چرا از 4 تا 20 میلی آمپر استفاده می شود؟

دلایل استفاده از 4 تا 20 میلی آمپر به شرح زیر است:

1. سیگنال‌های جریان اغلب در حسگرها استفاده می‌شوند زیرا پاسخ جریان معمولا خطی‌تر از پاسخ ولتاژ است.
2. سیگنال‌های فعلی معمولاً امپدانس پایینی را برای حسگرها فراهم می‌کنند و از مصونیت بهتر در برابر نویز بهره می‌برند.
3. سیگنال‌های فعلی می‌توانند بسیار بیشتر از سیگنال‌های ولتاژ گسترش یابند و طول سیم سیگنال قوی تا 1000 متر را ممکن می‌سازند.
4. حلقه های جریان 4-20 میلی آمپر به اندازه کافی ایمن هستند. حتی اگر منبع تغذیه 24 ولت باشد، شوک خطری ندارد.
5. حلقه جریان 4-20 میلی آمپر ذاتاً برای مناطق خطرناک ایمن است.

اجازه دهید سیگنال 4 تا 20 میلی آمپر را گام به گام درک کنیم – چرا از 4 تا 20 میلی آمپر استفاده می شود؟

مبانی لوپ جریان

حلقه جریان یک استاندارد سیگنال دهی حسگر بسیار قوی است. حلقه های فعلی برای انتقال داده ایده آل هستند. تمام جریان سیگنالینگ از طریق تمام اجزا جریان می یابد. حتی اگر انتهای سیم کمتر از حد کامل باشد، جریان یکسانی جریان دارد. تمام اجزای موجود در حلقه به دلیل جریان سیگنالی که از آنها عبور می کند ولتاژ کاهش می یابد. تا زمانی که ولتاژ منبع تغذیه بیشتر از مجموع افت ولتاژ در اطراف حلقه در حداکثر جریان سیگنالینگ باشد، جریان سیگنالینگ تحت تأثیر قرار نمی گیرد.

شکل شماتیکی از ساده ترین حلقه جریان 4 تا 20 میلی آمپر را نشان می دهد. چهار جزء وجود دارد،

1. منبع تغذیه DC;
2. ترانسمیتر 2 سیم;
3. یک مقاومت گیرنده که سیگنال جریان را به ولتاژ تبدیل می کند. و
4. سیمی که همه را به هم وصل می کند. دو Rwire وجود دارد زیرا شما یک سیم به سنسورها و دیگری در پشت دارید. چرا 4 تا 20 میلی آمپر ما

جریان تامین شده از منبع تغذیه از طریق سیم به ترانسمیتر جریان می یابد. ترانسمیتر جریان را تنظیم می کند. ترانسمیتر فقط به جریانی متناسب با پارامتر اندازه گیری شده اجازه می دهد که جریان حلقه نامیده می شود. جریان از طریق سیم به کنترل کننده باز می گردد.

جریان حلقه از طریق گیرنده به زمین می گذرد و به منبع تغذیه باز می گردد. جریانی که از گیرنده عبور می کند ولتاژی تولید می کند که به راحتی توسط ورودی آنالوگ اندازه گیری می شود. برای یک مقاومت 250Ω، ولتاژ 1 VDC در 4 میلی آمپر و 5 VDC در 20 میلی آمپر خواهد بود.

یک حلقه جریان 4-20 میلی آمپر چیست؟

حلقه جریان 4-20 میلی آمپر استاندارد برای انتقال سیگنال و کنترل الکترونیکی در سیستم های کنترل از دهه 1950 بوده است. در یک حلقه جریان، سیگنال جریان از منبع تغذیه dc گرفته می‌شود، از ترانسمیتر جریان می‌یابد، به کنترل‌کننده می‌رود و سپس در یک مدار سری به منبع تغذیه بازمی‌گردد. مزیت این است که مقدار فعلی در فواصل طولانی کاهش نمی یابد، بنابراین سیگنال جریان در تمام اجزای حلقه ثابت می ماند. در نتیجه، دقت سیگنال تحت تأثیر افت ولتاژ در سیم‌کشی متصل نمی‌شود. چرا از 4 تا 20 میلی آمپر استفاده می شود؟

سیگنال های جریان 4 تا 20 میلی آمپر

محبوب ترین شکل انتقال سیگنال مورد استفاده در سیستم های ابزار دقیق صنعتی مدرن (تا این لحظه) استاندارد 4 تا 20 میلی آمپر DC است. این یک استاندارد سیگنال آنالوگ است، به این معنی که جریان الکتریکی برای نمایش متناسب اندازه‌گیری‌ها یا سیگنال‌های فرمان استفاده می‌شود. به طور معمول، یک مقدار جریان 4 میلی آمپر نشان دهنده 0٪ مقیاس، یک مقدار جریان 20 میلی آمپر نشان دهنده 100٪ مقیاس، و هر مقدار فعلی در بین 4 تا 20 میلی آمپر نشان دهنده درصدی بین 0٪ و 100٪ است.

در ابزار دقیق فرآیند، از حسگرها برای اندازه گیری مقادیر فیزیکی مانند فشار، دما، جریان و غیره فرآیند استفاده می شود. سنسور خروجی را به شکل ولتاژ تولید می کند که به ترانسمیتر متصل به سنسور ارسال می شود. ترانسمیتر سیگنال ولتاژ را به سیگنال جریان تبدیل می کند. محدوده سیگنال جریانی که ترانسمیتر در خروجی تولید می کند از طریق کالیبراسیون ترانسمیتر تعیین می شود. تقریباً تمام ترانسمیتر هایی که بر اساس استانداردهای فرآیند صنعتی تولید می شوند می توانند سیگنال جریانی در محدوده 4-20 میلی آمپر تولید کنند. این یک استاندارد سیگنال آنالوگ است، به این معنی که جریان الکتریکی برای نمایش متناسب اندازه‌گیری‌ها یا سیگنال‌های فرمان استفاده می‌شود. به طور معمول، یک مقدار جریان 4 میلی آمپر نشان دهنده 0٪ مقیاس، یک مقدار جریان 20 میلی آمپر نشان دهنده 100٪ مقیاس، و هر مقدار فعلی بین 4 تا 20 میلی آمپر نشان دهنده درصدی بین 0٪ و 100٪ است.

به عنوان مثال، اگر بخواهیم یک ترانسمیتر فشار 4-20 میلی آمپر را برای محدوده اندازه گیری 0 تا 10 کیلوگرم بر سانتی متر مربع کالیبره کنیم، می توانیم مقادیر جریان و فشار اندازه گیری شده را با جدولی که در زیر آورده شده است، مرتبط کنیم:

کاربرد سیگنال 4 تا 20 میلی آمپر در سیستم کنترل چیست؟

 

سیگنال‌های جریان DC نیز در سیستم‌های کنترل برای فرمان دادن به موقعیت یک عنصر کنترلی نهایی، مانند شیر کنترل، استفاده می‌شوند. به طور معمول (نه در همه موارد) سیگنال 4 میلی آمپر شیر را ببندد و سیگنال 20 میلی آمپر شیر را باز می کند.

اکثر سیستم های کنترل صنعتی حداقل از دو سیگنال مختلف 4-20 میلی آمپر استفاده می کنند.

1. برای متغیر فرآیند (PV)
2. برای متغیر دستکاری شده (MV)

رابطه بین دو تک آهنگ به پاسخ کنترل کننده بستگی دارد. اگر کنترل کننده معکوس عمل می کند، لازم نیست هر دو سیگنال برابر باشند، هر دو سیگنال معکوس خواهند بود. این به پاسخ کنترل کننده و تقاضا برای فرآیند بستگی دارد.

چرا به جای 0-20 میلی آمپر از 4 تا 20 میلی آمپر استفاده می شود؟

دلیل 1:  دلیل اصلی استفاده از 4-20 میلی آمپر به جای 0-20 میلی آمپر این است که “صفر” بالا اجازه می دهد تا دستگاه میدان را روی همان دو سیمی که سیگنال استفاده می کند، تغذیه شود. ترانسمیتر‌های میدانی غیرفعال و حلقه‌ای از جریان الکتریکی DC کمتر از 3.5 میلی آمپر برای تغذیه ترانسمیتر برای انجام اندازه‌گیری استفاده می‌کنند. ولتاژ توسط منبع تغذیه حلقه تامین می شود و جریان حلقه توسط ترانسمیتر میدان تنظیم می شود که به عنوان ترانسمیتر عمل می کند و جریان حلقه را متناسب با اندازه گیری تنظیم می کند. جنبه قدرت بر روی سیم ها چیزی است که بازار ابزارهای میدانی غیرفعال، 2 سیمی و حلقه ای را به حرکت در می آورد، زیرا در غیر این صورت با افزایش هزینه نصب، آنها باید 3 یا 4 سیم باشند. اکثر ترانسمیتر‌های میدانی برای سیگنال خارج از محدوده کالیبره شده کمی کمتر از 4.00mA و بالاتر از 20.00mA حرکت می‌کنند. و یک تنظیم کم شکست در حدود 3.6 میلی آمپر (بسته به فروشنده متفاوت است) وجود دارد تا نشان دهنده از دست دادن اندازه گیری واقعی باشد. اما جریان کمتر از 3.5 میلی آمپر برای تامین انرژی ترانسمیتر ذخیره شده است.

دلیل 2:  بالا (صفر زنده) برای تشخیص مدارهای باز سیم شکسته مناسب است. ترانسمیتر ای را فرض کنید که برد آن 0 تا 20 کیلوگرم بر سانتی متر مربع است تا فشار یک خط لوله را اندازه گیری کند. هنگامی که هیچ فشاری در خط وجود ندارد، ترانسمیتر 0 را نشان می دهد و ترانسمیتر 4 میلی آمپر خواهد بود. و هنگامی که فشار کامل روی خط 20 کیلوگرم بر سانتی متر مربع باشد، ترانسمیتر 20 میلی آمپر خواهد شد. از طرف دیگر اگر خروجی ترانسمیتر 0 تا 20 میلی آمپر باشد، ترانسمیتر با رسیدن به فشار 0 میلی آمپر و ترانسمیتر 0 میلی آمپر حتی در صورت پاره شدن سیم خارج می شود. در این مورد، تشخیص اینکه جریان 0 میلی آمپر به دلیل باز بودن مدار ترانسمیتر یا عدم فشار سیال است، بسیار دشوار خواهد بود. بنابراین، اگر ترانسمیتر برای تولید سیگنال جریان در محدوده 4-20 میلی آمپر کالیبره شود، عیوب مانند مدارهای باز به راحتی قابل تشخیص است. چرا از 4 تا 20 میلی آمپر استفاده می شود؟

محاسبه برای سیگنال های 4 تا 20 میلی آمپر

با توجه به رابطه خطی بین درصد سیگنال و میلی آمپر، معادله به شکل معادله خط استاندارد شیب-فاصله y = mx + c است. در اینجا، y جریان معادل بر حسب میلی آمپر، x درصد سیگنال مورد نظر، m دامنه محدوده 4-20 میلی آمپر (16 میلی آمپر)، و c مقدار افست یا «صفر زنده» 4 میلی آمپر است.

این فرم معادله با معادله ای که برای محاسبه فشار سیگنال ابزار پنوماتیک استفاده می شود یکسان است (استاندارد 3 تا 15 PSI):

 

همین رابطه ریاضی برای هر محدوده اندازه گیری خطی برقرار است. با در نظر گرفتن درصدی از محدوده x، متغیر اندازه گیری شده برابر است با:

چند مثال عملی از محاسبات بین مقادیر جریان میلی آمپر و مقادیر متغیر فرآیند به شرح زیر است:

مثال 1: – محدوده ترانسمیتر فشار 0 تا 20 کیلوگرم بر سانتی متر مربع است. mA را در 12 کیلوگرم بر سانتی متر مربع پیدا کنید؟

داده شده: – محدوده – 0 تا 20 کیلوگرم بر سانتی متر مربع

               LRV = 0

               URV = 20

               دهانه = URV-LRV

                         = 20-0

                         = 20 کیلوگرم بر سانتی متر مربع

فرمول شماره را اعمال کنید. 1

                   mA(جریان) = (16 میلی آمپر){(PV-LRV)/(URV-LRV)} +4 میلی آمپر

                                               = 16* (12-0)/(20-0)+4

                                               = 16*(12/20)+4

                                               = 13.6 میلی آمپر

                        mA (جریان) = 13.6 میلی آمپر

مثال 2: – یک فرستنده فشار دارای محدوده اندازه گیری کالیبره شده 50 تا 100 کیلوگرم بر سانتی متر مربع و محدوده خروجی 4 تا 20 میلی آمپر است. اگر ورودی 75 کیلوگرم بر سانتی متر مربع باشد، خروجی مورد انتظار چقدر است؟

داده شده: – محدوده = 50 تا 100 کیلوگرم بر سانتی متر مربع

               LRV = 50 کیلوگرم / CM2

               URV = 100 KG/CM2

               SPAN = URV – LRV

                             = 100 – 50

                             = 50

   فرمول شماره را اعمال کنید. 1

                   mA(جریان) = (16 میلی آمپر){(PV-LRV)/(URV-LRV)} +4 میلی آمپر

                                              = 16* (75-50)/(100-50)+4

                                               = 16*(25/50)+4

                                               = 12 میلی آمپر

                        mA (جریان) = 12 میلی آمپر

مثال 3: – محدوده کالیبره شده فرستنده دما 200- تا 300 درجه سانتیگراد و محدوده خروجی 4 تا 20 میلی آمپر است. PV در 12mA چیست؟

داده شده: – محدوده = -200 تا 300 کیلوگرم بر سانتی متر مربع

               LRV = -200 کیلوگرم / CM2

               URV = 300 کیلوگرم بر سانتی متر مربع

               SPAN = URV – LRV

                             = 300 – (-200)

                             = 500

               mA = 12 میلی آمپر

               PV =

   فرمول

               mA(جریان) = (16 mA) +4 mA

                                            PV = {(mA-4)/16*(URV-LRV)}+LRV

                                                  = {(12-4)/16*(300-(-200))}+(-200)

                                                  = 8/16 * 500-200

                                                  = 250-200

                                                  = 50

                                            PV = 50 درجه سانتیگراد