Vad är 4-20mA?
4-20mA DC (1-5V DC)-signalstandarden definieras av International Electrotechnical Commission (IEC) och används för analoga signaler i processtyrningssystem.
Generellt sett är signalströmmen för instrument och mätare inställd på 4-20mA, där 4mA representerar minimiströmmen och 20mA representerar den maximala strömmen.
Varför är strömutgången?
I industriella miljöer kan användning av en signalförstärkare för att konditionera och sända signaler över långa avstånd med hjälp av spänningssignaler leda till flera problem. För det första kan spänningssignaler som sänds över kablar vara känsliga för störningar. För det andra kan transmissionsledningarnas fördelade motstånd orsaka spänningsfall. För det tredje kan det vara en utmaning att tillhandahålla ström till signalförstärkaren i fält.
För att lösa dessa problem och minimera påverkan av brus, används ström för att överföra signaler eftersom den är mindre känslig för brus. Strömslingan på 4-20mA använder 4mA för att representera nollsignal och 20mA för att representera fullskalig signal, med signaler under 4mA och över 20mA som används för olika fellarm.
Varför använder vi 4-20mA DC (1-5V DC)?
Fältinstrument kan implementera ett tvåtrådssystem, där strömförsörjningen och lasten är seriekopplade med en gemensam punkt, och endast två ledningar används för signalkommunikation och strömförsörjning mellan fältsändaren och kontrollrumsinstrumentet. Användning av en 4mA DC-signal som startström ger statisk driftström till sändaren, och inställning av den elektriska nollpunkten på 4mA DC, som inte sammanfaller med den mekaniska nollpunkten, möjliggör detektering av fel som strömavbrott och kabelbrott . Dessutom är tvåtrådssystemet lämpligt för användning av säkerhetsbarriärer, vilket hjälper till med explosionsskydd.
Kontrollrumsinstrument använder spänningsparallell signalöverföring, där instrument som tillhör samma kontrollsystem delar en gemensam terminal, vilket gör det bekvämt för instrumenttestning, justering, datorgränssnitt och larmenheter.
Anledningen till att använda 4-20mA DC för signalkommunikation mellan fältinstrument och kontrollrumsinstrument är att avståndet mellan fältet och kontrollrummet kan vara betydande, vilket leder till högre kabelmotstånd. Överföring av spänningssignaler över långa avstånd kan resultera i betydande fel på grund av spänningsfallet orsakat av kabelresistansen och det mottagande instrumentets ingångsresistans. Att använda en konstant strömkälla för fjärröverföring säkerställer att strömmen i slingan förblir oförändrad oavsett kabellängd, vilket garanterar överföringsnoggrannhet.
Anledningen till att använda en 1-5V DC-signal för sammankoppling mellan kontrollrumsinstrument är för att underlätta för flera instrument som tar emot samma signal och för att hjälpa till med ledningar och bildande av olika komplexa styrsystem. Om en strömkälla används som sammankopplingssignal, när flera instrument tar emot samma signal samtidigt, måste deras ingångsresistanser kopplas i serie. Detta skulle överskrida belastningskapaciteten för det sändande instrumentet, och signaljordpotentialerna för de mottagande instrumenten skulle vara olika, vilket skulle introducera störningar och förhindra centraliserad strömförsörjning.
Användning av en spänningskällsignal för sammankoppling kräver omvandling av strömsignalen som används för kommunikation med fältinstrument till en spänningssignal. Den enklaste metoden är att ansluta ett standardmotstånd på 250 ohm i serie i strömöverföringskretsen, omvandla 4-20mA DC till 1-5V DC. Vanligtvis utförs denna uppgift av en sändare.
Detta diagram använder ett 250 ohm motstånd för att omvandla 4-20mA strömsignalen till en 1-5V spänningssignal, och sedan använder den ett RC-filter och en diod ansluten till mikrokontrollerns AD-omvandlingsstift.
"Här bifogat ett enkelt kretsschema för att konvertera en 4-20mA strömsignal till en spänningssignal:
Varför är sändaren vald för att använda en 4-20mA DC-signal för överföring?
1. Säkerhetsaspekter för farliga miljöer: Säkerhet i farliga miljöer, särskilt för explosionssäkra instrument, kräver att man minimerar den statiska och dynamiska strömförbrukningen som krävs för att instrumentet ska fungera. Sändare som matar ut en 4-20mA DC-standardsignal använder vanligtvis en 24V DC-strömförsörjning. Användningen av DC-spänning beror främst på att det eliminerar behovet av stora kondensatorer och induktorer och fokuserar på den fördelade kapacitansen och induktansen för anslutningstrådarna mellan sändaren och kontrollrumsinstrumentet, vilket är mycket lägre än tändströmmen för vätgas.
2. Strömkällasöverföring är att föredra framför spänningskälla: I de fall där avståndet mellan fältet och kontrollrummet är avsevärt, kan användningen av spänningskällsignaler för överföring införa betydande fel på grund av spänningsfallet orsakat av kabelresistansen och ingången motståndet hos det mottagande instrumentet. Genom att använda en strömkälla för fjärröverföring säkerställs att strömmen i slingan förblir konstant, oavsett kabellängd, vilket bibehåller överföringsnoggrannheten.
3. Valet av 20mA som maximal ström: Valet av en maximal ström på 20mA baseras på överväganden om säkerhet, praktiska egenskaper, strömförbrukning och kostnad. Explosionssäkra instrument kan endast använda låg spänning och låg ström. 4-20mA-strömmen och 24V DC är säkra att använda i närvaro av brandfarliga gaser. Tändströmmen för vätgas med 24V DC är 200mA, betydligt högre än 20mA. Dessutom beaktas faktorer som avståndet mellan instrument på produktionsplatsen, belastning, strömförbrukning, elektroniska komponentkrav och strömförsörjningskrav.
4. Valet av 4mA som startström: De flesta sändare som matar ut 4-20mA arbetar i ett tvåtrådssystem, där strömförsörjningen och belastningen är seriekopplade med en gemensam punkt, och endast två ledningar används för signalkommunikation och strömförsörjning mellan fältsändaren och kontrollrumsinstrumentet. Valet av en startström på 4mA är viktigt för att sändarkretsen ska fungera. En startström på 4mA, som inte sammanfaller med den mekaniska nollpunkten, ger en "aktiv nollpunkt" som hjälper till att identifiera fel som strömavbrott och kabelbrott.
Användningen av 4-20mA-signaler säkerställer minimal störning, säkerhet och tillförlitlighet, vilket gör den till den allmänt antagna standarden i industriella applikationer. Men andra utsignalformat, som 3,33mV/V, 2mV/V, 0-5V och 0-10V, används också för att bättre hantera sensorsignaler och stödja olika styrsystem.
Posttid: 2023-09-18