Как работает токовая петля 4-20 мА
«Токовая петля» начала применяться в качестве интерфейса передачи данных еще в 50-е годы. Сначала рабочий ток интерфейса составлял 60 мА, а позже, начиная с 1962 года, широкое распространение в телетайпе получил 20 миллиамперный интерфейс токовой петли.
В 80-е, когда началось обширное внедрение в технологическое оборудование разнообразных датчиков, средств автоматики и исполнительных устройств, интерфейс «токовая петля» сузил диапазон своих рабочих токов, — он стал составлять от 4 до 20 мА.
Дальнейшее распространение «токовой петли» стало замедляться начиная с 1983 года, с появлением интерфейсного стандарта RS-485, и на сегодняшний день «токовая петля» почти нигде в новом оборудовании как таковая не применяется.
Передатчик «токовой петли» отличается от передатчика интерфейса RS-485 тем, что в нем используется источник тока, а не источник напряжения.
Ток, в отличие от напряжения, двигаясь из источника по цепи не меняет своего текущего значения в зависимости от параметров нагрузки. Вот почему «токовая петля» не чувствительна ни к сопротивлению кабеля, ни к сопротивлению нагрузки, ни даже к ЭДС индуктивной помехи.
Кроме того ток петли не зависит от напряжения питания самого источника тока, а может изменяться лишь вследствие утечек через кабель, которые обычно пренебрежимо малы. Данная особенность токовой петли полностью определяет способы ее применения.
Стоит отметить, что ЭДС емкостной наводки приложена здесь параллельно источнику тока, и для ослабления ее паразитного действия применяют экранирование.
По этой причине линией передачи сигнала обычно выступает экранированная витая пара, которая, работая совместно с дифференциальным приемником, сама ослабляет синфазную и индуктивную помехи.
На стороне приема сигнала, ток токовой петли при помощи калиброванного резистора преобразуется в напряжение. И при токе в 20 мА получается напряжение из стандартного ряда 2,5 В; 5 В; 10 В; — достаточно лишь использовать резистор с сопротивлением соответственно 125, 250 или 500 Ом.
Первый и главный недостаток интерфейса «токовая петля» заключается в его низком быстродействии, ограниченном скоростью зарядки емкости самого передающего кабеля от упомянутого выше источника тока, расположенного на передающей стороне.
Так, при использовании кабеля длиной в 2 км, с погонной емкостью 75 пФ/м, его емкость составит 150 нФ, а это значит что для зарядки данной емкости до 5 вольт при токе 20 мА потребуется 38 мкс, что соответствует скорости передачи данных 4,5 кбит/с.
Ниже приведена графическая зависимость максимально доступной скорости передачи данных по «токовой петле» от длины применяемого кабеля при различных уровнях искажений (дрожания) и при разных напряжениях, оценка проводилась так же как для интерфейса RS-485.
Еще один недостаток «токовой петли» заключается в отсутствии определенного стандарта на конструктивное исполнение разъемов и на электрические параметры кабелей, что тоже ограничивает практическое применение данного интерфейса. Но справедливости ради можно отметить, что фактически общеприняты диапазоны от 0 до 20 мА и от 4 до 20 мА. Диапазон 0 — 60 мА применяется значительно реже.
Наиболее перспективные разработки, требующие применения интерфейса «токовая петля», в большинстве своем используют сегодня только 4. 20 мА интерфейс, позволяющий легко диагностировать обрыв линии. Кроме того, «токовая петля» может быть цифровой или аналоговой, в зависимости от требований разработчика (об этом — далее).
Практически низкая скорость передачи данных по «токовой петле» любого типа (аналоговой или цифровой) позволяет использовать ее одновременно с несколькими приемниками соединенными последовательно, причем согласование длинной линии не потребуется.
Аналоговая версия «токовой петли»
Аналоговая «токовая петля» нашла применение в технике, где необходимо например передавать сигналы от датчиков к контроллерам или между контроллерами и исполнительными устройствами. Здесь токовая петля обеспечивает некоторые преимущества.
Прежде всего диапазон варьирования измеряемой величины будучи приведен к стандартному диапазону позволяет изменять компоненты системы. Примечательна и возможность высокоточной (не более +-0,05% погрешности) передачи сигнала на значительное расстояние. Наконец, стандарт «токовая петля» поддерживается большинством поставщиков устройств промышленной автоматизации.
Токовая петля 4. 20 мА имеет минимальный ток 4 мА в качестве начала отсчета сигнала. Таким образом при обрыве кабеля ток будет равен нулю. Тогда как при использовании токовой петли 0. 20 мА диагностировать обрыв кабеля будет сложнее, ибо 0 мА может просто обозначать минимальное значение передаваемого сигнала. Еще одно достоинство диапазона 4. 20 мА заключается в том, что уже при уровне 4 мА можно без проблем подводить питание к датчику.
Ниже приведены две схемы аналоговой токовой петли. В первом варианте источник питания встроен в передатчик, тогда как во втором варианте источник питания внешний.
Встроенный источник питания удобен в плане монтажа, а внешний позволяет варьировать его параметры в зависимости от назначения и условий работы устройства, с которым применяется токовая петля.
Принцип действия токовой петли одинаков для обеих схем. Операционный усилитель имеет в идеале бесконечно большое внутреннее сопротивление и нулевой ток входов, и значит напряжение между его входами также изначально равно нулю.
Таким образом, ток через резистор в передатчике будет зависеть только от величины входного напряжения и будет равен току во всей петле, при этом он не будет зависеть от сопротивления нагрузки. Напряжение на входе приемника может быть поэтому легко определено.
Схема с операционным усилителем отличается тем преимуществом, что позволяет калибровать передатчик без необходимости подключать к нему кабель с приемником, ибо погрешность, вносимая приемником и кабелем, очень незначительна.
Напряжение источника выбирается исходя из потребности транзистора передатчика для его нормальной работы в активном режиме, а также с условием компенсации падения напряжения на проводах, на самом транзисторе, и на резисторах.
Допустим, резисторы имеют сопротивления по 500 Ом, а кабель — 100 Ом. Тогда для получения тока в 20 мА потребуется напряжение источника 22 В. Выбирают ближайшее стандартное — 24 В. Избыток мощности от запаса по напряжению будет как раз рассеян на транзисторе.
Обратите внимание, что на обеих схемах изображена гальваническая развязка между передающим каскадом и входом передатчика. Это нужно для того чтобы избежать любых паразитных связей между передатчиком и приемником.
В качестве примера передатчика для построения аналоговой токовой петли можно привести готовое изделие NL-4AO с четырьмя аналоговыми каналами вывода для связи компьютера с исполнительным устройством посредством протокола «токовая петля» 4. 20 мА или 0. 20 мА.
Связь модуля с компьютером осуществляется по протоколу RS-485. Устройство калибруется по току для компенсации погрешностей преобразования и исполняет подаваемые с компьютера команды. Калибровочные коэффициенты хранятся в памяти устройства. Цифровые данные преобразуются в аналоговые при помощи ЦАП.
Цифровая версия «токовой петли»
Цифровая токовая петля работает, как правило, в режиме 0. 20 мА, поскольку цифровой сигнал проще воспроизвести именно в таком виде. Точность логических уровней здесь не так важна, поэтому источник тока петли может обладать не очень большим внутренним сопротивлением и сравнительно низкой точностью.
На приведенной схеме при напряжении питания 24 В на входе приемника падает 0,8 В, значит при сопротивлении резистора 1,2 кОм ток будет равен 20 мА. Падением напряжения на кабеле, даже при его сопротивлении в 10% от общего сопротивления петли, можно пренебречь, как и падением напряжения на оптроне. Практически в данных условиях можно считать передатчик источником тока.
Присоединяйтесь к нашему каналу в Telegram «Автоматика и робототехника»! Узнавайте первыми о захватывающих новостях и увлекательных фактах из мира автоматизации: Автоматика и робототехника в Telegram
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
2.4. Интерфейс «токовая петля»
Интерфейс «токовая петля» используется для передачи информации с 1950-х годов. Первоначально в нем использовался ток 60 мА [Current]; позже, с 1962 года, получил распространение интерфейс с током 20 мА, преимущественно в телетайпных аппаратах. В 1980-х годах начала широко применяться «токовая петля» 4. 20 мА в разнообразном технологическом оборудовании, датчиках и исполнительных устройствах средств автоматики. Популярность «токовой петли» начала падать после появления стандарта на интерфейс RS-485 (1983 г.) и в настоящее время в новом оборудовании она практически не применяется.
В передатчике «токовой петли» используется не источник напряжения, как в интерфейсе RS-485, а источник тока. По определению, ток, вытекающий из источника тока, не зависит от параметров нагрузки. Поэтому в «токовой петле» протекает ток, не зависящий от сопротивления кабеля , сопротивления нагрузки и э. д. с. индуктивной помехи (рис. 2.10), а также от напряжения питания источника тока (см рис. 2.11). Ток в петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые очень малы.
Это свойство токовой петли является основным и определяет все варианты ее применения. Емкостная наводка , э. д. с. которой приложена не последовательно с источником тока, а параллельно ему, не может быть ослаблена в «токовой петле» и для ее подавления следует использовать экранирование (подробнее о борьбе с помехами см. раздел 3).
Рис. 2.10. Принцип действия «токовой петли»
В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая пара, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индуктивную и синфазную помеху.
На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью калиброванного сопротивления . При токе 20 мА для получения стандартного напряжения 2,5 В, 5 В или 10 В используют резистор сопротивлением 125 Ом, 250 Ом или 500 Ом соответственно.
Основным недостатком «токовой петли» является ее принципиально низкое быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля от источника тока. Например, при типовой погонной емкости кабеля 75 пФ/м и длине 1 км емкость кабеля составит 75 нФ. Для заряда такой емкости от источника тока 20 мА до напряжения 5 В необходимо время 19 мкс, что соответствует скорости передачи около 9 кбит/с. На рис. 2.12 приведены зависимости максимальной скорости передачи от длины кабеля при разных уровнях искажений (дрожания), который оценивался также, как и для интерфейса RS-485 [Optically].
Вторым недостатком «токовой петли», ограничивающим ее практическое применение, является отсутствие стандарта на конструктивное исполнение разъемов и электрические параметры, хотя фактически стали общепринятыми диапазоны токовых сигналов 0. 20 мА и 4. 20 мА; гораздо реже используют 0. 60 мА. В перспективных разработках рекомендуется использовать только диапазон 4. 20 мА, как обеспечивающий возможность диагностики обрыва линии (см. раздел «Аппаратное резервирование»).
Интерфейс «токовая петля» распространен в двух версиях: цифровой и аналоговой.
Аналоговая «токовая петля»
Рис. 2.11. Два варианта построения аналоговой «токовой петли»: со встроенным в передатчик источником питания (а) и выносным (б)
Аналоговая версия «токовой петли» используется, как правило, для передачи сигналов от разнообразных датчиков к контроллеру или от контроллера к исполнительным устройствам. Применение «токовой петли» в данном случае дает два преимущества. Во-первых, приведение диапазона изменения измеряемой величины к стандартному диапазону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов. Во-вторых, становится возможным передать сигнал на большое расстояние с высокой точностью (погрешность «токовой петли» может быть снижена до ±0,05%). Кроме того, стандарт «токовая петля» поддерживается подавляющим большинством производителей средств промышленной автоматизации.
В варианте «4. 20 мА» в качестве начала отсчета принят ток 4 мА. Это позволяет производить диагностику целостности кабеля (кабель имеет разрыв, если ток равен нулю) в отличие от варианта «0. 20 мА», где величина «0 мА» может означать не только нулевую величину сигнала, но и обрыв кабеля. Вторым преимуществом уровня отсчета 4 мА является возможность подачи энергии датчику для его питания.
На рис. 2.11 показаны два варианта построения аналоговой «токовой петли». В варианте а) используется встроенный незаземленный источник питания , в варианте б) источник питания — внешний. Встроенный источник удобен при монтаже системы, а внешний удобен тем, что его можно выбрать с любыми параметрами в зависимости от поставленной задачи.
Принцип действия обоих вариантов состоит в том, что при бесконечно большом коэффициенте усиления операционного усилителя (ОУ) напряжение между его входами равно нулю и поэтому ток через резистор равен , а поскольку у идеального ОУ ток входов равен нулю, то ток через резистор строго равен току в петле и, как следует из этой формулы, не зависит от сопротивления нагрузки. Поэтому напряжение на выходе приемника определяется как .
Достоинством схемы с операционным усилителем является возможность калибровки передатчика без подключенного к нему кабеля и приемника, поскольку вносимая ими погрешность пренебрежимо мала.
Рис. 2.12. Зависимость максимальной скорости передачи «токовой петли» от длины неэкранированной витой пары 22 AWG при токе петли 20 мА
Напряжение источника выбирается такой, чтобы обеспечить работу транзистора передатчика в активном (ненасыщенном) режиме и скомпенсировать падение напряжения на проводах кабеля и сопротивлениях , . Для этого выбирают , где — напряжение насыщения транзистора (1. 2 В). Например, при типовых значениях 500 Ом и сопротивлении кабеля 100 Ом (при длине 1 км) получим напряжение источника питания петли 22 В; ближайшее стандартное значение равно 24 В. Отметим, что мощность, связанная с избыточным напряжением источника питания по сравнению с рассчитанным значением, будет рассеиваться на транзисторе, что особенно существенно для интегральных передатчиков, не имеющих теплоотвода.
В схемах на рис. 2.11 используется гальваническая развязка между входом передатчика и передающим каскадом. Она необходима для исключения паразитных связей между передатчиком и приемником, подробнее см. раздел «Защита от помех».
Примером передатчика для аналоговой токовой петли является модуль NL-4AO фирмы Reallab!, имеющий 4 канала вывода аналоговых сигналов, гальваническую развязку и предназначенный для вывода из компьютера и передачи на исполнительные устройства тока в стандарте 0. 20 мА или 4. 20 мА. Структура модуля приведена в разделе «Контроллеры для систем автоматизации». Модуль содержит микроконтроллер, который осуществляет связь с компьютером по интерфейсу RS-485, исполняет команды компьютера и выполняет компенсацию погрешностей преобразования с помощью коэффициентов, полученных при калибровке источников тока и хранимых в запоминающем устройстве ЭППЗУ (электрически программируемое постоянное запоминающее устройство). Преобразование цифровых данных в аналоговый сигнал выполняется с помощью 4-канального цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Для расширения функциональных возможностей модуль имеет также выходы напряжения (которые не имеют отношения к рассматриваемой теме).
Цифровая «токовая тепля»
Цифровая «токовая петля» используется обычно в версии «0. 20 мА», поскольку она реализуется гораздо проще, чем «4. 20 мА» (рис. 2.13). Поскольку при цифровой передаче данных точность передачи логических уровней роли не играет, можно использовать источник тока с не очень большим внутренним сопротивлением и низкой точностью. Так, на рис. 2.13 при стандартном значении напряжения питания =24 В и падении напряжения на входе приемника 0,8 В для получения тока 20 мА сопротивление должно быть равно примерно 1,2 кОм. Сопротивление кабеля сечением 0,35 кв. мм и длиной 1 км равно 97 Ом, что составит всего 10% от общего сопротивления петли и им можно пренебречь. Падение напряжения на диоде оптрона составляет 3,3% от напряжения источника питания, и его влиянием на ток в петле также можно пренебречь. Поэтому с достаточной для практики точностью можно считать, что передатчик в этой схеме является источником тока.
Рис. 2.13. Принцип реализации цифровой «токовой петли»
Как аналоговая, так и цифровая «токовая петля» может использоваться для передачи информации нескольким приемникам одновременно (рис. 2.14). Вследствие низкой скорости передачи информации по «токовой петле» согласование длинной линии с передатчиком и приемником не требуется.
«Токовая петля» нашла свое «второе рождение» в протоколе HART.
Рис. 2.14. Токовая петля может быть использована для передачи информации нескольким приемникам
2.3. интнрфейс rs-485, rs-422 и rs-232
2.5. hart-протокол
- 1 Архитектура системы
- 2 Промышленные сети и интерфейсы
- 2.1 Общие сведения о промышленных сетях
- 2.2 Модель OSI
- 2.3 Интерфейсы RS-485, RS-422 И RS-232
- 2.4 Интерфейс «токовая петля»
- 2.5 HART-протокол
- 2.6 CAN
- 2.7 PROFIBUS
- 2.8 MODBUS
- 2.9 Промышленный ETHERNET
- 2.10 Протокол DCON
- 2.11 Беспроводные локальные сети
- 2.12 Сетевое оборудование
- 2.13. Заключение
Располагается на площади 8900 м², оснащено самым современным технологическим оборудованием, имеет научно-исследовательское и конструкторское подразделение, использующие передовые средства автоматизации проектирования.
Телефон:
Режим работы:
Адрес:Почта:
Оставьте свой номер и мы перезвоним Вам
© НИЛ АП, ООО, 1989-2024
Разработка и поддержка
cCube.rufunction setCookie(name, value, options = <>) < options = < path: '/', // при необходимости добавьте другие значения по умолчанию . options >; if (options.expires instanceof Date) < options.expires = options.expires.toUTCString(); >let updatedCookie = encodeURIComponent(name) + «=» + encodeURIComponent(value); for (let optionKey in options) < updatedCookie += "; " + optionKey; let optionValue = options[optionKey]; if (optionValue !== true) < updatedCookie += " c3-cookie-button">Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookies и персональных данных в соответсвии с политикой. Окей, не возражаю
Как работает токовая петля 4-20 мА
«Токовая петля» начала применяться в качестве интерфейса передачи данных еще в 50-е годы. Сначала рабочий ток интерфейса составлял 60 мА, а позже, начиная с 1962 года, широкое распространение в телетайпе получил 20 миллиамперный интерфейс токовой петли.
В 80-е, когда началось обширное внедрение в технологическое оборудование разнообразных датчиков, средств автоматики и исполнительных устройств, интерфейс «токовая петля» сузил диапазон своих рабочих токов, — он стал составлять от 4 до 20 мА.
Дальнейшее распространение «токовой петли» стало замедляться начиная с 1983 года, с появлением интерфейсного стандарта RS-485, и на сегодняшний день «токовая петля» почти нигде в новом оборудовании как таковая не применяется.
Передатчик «токовой петли» отличается от передатчика интерфейса RS-485 тем, что в нем используется источник тока, а не источник напряжения.
Ток, в отличие от напряжения, двигаясь из источника по цепи не меняет своего текущего значения в зависимости от параметров нагрузки. Вот почему «токовая петля» не чувствительна ни к сопротивлению кабеля, ни к сопротивлению нагрузки, ни даже к ЭДС индуктивной помехи.
Кроме того ток петли не зависит от напряжения питания самого источника тока, а может изменяться лишь вследствие утечек через кабель, которые обычно пренебрежимо малы. Данная особенность токовой петли полностью определяет способы ее применения.
Стоит отметить, что ЭДС емкостной наводки приложена здесь параллельно источнику тока, и для ослабления ее паразитного действия применяют экранирование.
По этой причине линией передачи сигнала обычно выступает экранированная витая пара, которая, работая совместно с дифференциальным приемником, сама ослабляет синфазную и индуктивную помехи.
На стороне приема сигнала, ток токовой петли при помощи калиброванного резистора преобразуется в напряжение. И при токе в 20 мА получается напряжение из стандартного ряда 2,5 В; 5 В; 10 В; — достаточно лишь использовать резистор с сопротивлением соответственно 125, 250 или 500 Ом.
Первый и главный недостаток интерфейса «токовая петля» заключается в его низком быстродействии, ограниченном скоростью зарядки емкости самого передающего кабеля от упомянутого выше источника тока, расположенного на передающей стороне.
Так, при использовании кабеля длиной в 2 км, с погонной емкостью 75 пФ/м, его емкость составит 150 нФ, а это значит что для зарядки данной емкости до 5 вольт при токе 20 мА потребуется 38 мкс, что соответствует скорости передачи данных 4,5 кбит/с.
Ниже приведена графическая зависимость максимально доступной скорости передачи данных по «токовой петле» от длины применяемого кабеля при различных уровнях искажений (дрожания) и при разных напряжениях, оценка проводилась так же как для интерфейса RS-485.
Еще один недостаток «токовой петли» заключается в отсутствии определенного стандарта на конструктивное исполнение разъемов и на электрические параметры кабелей, что тоже ограничивает практическое применение данного интерфейса. Но справедливости ради можно отметить, что фактически общеприняты диапазоны от 0 до 20 мА и от 4 до 20 мА. Диапазон 0 — 60 мА применяется значительно реже.
Наиболее перспективные разработки, требующие применения интерфейса «токовая петля», в большинстве своем используют сегодня только 4. 20 мА интерфейс, позволяющий легко диагностировать обрыв линии. Кроме того, «токовая петля» может быть цифровой или аналоговой, в зависимости от требований разработчика (об этом — далее).
Практически низкая скорость передачи данных по «токовой петле» любого типа (аналоговой или цифровой) позволяет использовать ее одновременно с несколькими приемниками соединенными последовательно, причем согласование длинной линии не потребуется.
Аналоговая версия «токовой петли»
Аналоговая «токовая петля» нашла применение в технике, где необходимо например передавать сигналы от датчиков к контроллерам или между контроллерами и исполнительными устройствами. Здесь токовая петля обеспечивает некоторые преимущества.
Прежде всего диапазон варьирования измеряемой величины будучи приведен к стандартному диапазону позволяет изменять компоненты системы. Примечательна и возможность высокоточной (не более +-0,05% погрешности) передачи сигнала на значительное расстояние. Наконец, стандарт «токовая петля» поддерживается большинством поставщиков устройств промышленной автоматизации.
Токовая петля 4. 20 мА имеет минимальный ток 4 мА в качестве начала отсчета сигнала. Таким образом при обрыве кабеля ток будет равен нулю. Тогда как при использовании токовой петли 0. 20 мА диагностировать обрыв кабеля будет сложнее, ибо 0 мА может просто обозначать минимальное значение передаваемого сигнала. Еще одно достоинство диапазона 4. 20 мА заключается в том, что уже при уровне 4 мА можно без проблем подводить питание к датчику.
Ниже приведены две схемы аналоговой токовой петли. В первом варианте источник питания встроен в передатчик, тогда как во втором варианте источник питания внешний.
Встроенный источник питания удобен в плане монтажа, а внешний позволяет варьировать его параметры в зависимости от назначения и условий работы устройства, с которым применяется токовая петля.
Принцип действия токовой петли одинаков для обеих схем. Операционный усилитель имеет в идеале бесконечно большое внутреннее сопротивление и нулевой ток входов, и значит напряжение между его входами также изначально равно нулю.
Таким образом, ток через резистор в передатчике будет зависеть только от величины входного напряжения и будет равен току во всей петле, при этом он не будет зависеть от сопротивления нагрузки. Напряжение на входе приемника может быть поэтому легко определено.
Схема с операционным усилителем отличается тем преимуществом, что позволяет калибровать передатчик без необходимости подключать к нему кабель с приемником, ибо погрешность, вносимая приемником и кабелем, очень незначительна.
Напряжение источника выбирается исходя из потребности транзистора передатчика для его нормальной работы в активном режиме, а также с условием компенсации падения напряжения на проводах, на самом транзисторе, и на резисторах.
Допустим, резисторы имеют сопротивления по 500 Ом, а кабель — 100 Ом. Тогда для получения тока в 20 мА потребуется напряжение источника 22 В. Выбирают ближайшее стандартное — 24 В. Избыток мощности от запаса по напряжению будет как раз рассеян на транзисторе.
Обратите внимание, что на обеих схемах изображена гальваническая развязка между передающим каскадом и входом передатчика. Это нужно для того чтобы избежать любых паразитных связей между передатчиком и приемником.
В качестве примера передатчика для построения аналоговой токовой петли можно привести готовое изделие NL-4AO с четырьмя аналоговыми каналами вывода для связи компьютера с исполнительным устройством посредством протокола «токовая петля» 4. 20 мА или 0. 20 мА.
Связь модуля с компьютером осуществляется по протоколу RS-485. Устройство калибруется по току для компенсации погрешностей преобразования и исполняет подаваемые с компьютера команды. Калибровочные коэффициенты хранятся в памяти устройства. Цифровые данные преобразуются в аналоговые при помощи ЦАП.
Цифровая версия «токовой петли»
Цифровая токовая петля работает, как правило, в режиме 0. 20 мА, поскольку цифровой сигнал проще воспроизвести именно в таком виде. Точность логических уровней здесь не так важна, поэтому источник тока петли может обладать не очень большим внутренним сопротивлением и сравнительно низкой точностью.
На приведенной схеме при напряжении питания 24 В на входе приемника падает 0,8 В, значит при сопротивлении резистора 1,2 кОм ток будет равен 20 мА. Падением напряжения на кабеле, даже при его сопротивлении в 10% от общего сопротивления петли, можно пренебречь, как и падением напряжения на оптроне. Практически в данных условиях можно считать передатчик источником тока.
Присоединяйтесь к нашему каналу в Telegram «Автоматика и робототехника»! Узнавайте первыми о захватывающих новостях и увлекательных фактах из мира автоматизации: Автоматика и робототехника в Telegram
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Что такое токовая петля
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.
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.
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.
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.
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.
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: 20 типов датчиков