Почему передатчикам и датчикам следует использовать ток 4–20 мА в качестве передаваемого сигнала?

Почему передатчикам и датчикам следует использовать ток 4–20 мА в качестве передаваемого сигнала?

I. Что такое система сигнализации 4–20 мА постоянного тока (1–5 В постоянного тока)?

Система сигналов 4–20 мА постоянного тока (1–5 В постоянного тока) соответствует стандарту Международной электротехнической комиссии (IEC) для аналоговых сигналов в системах управления технологическими процессами. В нашей стране, начиная с электроизмерительных приборов типа DDZ-Ⅲ, начали использовать этот международный стандарт сигнализации: сигналы передачи прибора передаются с использованием 4–20 мА постоянного тока, а сигналы контактов — с использованием 1–5 В постоянного тока, то есть используется система передачи тока и приема напряжения.

Принцип работы токовой петли 4~20 мА:

В промышленной сфере использование инструментального усилителя для обработки сигнала и его передачи по длинной линии связи вызывает следующие проблемы: во-первых, поскольку передаваемый сигнал является напряжением, линия передачи будет подвержена помехам; во-вторых, распределительное сопротивление линии передачи вызовет падение напряжения; в-третьих, также возникает проблема обеспечения рабочего напряжения инструментального усилителя в полевых условиях.

Для решения вышеуказанных проблем и во избежание влияния сопутствующего шума мы используем ток для передачи сигнала, поскольку ток нечувствителен к шуму. В токовой петле 4–20 мА используется 4 мА для обозначения нулевого сигнала и 20 мА для обозначения полного диапазона сигнала, а сигналы ниже 4 мА и выше 20 мА используются для различных видов сигнализации о неисправностях.

(Источник изображения: Интернет)

Во-вторых, каковы преимущества системы сигналов 4–20 мА постоянного тока (1–5 В постоянного тока)?

В полевых измерительных приборах может быть реализована двухпроводная система, так называемая двухпроводная система, в которой источник питания и нагрузка соединены последовательно, образуя общую точку, и полевой передатчик и измерительные приборы в диспетчерской перед контактным разъемом сигнала и источником питания имеют всего два провода. Это связано с тем, что пусковой ток сигнала датчик температуры 4-20 мА В системе постоянного тока (DC) передатчик обеспечивает статический рабочий ток, в то время как электрическая нулевая точка прибора составляет 4 мА постоянного тока и не совпадает с механической нулевой точкой. Эта «рабочая нулевая точка» способствует выявлению отключений электроэнергии, обрывов цепи и других неисправностей. Двухпроводная система также удобна для использования защитной сетки, что способствует безопасности и взрывобезопасности.

Приборы в диспетчерской используют параллельную передачу сигналов напряжения; одна и та же система управления относится к приборам, подключенным к общедоступному терминалу, что упрощает обнаружение приборов, регулирование приборов, работу компьютеров, устройств сигнализации и обеспечивает удобную проводку.

Причина использования постоянного тока 4–20 мА в качестве контактного сигнала между полевым прибором и прибором в диспетчерской заключается в следующем: поскольку расстояние между полевым и диспетчерским приборами велико, сопротивление соединительных проводов велико, и если для дистанционной передачи используется сигнал напряжения, это лучше, чем сопротивление проводов и деление напряжения на входном сопротивлении принимающего прибора, которое приведет к большой погрешности. При использовании сигнала от источника постоянного тока для дистанционной передачи, если передающая петля не разветвляется, ток в петле не будет изменяться с длиной проводов, что обеспечивает точность передачи.

Причина использования напряжения 1–5 В постоянного тока в качестве контактного сигнала между приборами в диспетчерской заключается в следующем: это облегчает одновременный прием одного и того же сигнала несколькими приборами, а также упрощает монтаж проводки и формирование различных сложных систем управления. Если в качестве контактного сигнала используется источник тока, то при одновременном приеме одного и того же сигнала несколькими приборами их входные сопротивления должны быть соединены последовательно, что приведет к превышению максимального сопротивления нагрузки передающего прибора, а также к разнице потенциалов отрицательного конца сигнала принимающего прибора, что вызовет помехи и не может быть реализовано при использовании единого централизованного источника питания.

При использовании контактного источника напряжения, контакт с полевыми измерительными приборами должен преобразовываться из токового сигнала в напряжение. Простейший способ: в контуре передачи тока последовательно с резистором 250 Ом датчик температуры преобразует постоянный ток 4-20 мА в постоянный ток 1-5 В. Обычно эту задачу выполняет распределитель.

Во-третьих, почему передатчики выбирают постоянный ток 4–20 мА для передачи сигнала?

1. Первое применение принципов безопасности на практике.

При разработке взрывозащищенного искробезопасного прибора необходимо уделять особое внимание безопасности, а контроль энергопотребления прибора является необходимым условием для поддержания его нормальной работы, что позволяет свести к минимуму статическое и динамическое энергопотребление. Стандартный передатчик сигнала постоянного тока с выходным током 4 ~ 20 мА, обычно питается от источника постоянного тока 24 В. Основная причина использования постоянного напряжения заключается в невозможности применения конденсаторов и индукторов большой емкости. Необходимо учитывать распределение емкости и индуктивности проводов, подключенных к передатчику и контрольно-измерительным приборам в диспетчерской, например, провод сечением 2 мм² с распределением емкости около 0,05 мкГн/км; для одного провода индуктивность составляет около 0,4 мГн/км; это значительно ниже значения детонации водорода, что, очевидно, очень благоприятно для взрывозащиты.

2. Передача сигналов с помощью источника тока лучше, чем с помощью источника напряжения.

Из-за расстояния между местом происшествия и диспетчерской, сопротивление соединительных проводов велико. При передаче сигнала от источника напряжения, из-за сопротивления проводов и входного сопротивления приемного прибора, происходит деление напряжения, что приводит к большой ошибке. Если же используется сигнал от источника тока, передаваемый дистанционно, то, если в передающей петле нет ответвлений, ток в петле не будет изменяться с длиной провода, что обеспечивает точность передачи.

3. Максимальный ток сигнала, выбранный по следующим причинам: 20 мА.

Выбор максимального тока 20 мА основан на соображениях безопасности, практичности, энергопотребления и стоимости. Безопасные искрогасительные приборы могут использоваться только при низком напряжении и низком токе, 4–20 мА и 24 В постоянного тока, что также безопасно для легковоспламеняющегося водорода; при токе детонации водорода 24 В постоянного тока 200 мА, что значительно превышает 20 мА, необходимо всесторонне учитывать расстояние подключения приборов на производственной площадке, нагрузку и другие факторы; а также вопросы энергопотребления и стоимости, требования к электронным компонентам, требования к источнику питания и другие факторы.

4. Начальный ток сигнала, для которого выбрано значение 4 мА.

Выходной сигнал передатчика 4–20 мА поступает в большинство двухпроводных систем, то есть питание и нагрузка соединены последовательно, имеется общая точка, а между полевым передатчиком и контрольно-измерительными приборами диспетчерской зоны и источником питания всего два провода. Почему начальный сигнал не равен 0 мА? Это объясняется двумя причинами: во-первых, схема передатчика не будет работать без статического тока, а начальный ток сигнала 4 мА постоянного тока не совпадает с механическим нулем, этот «живой ноль» способствует обнаружению отключений питания и других неисправностей.

Четвертый вопрос: откуда взялся датчик 4 ~ 20 мА?

Причина использования текущего сигнала заключается в его низкой подверженности помехам, а также в бесконечном внутреннем сопротивлении источника тока и отсутствии влияния сопротивления проводов, входящих в последовательную цепь, на точность передачи не влияет, и в обычном кабеле витой пары можно передавать данные на сотни метров.

Причина использования токового сигнала заключается в том, что он менее подвержен помехам, поскольку амплитуда шумового напряжения в промышленной сфере может достигать нескольких вольт, но мощность шума очень слабая, поэтому шумовой ток обычно меньше уровня нА, следовательно, погрешность, вносимая в передачу 4-20 мА, очень мала; внутреннее сопротивление источника тока стремится к бесконечности, и резистор, подключенный последовательно в петлю, не влияет на точность, поэтому передача может осуществляться на сотни метров по обычной витой паре; благодаря большому внутреннему сопротивлению источника тока и постоянному сопротивлению, резистор, подключенный последовательно в петлю, не влияет на точность, поэтому передача может осуществляться на сотни метров по обычной витой паре. Благодаря большому внутреннему сопротивлению источника тока и постоянному выходному току, для получения напряжения 0-5 В достаточно установить резистор 250 Ом, подключенный к земле на приемном конце. Преимущество приемника с низким входным импедансом заключается в том, что шумовой входной ток уровня нА создает лишь очень слабое шумовое напряжение.

Верхний предел в 20 мА установлен из-за требований взрывозащиты: энергии искры, возникающей при прерывании тока в 20 мА, недостаточно для воспламенения газа. Нижний предел не установлен равным 0 мА, чтобы иметь возможность обнаруживать обрывы линий: в нормальном режиме работы он не будет ниже 4 мА, а при обрыве линии электропередачи из-за неисправности ток в контуре падает до 0. 2 мА часто принимается за пороговое значение для срабатывания сигнализации об обрыве линии. Для питания передатчика тока требуется преобразование в физические величины с выходным током 4–20 мА, поэтому для его питания необходим внешний источник питания. Наиболее типичный вариант — передатчик, которому требуется две линии питания плюс две линии выходного тока, всего 4 провода, называемый четырехпроводным передатчиком. Конечно, выходной ток может быть общим с источником питания, общим с VCC или GND, что позволяет сэкономить линию, называемый трехпроводным передатчиком. Фактически, вы можете заметить, что ток 4–20 мА сам по себе может питать передатчик. Передатчик в схеме эквивалентен специальной нагрузке, особенность которой заключается в том, что потребляемый передатчиком ток составляет от 4 до 20 мА в зависимости от... 4 датчика температуры 20 мА Вывод и изменение. Индикатор уровня просто подключается к цепи. Для этого типа передатчика требуется всего два внешних провода, поэтому он называется двухпроводным передатчиком. Нижний предел промышленного стандарта токовой петли составляет 4 мА, поэтому передатчик получает как минимум 4 мА, пока находится в пределах допустимого диапазона.

Поэтому выходной сигнал 4-20 мА, как правило, не подвержен помехам, безопасен и надежен, поэтому в промышленности широко используется двухпроводной выходной сигнал 4-20 мА. Однако для лучшей обработки сигнала датчика температуры 4-20 мА существуют и другие формы выходных сигналов: 3,33 МВ/В; 2 МВ/В; 0-5 В; 0-10 В и так далее.