Стандартный токовый выход

Несмотря на развитие беспроводных сетей для связи между центральным устройством и периферией в системах автоматики и телемеханики, традиционные интерфейсы широко применяются, и ещё долго будут применяться в подобных устройствах. В этой области уже несколько десятилетий используется интерфейс типа «токовая петля», снискавший популярность благодаря простоте и надежности.

А те обязательно м/схему надо ?Чем те обычный эмиттерный повторитель не подходит ?

А он может обеспечить линейную зависимость выходного тока от входного напряжения при колебании температуры окружающей среды от -40 до + 40 ?

А ты думаешь, что те м/схема это обеспечит ?Да ещё с таким температурным диапазоном ?

Ей Богу, не хочу обидеть вас обоих, но обсуждение выглядит в стиле старого анекдота:

Летят Василий Иванович и Петька на самолете.
– Петька, приборы!
– Двадцать!
– Что “двадцать”?
– А что “приборы”?

Скажу так (не сочтите уж за флуд):

1. Зависимость характеристики от температурного диапазона вполне четко определяется схемотехникой. До того, как мы с ней разберемся, можно смело называть диапазоны какие угодно, хоть -300+300, а потом так же смело отвечать “Сделаем!” ( как вариант “Невозможно!”). Вот будет схема, тогда можно чего-то обсуждать по температуре. Еще надо бы уточнить, откуда у вас именно такой диапазон.

2. Если уж надо ИМС и никак иначе, то имеет смысл сразу же брать полноценный ЦАП с токовым выходом, имеющий, например, SPI-шину. Или TWI. Такие есть. Обвязки будет минимум, цифру на него, сами понимаете, засылать элементарно. И тогда диапазон допустимой температуры и надежность схемы будут сравнительно легко определяться. И они будут просто отличными.

3. Если уж вы настроены на цифро-аналоговое преобразование при помощи RC-цепи и ШИМа с МК, то тогда неясно, зачем вам еще какая-то ИМС? Все те же страшные температуры, которые вы предрекаете для эмиттерного повторителя, будут воздействовать на RC-цепь и развязывающий ОУ, ухудшая всякие там линейности. А раз так, то имеет смысл сэкономить и поставить на выходе RC-цепи преобразователь напряжения в ток на базе ОУ, транзисторов и резисторов (схема элементарная, прямо из ХХ). У вас нагрузка должны быть включена между выходом источника тока и общей точкой, или как? Что вообще представляет из себя нагрузка? В зависимости от этого определяется схемотехника.

4. Вы про какую формулу? Вообще там каких-то особо хитрых формул нет.

Унифицированные аналоговые сигналы в системах автоматики

При автоматизации технологических процессов используются различные датчики и исполнительные устройства. И те и другие так или иначе связаны с контроллерами или модулями ввода/вывода, которые получают от датчиков измеренные значения физических параметров и управляют исполнительными устройствами.

Представьте, что все устройства, присоединяемые к контроллеру имели бы различные интерфейсы — тогда производителям пришлось бы «плодить» огромное количество модулей ввода-вывода, а для того, чтобы заменить, например, неисправный датчик, нужно было бы искать точно такой же.

Именно поэтому, в системах промышленной автоматики принято унифицировать интерфейсы различных устройств.

В этой статье мы расскажем об унифицированных аналоговых сигналах. Поехали!

С аналоговыми сигналами мы имеем дело при измерении любых физических величин (температуры, влажности, давления и т.д.), а так же при непрерывном управлении исполнительными устройствами (регулирование скорости вращения двигателя с помощью преобразователя частоты; управление температурой с помощью нагревателя и т.д.).

Во всех перечисленных и им подобных случаях используются аналоговые (непрерывные) сигналы.

В контроллерном оборудовании в подавляющем большинстве случаев используются два типа аналоговых сигналов: токовый 4-20 мА и сигнал напряжения 0-10 В.

Унифицированный сигнал напряжения 0-10 В

Это же верно для любого другого устройства. Например, если аналоговый выход частотного преобразователя настроен на передачу текущей скорости вращения двигателя — тогда 0 В у него на выходе означает, что двигатель остановлен, а 10 В, что двигатель крутится на максимальной частоте.

Управление сигналом 0-10 В

С помощью унифицированного сигнала напряжения можно не только получать данные о физических величинах, но и управлять устройствами. Например, можно привести в нужное положение, изменить скорость вращения электродвигателя через частотный преобразователь или мощность нагревателя.

Возьмём для примера электродвигатель, частотой вращения которого управляет частотный преобразователь.

Частоту вращения двигателя задаёт контроллер сигналом 0-10 В, приходящим на аналоговый вход частотника.Частота вращения двигателя двигателя может быть от 0 до 50 Гц. Тогда, если в соответствии с алгоритмом контроллер собирается раскрутить двигатель на 25 Гц, он должен подать на вход частотника 5В.

Унифицированный аналоговый сигнал 4-20 мА

Аналоговый сигнал 4-20 мА (ещё называют «токовая петля») так же как сигнал напряжения 0-10 В используется в автоматике для получения информации от датчиков и управления различными устройствами.

По сравнению с сигналом 0-10 В сигнал 4-20 мА имеет ряд преимуществ:

• Во-первых, токовый сигнал можно передать на большие расстояния в сравнении с  сигналом 0-10 В, в котором происходит падение напряжения на длинной линии, обусловленное сопротивлением проводников.
• Во-вторых, легко диагностировать обрыв линии, т.к. рабочий диапазон сигнала начинается от 4 мА. Поэтому если на входе 0 мА — значит на линии обрыв.

Управление сигналом 4-20 мА

Управление различными устройствами с помощью токового сигнала ничем не отличается от управления с помощью сигнала напряжения. Только в данном случае нужен уже источник не напряжения, а тока.

Если устройство имеет управляющий вход 4-20 мА, то таким устройством может управлять контроллер или другое интеллектуальное устройство, имеющее соответствующий выход.

Например, мы хотим плавно открывать вентиль, имеющий электропривод со входом 4-20 мА. Если подать на вход сигнал тока 4 мА, тогда вентиль будет полностью закрыт, а если подать 20 мА — полностью открыт.

Активный и пассивный аналоговый выход 4-20 мА

Зачастую аналоговый выход датчика, контроллера или другого устройства — пассивный, то есть не может являться источником тока без внешнего питания. Поэтому при проектировании схемы автоматики нужно внимательно изучить характеристики аналоговых выходов используемых устройств, и если они пассивные — добавить в схему внешний источник питания для пропитки токовой петли.

На рисунке представлена схема подключения датчика с выходом 4-20 мА к измерителю-регулятору с соответствующим входом. Поскольку выход датчика пассивный — требуется его пропитка внешним блоком питания.

При измерении физической величины (температуры, влажности, загазованности, pH и др.) датчики преобразуют её значение в ток, напряжение, сопротивление, ёмкость и т.д. (в зависимости от принципа работы датчика). Для того, чтобы привести выходной сигнал датчика к унифицированному сигналу используют нормирующие преобразователи.

Нормирующий преобразователь — устройство, приводящее сигнал первичного преобразователя к унифицированному сигналу тока или напряжения.

Так выглядит датчик температуры с нормирующим преобразователем:

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

ПримерПравить

При электролизе водного раствора АgNO3 с нерастворимым анодом в течение = 50 мин. при силе тока в = 3,0 А на катоде выделилось = 9,6 г серебра. Вычислить выход по току.

Заряд, пропущенный через электролит, равен:   Теоретический массоперенос для произвольного иона равен:

• — элементарный заряд;
• — заряд иона в единицах (ионы серебра в растворе нитрата серебра имеют заряд = +1);
• — молярная масса (для серебра = 107,868 г/моль);
• — число Авогадро;
• F = eNA ≈ 96500 Кл — число Фарадея.

Подставляя полученные формулы в выражение для выхода по току, получим:

Приведя заданные значения к одной системе размерностей, проведём вычисление:

СсылкиПравить

• Current Signal Systems. Chapter 9 – Electrical Instrumentation Signals  (англ.)
• http://www.ni.com/white-paper/6940/en/  (англ.)
• https://www.predig.com/indicatorpage/back-basics-fundamentals-4-20-ma-current-loops  (англ.)
• https://www.electronics-notes.com/articles/connectivity/serial-data-communications/20ma-current-loop-introduction-what-is.php  (англ.)
• https://www.acromag.com/sites/default/files/Acromag_Intro_TwoWire_Transmitters_4_20mA_Current_Loop_904A.pdf  (англ.)
• http://www.bookasutp.ru/Chapter2_4.aspx
• http://easyelectronics.ru/tokovaya-petlya.html

Работает токовая петля следующим образом. Сигнал кодируется в виде аналогового сигнала, минимальное значение которого составляет 4 мА, а максимальное – 20 мА. Например, есть датчик для измерения температуры воды. Температуре 0 градусов соответствует уровень 4 мА, а 100 градусов – 20 мА. Тогда промежуточные значения будут лежать в этом диапазоне. Например, 50 градусам будет соответствовать ток 12 мА. Центральное устройство (ЦУ) на приёмной стороне измеряет ток и обрабатывает принятое входное от датчиков значение.

Другой вариант – когда с центральным устройством связан не датчик, а исполнительный механизм (актуатор). Это может быть позиционер клапана, дроссельная заслонка и т.п. Актуатор служит приёмником, а центральное устройство – передатчиком. Генерируя выходной сигнал от 4 до 20 мА, ЦУ управляет положением исполнительного механизма.

Чаще всего уровень тока в 4 мА принят за нулевой, а 20 мА — за полный диапазон. Например, если датчик положения пневматического клапана выдаёт сигнал в 4 мА, обычно, это означает, что клапан полностью закрыт, а если 20 мА – то полностью открыт. При промежуточных значениях, соответственно, клапан принимает соответствующие промежуточные значения. Но нет никаких ограничений, чтобы сделать наоборот – вопрос только в обработке сигнала на приёмной стороне. Если сигнал дискретный, то за уровень логического нуля обычно принимают 4 мА, а за единицу – 20 мА (но можно и наоборот).

Потери напряжения в линии

При подаче сигнала, кодируемого уровнем напряжения, часть напряжения упадёт на проводах соединительной линии. Приемной части «достанется» лишь оставшаяся часть. Это сузит диапазон измерения или регулирования, но главное – такая линия требует калибровки, причём не только во время пусконаладки, но и в процессе эксплуатации. Ведь сопротивление линии со временем может измениться (например, из-за окисления клеммных контактов).

Преобразователь сигнала в ток «подстраивается» под сопротивление линии, сохраняя ток стабильным при неизменном задающем сигнале (конечно, в определенных пределах). Кроме того, значение тока не зависит от входного сопротивления приёмной части (тоже в определенных пределах). Это свойство позволяет в теории делать линию связи бесконечной, лишь следя за тем, чтобы ее сопротивление не вышло за определенную границу.

Ещё одним преимуществом такого интерфейса является его высокая помехозащищённость. В нормальном режиме в одном проводе линии связи ток течёт к приёмнику, а в другом – к передатчику (в разные стороны). Помеха же наводит ЭДС сразу в двух проводах (является синфазной), поэтому токовая петля поглощает такой всплеск без искажения сигнала. Этому же способствует низкое входное сопротивление приёмника.

И ещё один плюс токовой петли – врождённая возможность самодиагностики линии связи. Если ток в цепи упал ниже 4 мА, скорее всего, произошел обрыв измерительной линии. Если превысил 20 мА – есть повод подозревать в цепи короткое замыкание.

Существуют конечно, и недостатки. Главный из них – возможность передачи по одному каналу только одного сигнала. Это заставляет использовать для передачи большого количества сигналов кабели с большим количеством жил, что ведёт к снижению помехоустойчивости. Другой врожденный минус – низкая скорость передачи данных, связанная с наличием собственной ёмкости линии связи, которая с ростом длины линии будет увеличиваться (стандарт разрабатывался в 50-х годах прошлого века, тогда это не имело значения).

СвойстваПравить

Выход по току указывает на кажущиеся отклонения от закона Фарадея. При электролизе может выделиться или раствориться как больше, так и меньше вещества, чем должно получиться по законам Фарадея. Различают катодный и анодный выходы по току. При катодном процессе чаще наблюдается выход по току меньше единицы из-за побочных реакций (взаимодействия образовавшихся при электролизе веществ с компонентами электролита, выделения наряду с металлом на катоде водорода), однако при наличии в электролите ионов разной валентности,выход по току, рассчитанный без учета ионов низшей валентности, может оказаться больше единицы. Выход по току больше единицы часто наблюдается при анодном растворении металлов, когда наряду с электрохимическим, происходит химическое растворение металла. При электролизе электрическая энергия тратится на преодоление сопротивления электролита, но это никак не отражается на показателе “выход по току”. Для экономической оценки процесса электролиза кроме выхода по току, вводят такое понятие, как и расход энергии, величина которого, кроме выхода по току, зависит от напряжения на ванне.

Выход по току связан с электрохимическим эквивалентом.

Аналоговый выход (AO)

В настоящее время передающая часть токовой петли строится на интегральных преобразователях, выполняемых в виде одной микросхемы. Таков, например, преобразователь MAX12900. Эта микросхема разработана для работы под управлением микроконтроллера путем использования широтно-импульсной модуляции. ШИМ-сигнал с контроллера обрабатывается микросхемой и преобразуется в напряжение. Для конвертации напряжения в ток необходимы внешние транзисторы. Такое решение применяется на стороне передатчика, если им служит центральное устройство (компьютер).

Если передатчиком служит датчик (температуры, оборотов двигателя, давления, расхода, уровня и т.д.), то такое решение часто является излишним. В этом случае бывает рациональнее построить передающую часть на дискретных элементах. Сигнал с датчика преобразовывается в напряжение, которое затем конвертируется в ток с помощью операционного усилителя.

Электрохимический эквивалентПравить

Электрохимическим эквивалентом в гальванотехнике называют количество вещества, выделившееся или растворившееся на электроде, отнесённое к величине заряда, пропущенного через электролит:

— масса фактически осаждённого или растворённого материала электрода;
 — фактически пропущенный заряд, определяемый как интеграл пропускаемого через электролит тока по времени.

Аналоговая токовая петляПравить

Аналоговая токовая петля используется для передачи аналогового сигнала по паре проводов в лабораторном оборудовании, системах управления производством и т. д.

Применяется смещённый диапазон 4—20 мА, то есть наименьшее значение сигнала (например, 0) соответствует току 4 мА, а наибольшее — 20 мА. Таким образом весь диапазон допустимых значений занимает 16 мА. Нулевое значение тока в цепи означает обрыв линии и позволяет легко диагностировать такую ситуацию. Иногда в приборах реализуют индикацию дополнительных ситуаций при помощи передачи силы тока вне диапазона 4-20 мА (например, 2 мА или 21 мА).

Интерфейс аналоговой токовой петли позволяет использовать разнообразные датчики (давления, потока, кислотности и т. д.) с единым электрическим интерфейсом. Также данный интерфейс может использоваться для управления регистрирующими и исполнительными устройствами: самописцами, заслонками и т. д.

Диапазоны токов и напряжений описаны в ГОСТ 26.011-80 «Средства измерений и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные».

Основное преимущество токовой петли (по сравнению с более дешёвой параметрической передачей напряжением) — то, что в отличие от падающего в зависимости от нагрузки и длины трассы напряжения точность передачи данных при помощи силы тока не зависит от длины и сопротивления линии передачи, поскольку управляемый источник тока будет автоматически поддерживать требуемый ток в линии. Такая схема позволяет запитывать датчик непосредственно от линии передачи. Несколько приёмников можно соединять последовательно, источник тока будет поддерживать требуемый ток во всех одновременно (согласно правилам Кирхгофа). Но если в цепи появятся утечки, работа токовой петли нарушится, и средствами реализации самой токовой петли это не обнаруживается, что необходимо учитывать при проектировании ответственных производственных участков.

Поверх аналоговой токовой петли можно передавать цифровую информацию. Такой способ передачи данных описан в HART-протоколе. Конкурирующими протоколами, способными в будущем вытеснить HART, являются различные цифровые полевые шины, такие как Foundation fieldbus или PROFIBUS.

Аналоговый вход (AI)

На входе приёмной части установлен преобразователь входного тока в напряжение, например, искробезопасный барьер. Обычно это просто резистор определенного сопротивления. В большинстве случаев его номинал равен 250 Ом. При токе в 4 мА на нём падает напряжение в 1 вольт, а при токе в 20 мА – 5 вольт, что довольно удобно для дальнейших преобразований.

Схема аналогового входа токовой петли

Если приёмником служит периферийное устройство (актуатор), то, в зависимости от входного тока, изменяется положение задвижки, частота вращения электродвигателя, степень открытия пневматических клапанов и происходят другие действия с исполнительными механизмами. Если же приёмником служит центральное устройство, например, контроллер, он обрабатывает сигнал датчика (о положении заслонки, о температуре или давлении, о скорости вращения вала и т.п) и предпринимает действия, заложенные в алгоритме.

Единицы измеренияПравить

Выход по току, как следует из приведённых в определении формул, указывается в процентах.

Электрохимический эквивалент в СИ измеряется в кг/Кл, но часто указывается в г/(А·ч).

Цифровая токовая петляПравить

Преобразователь RS-232 / токовая петля

Применяется в телекоммуникационном оборудовании и компьютерах для последовательной передачи данных.

Токовая петля использовалась задолго до появления стандартов RS-232 и V.24. В 1960-е годы телетайпы начали использовать стандарт токовой петли 60 миллиампер. Последующие модели (одна из первых — Teletype Model ASR-33) использовали стандарт 20 мА. Этот стандарт нашёл широкое применение в мини-компьютерах, которые первоначально использовали телетайпы для диалога с оператором. Постепенно телетайпы уступили место текстовым видеотерминалам, сохраняя интерфейс токовой петли.

Стандарт цифровой токовой петли использует отсутствие тока как значение SPACE (низкий уровень, логический ноль) и наличие сигнала — как значение MARK (высокий уровень, логическая единица). Отсутствие сигнала в течение длительного времени интерпретируется как состояние BREAK (обрыв линии). Данные передаются старт-стопным методом, формат посылки совпадает c RS-232, например 8-N-1: 8 бит, без чётности, 1 стоп-бит.

Токовая петля может использоваться на значительных расстояниях (до нескольких километров). Для защиты оборудования применяется гальваническая развязка на оптоэлектронных приборах, например оптронах.

Из-за неидеальности источника тока, максимально допустимая длина линии (и максимальное сопротивление линии) зависит от напряжения, от которого питается источник тока. Например при типичном напряжении питания 12 вольт сопротивление не должно превышать 600 Ом.

Источник тока может располагаться в приёмном или передающем конце токовой петли. Узел с источником тока называют активным. В зависимости от конструкции как передатчик, так и приёмник, могут быть либо активными (питать токовую петлю), так и пассивными (питаться от токовой петли).

Для компьютеров семейства ДВК по умолчанию принимается, что передатчик — активный, приёмник — пассивный.

Стандарт ИРПС/IFSS (ОСТ 11 305.916-84) использует токовую петлю 20 мА для передачи данных. Этот стандарт широко применялся в компьютерах, выпущенных в СССР и странах СЭВ до 1990-х годов. Например ДВК, Электроника-60, Электроника Д3-28, СМ ЭВМ и т. д. Физическое исполнение разъёмов ИРПС в стандарте не закреплено, что породило массу вариантов. Часто употребляется разъём СНО53-8-2.

За рубежом токовая петля (Current Loop) специфицирована в стандартах IEC 62056-21 / DIN 66258.

MIDI (Musical Instrument Digital Interface) использует стандарт токовой петли на 5-штырьковом разъёме DIN 41524 со скоростью 31,25 кбит/с.

Для компьютеров IBM PC и IBM PC XT имелась плата IBM Asynchronous Communications Adapter, поддерживающая последовательную передачу по RS-232 или токовой петле. Для передачи сигналов токовой петли используются незадействованные контакты на разъёме DB25. В более поздних разработках остался только RS-232.

Выход по току

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 28 декабря 2018 года; проверки требуют 3 правки.

Выходом по току в гальванотехнике называют выраженное в процентах или долях единицы отношение количества теоретически необходимого заряда к фактически пропущенному через межфазную границу электрод -электролит для осуществления фактически наблюдаемого окисления или восстановления вещества .

Иногда выход по току рассчитывается как отношение массы фактически прореагировавшего вещества к теоретическому массопереносу , рассчитанному по 1-му закону Фарадея:

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 11 марта 2023 года; проверки требует 1 правка.

То́ковая петля́  () — способ передачи информации с помощью измеряемых значений силы электрического тока. Для задания измеряемых значений тока используется, как правило, управляемый источник тока. По виду передаваемой информации различаются аналоговая токовая петля и цифровая токовая петля.