До распространения электрических систем управления использовались пневматические системы управления. Контроллеры в пневматических системах приводились в действие путем изменения давления сжатого воздуха в диапазоне 1,5-7 килограммов на квадратный дюйм. Нижний предел был установлен на 1,5 килограмма на квадратный дюйм, поскольку трудно построить системы, которые могут обнаруживать давление ниже 1,5 килограмма на квадратный дюйм. Когда электрические системы управления стали популярными, стали популярными токовые сигналы в диапазоне 4-20 мА.
В этой статье вы узнаете, почему токовые сигналы предпочтительнее сигналов напряжения. Мы также рассмотрим обоснование выбора токовых сигналов в диапазоне 4-20 мА.
Сигналы тока и сигналы напряжения могут использоваться для передачи электрических сигналов, но в большинстве промышленных измерительных приложений вместо сигналов напряжения используются сигналы тока. Одной из причин этого является падение напряжения, которое происходит при передаче сигналов на большие расстояния. Выходные линии постоянного тока просто увеличивают управляющее напряжение, чтобы компенсировать потери в общей линии, поэтому они не испытывают такой деградации, что делает их более подходящими для передачи электрических сигналов. Сильные токовые сигналы могут легко передаваться по проводам длиной до 1 километра.
Сигналы тока имеют гораздо более линейную характеристику по сравнению с сигналами напряжения. Это упрощает калибровку с токовыми сигналами. Токовые сигналы также невосприимчивы к шуму, поскольку датчики имеют низкий импеданс. По этим причинам сигналы тока предпочтительнее сигналов напряжения для передачи электрических сигналов.
Датчики, используемые в приложениях автоматизации, могут выдавать сигналы в двух диапазонах:
- Диапазон 0-20 мА: здесь 0 мА соответствует 0 % измеряемой переменной процесса. 20 мА соответствует 100 % измеряемой переменной процесса
- Диапазон 4-20 мА: здесь 4 мА представляет 0 % измеряемой переменной процесса. 20 мА соответствует 100 % измеряемой переменной процесса
Диапазон 4-20 мА является более предпочтительным выбором для передачи сигнала. Размах (шаг) сигнала в данном случае составляет 16 мА.
Но почему предпочтителен диапазон 4-20 мА, а не 0-20 мА? Рассмотрим датчик, измеряющий температуру объекта в диапазоне от 20°C до 100°C. Преобразователь может посылать сигналы в диапазоне 0–20 мА или 4–20 мА. Если преобразователь посылает сигналы в диапазоне 0-20 мА, сигнал 20 мА на ПЛК соответствует 100 °C. Преобразователь отправляет на ПЛК сигнал 0 мА, когда температура составляет 20 °C. В контуре преобразователя температуры могут возникнуть неисправности. Неисправность может быть связана с обрывом провода, неисправным передатчиком, высоким сопротивлением провода, помехами или другими проблемами. Когда такая неисправность присутствует в контуре преобразователя температуры, ПЛК получает входной сигнал 0 мА. Даже если реальная температура составляет 40 °C, ПЛК получает на вход 0 мА. Из-за этого измерение записывается как 20 °C вместо реальной температуры 40 °C.
Это проблема «мертвого» нуля. ПЛК не может отличить неисправный контур преобразователя от нижнего диапазона измеряемой переменной процесса. Учитывая, что ПЛК прошлого не имели таких функций, как диагностические схемы и идентификация неисправностей, проблема «мертвого» нуля была большой проблемой. Проблема мертвого нуля может быть устранена путем повышения «живого» нуля. Повышенный «живой» ноль означает, что нижний диапазон измеренного значения будет представлен сигналом тока более 0 мА. Когда используется диапазон сигнала преобразователя 4-20 мА, 4 мА представляет нижний диапазон. В предыдущем примере 4 мА будет означать 20 °C. При возникновении неисправности в контуре передатчика ПЛК получает на вход 0 мА. Поскольку он не представляет никакого измеренного значения, он может быть идентифицирован как неисправность.
Любой ток выше 0 мА может быть выбран для представления нижнего диапазона измеряемой переменной процесса, чтобы устранить проблему «мертвого» нуля. Но то, что 4 мА выбрано в качестве повышенного «живого» нуля, связано с другими причинами. Если полевые приборы с питанием от контура не используются, полевые приборы должны быть 3-х или 4-х проводными. Это увеличивает затраты на установку. Когда приборы могут получать питание от тока в контуре передатчика, установка и настройка полевых приборов становятся простыми. Энергопотребление аналогичных устройств раньше было довольно высоким. Для работы аналоговых преобразователей требуется ток не менее 3 мА. В связи с этим нижний диапазон должен быть больше, чем 3 мА, необходимые для питания контура передатчика, а ток 4 мА был взят в качестве эталона с учетом запаса погрешности.
Но почему верхним пределом является 20 мА? Сила тока 30 мА считалась опасным порогом для человеческого сердца. Таким образом, из соображений безопасности для верхнего диапазона необходимо было использовать значение менее 30 мА с 20 мА в качестве выбора.
Некоторым ЦП контроллера требуются цифровые сигналы в диапазоне 1–5 В. Для преобразования тока 4–20 мА в цифровой сигнал 1–5 В подойдет простой прецизионный резистор 250 Ом. По закону Ома U = I x R.
Простота этого преобразования также способствовала использованию токового сигнала 4-20 мА.
© digitrode.ru