Por que transmissores e sensores devem usar 4 a 20 mA como sinal de transmissão?

Por que transmissores e sensores devem usar 4 a 20 mA como sinal de transmissão?

I. O que é um sistema de sinalização de 4 a 20 mA CC (1 a 5 V CC)?

O sistema de sinalização de 4 a 20 mA CC (1 a 5 V CC) é o padrão da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) para sinais analógicos em sistemas de controle de processos. No Brasil, a partir da instrumentação elétrica do tipo DDZ-III, passou-se a utilizar esse padrão internacional de sinalização. O sinal de transmissão do instrumento utiliza 4 a 20 mA CC e o sinal de contato utiliza 1 a 5 V CC, ou seja, utiliza-se um sistema de transmissão de corrente e recepção de tensão.

Princípio de funcionamento do circuito de corrente de 4 a 20 mA:

No setor industrial, o uso de um amplificador de instrumentação para realizar o condicionamento do sinal e transmiti-lo por uma longa linha acarreta os seguintes problemas: primeiro, como o sinal transmitido é um sinal de tensão, a linha de transmissão sofrerá interferência de ruído; segundo, a resistência de distribuição da linha de transmissão gerará queda de tensão; terceiro, como fornecer a tensão de operação do amplificador de instrumentação em campo também é um problema.

Para solucionar os problemas acima e evitar a influência de ruídos associados, utilizamos corrente para transmitir o sinal, pois a corrente não é sensível a ruídos. O circuito de corrente de 4 a 20 mA utiliza 4 mA para indicar o sinal zero e 20 mA para indicar o valor máximo do sinal. Sinais abaixo de 4 mA e acima de 20 mA são utilizados para diversos tipos de alarmes de falha.

(Fonte da imagem: Internet)

Em segundo lugar, quais as vantagens de um sistema de sinal de 4 a 20 mA CC (1 a 5 V CC)?

A instrumentação de campo pode ser implementada com um sistema de dois fios, no qual a fonte de alimentação e a carga são conectadas em série, havendo um ponto em comum. O transmissor de campo e a instrumentação da sala de controle, antes do sinal, se conectam à fonte de alimentação com apenas dois fios. Isso ocorre porque a corrente de partida do sinal é... Sensor de temperatura 4-20mA O sistema de dois fios permite que o transmissor forneça uma corrente operacional estática, enquanto o ponto zero elétrico do instrumento, de 4 mA CC, não coincide com o ponto zero mecânico. Esse "zero ativo" facilita a identificação de interrupções de energia, desconexões e outras falhas. Além disso, o sistema de dois fios permite o uso de uma grade de segurança, o que contribui para a segurança e evita explosões.

A instrumentação da sala de controle utiliza transmissão de sinal paralelo de tensão, e o mesmo sistema de controle pertence à instrumentação entre os terminais públicos, facilitando a detecção, a regulação, a conexão com computadores e dispositivos de alarme, além de uma fiação conveniente.

A razão para usar 4~20mA CC como sinal de contato entre o instrumento de campo e o instrumento da sala de controle é a seguinte: devido à grande distância entre o campo e a sala de controle, a resistência dos fios de conexão é alta. Se um sinal de tensão fosse usado para transmissão remota, a diferença entre a resistência dos fios e a resistência de entrada do instrumento receptor seria muito grande, o que geraria um erro considerável. Por outro lado, ao usar o sinal de uma fonte de corrente constante para transmissão remota, desde que o circuito de transmissão não se ramifique, a corrente no circuito não varia com o comprimento dos fios, garantindo assim a precisão da transmissão.

A razão para usar 1~5V CC como sinal de contato entre os instrumentos na sala de controle é: facilitar a recepção conjunta do mesmo sinal por múltiplos instrumentos e simplificar a fiação e a formação de diversos sistemas de controle complexos. Se a fonte de corrente fosse usada como sinal de contato, quando mais de um instrumento recebesse o mesmo sinal, suas resistências de entrada teriam que ser conectadas em série, o que faria com que a resistência máxima de carga excedesse a capacidade de carga do instrumento transmissor. Além disso, a diferença de potencial entre os terminais negativos dos instrumentos receptores introduziria interferência, o que não seria viável com uma única fonte de alimentação centralizada.

O uso de um contato de sinal de fonte de tensão, em contato com a instrumentação de campo, com o sinal de corrente, deve ser convertido em um sinal de tensão. A maneira mais simples é: no circuito de transmissão de corrente, em série com um resistor padrão de 250 Ω, o sensor de temperatura de 4-20 mA CC converte a tensão de 4-20 mA CC em 1-5 V CC. Normalmente, o distribuidor realiza essa tarefa.

Terceiro, por que os transmissores escolhem 4 ~ 20mA.DC para o sinal de transmissão?

1. Primeiramente, a partir da aplicação prática das considerações de segurança.

A segurança deve ser priorizada em instrumentos de segurança à prova de explosão do tipo faísca, e o controle da energia do instrumento deve ser um pré-requisito para manter sua operação normal, reduzindo ao mínimo o consumo de energia estática e dinâmica. Transmissores de sinal padrão com saída de 4 a 20 mA CC geralmente possuem tensão de alimentação de 24 V CC. A principal razão para o uso de tensão CC é a impossibilidade de utilizar capacitores e indutores de grande capacidade. Basta considerar a distribuição de capacitância e indutância do fio entre o transmissor e os instrumentos da sala de controle, como por exemplo, um fio de 2 mm² com capacitância de aproximadamente 0,05 μH/km e indutância de aproximadamente 0,4 mH/km, valores muito inferiores à detonação do hidrogênio. Isso é extremamente favorável à segurança contra explosões.

2. A transmissão de sinais com uma fonte de corrente é melhor do que com uma fonte de tensão.

Devido à distância entre o local da ocorrência e a sala de controle, a resistência da fiação é alta. Se a transmissão for feita por uma fonte de sinal de tensão, a divisão de tensão entre a resistência do fio e a resistência de entrada do instrumento receptor produzirá um erro significativo. Por outro lado, se a transmissão for feita remotamente por uma fonte de sinal de corrente, desde que o circuito de transmissão não apresente ramificações, a corrente no circuito não variará com o comprimento do fio, garantindo assim a precisão da transmissão.

3. A seleção da corrente máxima do sinal de 20 mA se justifica pelos motivos apresentados.

A escolha da corrente máxima de 20 mA baseia-se em considerações de segurança, praticidade, consumo de energia e custo. Instrumentos de detecção de faíscas seguros só podem ser usados ​​para baixa tensão e baixa corrente, de 4 a 20 mA, e 24 VCC também são seguros para hidrogênio inflamável. Para hidrogênio em 24 VCC, a corrente de detonação é de 200 mA, muito superior a 20 mA. Além disso, é preciso considerar a distância de conexão entre os instrumentos no local de produção, a carga e outros fatores; também é necessário avaliar o consumo de energia e o custo, os requisitos dos componentes eletrônicos e da fonte de alimentação.

4, a corrente inicial do sinal para escolher o motivo para 4mA

A saída de 4 a 20 mA do transmissor é utilizada na maioria dos sistemas de dois fios, ou seja, a fonte de alimentação e a carga são conectadas em série, havendo um ponto comum. O transmissor de campo e a instrumentação da sala de controle se conectam à fonte de alimentação com apenas dois fios. A razão pela qual o sinal de partida não é 0 mA se deve a dois fatores: primeiro, o circuito do transmissor não funciona sem corrente estática; a corrente de partida do sinal é de 4 mA CC, que não coincide com o zero mecânico. Esse "zero ativo" facilita a identificação de quedas de energia, desconexões e outras falhas.

Quatro, qual a origem do sensor de 4 ~ 20mA?

A razão para usar o sinal de corrente é que ele não é facilmente perturbado, e a fonte de corrente possui resistência interna infinita; a resistência do fio em série no circuito não afeta a precisão, e um cabo de par trançado comum pode transmitir dados por centenas de metros.

A razão para usar o sinal de corrente é que ele não é facilmente perturbado, pois a amplitude da tensão de ruído no campo industrial pode atingir vários volts, mas a potência do ruído é muito fraca, de modo que a corrente de ruído geralmente é inferior ao nível de nA, portanto, o erro introduzido na transmissão de 4-20 mA é muito pequeno; a resistência interna da fonte de corrente tende a ser infinita e o resistor do fio condutor é conectado em série no circuito sem afetar a precisão, permitindo a transmissão por centenas de metros em um cabo de par trançado comum; devido à alta resistência interna da fonte de corrente e à resistência constante, o resistor do fio condutor é conectado em série no circuito sem afetar a precisão, permitindo a transmissão por centenas de metros em um cabo de par trançado comum. Devido à alta resistência interna da fonte de corrente e à saída de corrente constante, basta conectar um resistor de 250 ohms ao terra na extremidade receptora para obter uma tensão de 0-5 V. A vantagem do receptor de baixa impedância de entrada é que o ruído de corrente de entrada em nível de nA produz apenas um ruído de tensão muito fraco.

O limite superior de 20 mA é definido devido a requisitos de segurança contra explosões: a energia da faísca causada pela interrupção de uma corrente de 20 mA não é suficiente para inflamar o gás. O motivo pelo qual o limite inferior não é definido como 0 mA é para permitir a detecção de rupturas na linha: em operação normal, a corrente não será inferior a 4 mA e, quando a linha de transmissão é interrompida devido a uma falha, a corrente no circuito cai para 0. 2 mA é frequentemente considerado o valor de alarme para uma linha interrompida. O transmissor de corrente converte a corrente em uma grandeza física de saída de 4 a 20 mA, necessitando de uma fonte de alimentação externa. O mais comum é que o transmissor necessite de duas linhas de alimentação, mais duas linhas de saída de corrente, totalizando 4 fios conectados, sendo chamado de transmissor de quatro fios. Alternativamente, a saída de corrente pode ser compartilhada com a fonte de alimentação através de uma linha comum (VCC ou GND), economizando uma linha, o que caracteriza o transmissor de três fios. De fato, é possível observar que a própria corrente de 4 a 20 mA pode alimentar o transmissor. O transmissor no circuito é equivalente a uma carga especial, sendo a particularidade o fato de o consumo de energia do transmissor estar entre 4 e 20 mA, de acordo com o Sensor de temperatura 4 20ma saída e mudança. O medidor de exibição é simplesmente conectado ao circuito. Este tipo de transmissor requer apenas dois fios externos e, portanto, é chamado de transmissor de dois fios. O limite inferior do padrão de loop de corrente industrial é de 4 mA, portanto, o transmissor é alimentado com pelo menos 4 mA, desde que esteja dentro da faixa.

Portanto, o sinal de saída de 4-20mA geralmente não é facilmente perturbado, sendo seguro e confiável, sendo por isso comumente utilizado na indústria o sinal de saída de energia de 4-20mA com dois fios. No entanto, para melhor lidar com o sinal do sensor de temperatura de 4-20mA, existem outras formas de sinais de saída: 3,33MV/V; 2MV/V; 0-5V; 0-10V, entre outras.