Преобразователь токового сигнала 4 20 ма

Датчики являются неотъемлемой частью любой измерительной системы, поскольку они помогают преобразовывать параметры реального мира в электронные сигналы, которые могут быть поняты машинами. В промышленной среде обычно используемым типом датчиков являются аналоговые датчики и цифровые датчики. Цифровые датчики обмениваются данными по протоколам, такими как USART, I2C, SPI и т. д. Аналоговые датчики могут обмениваться данными через переменный ток или переменное напряжение.

Многие из нас должны быть знакомы с датчиками, которые выдают переменное напряжение, такими датчик газа MQ, датчик изгиба и т. д. Эти аналоговые датчики напряжения соединены с преобразователями напряжения в ток для преобразования аналогового напряжения в аналоговый ток, чтобы стать датчиком переменного тока.

Такой датчик переменного тока работает по протоколу токовой петли 4-20 мА, то есть датчик выдает 4 мА, когда измеренное значение равно 0, и выдает 20 мА, когда измеренное значение является максимальным. Если выходной сигнал датчика меньше 4 мА или более 20 мА, это может рассматриваться как состояние неисправности. Датчик выводит ток по витой паре, позволяя и электропитанию, и данным проходить только через 2 провода. Наименьшее или нулевое значение составляет 4 мА. Это связано с ситуацией, когда выходной сигнал равен нулю или 4 мА, то он все равно может питать устройство. Кроме того, поскольку сигнал передается в виде тока, его можно отправлять на большие расстояния, не беспокоясь о падении напряжения из-за сопротивления провода или о помехоустойчивости.

В промышленности калибровка датчика является обычным процессом, и для калибровки системы, а также для устранения ошибок, проводится проверка токовой петли. В тестировании токовой петли используется процесс проверки, который проверяет обрыв линии связи. Он также проверяет выходной ток передатчика. В этом проекте мы создадим базовый тестер токовой петли, использующий несколько компонентов, который позволяет вручную регулировать ток от 4 мА до 20 мА, поворачивая потенциометр. Эта схема может использоваться как фиктивный датчик для эмуляции или для отладки.

Давайте рассмотрим важные компоненты, используемые в этом проекте. На изображении ниже показан PNP-транзистор BC557.

Это один из самых распространенных трехвыводных PNP-транзисторов. BC557 является идентичной парой NPN BC547. Другие эквивалентные транзисторы BC556, BC327, 2N3906 и т. д.

Операционный усилитель (ОУ), используемый здесь (JRC4558), следует той же схеме выводов, что и другие популярные типы ОУ. Контакт 1, контакт 2, контакт 3 используются для одного канала операционного усилителя, а контакты 5, 6, 7 – для другого канала. Любой канал может быть использован для этого проекта. 8-й контакт – это источник положительного питания, а 4-й – заземление. Здесь ОУ JRC4558D используется для этого проекта, но другие операционные усилители также будут работать. Такие как, как – TL072, LM258, LM358 и т. д.

Следующий компонент в списке деталей – потенциометр на 50 кОм от Bourns. Наименование компонента: 3590S-2-503L. Тем не менее, это немного дорогостоящий компонент. Лучше всего подходит для этой цели 10-оборотный потенциометр, но другие универсальные потенциометры также могут работать очень хорошо. Разница в том, что разрешение будет меньше с обычным потенциометром, из-за чего приращение или уменьшение источника тока не будет плавным. Распиновка потенциометра Bourns немного запутана по сравнению со стандартными распиновками потенциометра. На изображении ниже первый вывод слева – это выход потенциометра. Нужно быть осторожным при подключении этого потенциометра в любом приложении.

Полная принципиальная схема для тестера токовой петли 4-20 мА показана далее.

Как видите, схема довольно простая, она состоит из операционного усилителя, который управляет транзистором. Выходной ток от транзистора подается на светодиод, этот выходной ток может варьироваться от 0 мА до 20 мА путем изменения потенциометра и может измеряться амперметром, подключенным, как показано выше.

Операционный усилитель предназначен для использования в качестве источника тока с отрицательной обратной связью. Входное переменное напряжение подается на неинвертирующий вывод операционного усилителя с помощью потенциометра. Максимальный выходной ток (в данном случае 20 мА) устанавливается с помощью резистора, подключенного к инвертирующему выводу операционного усилителя. Теперь, основываясь на напряжении, подаваемом на неинвертирующий вывод, операционный усилитель смещает транзистор для подачи постоянного тока через светодиод. Этот постоянный ток будет поддерживаться независимо от значения сопротивления нагрузки, действующего как источник тока. Этот тип усилителя называется транскондуктивный усилитель. Схема проста и может быть легко собрана на макетной плате.

Здесь светодиод действует как нагрузка, а токовая петля обеспечивает необходимый ток для нагрузки. Ток нагрузки подается от BC557, который непосредственно находится под контролем операционного усилителя 4558. На положительном входе усилителя, опорное напряжение предоставляется с помощью потенциометра. В зависимости от опорного напряжения, операционный усилитель обеспечивает ток смещения на базу транзистора. Дополнительный последовательный резистор добавляется через потенциометр для ограничения опорного напряжения, а также выхода усилителя, создавая тем самым границу изменения тока от 0 мА до 20 мА. Изменение значения этого резистора также изменяет границу минимального и максимального тока на выходе.

Как только цепь будет собрана, подайте на нее питание с использованием регулируемого источника питания 5 В.

Для проверки схемы можно использовать мультиметр в ампер-режиме и подключить его щупы вместо амперметра, показанного на принципиальной схеме. Когда вы изменяете значение потенциометра, можно заметить, что значение тока на мультиметре варьируется от 4 мА до 20 мА.

Основное применение тестера токовой петли 4-20 мА – это тестирование или калибровка устройств ПЛК, которые работают по протоколу 4-20 мА и предоставляют данные в зависимости от тока. Следовательно, неправильная калибровка привела бы к появлению ошибки, воспринимаемой ПЛК. Устройством обеспечивается не только калибровка, но и удобный процесс проверки обрыва токовой петли.

Теги: токовая петля

Пример использования в качестве датчика тока для обратной связи

Автоматическое управление скоростью подачи сырья

T201 может использоваться в качестве датчика тока для обратной связи с преобразователем частоты, что позволяет
экономить расход энергии при малых нагрузках и регулировать объем подачи сырья на шнековый пресс в
зависимости от нагрузки на его электропривод.

Обеспечение обратной связи работы электродвигателей

Мониторинг работы конвейерных лент

С помощью Т201 на конвейере обеспечивается обратная связь работы электродвигателей. Анализ
потребляемого двигателем тока позволяет получить данные не только о состоянии включения и выключения, но
и отследить перегрузку, холостой ход или заклинивание.

Контроль состояния “ТЭНа” под слоем утеплителя

Контроль обрыва нагревателя трубопровода

Для предотвращения замерзания продукта в трубопроводе принимаются меры не только по утеплению, но и по
обогреву. С помощью Т201 обеспечивается контроль состояния ТЭН’а под слоем утеплителя.

• Допустимая пиковая перегрузка до 800 А
• Класс точности 0,2 % в диапазоне измерения до 5 А и 0,3% для остальных диапазонов
• Встроенный фильтр измеренных значений, который можно включить или выключить
• Частота измеряемого тока от 20 до 1000 Гц
• 8 диапазонов измерения, выбираемые с помощью DIP-переключателей
• Компактный размер и установка на DIN-рейку TH35 (крепление в комплекте)
• Питание преобразователя от токовой петли, напряжение питания от 5 В

Вход переменного тока

Диапазоны
5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 A (выбирается DIP-переключателями)

Макс. мгновенная перегрузка
800 A

Изоляция
1 кВ при измерении тока через провод без изоляции

Потребление
< 50 мВт

Соединение
Одевается на кабель (ø отверстия: 12,5 мм)

Выход / Питание

Максимальный ток
< 28 мA в условиях перегрузки

ЭМИ помехи (2)
< 40 μA

Температурная погрешность
0,015 %/ °C

Габаритные размеры
41×44×26 мм

(1) o.и.з. = от измеренного значения, o.в.п.д.и = от верхнего предела диапазона измерения;

(2) ЭМИ: Электромагнитное излучение.

Крепление T201 на DIN-рейку

Подключение измерительного преобразователя переменного тока Seneca T201

Входной диапазон: 5 АСостояние фильтра: отключен

Заводские настройки:По умолчанию все DIP-переключатели модуля установлены в положении OFF.
Данная установка соответствует следующей конфигурации:

• Входной диапазон – 5 А;
• Фильтр – отключен.

• Символ соответствует положениюDIP-переключателя ON (включен);
• Отсутствие символа соответствует положениюDIP-переключателя OFF (выключен).

* – фильтр стабилизирует измерения и замедляет время отклика до 2,5 секунд.

Все цены указаны с учетом НДС

Преобразователи серии СL300-U сигналов 2-х проводной токовой петли 4-20 мА в напряжение 0-10В / 0-5В / 0-1В

Стандартное применение: преобразование сигналов 2-х проводной токовой петли 4-20мА в напряжение 0-10В / 0-5В / 0-1В (три различные модификации). Вход: 2-х проводная токовая петля, питание петли от гальванически изолированного напряжения DC12В, формируемого преобразователем. Выход: гальванически изолированное напряжение 0-10В (CL300-U10)/0-5В (CL300-U5)/0-1В (CL300-U1). Напряжение питания преобразователя DC15-30В. Корпус 35×86×58мм на DIN-рейку.

) Преобразователи серии СL301-U сигналов «пассивной» 2-х проводной токовой петли 4-20 мА в напряжение 0-10В / 0-5В / 0-1В

Стандартное применение: преобразование сигналов 2-х проводной токовой петли 4-20мА в напряжение 0-10В / 0-5В / 0-1В (три различные модификации). Вход: 2-х проводная «пассивная» по отношению к преобразователю токовая петля 4-20мА с питанием от внешнего источника напряжения, питание первичной части преобразователя от токовой петли. Выход: гальванически изолированное напряжение 0-10В (CL300-U10)/0-5В (CL300-U5)/0-1В (CL300-U1). Напряжение питания преобразователя DC15-30В. Корпус 35×86×58мм на DIN-рейку.

Что делать, если Вам требуется считывать показания датчика температуры, работающего в условиях промышленного производства и расположенного на расстоянии 30 метров от управляющего контроллера? После долгих раздумий и тщательного изучения существующих решений, Вы наверняка выберете не Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Ethernet или RS-232/423, а токовую петлю 20 мА, которая с успехом используется уже более 50 лет. Несмотря на кажущуюся архаичность этого интерфейса, такой выбор, на самом деле, является оправданным во многих случаях.

В данной статье, построенной в виде вопросов и ответов, раскрываются особенности использования токовой петли для сбора данных и управления. В статье также рассказывается о различных улучшениях и модификациях токовой петли, которые были сделаны за всю историю ее практического использования.

Что такое токовая петля 20 мА?

Токовая петля 0-20 мА или токовая петля 4-20 мА представляет собой стандарт проводного интерфейса, в котором сигнал кодируется в виде аналогового тока. Ток 4 мА соответствует минимальному значению сигнала, а ток 20 мА соответствует максимальному значению сигнала (рис. 1). В типовом приложении напряжение датчика (часто милливольтного диапазона) преобразуется в токовый сигнал из диапазона 4-20 мА. Токовая петля использовалась во всех аналоговых системах еще до появления цифрового управления и заменяла пневматические системы управления в промышленных установках.

Рис. 1. При работе с датчиком токовая петля включает пять основных элементов: датчик, передатчик, источник питания, проводящий контур (петлю) и приемник

Может ли токовая петля использоваться совместно с цифровыми сигналами?

Да, может. Обычно для представления логического «0» используется токовый сигнал 4 мА, а для кодирования логической «1» используется токовый сигнал 20 мА. Подробнее об этом рассказывается далее.

Где используется интерфейс токовой петли 4-20 мА?

Он используется в основном в промышленных приложениях, в которых датчик и контроллер или контроллер и актуатор расположены на значительном удалении друг от друга, а коммуникационные кабели пролегают в помещениях с большим уровнем электромагнитных помех.

Почему используют токовую петлю, а не традиционные интерфейсы, например, RS-232, RS-423, RS-485 и т

Существует две веские причины.

Во-первых, низкоомный контур в токовой петле обеспечивает высокую стойкость к внешним шумам. В соответствии с законом Кирхгофа сумма токов замкнутого контура равна нулю. По этой причине в токовой петле невозможно ослабление или усиление тока (рис. 2). На практике питание токовой петли осуществляется от источника напряжения 12 до 30 В, но электроника передатчика преобразует напряжение в ток. С другой стороны, интерфейсы, использующие сигналы напряжения, строятся на основе высокоомных контуров, которые оказываются весьма восприимчивыми к помехам.

Во-вторых, токовая петля имеет естественную функцию самодиагностики: если контур разрывается – ток падает до нуля, что автоматически определяется схемой. После этого формируется аварийное предупреждение и производится локализация разрыва.

Рис. 2. Принцип, лежащий в основе токовой петли, определяется первым законом Кирхгофа: сумма токов замкнутого контура равна нулю

Как токовая петля реализуется на стороне датчика и на стороне актуатора?

Выше уже было сказано, что токовая петля обладает двумя важными преимуществами: высокой помехозащищенностью и встроенной возможностью самодиагностики. Кроме того, данный интерфейс имеет и другие достоинства, в том числе: невысокую стоимость реализации, легкость настройки и отладки, простоту диагностики, высокую надежность, возможность создания длинных линий связи вплоть до нескольких сотен метров (в том случае, если источник питания позволяет покрыть падение напряжения на проводах).

Другие проводные стандарты сложнее настраивать и обслуживать, они чувствительны к шуму, слабо защищены от взлома и отличаются высокой стоимостью реализации.

Создать беспроводную связь в промышленной среде вполне возможно, если речь идет о небольших расстояниях. Но при работе на больших дистанциях возникают трудности, связнные с необходимостью многоуровневой фильтрации, реализацией механизмов обнаружения и исправления ошибок, что приводит также и к избыточности данных. Все это увеличивает стоимость и риск разрыва связи. Такое решение вряд ли оправдано, если требуется всего лишь подключить простой датчик температуры или контроллер клапана/двигателя.

Как сигнал токового контура преобразуется в напряжение?

Все довольно просто: ток проходит через резистор, а получаемое падение напряжения усиливается с помощью операционного или дифференциального усилителя. По разным причинам для резистора токовой петли было выбрано стандартное значение сопротивления 250 Ом. Таким образом, сигналу 4 мА соответствует напряжение 1 В, а сигналу 20 мА соответствует напряжение 5 В. Напряжение 1 В оказывается достаточно большим по сравнению с фоновыми шумом и может быть легко измерено. Напряжение 5 В также является весьма удобным и лежит в диапазоне допустимых значений для большинства аналоговых схем. В то же время, максимальная мощность, рассеиваемая на резисторе токовой петли (I2R), составляет всего 0,1 Вт, что приемлемо даже для устройств с ограниченными возможностями по отводу тепла.

Действительно ли токовая петля 20 мА является пережитком прошлого и используется только в устаревших электронных приборах?

Совсем нет. Производители интегральных микросхем и приборов все еще выпускают новые продукты, поддерживающие этот интерфейс.

Каким образом аналоговая токовая петля адаптируется к цифровому миру?

Как было сказано выше, токовая петля позволяет передавать цифровые данные. Результаты измерений от датчика можно посылать не в виде аналогового непрерывного сигнала, а в виде дискретных токовых сигналов. Типовая разрядность данных при этом составляет от 12 до 16 бит. Иногда используют разрядность 18 бит, но это скорее является исключением, так как для обычных промышленных систем вполне хватает и 16 бит. Таким образом, токовая петля может быть интегрирована в цифровые системы управления.

Что еще требуется для передачи цифровых данных?

Для выполнения обмена цифровыми данными будет недостаточно простой пересылки битов в виде токовых импульсов. Необходимо каким-то образом сообщать пользователю, когда начинается и заканчивается пакет данных. Кроме того, требуется контролировать появление ошибок и выполнять некоторые другие функции. Таким образом, для передачи цифровых данных с помощью токовой петли требуется определить формат кадров и реализовать соответствующий протокол передачи.

Что такое стандарт HART?

HART – общепринятый стандарт, который оговаривает не только физическое кодирование битов, но определяет формат и протокол передачи данных. Например, в формате кадра используются различные поля: многобайтовая преамбула, стартовый байт, многобайтовый адрес, поле команды, поле данных, поле, указывающее количество байтов данных, фактические данные и, наконец, контрольная сумма.

Разработка HART была инициирована Rosemount Corp в 1980-х годах, и вскоре он стал отраслевым стандартом де-факто. Обозначение HART (Highway Addressable Remote Transducer) было закреплено в 1990-х годах, когда стандарт стал открытым и даже был реализован в виде стандарта МЭК для использования в Европе. HART претерпел три основных модификации, но сохранил обратную совместимость со всеми предыдущими версиями, что является крайне важным для рынка промышленной электроники.

Дополнительной особенностью HART является включение информации о производителе электронного устройства в поле команды. Эта информация позволяет избежать путаницы при выполнении установки, отладки и документирования, так как существует более 100 поставщиков HART-совместимых устройств.

Какие еще улучшения дает HART?

Использование байтового поля адреса позволяет одной токовой петле работать с множеством подключенных датчиков, поскольку каждому датчику может быть присвоен уникальный номер. Это приводит к значительной экономии средств, затрачиваемых на прокладку проводов и монтаж по сравнению с соединением точка-точка.

Подключение множества устройств к одной общей токовой петле означает, что эффективная скорость передачи данных для каждого отдельного устройства уменьшается. Однако чаще всего это не является проблемой. Дело в том, что в большинстве промышленных приложений обновление данных и передача команд происходит довольно редко – порядка одного раза в секунду. Например, температура – наиболее часто измеряемая физическая величина- как правило, меняется достаточно медленно.

Таким образом, стандарт HART делает токовую петлю 20 мА востребованной даже в век цифровых технологий.

Есть ли какие-либо другие улучшения, которые повышают актуальность данного интерфейса?

Да, другое важное усовершенствование касается питания. Напомним, что токовая петля использует диапазон сигналов 4-20 мА. Источник тока может находиться в передатчике или приемнике. В то же время и датчику, и актуатору требуется дополнительный источник для питания собственной электроники (АЦП, усилители, драйверы и т.д.). Это приводит к усложнению монтажа и увеличению стоимости.

Однако по мере развития интегральных технологий потребление приемников и передатчиков уменьшалось. В результате появилась реальная возможность питания устройств непосредственно от токовой петли. Если потребление электронных компонентов, входящих в состав датчика или актуатора, не превышает 4 мА, то нет необходимости в дополнительном источнике питания. Пока напряжение сигнального контура достаточно велико, интерфейс токовой петли может питать сам себя.

Есть ли какие-либо другие преимущества у устройств с питанием от токовой петли?

Да. Многие устройства с питанием от сигнальных линий должны иметь разрешение на использование во взрывоопасных зонах. Например, они должны быть сертифицированы, как невоспламеняющиеся (N.I.) или искробезопасные (I.S.). Для устройств любого из этих классов требуется, чтобы энергии, потребляемой электроникой, было так мало, чтобы ее не хватало для возгорания как при нормальных условиях эксплуатации, так и при авариях. Потребляемая мощность устройств с питанием от токовой петли столь мала, что они обычно без проблем проходят данную сертификацию.

Что делают производители ИС для упрощения работы с токовой петлей?

Они делают то же, что и всегда: создают ИС, которые обеспечивают реализацию не только базового функционала, но множества других дополнительных возможностей. Например, Maxim Integrated MAX12900 представляет собой малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА (рис. 3).

Рис. 3. MAX12900 – малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА, который обеспечивает выполнение базовых функций, а также множества дополнительных полезных возможностей, в том числе питание напрямую от токовой петли

MAX12900 обеспечивает не только передачу данных, но и питание напрямую от токовой петли. Микросхема объединяет в одном корпусе множество функциональных блоков: стабилизатор напряжения LDO; две схемы для формирования ШИМ-сигналов; два малопотребляющих и стабильных ОУ общего назначения; один широкополосный ОУ с нулевым смещением; два диагностических компаратора, схему управления подачей питания для обеспечения плавного включения; источники опорного напряжения с минимальным дрейфом.

Можете ли вы привести пример реализации датчика с интерфейсом токовой петли?

Компания Texas Instruments предлагает TIDM-01000 – референсную схему датчика температуры с интерфейсом токовой петли 4-20 мА. Схема построена на базе микроконтроллера MSP430 и представляет собой бюджетное решение с минимальным набором компонентов.

Рис. 4. Референсная схема TIDM-01000 представляет собой датчик температуры (RTD) с токовым интерфейсом 4-20 мА. Схема построена на базе нескольких ИС, которые обеспечивают обработку показаний датчика и взаимодействие с токовой петлей

В TIDM-01000 для управления током используется модуль Smart Analog Combo (SAC), встроенный в микроконтроллер MSP430FR2355. Таким образом, отдельный ЦАП не требуется. Схема имеет 12-битное разрешение с шагом квантования выходного тока 6 мкА. Предложенное решение обеспечивает защиту от обратной полярности, а защита входов токовой петли отвечает требованиям IEC61000-4-2 и IEC61000-4-4 (рис. 5).

Рис. 5. Передатчик, построенный с использованием TIDM-01000, умещается на небольшой печатной плате. Компактность является еще одним достоинством токовой петли

Заключение

В статье были рассмотрены основные вопросы, посвященные использованию токовой петли 4-20 мА в промышленных приложениях. Несмотря на то, что этот интерфейс является настоящей «древностью» по меркам электроники, тем не менее, его по-прежнему широко используют, в том числе в современных цифровых устройствах. В статье также рассказывалось о том, каким образом питание от токового контура дополнительно расширяет возможности данного интерфейса.

Разделы: Интерфейс токовой петли

Доставка продукции осуществляется наложенным платежем по адресу указанному в реквизитах. Компании грузоперевозчиков: “Деловые Линии”, “СДЭК”,

” Желдорэкспедиция” или другая, по согласованию с Заказчиком.

Наименование

ТРПС 1-2-2

Преобразует входной ток 4-20 мА в два напряжения 0-10 вольт. Питание 15 36В. Галяваническая развязка между входным, выходными сигналами и питанием до напряжения 1000 В.

ПРС 1Т-1Т1Н-2

Преобразует входной сигнал 4-20 мА(0-20мА) в два сигнала 4-20 мА (0-20мА) . Все входы и выходы гальванически изолированы между собой. Питание от источника постоянного тока 15-36 вольт. Крепление на рейку DIN35. Габаритные размеры 100х115х12.

ТРПС1-2-4

Полная гальваническая изоляция входных и выходных сигналов выдерживает испытательное напряжение 1500 В. Преобразователь имеет возможность работать как с пасивными, так и активными входами и выходами. Габаритные размары 92х18х112. Крепление на рейку DIN35.

ПРС 10В-3х4-20мА

Преобразование сигнала 0-10 вольт на три гальванически изолированных выхода в сигнал 4-20 мА. Возможно использование выходов в активном или пасивном режиме. Светодиодная индикация питания и уровня сигнала. Питание 15-36 вольт. Крепление на DIN рейку. Габаритные размеры 110х110х60.

ПРС 4-20мА 3х0-10В

Преобразователь токового сигнала 4-20 мА на три гальванически изолированных выхода с сигналом 0-10 вольт. Вход преобразователя может работать с активными или пасивными источниками сигнала. Питание 15-36 вольт. крепление на DIN рейку. Габаритные размеры 110х110х60 мм.

ТРПС 1-3-4

ТРПС 1-4-2

Предназначен для питания датчиков, схем управления и других схем автоматики. Восемь выходных напряжений постоянного тока 24 В гальванически изолированы. Максимальная токовая нагрузка 50 мА. При последовательном включении каналов максимальное выходное напряжение – 192 вольта. Каждый канал имеет стабилизацию выходного напряжения, защиту от короткого замыкания.

R DIN 10K

Потенциометр в корпусе на рейку DIN35. Имеет наглядную шкалу для считывания положения движка. Соединители под винт обеспечивают удобный монтаж. Потенциометры выпускаются номиналов 1, 5 и 10 кОм или под заказ. Предельная рассеиваемая мощность не более 0.25 Вт. Размеры: 90х80х34.

2R-DIN

Регулятор стандартного сигнала

Регулятор предназначен для управления исполнительным устройством по токовому сигналу 4-20 мА. Уровни включения и оттключения задаются раздельными потенциометрами. Питание реле-18-36В. Выход выполнен на транзисторе.

Нормирующий преобразователь Seneca T120

• Преобразование сигналов термосопротивлений Pt100 и Ni100 с помощью Т120, подключение по 2-х, 3-х, 4-х проводной схеме.
• Подключение сигналов термосопротивлений Pt100/500/1000, Cu50/100 и Ni100/120/1000 по 2-х, 3-х, 4-х проводной схеме, сигналов термопар J/ K/ R/ S/ T/ B/ E/ N/ L и переменных резисторов для преобразования, с помощью Т121.
• Возможность преобразования сигналов токовых шунтов от минус 150 до 150 мВ с помощью Т121, наличие у него гальванической развязки.
• Погрешность преобразования не более 0,1 %, разрешение ЦАП 16 бит.
• Компактные габаритные размеры, установка в клеммную головку датчика температуры.
• Настройка с помощью бесплатного ПО Seneca Easy Setup (диапазоны, фильтрация, аварийные состояния, тип датчика и схема подключения).

Подключение аналогового выхода и источника питания

Схемы подключения нормирующего преобразователя T121

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.