотря на то, что потребляет сама. 3-проводные передатчики часто менее дорогостоящие, чем 2-проводные. Типичная 3-проводная петля показана на рисунке 4 ниже. Важно отметить, что 3-проводной передатчик никогда не должен подключаться к любой системе с питанием от 2-проводной петли.
ENERGETIK.UZ

Рисунок 4 Типичная токовая петля при использовании 3-проводного передатчика
Обратите внимание, что высокая сторона источника питания не подключена непосредственно к контуру, а обратная сторона источника питания подключена через заземленную точку, поэтому при использовании 3-проводного передатчика необходимо тщательно продумать вопросы заземления для предотвращения возможных контуров заземления. Если при использовании 3-проводного передатчика требуется развязка в контуре, то можно пойти несколькими путями.
Один из способов - использовать отдельный источник питания постоянного тока для каждого выходного устройства 3-проводного контура, чтобы исключить взаимодействие с другими токовыми контурами. Другой путь - использование модуля изоляции петли. Эти устройства используют различные методы для достижения гальванической развязки, обычно с помощью трансформаторов или оптических соединителей. Они принимают сигнал 4-20 мА, работают как повторитель или ретранслятор и выдают восстановленный сигнал токовой петли 4-20 мА, который полностью изолирован. Третий способ - использование 4-проводного передатчика, в котором изоляция уже встроена.

4-проводные передатчики тока
Четырехпроводные преобразователи обладают преимуществами 3-проводных устройств, но при этом обеспечивают гальваническую развязку выхода токовой петли. 4-проводные устройства значительно дороже 3-проводных. По этой причине они обычно используются там, где необходима изоляция, или являются частью комбинированного устройства с утвержденным барьером безопасности для работы токовой петли в конкретной опасной зоне. Блок-схема 4-проводного преобразователя показана на рисунке 5 ниже. Примечательно, что само 4-проводное устройство использует для работы отдельный источник питания постоянного тока, как и 3-проводной передатчик, и подает ток в петлю таким образом.
ENERGETIK.UZ

Рисунок 5 Типичная токовая петля с использованием 4-проводного передатчика

Обзор процесса передачи данных 4-20 мА
В предыдущем изложении было дано краткое описание процесса передачи данных 4-20 мА. В заключение целесообразно кратко описать особенности и преимущества этого процесса, а также его ограничения.
Преимущества
- Токовая петля 4-20 мА является доминирующим стандартом передачи данных во многих отраслях промышленности.
- Она признана самым простым в подключении и настройке методом передачи аналоговых данных.
- Она использует меньше проводов и соединений, чем другие методы, что значительно снижает затраты на ввод в эксплуатацию/настройку.
- Она лучше при использовании полевой проводки на большие расстояния, так как ток не уменьшается, в отличие от напряжения.
- Она относительно нечувствителен к большинству электрических шумов и связанных с ними ЭМИ (электромагнитных помех).
- Она позволяет подключать последовательно с контуром местное или удаленное устройство считывания или контроля.
- Это самодиагностика неисправностей в измерительной системе, поскольку ток 4 мА равен 0% выхода системы, поэтому любой ток в контуре, значительно меньший, чем 4 мА, становится немедленным индикатором неисправности контура.

Ограничения
- Токовые петли 4-20 мА могут передавать только один определенный сигнал датчика или процесса на одну петлю.
- Для приложений, в которых необходимо передавать множество сигналов датчиков или технологических сигналов, требуется несколько контуров. Потребуется много полевых проводов, что может привести к серьезным проблемам с контурами заземления, если независимые токовые петли не изолированы друг от друга должным образом.
- Требования к изоляции становятся экспоненциально более сложными с увеличением числа контуров.
Категория: КИПиА
Случайная статья: Контрольно-измерительные приборы