لماذا ينبغي على أجهزة الإرسال وأجهزة الاستشعار استخدام 4 إلى 20 مللي أمبير كإشارة إرسال؟

لماذا ينبغي على أجهزة الإرسال وأجهزة الاستشعار استخدام 4 إلى 20 مللي أمبير كإشارة إرسال؟

أولاً: ما هو نظام الإشارة 4～20mA.DC (1～5V.DC)؟

يُعد نظام الإشارة 4-20 مللي أمبير تيار مستمر (1-5 فولت تيار مستمر) معيارًا دوليًا من اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) للإشارات التناظرية في أنظمة التحكم بالعمليات. وقد بدأ استخدام هذا النظام الدولي في أجهزة القياس الكهربائية من نوع DDZ-III، حيث تستخدم أجهزة القياس إشارة إرسال 4-20 مللي أمبير تيار مستمر، بينما تستخدم أجهزة القياس إشارة تلامس 1-5 فولت تيار مستمر، أي أنه نظام يعتمد على نقل التيار واستقبال الجهد.

مبدأ عمل حلقة التيار 4~20 مللي أمبير:

في المجال الصناعي، سيؤدي استخدام مضخم القياس لإكمال معالجة الإشارة ونقلها عبر خط طويل إلى المشاكل التالية: أولاً، بما أن الإشارة المرسلة هي إشارة جهد، فسيتعرض خط النقل للتشويش؛ ثانياً، ستؤدي مقاومة التوزيع لخط النقل إلى انخفاض الجهد؛ ثالثاً، كيفية توفير جهد التشغيل لمضخم القياس في الميدان يمثل أيضاً مشكلة.

لحل المشكلات المذكورة أعلاه وتجنب تأثير التشويش المصاحب، نستخدم التيار لنقل الإشارة، لأن التيار غير حساس للتشويش. تُستخدم دائرة التيار من 4 إلى 20 مللي أمبير للإشارة إلى الصفر، و20 مللي أمبير للإشارة إلى أقصى قيمة للإشارة. أما الإشارات الأقل من 4 مللي أمبير والأعلى من 20 مللي أمبير فتُستخدم لأنواع مختلفة من إنذارات الأعطال.

(مصدر الصورة: الإنترنت)

ثانيًا، ما هي مزايا نظام الإشارة 4 ~ 20 مللي أمبير تيار مستمر (1 ~ 5 فولت تيار مستمر)؟

يمكن تحقيق أجهزة القياس الميدانية بنظام سلكين، وهو ما يُعرف بنظام السلكين حيث يتم توصيل مصدر الطاقة والحمل على التوالي، مع وجود نقطة مشتركة، ويتم توصيل جهاز الإرسال الميداني وأجهزة غرفة التحكم قبل نقطة اتصال الإشارة بمصدر الطاقة باستخدام سلكين فقط. وذلك لأن تيار بدء الإشارة مستشعر درجة الحرارة 4-20 مللي أمبير يُستخدم تيار مستمر (DC) لتوفير تيار تشغيل ثابت لجهاز الإرسال، بينما لا تتطابق نقطة الصفر الكهربائية للجهاز (4 مللي أمبير تيار مستمر) مع نقطة الصفر الميكانيكية. يُسهّل هذا "الصفر الحي" تحديد انقطاعات التيار الكهربائي والفصل والأعطال الأخرى. كما يُسهّل نظام السلكين استخدام شبكة الأمان، مما يُعزز السلامة ويمنع الانفجار.

تستخدم أجهزة غرفة التحكم نقل الإشارة المتوازية للجهد، وينتمي نظام التحكم نفسه إلى الأجهزة بين المحطة الطرفية العامة، مما يسهل اكتشاف الجهاز وتنظيمه، وأجهزة الكمبيوتر، وأجهزة الإنذار، بالإضافة إلى التوصيلات المريحة.

يُعزى استخدام تيار مستمر يتراوح بين 4 و20 مللي أمبير كإشارة اتصال بين جهاز القياس الميداني وجهاز غرفة التحكم إلى أن المسافة بينهما كبيرة، مما يؤدي إلى مقاومة عالية في أسلاك التوصيل. لذا، فإن استخدام إشارة جهد كهربائي للإرسال عن بُعد أفضل من استخدام إشارة جهد كهربائي، حيث أن مقاومة الأسلاك وتقسيم الجهد في مقاومة دخل جهاز الاستقبال قد يُسببان خطأً كبيرًا. أما استخدام إشارة مصدر تيار ثابت للإرسال عن بُعد، فيضمن دقة الإرسال، طالما أن مسار الإرسال غير متفرع، وبالتالي لن يتغير التيار في المسار بتغير طول الأسلاك.

يُستخدم جهد 1-5 فولت تيار مستمر كإشارة تلامس بين الأجهزة في غرفة التحكم لتسهيل استقبال الإشارة نفسها من قِبل عدة أجهزة، وتسهيل عملية التوصيل وتكوين أنظمة تحكم معقدة. أما في حال استخدام مصدر تيار كإشارة تلامس، فعند استقبال أكثر من جهاز للإشارة نفسها، يجب توصيل مقاومة دخلها على التوالي، مما يجعل مقاومة الحمل القصوى تتجاوز قدرة تحمل جهاز الإرسال. كما أن اختلاف جهد الطرف السالب للإشارة في جهاز الاستقبال يُسبب تداخلاً، وهو أمر غير ممكن في وحدة تغذية مركزية واحدة.

عند استخدام إشارة مصدر الجهد، يجب تحويل إشارة التيار المتصل بأجهزة القياس الميدانية إلى إشارة جهد، وأبسط طريقة هي: توصيل حلقة نقل التيار على التوالي بمقاومة قياسية 250 أوم، وتحويل إشارة مستشعر درجة الحرارة من 4-20 مللي أمبير تيار مستمر إلى 1-5 فولت تيار مستمر، وعادةً ما يقوم الموزع بإكمال هذه المهمة.

ثالثًا، لماذا تختار أجهزة الإرسال 4 ~ 20 مللي أمبير تيار مستمر لإشارة الإرسال؟

1- أولاً، تطبيق اعتبارات السلامة في الميدان

يُركز الاهتمام على السلامة عند تصميم أجهزة مقاومة للانفجار من نوع الشرارة، مع ضرورة التحكم في استهلاك الطاقة للحفاظ على التشغيل الطبيعي للجهاز، وذلك بتقليل استهلاك الطاقة الساكنة والديناميكية إلى الحد الأدنى. يُخرج جهاز الإرسال القياسي إشارة تيار مستمر تتراوح بين 4 و20 مللي أمبير، ويعمل بجهد 24 فولت تيار مستمر. والسبب الرئيسي لاستخدام جهد التيار المستمر هو عدم إمكانية استخدام مكثفات وملفات ذات سعة كبيرة. يكفي مراعاة توزيع السعة والحث في الأسلاك المتصلة بجهاز الإرسال وغرفة التحكم، مثل سلك بمساحة 2 مم² وسعة توزيع تبلغ حوالي 0.05 ميكروهنري/كم، وحث سلك واحد حوالي 0.4 مللي هنري/كم، وهي قيمة أقل بكثير من قيمة حث الهيدروجين عند الانفجار، مما يُعزز بشكل كبير مقاومة الانفجار.

2- نقل الإشارات باستخدام مصدر تيار كهربائي أفضل من نقلها باستخدام مصدر جهد كهربائي

بسبب المسافة بين موقع التصوير وغرفة التحكم، تكون مقاومة توصيل الأسلاك كبيرة، وإذا تم نقل إشارة مصدر الجهد، فإن مقاومة السلك ومقاومة إدخال جهاز الاستقبال ستؤدي إلى تقسيم الجهد، مما ينتج عنه خطأ كبير، أما إذا تم نقل إشارة مصدر التيار عن بعد، فما دام لا يوجد تفرع في حلقة الإرسال، فإن التيار في الحلقة لن يتغير مع طول السلك، وبالتالي يضمن دقة الإرسال.

3- أسباب اختيار تيار الإشارة الأقصى البالغ 20 مللي أمبير

يعتمد اختيار الحد الأقصى للتيار (20 مللي أمبير) على اعتبارات السلامة والعملية واستهلاك الطاقة والتكلفة. لا يمكن استخدام أجهزة قياس الشرارة الآمنة إلا مع الجهد المنخفض والتيار المنخفض (4-20 مللي أمبير)، كما أن التيار عند 24 فولت تيار مستمر آمن أيضًا للهيدروجين القابل للاشتعال. أما عند 24 فولت تيار مستمر، فيبلغ تيار انفجار الهيدروجين 200 مللي أمبير، وهو أعلى بكثير من 20 مللي أمبير. بالإضافة إلى ذلك، يجب مراعاة مسافة التوصيل بين أجهزة القياس في موقع الإنتاج والحمل وعوامل أخرى، فضلًا عن استهلاك الطاقة والتكلفة، ومتطلبات المكونات الإلكترونية، ومتطلبات الطاقة لمصدر الطاقة.

4- تيار بدء الإشارة لاختيار السبب 4 مللي أمبير

يُخرج جهاز الإرسال تيارًا يتراوح بين 4 و20 مللي أمبير في معظم أنظمة الأسلاك الثنائية، حيث يتم توصيل مصدر الطاقة والحمل على التوالي، مما يوفر نقطة مشتركة. يتم توصيل جهاز الإرسال الميداني وأجهزة غرفة التحكم بين نقطة التلامس ومصدر الطاقة باستخدام سلكين فقط. لماذا لا تكون إشارة نقطة البداية 0 مللي أمبير؟ يرجع ذلك إلى سببين: أولًا، لن تعمل دائرة جهاز الإرسال بدون تيار ثابت، حيث أن تيار نقطة بداية الإشارة هو 4 مللي أمبير تيار مستمر، وهو لا يتطابق مع الصفر الميكانيكي. يُساعد هذا "الصفر الحي" في تحديد انقطاعات التيار الكهربائي وغيرها من الأعطال.

أربعة، ما هو أصل مستشعر 4 ~ 20 مللي أمبير؟

السبب في استخدام الإشارة الحالية هو أنها ليست سهلة التشويش، ومصدر التيار للمقاومة الداخلية لا نهائي، ومقاومة الأسلاك المتصلة على التوالي في الحلقة لا تؤثر على الدقة، ويمكن نقلها في كابل الزوج الملتوي العادي لمئات الأمتار.

السبب في استخدام إشارة التيار هو أنها لا تتأثر بسهولة بالتشويش، لأن سعة جهد الضوضاء في المجال الصناعي قد تصل إلى عدة فولتات، لكن قدرة الضوضاء ضعيفة للغاية، لذا فإن تيار الضوضاء عادةً ما يكون أقل من مستوى النانو أمبير، وبالتالي يكون الخطأ الناتج عن نقل 4-20 مللي أمبير ضئيلاً للغاية. تميل المقاومة الداخلية لمصدر التيار إلى أن تكون لانهائية، ويتم توصيل مقاومة سلك التوصيل على التوالي في الحلقة دون التأثير على الدقة، لذا يمكن نقلها لمئات الأمتار عبر كابل الزوج المجدول الشائع. نظرًا للمقاومة الداخلية الكبيرة لمصدر التيار وثبات مقاومة خرج التيار، يكفي وضع مقاومة 250 أوم موصولة بالأرض في طرف الاستقبال للحصول على جهد 0-5 فولت. ميزة مستقبل المعاوقة المنخفضة للإدخال هي أن مستوى النانو أمبير لضوضاء تيار الإدخال ينتج عنه ضوضاء جهد ضعيفة للغاية.

يُعتمد الحد الأعلى البالغ 20 مللي أمبير لأسباب تتعلق بمقاومة الانفجار: فالطاقة الشرارية الناتجة عن انقطاع تيار 20 مللي أمبير غير كافية لإشعال الغاز. أما الحد الأدنى، فلا يُعتمد 0 مللي أمبير، وذلك لتمكين اكتشاف انقطاعات الخطوط: ففي التشغيل العادي، لن يقل التيار عن 4 مللي أمبير، وعند انقطاع خط النقل بسبب عطل، ينخفض ​​تيار الحلقة إلى 0. وغالبًا ما يُعتبر 2 مللي أمبير قيمة إنذار لانقطاع الخط. يقوم جهاز إرسال التيار بتحويل التيار إلى كميات فيزيائية تتراوح بين 4 و20 مللي أمبير، ولذلك يجب أن يكون مزودًا بمصدر طاقة خارجي. في الغالب، يحتاج جهاز الإرسال إلى سلكي طاقة، بالإضافة إلى سلكي إخراج تيار، أي ما مجموعه 4 أسلاك، ويُسمى جهاز إرسال رباعي الأسلاك. بالطبع، يمكن توصيل سلك إخراج التيار بمصدر الطاقة عبر سلك مشترك (VCC أو GND)، مما يوفر سلكًا، ويُسمى جهاز إرسال ثلاثي الأسلاك. في الواقع، قد تلاحظ أن تيار 4-20 مللي أمبير نفسه كافٍ لتشغيل جهاز الإرسال. يُعتبر جهاز الإرسال في الدائرة بمثابة حمل خاص، والشيء المميز فيه هو أن تيار استهلاك الطاقة لجهاز الإرسال يتراوح بين 4 و20 مللي أمبير وفقًا لـ مستشعر درجة حرارة 4 20 مللي أمبير يتم إخراج البيانات وتغييرها. يتم توصيل عداد العرض ببساطة في الدائرة. يتطلب هذا النوع من أجهزة الإرسال سلكين خارجيين فقط، ولذلك يُسمى جهاز إرسال ثنائي الأسلاك. الحد الأدنى لمعيار حلقة التيار الصناعية هو 4 مللي أمبير، لذا يتم تزويد جهاز الإرسال بتيار لا يقل عن 4 مللي أمبير طالما كان ضمن النطاق المسموح به.

لذلك، فإن إشارة خرج 4-20 مللي أمبير عادةً ما تكون مستقرة وآمنة وموثوقة، ولذلك يُستخدم هذا النوع من الإشارات بشكل شائع في الصناعة عبر نظام ثنائي الأسلاك. ولكن لتحسين التعامل مع إشارة مستشعر درجة الحرارة 4-20 مللي أمبير، تتوفر أشكال أخرى لإشارات الخرج، مثل: 3.33 مللي فولت/فولت، 2 مللي فولت/فولت، 0-5 فولت، 0-10 فولت، وغيرها.