Semnal curent 4 20 mA lungime liniei. bucla de curent. MAX5661 - DAC cu ieșire de curent

Datorită imunității lor la interferența electromagnetică de la motoare, contactoare, relee și alte surse, buclele de curent de control, în special bucla populară de 4-20 mA, sunt utilizate în multe aplicații industriale. Controlerele standard de proces au adesea ieșiri de 4-20mA (uneori 0-20mA) utilizate pentru a controla viteza, presiunea, temperatura și alți parametri în sistemele cu buclă închisă.

Realizarea unui circuit receptor de semnal 4-20mA nu este foarte dificilă. Există mai multe componente disponibile concepute special pentru acest scop. Cu toate acestea, prețul acestor componente, achiziționate în cantități mici, s-a dovedit a fi puțin mai mare decât mă așteptam (peste 10 USD).

Căutând o alternativă mai ieftină, am găsit un cip disponibil în comerț. Este un amplificator diferențial cu câștig unitar extrem de versatil, cu o gamă largă de tensiune de alimentare. Folosind o versiune duală a amplificatorului (INA2134) și doar câteva rezistențe de precizie, am realizat un circuit receptor de 4-20mA care costă mai puțin de 2,60 USD.

Circuitul din Figura 1 a fost simulat în MultiSim 8 folosind cipul INA134. (Reatribuirea pinurilor pentru INA2134 nu este o problemă.) Simularea a fost efectuată pentru o sursă de curent alternativ cu o valoare medie de 12 mA, variind la o frecvență de 10 Hz, a cărei amplitudine de vârf de 8 mA a furnizat o oscilare a semnalului de ieșire de la 4 mA la 20 mA. Aici poate fi folosită orice frecvență rezonabilă, dar în sistemele tipice o buclă de 4-20 mA va conduce de obicei procese lente.

Una dintre secțiunile INA2134 este utilizată pentru polarizarea tensiunii de ieșire. Rezistoarele de 1% prezentate în diagramă și rezistențele interne de precizie tăiate cu laser ale INA2134 oferă un offset destul de precis de +2 V. Circuitul este alimentat de o singură sursă de 24 V și are nevoie de acest offset pentru a împiedica scăderea tensiunii de ieșire prea aproape de sol. (Documentația tehnică precizează că tensiunea de ieșire ar trebui să fie cu 2 V deasupra șinei negative de alimentare și 2 V sub tensiunea șinei pozitive).

Un rezistor de 150 ohmi cu o toleranță de 1%, conectat între intrările amplificatorului, scade 0,6 V la un curent de 4 mA și 3 V la un curent de 20 mA. Cu un offset de 2 V, acesta oferă un interval de tensiune de ieșire de la 2,6 V la 5 V (Figura 2). În dispozitivul meu, această tensiune este digitalizată de un convertor analog-digital (ADC). Ieșirea ADC este conectată la un mic microcontroler care controlează procesul de conversie.

Rețineți că atunci când curentul de intrare se modifică de la 0mA la 20mA, tensiunea de ieșire se schimbă între 2,0 V și 5,0 V. Prin simpla schimbare a rezistențelor, proiectanții pot selecta un domeniu de ieșire diferit pentru a se potrivi aplicației lor. Tensiunea de alimentare poate fi crescută până la 36 V. Cu o sursă bipolară (până la ± 18 V), nu este necesară polarizarea, iar circuitul poate folosi un singur amplificator INA134 cu o singură rezistență de intrare, reducând costul la mai puțin de 1,60 USD.

Yuri Kurtsevoi (Maxim Integrated)

Analogic foarte integrat conditionator de semnal bucla de curent 4-20 mA MAX12900 producțieMaxim integrat poate converti PWM— un semnal de microcontroler care nu are un DAC încorporat într-un semnal de buclă 4… 20mA pentruDouă-, Trei-saupatruconfigurații cu fir .

Bucla de curent de 4…20 mA este una dintre cele mai populare metode de transmitere a datelor în multe industrii de astăzi. Datorită rezistenței sale la interferențe la transmiterea unui semnal de la emițător la receptor, este ideal pentru astfel de aplicații. Un alt avantaj este simplitatea relativă și bugetul metodei. Deși, desigur, nevoia de a controla căderea de tensiune în unele secțiuni ale circuitului și pentru o serie de alți parametri duce adesea la circuite mai complexe și la o creștere a costului soluției. Tabelul 1 rezumă avantajele și dezavantajele metodei de comunicare în buclă de curent 4…20 mA.

Tabelul 1. Avantajele și dezavantajele buclei de curent 4…20 mA

Avantaje	Defecte
Standard de bază în multe industrii	O buclă de curent corespunde unui singur canal de date Abilitatea de a transmite valoare unei singure variabile
Ușor de conectat și configurat	Pentru operarea simultană a mai multor canale de date (pentru transmiterea valorilor mai multor variabile), este necesar să se creeze același număr de bucle de curent. Dar utilizarea prea multor fire poate duce la probleme cu bucla de împământare dacă buclele independente nu sunt izolate corespunzător.
Semnalul nu se degradează odată cu creșterea distanței	Problemele de izolare a canalelor cresc odată cu numărul de canale
Mai puțină susceptibilitate la interferență	–
Niciun curent indică o eroare în legătura de date	–

Toți senzorii cu interfață 4…20 mA, în funcție de configurație, pot fi împărțiți în trei grupuri:

1. senzor cu două fire (alimentat prin buclă) 4…20 mA;
2. senzor cu trei fire 4…20 mA;
3. senzor cu patru fire 4…20 mA.

Cea mai convenabilă configurație este o soluție alimentată prin buclă. Cu toate acestea, dacă senzorul în sine consumă mai mult de 3…4 mA din bugetul buclei de 4…20 mA, atunci va trebui utilizată o sursă de alimentare suplimentară pentru funcționarea sa. Când conectați astfel de senzori, va trebui să utilizați o configurație cu 4 fire. Configurația cu 3 fire este o versiune simplificată a celei anterioare care combină cablul de alimentare pozitiv al senzorului cu bucla de curent (Figura 1b). Figura 1 prezintă toate configurațiile descrise mai sus. Tabelul 2 enumeră avantajele și dezavantajele fiecăruia.

Tabelul 2. Avantajele și dezavantajele senzorilor cu diferite scheme de conectare

Configurare	2 fire	3 fire	4 fire
Avantaje	Nu este necesară alimentarea locală; cost scăzut; potrivit pentru medii agresive	Mai economic decât opțiunea cu patru fire; ușurința de implementare; capacitatea de a utiliza dispozitive de afișare și alte dispozitive care necesită putere suplimentară; capacitatea de a utiliza ieșiri puternice, relee	Putere externă; capacitatea de a transmite un semnal variabil; izolarea circuitului de putere; capacitatea de a utiliza dispozitive de afișare și alte dispozitive care necesită putere suplimentară; capacitatea de a utiliza ieșiri puternice, relee
Defecte	Căderile de tensiune în secțiunile buclei pot cauza probleme; exista restrictii la consumul circuitului	Lipsa izolării buclei de putere; liniile electrice și buclele trebuie implementate cu grijă	cost mai mare; mai multe fire; nu se aplică în medii agresive

Utilizarea MAX12900 în circuite de senzori cu configurații de buclă de curent cu 2, 3 sau 4 fire

MAX12900 este un conditionator de semnal analogic de putere ultra-scăzută, foarte integrat, pentru senzori cu un transmițător de 2…20 mA. În corpul său compact sunt încorporate 10 module:

• Convertor LDO cu o gamă largă de tensiune de intrare;
• circuite pentru procesarea semnalelor modulate PWM pentru două intrări;
• două amplificatoare operaționale de putere redusă, cu deriva redusă;
• un amplificator operațional cu variație redusă de tensiune de offset și lățime de bandă largă;
• doi comparatori de diagnostic;
• controler de pornire cu o ieșire de indicare a calității puterii bune (ieșire putere-bună);
• referință de tensiune de deriva scăzută.

Un avantaj cheie al MAX12900 este că poate converti un semnal PWM de la un microcontroler care nu are un DAC la bord într-un semnal de buclă de 4...20mA pentru configurații cu două, trei sau patru fire. Astfel, este echivalentul unei combinații dintre un DAC de putere redusă, de înaltă rezoluție, un procesor de semnal PWM, două circuite de procesare și un filtru activ cu un amplificator operațional integrat de putere redusă. Două circuite de procesare a semnalului asigură o amplitudine PWM stabilă, în ciuda fluctuațiilor de amplitudine a semnalului, temperatură și modificări ale tensiunii de alimentare. Un amplificator cu lățime de bandă mare cuplat cu un tranzistor discret convertește tensiunea de intrare în curent de ieșire și permite modularea semnalului HART® și FOUNDATION Fieldbus H1. Amplificatorul operațional cu polarizare redusă și referința de tensiune cu deriva scăzută asigură o eroare minimă pe o gamă largă de temperaturi. Amplificatorul operațional de putere redusă și comparatoarele sunt elementele de bază ale sistemelor avansate de diagnosticare. Monitorizarea șinei de alimentare, măsurarea curentului de ieșire și detectarea circuitului deschis sunt câteva exemple ale capacităților de diagnosticare ale unor astfel de sisteme. Toate acestea, împreună cu acuratețea ridicată și consumul general scăzut de energie, fac din MAX12900 un dispozitiv ideal pentru senzorii inteligenti în buclă de curent.

Utilizarea MAX12900 ca transmițător cu 2 fire (alimentat în buclă)

Figura 2 prezintă o diagramă bloc simplificată și un model despre modul în care MAX12900 poate fi configurat ca parte a unui senzor alimentat în buclă. Această configurație este necesară pentru sistemele care funcționează în medii dure și trebuie să respecte Directiva ATEX 94/9/EC și să fie certificată IECEx. O astfel de implementare a circuitului senzorului este posibilă numai în cazurile în care transmițătorul consumă mai puțin de 4 mA. Semnalele PWM generate de microcontroler sunt alimentate către circuite speciale de condiționare și procesare a semnalului PWM încorporate în MAX12900. Folosind unul dintre amplificatoarele operaționale încorporate și un circuit RC extern, puteți crea un filtru trece-jos. Tranzistoarele externe sunt folosite pentru a converti tensiunea în curent.

Figura 3 prezintă implementarea la nivel de circuit electric a buclei de curent cu două fire care alimentează senzorul (rețineți că întregul bloc evidențiat în turcoaz este integrat în MAX12900).

Unul dintre cei mai des întâlniți senzori de acest tip sunt senzorii de temperatură. Să încercăm să proiectăm un transmițător de temperatură bazat pe MAX12900 folosind un termocuplu de precizie și un convertor de semnal de termocuplu dedicat (MAX31856). MAX31856 procesează semnalul termocuplului și transmite datele prin interfața SPI. Astfel, pentru a citi senzorul și a genera semnale PWM pentru MAX12900, trebuie folosit un microcontroler. MAX12900EVKIT folosește un microcontroler STM32L071 pentru această sarcină. Punctul cheie într-o astfel de schemă este estimarea bugetului de energie pentru scenariile cele mai defavorabile (consumul maxim de curent pentru toate temperaturile și tensiunile de funcționare). Pe baza acesteia, se poate lua o decizie cu privire la utilizarea uneia sau alteia configurații a buclei de curent: cu două, trei sau patru fire.

Conform fișei de date MAX12900EV, consumul total al MCU-ului de putere redusă și al MAX12900 este de 3,5 mA în cel mai rău caz. MAX31856 consumă maxim 2 mA la o tensiune de alimentare de 3,3 V (Tabelul 3). Astfel, consumul total depășește 4 mA, ceea ce înseamnă că nu este posibilă implementarea unui transmițător cu două fire.

Tabel 3. Consumul componentelor senzorului de temperatură

Utilizarea MAX12900 într-un circuit transmițător cu 3 fire

După ce a exclus posibilitatea utilizării unei soluții cu două fire, să vedem care este posibilitatea de a proiecta un circuit cu trei fire. Primul lucru de reținut este că doar un singur pin de alimentare pozitiv poate fi utilizat atât pentru transferul de date, cât și pentru alimentarea circuitului. 24 V (de la PLC) este prea mare pentru microcontroler și MAX31856, care necesită 3,3 V pentru a funcționa. Există mai multe abordări pentru a rezolva această problemă. Primul este să utilizați un convertor DC/DC, cum ar fi MAX17550, pentru a converti 24V în 3,3V, așa cum se arată în Figura 4. MAX17550 este un convertor buck DC/DC sincron ultra-compact de înaltă eficiență, cu un curent de ieșire de până la 25mA. Izolatorul digital dublu canal MAX12930 este utilizat pentru a izola interfața PWM senzor/MCU cu MAX12900. În Figura 4, componentele din caseta punctată sunt într-un domeniu de putere izolat cu o masă plutitoare care este diferită de masa PLC.

O altă abordare pentru a rezolva problema de alimentare este utilizarea convertorului de tensiune liniar de curent ultra-scăzut MAX15006AATT+, care poate furniza 3,3 V cu un curent de sarcină de până la 50 mA, așa cum se arată în Figura 5.

A doua problemă de care trebuie să țineți cont atunci când proiectați astfel de senzori este solul plutitor al emițătorului. Senzorul în sine, microcontrolerul și MAX12900 - transmițătorul pentru comunicare - trebuie să împartă o magistrală comună de masă. În același timp, potențialul acestui pământ este un potențial plutitor în raport cu pământul PLC. Starea terenului plutitor depinde de datele transmise și de nivelul de încărcare al buclei. Au fost luate mai multe abordări pentru a rezolva această problemă, cum ar fi utilizarea unui MAX12930 cu două canale, de putere redusă (așa cum se arată în Figura 4) pentru a izola intrările PWMA și PWMB de la transmițător.

O abordare alternativă este utilizarea unui circuit activ care monitorizează și gestionează constant nivelul comun al microcontrolerului și al senzorului. Această opțiune de implementare devine posibilă și convenabilă datorită prezenței unui amplificator operațional de uz general, și anume OP2, integrat în MAX12900. Acest circuit necesită, de asemenea, utilizarea unui MOSFET extern cu canale n de joasă tensiune Q3 și a unui tranzistor PNP de uz general Q4 pentru a se potrivi cu căderile de tensiune între RLOAD și RSENSE.

Utilizarea MAX12900 în aplicații cu emițător cu 4 fire

Ne-am uitat la modul în care MAX12900 poate fi aplicat la transmițătoarele cu două și trei fire. Implementarea unei soluții cu 4 fire este foarte ușoară în comparație cu acestea, deoarece există circuite separate de alimentare și de masă pentru senzor și PLC.

Concluzie

Conditionerul de semnal analogic de putere ultra-scăzută MAX12900 de la Maxim Integrated pentru transmițătoare 4...20mA oferă un nivel de flexibilitate fără egal într-o varietate de aplicații și este ideal pentru utilizarea în senzori industriali pentru sistemele de control și automatizare ale căror semnale trebuie convertite într-un Semnal de buclă de curent 4...20mA.

Senzorii de curent (transductoarele) sunt proiectați pentru controlul curentului fără contact în circuitele electrice cu o tensiune nominală de până la 660 V. Senzorul convertește semnalul de intrare AC într-un semnal de ieșire DC 4-20mA sau 0-20mA sau 0-10V, care poate fi trimis la instrumente de măsurare universale sau controlere.

Senzorii sunt sigilați și pot fi instalați oriunde, inclusiv în locuri ascunse și greu accesibile. Nu sunt reparate și nu necesită întreținere, conțin un transformator de curent încorporat și o platformă universală „Ayumi”, concepută special pentru utilizarea cu transformatoare de instrumente fabricate de noi și constând dintr-un redresor op-amp de precizie, un circuit integrator ( constantă de timp 0,6-0,8 sec) și un conditionator de semnal de ieșire analogică .

Tensiunea nominală de alimentare a senzorilor este de 24v (DS), operabilitatea este pe deplin păstrată în intervalul de tensiune de 20-28v. Senzorii sunt insensibili la pulsații și instabilitatea tensiunilor de alimentare. Intervalul de temperatură de funcționare este de -40...+85 grade C. În prezent, următorii senzori sunt disponibili pentru comandă:

TP03S (foto 2) pentru curenți nominali de la 1 la 90A cu orificii. 11mm TTP60 (foto 5) - pentru curenți de la 10 la 500A cu orificii. 37mm TP60 - pentru curenți de la 0,05 la 300A cu orificii. 37mm TP102S (foto 4) - pentru curenți de la 0,05 la 40A cu orificiu de 14 mm.

În intervalele specificate, orice curent este disponibil pentru comandă. Liniaritatea și stabilitatea sunt extrem de ridicate în intervalul 1-100% din curentul nominal. Eroarea de conversie dată este mai mică de 2% fără calibrare și mai mică de 1% cu calibrare suplimentară în timpul producției. Senzorii sunt produși conform TU 27.11.50.120 -001-11976052-2017

La comanda, se poate indica o tensiune de alimentare redusa 9 (12) V cu scaderea corespunzatoare a max. valorile de ieșire. semnal până la 3 (5) inchi.

Denumirea senzorului de curent pentru comandă: ТП03C-хх/yy-zz(mm), unde

• xx - curent nominal (A)
• yy- semnal de ieșire: 0-1v/0-10v/0-20mA/4-20mA
• ieșire zz-00-hard
• mm - notă, de exemplu (bloc de borne) - ieșirile sunt realizate sub forma unui bloc de borne. Atenţie! opțiunea este disponibilă integral pentru TPP60 și TP60. Pentru TP03 și TP102 numai pentru opțiunea 4-20mA

De exemplu: TP03S-30A/(4-20mA)-00, i.e. Senzor TP03S cu nom. intrare curent 30A, ieșire 4-20mA, ieșiri rigide pentru cablaj imprimat.

Încă o dată, rețineți: La comanda, valoarea curentului nominal și parametrii semnalului de ieșire pot fi specificați oricare în limitele specificate, de exemplu. pentru TP03S - 1...90A; TP102S - 0,1...40A;TP60 - 0,05...300A TTP60 - 10...500A pentru curent de intrare și 0...20mA; 1...20mA; 0...10v. pentru semnalul de iesire! Sensibilitatea senzorilor nu este mai mică de 0,1% din valoarea nominală. actual. Acest lucru nu se reflectă în preț.

Atenţie: Impedanța de intrare a contorului pe partea de recepție trebuie să fie:

• nu mai puțin de 50 kOhm pentru modificări 0-1v;
• nu mai puțin de 100 kOhm pentru 0-10v;
• nu mai mult de 500 ohmi pentru 0-20mA (inclusiv conductorii rezistivi)
• nu mai mult de 500 ohmi pentru 4-20mA (inclusiv conductorii de rezistență) la 24v. alimentare în buclă de curent

Carcasa senzorului asigură o izolare galvanică excelentă față de circuitul monitorizat, ceea ce este suficient pentru orice aplicație.

Senzorul TP03S are o gaură cu diametrul de 11mm, TP102S - 14mm, TTP60 și TP60 - 37mm pentru linii controlate. Dacă este necesar, este posibil să folosim orice transformatoare de curent din producția noastră pentru a crește curenții de deschidere sau măsurați. Un exemplu de astfel de implementare este prezentat în fotografia 1. Acest design vă permite să controlați circuitele într-un mod fără contact, fără a le îndepărta izolația, ceea ce crește semnificativ fiabilitatea și siguranța rețelelor de alimentare. Curentul nominal mic de măsurat și deschiderea decentă a TP102S și TP60 îi permit să fie folosit și ca transformator de curent diferențial pentru măsurarea curenților de scurgere în linii (transformator de curent cu secvență zero), de exemplu, pentru versiunea de 100mA, intrarea Intervalul de măsurare a curentului este de la 1 la 100mA cu o liniaritate bună.

Dispozitiv și principiu de funcționare

Când curentul curge în circuitul extern, transformatorul de curent încorporat asigură izolarea galvanică și transformă acest curent într-unul inferior, care este amplificat de convertorul curent-tensiune. Tensiunea rezultată este redresată de un redresor de precizie și alimentată la un circuit RC, ceea ce face posibilă selectarea unei tensiuni medii proporționale cu intrarea. actual. Un driver de tensiune-curent este instalat la ieșirea circuitului RC, care acționează suplimentar ca un tampon și aduce semnalul de ieșire la 0. Tensiunea de ieșire se formează atunci când curentul de driver trece prin Rn. Din acest motiv, tensiunea de ieșire poate varia într-un interval larg (0-1v; 0-2v etc.) pentru o anumită valoare de intrare. curent, care vă permite să reglați coeficientul. conversie prin reglarea rezistenței de sarcină. Această ajustare poate fi efectuată și dacă este necesară reducerea coeficientului. transferul sau ajustarea ADC la ION existent. În același timp, valoarea ieșirii tensiunea și rezistența internă (nu mai mult de 49,9 ohmi pentru 0-1V și 499 ohmi pentru opțiunea 0-10V) a ieșirii analogice vă permite să o interfațați cu ușurință cu ADC-ul microcontrolerelor sau instrumentelor de măsură standard care au o intrare de 0- 1V sau 0-10V. Dacă este necesar, în etapa de fabricație, este posibilă reducerea sau creșterea constantei de timp a circuitului RC sau reglarea ieșirii necesare. tensiune sau curent.

Modificarea senzorului cu ieșire 0-20mA nu are o rezistență încorporată. Max. tensiunea la ieșirea 4 poate ajunge la 10V. care limitează intrarea. rezistența contorului, ținând cont de rezistența firelor de 500 ohmi. În modificarea 4-20mA, este instalată o rezistență încorporată de 0 ... 10 ohmi și este utilizată o conexiune cu 2 fire, care limitează intrarea. rezistența contorului este deja de până la 800 ohmi atunci când este alimentat la 24v.

Consum propriu al senzorilor Ayumi in absenta intrarii. curentul nu depășește 0,8-1mA în domeniul de tensiune de 20-28V. La depăşirea intrării curent peste valoarea nominală, se activează circuitul de protecție încorporat, care limitează curentul de ieșire începând de la 20 la 35mA conform legii logaritmice (24-39mA pentru 4-20), în timp ce tensiunea de ieșire nu poate depăși 11V, iar consumul maxim de curent este de 38mA, ceea ce permite utilizarea cu surse de alimentare cu putere redusă.Vă rugăm să rețineți: curentul maxim admisibil de intrare pentru TP03 și TP102 nu trebuie să depășească 200A pentru a evita deteriorarea transformatorului încorporat sau a circuitului electronic. Pentru TTP60, această limită este stabilită la 500A pentru o perioadă lungă de timp și 1000A pentru până la 2 secunde, pentru TP60 cu un interval de 0,05-150A în cantitate de 300A, pentru 150-300A în cantitate de 500A

Diagramele tipice pentru conectarea senzorilor sunt prezentate în fig. 3.

• Pe fig. 3a prezintă schema de conectare a TP03S-xx / (0-1v) la contorul universal 0-1v și nu are caracteristici speciale, T03C-xx / (0-10v) are o conexiune similară cu contorul universal 0-10v.
• Pe fig. 3b prezintă diagrama interfeței TP03S-xx / (0-10v) cu ADC-ul microcontrolerului cu ION încorporat = 5v. Pentru a reduce tensiunea de ieșire de la 10 la 5v. este instalat un rezistor suplimentar de 510 ohmi. Pentru alte tensiuni ION, valoarea rezistorului suplimentar poate fi calculată din f-le: Rx=510*Ux/(10-Ux).
• Pe fig. 3c arată schema de conectare a TP03S-xx / (4-20mA) la un contor universal 4-20mA și nu are caracteristici.
• Pe fig. 3d prezintă schema de conectare a TP03S-xx / (0-20mA) la un contor universal 0-20mA.

Fundamentele funcționării buclei de curent 4..20mA

Începând cu anii 1950, bucla de curent a fost folosită pentru a transmite date de la traductoare în procesele de monitorizare și control. Cu costuri reduse de implementare, imunitate ridicată la zgomot și capacitatea de a transmite semnale pe distanțe lungi, bucla de curent s-a dovedit a fi deosebit de potrivită pentru mediile industriale. Acest material este dedicat descrierii principiilor de bază ale buclei curente, elementelor de bază ale designului, configurației.

Utilizarea curentului pentru a transmite date de la convertor

Senzorii de calitate industrială folosesc adesea un semnal de curent pentru a transmite date, spre deosebire de majoritatea altor traductoare, cum ar fi termocuplurile sau tensometrele care utilizează un semnal de tensiune. Deși convertoarele care folosesc tensiunea ca parametru de comunicare sunt într-adevăr eficienți în multe aplicații industriale, există o serie de aplicații în care utilizarea caracteristicilor curentului este de preferat. Un dezavantaj semnificativ la utilizarea tensiunii pentru transmiterea semnalului în condiții industriale este slăbirea semnalului atunci când este transmis pe distanțe lungi din cauza prezenței rezistenței în liniile de comunicație cu fir. Desigur, puteți utiliza dispozitive cu impedanță de intrare mare pentru a evita pierderea semnalului. Cu toate acestea, astfel de dispozitive vor fi foarte sensibile la zgomotul generat de motoarele din apropiere, curelele de transmisie sau transmițătoarele de transmisie.

Conform primei legi a lui Kirchhoff, suma curenților care curg într-un nod este egală cu suma curenților care ies din nod.
În teorie, curentul care curge la începutul circuitului ar trebui să ajungă la sfârșitul complet,
după cum se arată în Fig.1. unu.

Fig.1. Conform primei legi a lui Kirchhoff, curentul de la începutul circuitului este egal cu curentul de la capătul acestuia.

Acesta este principiul de bază pe care funcționează bucla de măsurare.Măsurarea curentului oriunde în bucla de curent (bucla de măsurare) dă același rezultat. Prin utilizarea semnalelor curente și a receptoarelor de achiziție de date cu impedanță de intrare scăzută, aplicațiile industriale pot beneficia foarte mult de imunitate îmbunătățită la zgomot și lungime de legătură crescută.

Componentele buclei de curent
Componentele principale ale buclei de curent includ o sursă de curent continuu, un senzor, un dispozitiv de achiziție de date și fire care le conectează într-un rând, așa cum se arată în Figura 2.

Fig.2. Diagrama funcțională a buclei de curent.

O sursă de curent continuu asigură alimentarea sistemului. Transmițătorul reglează curentul în fire de la 4 la 20 mA, unde 4 mA este un zero activ și 20 mA este semnalul maxim.
0 mA (fără curent) înseamnă circuit deschis. Dispozitivul de achiziție de date măsoară curentul reglat. O metodă eficientă și precisă de măsurare a curentului este instalarea unui rezistor shunt de precizie la intrarea amplificatorului de măsurare al dispozitivului de achiziție a datelor (în Fig. 2) pentru a converti curentul într-o tensiune de măsurare, pentru a obține în final un rezultat care reflectă fără ambiguitate semnalul la ieșirea convertorului.

Pentru a vă ajuta să înțelegeți mai bine cum funcționează bucla de curent, luați în considerare ca exemplu un design de sistem cu un convertor care are următoarele specificații:

Traductorul este folosit pentru a măsura presiunea
Transmițătorul este situat la 2000 de picioare de dispozitivul de măsurare
Curentul măsurat de dispozitivul de achiziție de date oferă operatorului informații despre cantitatea de presiune aplicată traductorului

Luând în considerare exemplul, începem cu selectarea unui convertor adecvat.

Proiectarea curentă a sistemului

Selectarea convertizorului

Primul pas în proiectarea unui sistem de curent este alegerea unui traductor. Indiferent de tipul mărimii măsurate (debit, presiune, temperatură etc.), un factor important în alegerea unui transmițător este tensiunea de funcționare a acestuia. Numai conectarea sursei de alimentare la convertor vă permite să reglați cantitatea de curent în linia de comunicație. Valoarea tensiunii sursei de alimentare trebuie să fie în limite acceptabile: mai mult decât minimul necesar, mai mic decât valoarea maximă, ceea ce poate deteriora invertorul.

Pentru exemplul de sistem de curent, traductorul selectat măsoară presiunea și are o tensiune de funcționare de 12 până la 30 V. Când este selectat traductorul, semnalul de curent trebuie măsurat corect pentru a oferi o reprezentare precisă a presiunii aplicate transmițătorului.

Selectarea unui dispozitiv de achiziție de date pentru măsurarea curentului

Un aspect important la care trebuie să acordați atenție atunci când construiți un sistem de curent este prevenirea apariției unei bucle de curent în circuitul de masă. O tehnică comună în astfel de cazuri este izolarea. Prin utilizarea izolației, puteți evita influența buclei de masă, a cărei apariție este explicată în Fig. 3.

Fig.3. Bucla de pământ

Buclele de masă se formează atunci când două terminale sunt conectate într-un circuit în locații potențiale diferite. Această diferență duce la apariția unui curent suplimentar în linia de comunicație, care poate duce la erori de măsurare.
Izolarea achiziției de date se referă la separarea electrică a pământului sursei de semnal de pământul amplificatorului de intrare a instrumentului, așa cum se arată în Figura 4.

Deoarece nici un curent nu poate trece prin bariera de izolare, punctele de masă ale amplificatorului și ale sursei de semnal sunt la același potențial. Acest lucru elimină posibilitatea de a crea din neatenție o buclă de masă.

Fig.4. Tensiunea de mod comun și tensiunea semnalului într-un circuit izolat

Izolarea previne, de asemenea, deteriorarea dispozitivului DAQ în prezența unor tensiuni înalte în mod comun. Modul comun este o tensiune de aceeași polaritate care este prezentă la ambele intrări ale unui amplificator de instrumentare. De exemplu, în Fig.4. ambele intrări pozitive (+) și negative (-) ale amplificatorului au o tensiune în mod comun de +14 V. Multe dispozitive de achiziție de date au o gamă maximă de intrare de ±10 V. Dacă dispozitivul de achiziție de date nu este izolat și tensiunea modului comun se află în afara intervalului maxim de intrare, puteți deteriora dispozitivul. Deși tensiunea normală (semnal) la intrarea amplificatorului din Fig. 4 este de numai +2 V, adăugarea de +14 V poate duce la o tensiune de +16 V.
(Tensiunea semnalului este tensiunea dintre „+” și „-” a amplificatorului, tensiunea de funcționare este suma tensiunii de mod normal și comun), care este un nivel de tensiune periculos pentru dispozitivele cu tensiune de funcționare mai mică.

Cu izolare, punctul comun al amplificatorului este separat electric de masa zero. În circuitul din figura 4, potențialul din punctul comun al amplificatorului este „ridicat” la +14 V. Această tehnică face ca valoarea tensiunii de intrare să scadă de la 16 la 2 V. Acum că datele sunt colectate, dispozitivul este nu mai sunt expuse riscului de deteriorare la supratensiune. (Rețineți că izolatoarele au o tensiune de mod comun maximă pe care o pot respinge.)

Odată ce colectorul de date este izolat și securizat, ultimul pas în configurarea buclei de curent este selectarea unei surse de alimentare adecvate.

Selectarea sursei de alimentare

Este ușor să determinați ce sursă de alimentare se potrivește cel mai bine nevoilor dvs. Când funcționează într-o buclă de curent, sursa de alimentare trebuie să furnizeze o tensiune egală sau mai mare decât suma căderilor de tensiune la toate elementele sistemului.

Dispozitivul de achiziție de date din exemplul nostru folosește un șunt de precizie pentru a măsura curentul.
Este necesar să se calculeze căderea de tensiune pe acest rezistor. Un rezistor tip șunt are o rezistență de 249 Ω. Calcule de bază pentru intervalul de curent al buclei de curent 4 .. 20 mA
arata urmatoarele:

I*R=U
0,004A*249Ω=0,996V
0,02A*249Ω=4,98V

Cu un șunt de 249 Ω, putem elimina tensiunea în intervalul de la 1 la 5 V legând valoarea tensiunii la intrarea colectorului de date cu valoarea semnalului de ieșire al traductorului de presiune.
După cum sa menționat deja, transmițătorul de presiune necesită o tensiune de funcționare minimă de 12 V cu un maxim de 30 V. Adăugarea căderii de tensiune pe rezistorul de șunt de precizie la tensiunea de funcționare a transmițătorului dă următoarele:

12V+ 5V=17V

La prima vedere, este suficientă o tensiune de 17 V. Cu toate acestea, este necesar să se țină cont de sarcina suplimentară a sursei de alimentare, care este creată de fire care au rezistență electrică.
În cazurile în care senzorul este situat departe de instrumentele de măsurare, trebuie să țineți cont de factorul de rezistență al firului atunci când calculați bucla de curent. Firele de cupru au rezistență DC care este direct proporțională cu lungimea lor. Cu transmițătorul de presiune din acest exemplu, trebuie să luați în considerare 2000 de picioare de lungime a liniei atunci când determinați tensiunea de funcționare a sursei de alimentare. Rezistența liniară a unui cablu de cupru cu un singur conductor este de 2,62 Ω/100 ft. Luând în considerare această rezistență, rezultă următoarele:

Rezistența unui fir de 2000 de picioare lungime va fi de 2000 * 2,62 / 100 = 52,4 m.
Căderea de tensiune pe un miez va fi de 0,02 * 52,4 = 1,048 V.
Pentru a finaliza circuitul, sunt necesare două fire, apoi lungimea liniei de comunicație este dublată și
scăderea totală de tensiune ar fi de 2,096 volți.Totalul ar fi de aproximativ 2,1 volți, deoarece convertorul se află la 2000 de metri distanță de secundar. Însumând căderile de tensiune pe toate elementele circuitului, obținem:
2.096V + 12V+ 5V=19.096V

Dacă ați folosit 17 V pentru a alimenta circuitul în cauză, atunci tensiunea aplicată transmițătorului de presiune va fi sub tensiunea minimă de funcționare din cauza scăderii rezistenței firului și a rezistenței de șunt. Selectarea unei surse de alimentare tipice de 24 V va satisface cerințele de alimentare ale invertorului. În plus, există o marjă de tensiune pentru a plasa senzorul de presiune la o distanță mai mare.

Cu alegerea corectă a traductorului, dispozitivului de achiziție de date, lungimii cablurilor și sursei de alimentare, proiectarea unei bucle de curent simplu este completă. Pentru aplicații mai complexe, puteți include canale de măsurare suplimentare în sistem.

Nijni Novgorod

Acest articol este o continuare a unei serii de publicații din revista ISUP, dedicate normalizării *, **, *** ****. Articolul „Transformarea sistemelor similare cu similare în măsurare și control” (ISUP. 2012. Nr. 1) a fost dedicat normalizării, care convertesc semnalele de intrare unificate în semnale de ieșire unificate.

De ce semnalul 4…20 mA?

Distribuția largă a semnalului unificat de curent 4 ... 20 mA se explică prin următoarele motive:
- transmiterea semnalelor de curent nu este afectată de rezistența firelor de legătură, astfel încât cerințele pentru diametrul și lungimea firelor de legătură și, prin urmare, costul, sunt reduse;
- semnalul de curent funcționează la o sarcină cu rezistență scăzută (comparativ cu rezistența sursei de semnal), astfel încât interferența electromagnetică indusă în circuitele de curent este mică în comparație cu circuitele similare care folosesc semnale de tensiune;
- o întrerupere a liniei de transmisie a semnalului de curent 4 ... 20 mA este determinată fără ambiguitate și ușor de sistemele de măsurare prin nivelul curentului zero din circuit (în condiții normale, ar trebui să fie de cel puțin 4 mA);
- Semnalul de curent 4…20 mA permite nu numai transmiterea unui semnal de informare util, ci și furnizarea de energie a convertorului de normalizare în sine: nivelul minim admisibil de 4 mA este suficient pentru a alimenta dispozitivele electronice moderne.

Caracteristicile traductoarelor cu buclă de curent 4…20 mA

Luați în considerare principalele caracteristici și caracteristici care trebuie luate în considerare atunci când alegeți. Ca exemplu, să dăm traductoarele de normalizare NPSI-GRTP, produse de compania de cercetare și producție „KontrAvt” (Fig. 2).

Orez. 2. Aspectul NPSI-GRTP - convertoare fabricate de NPF „KontrAvt” cu separare galvanică a 1, 2, 4 canale ale buclei de curent

Proiectat pentru a îndeplini doar două funcții principale:
- măsurarea unui semnal de curent activ 4…20 mA și conversia acestuia în același semnal de curent activ 4…20 mA cu factor de conversie de 1 și cu viteză mare;
- separarea galvanică a semnalelor de intrare și de ieșire ale buclei de curent.

Eroarea principală de conversie a NSI-GRTP este de 0,1%, stabilitatea temperaturii este de 0,005% / °C. Interval de temperatură de lucru - de la -40 la +70 °C. Tensiune de izolație - 1500 V. Viteză - 5 ms.

Opțiunile de conectare la surse de semnale active și pasive sunt prezentate în fig. 3 și 4. În acest din urmă caz, este necesară o sursă de alimentare suplimentară.

Orez. 3. Conectarea convertoarelor NPSI-GRTP la o sursă activă

Orez. patru. Conectarea convertoarelor NPSI-GRTP la o sursă pasivă folosind o unitate de alimentare suplimentară BP

În sistemele de măsurare în care este necesară separarea semnalelor de intrare, sursa semnalului de intrare, de regulă, sunt senzorii de măsurare (MT), iar receptorii sunt instrumentele de măsurare secundare (MT) (regulatoare, controlere, înregistratoare, etc.).

În sistemele de control în care este necesară separarea semnalelor de ieșire, sursele sunt dispozitive de control (CU) (regulatoare, controlere, înregistratoare etc.), iar receptoarele sunt dispozitive de acționare (ID) cu control curent (actuatori cu membrană (MIM), tiristoare). controlere, convertoare de frecvență etc.).

Este de remarcat faptul că convertorul NPSI-GRTP, fabricat de , nu necesită o sursă de alimentare separată. Este alimentat de o sursă de curent activă de intrare 4…20 mA. În același timp, la ieșire se formează și un semnal activ de 4…20 mA și nu este necesară o sursă suplimentară în circuitele de ieșire. Prin urmare, soluția bazată pe separatoare de bucle de curent, care este utilizată în NSI-GRTP, este foarte economică.

Există trei modificări ale convertorului: . Ele diferă în ceea ce privește numărul de canale (1, 2, 4, respectiv) și design (Fig. 2). Traductorul cu un singur canal este plasat într-o carcasă îngustă de dimensiuni mici, cu o lățime de numai 8,5 mm (dimensiuni 91,5 × 62,5 × 8,5 mm), cu două și patru canale - într-o carcasă cu lățime de 22,5 mm (dimensiuni 115 × 105 × 22,5 mm). Convertizoarele cu izolație galvanică sunt utilizate în sistemele cu zeci și sute de semnale, pentru aceste sisteme amplasarea unui astfel de număr de convertoare în carcase structurale (dulapuri) devine o problemă majoră. Factorul cheie aici este lățimea unui canal de conversie de-a lungul șinei DIN. în versiunile cu 1, 2 și 4 canale au o „lățime a canalului” extrem de mică: 8,5, 11,25 și, respectiv, 5,63 mm.

Trebuie remarcat faptul că, în modificările multicanal ale NSI-GRTP2 și NPSI-GRTP4, toate canalele nu sunt complet legate între ele. Din acest punct de vedere, performanța unuia dintre canale nu afectează în niciun fel funcționarea altor canale. De aceea, unul dintre argumentele împotriva convertoarelor cu mai multe canale - „un canal se arde și întregul dispozitiv cu mai multe canale nu mai funcționează, iar acest lucru reduce drastic siguranța și stabilitatea sistemului” - nu funcționează. Dar o proprietate pozitivă atât de importantă a sistemelor multicanal, cum ar fi un „preț de canal” mai mic, se manifestă pe deplin. Modificările cu două și patru canale ale traductoarelor sunt echipate cu conectori cu șurub, care facilitează instalarea, întreținerea și repararea (înlocuirea) acestora.

Într-o serie de sarcini, este necesar să se aplice un semnal de 4 ... 20 mA la mai multe receptoare izolate galvanic. Pentru a face acest lucru, puteți utiliza atât convertoare cu un singur canal NPSI-GRTP1, cât și NPSI-GRTP2 și NPSI-GRTP4 multicanal. Schemele de conectare sunt prezentate în fig. 5.

Orez. 5. Utilizarea convertoarelor cu un singur canal și cu două canale pentru multiplicarea semnalului „1 la 2”

Pentru ușurința instalării și întreținerii, conectarea conexiunilor externe într-o modificare cu un singur canal se face prin conectori terminali cu arc, iar în modificări cu două și patru canale - prin conectori cu șurub detașabil.

Orez. 6. Conectarea liniilor externe folosind conectori terminali detașabili

Astfel, noua linie de convertoare pentru separarea buclei de curent 4…20 mA, prezentată de Compania de Cercetare și Producție KontrAvt, poate fi numită în mod rezonabil o soluție compactă și economică care poate concura din punct de vedere al caracteristicilor cu analogii importați corespunzători. Convertizoarele sunt prevăzute pentru funcționare de probă, astfel încât utilizatorul are posibilitatea de a testa dispozitivele în funcțiune, de a evalua caracteristicile acestora și de a lua o decizie în cunoștință de cauză cu privire la oportunitatea utilizării lor.
____________________________