سیگنال 4 تا 20 میلی آمپر ریشه در سیستم‌های کنترل پنوماتیک دارد. در دهه 1950، با گذار از سیستم‌های پنوماتیک به سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی، این استاندارد به عنوان جایگزینی برای سیگنال پنوماتیک 3 تا 15 PSI معرفی شد.
شکل زیر نمونه ساده ترین حلقه جریان 4 تا 20 میلی آمپر را نشان می دهد.
1. منبع تغذیه DC؛
2. یک فرستنده 2 سیم
3. یک مقاومت گیرنده که سیگنال جریان را به ولتاژ تبدیل می کند. و
4. سیمی که همه را بهم متصل می کند. از آنجا که سیم به سنسورها و پشت دیگر متصل هستید ، دو سیم وجود دارد.
تا زمانی که ولتاژ منبع تغذیه بیشتر از مقدار افت ولتاژ دور حلقه در حداکثر جریان سیگنالینگ 20mA باشد ، جریان سیگنالینگ تحت تأثیر قرار نمی گیرد. جریان تأمین شده از منبع تغذیه از طریق سیم به فرستنده جریان می یابد. فرستنده جریان جریان را تنظیم می کند. فرستنده فقط اجازه می دهد تا جریان متناسب با پارامتر اندازه گیری شده جریان داشته باشد که جریان حلقه نامیده می شود. جریان از طریق سیم به کنترل کننده برمی گردد. جریان حلقه از طریق گیرنده به زمین منتقل می شود و به منبع تغذیه برمی گردد. جریان عبوری از گیرنده ولتاژی ولتاژی تولید می کند که به راحتی با ورودی آنالوگ اندازه گیری می شود. برای یک مقاومت 250Ω ، ولتاژ 1 VDC در 4 میلی آمپر و 5VDC در 20 میلی آمپر خواهد بود.
سیگنال 4 تا 20 میلی آمپر بر اساس اصل حلقه جریان کار می‌کند.
مزایای استفاده از جریان به جای ولتاژ:
منبع تغذیه
منابع تغذیه فرستنده های 2 سیمه باید همیشه DC باشند. از آنجا که تغییر جریان جریان پارامتر اندازه گیری شده است ، نمی توان از AC استفاده کرد. اگر از AC استفاده شود ، جریان دائماً در حال تغییر است و سیگنال نمایانگر پارامتر اندازه گیری شده را نمی توان از سیگنال ناشی از قدرت AC تشخیص داد. ولتاژهای متداول منبع تغذیه 36 VDC ، 24 VDC ، 15 VDC و 12 VDC است. منبع تغذیه برای فرستنده های 3 سیمه می تواند AC یا DC باشد. متداول ترین منبع تغذیه ولتاژ AC ترانسفورماتور کنترل 24 VAC است. حتماً ادبیات نصب هر فرستنده را از نظر ولتاژ مناسب بررسی کنید.
ترانسمیتر
ترانسمیتر قلب سیستم سیگنالینگ 4 تا 20 میلی آمپر است. این یک ویژگی فیزیکی مانند دما ، رطوبت یا فشار را به یک سیگنال الکتریکی تغییر می دهد. سیگنال یک جریان متناسب با خاصیت فیزیکی اندازه گیری شده است. 4 میلی آمپر نشان دهنده پایان کم دامنه اندازه گیری و 20 میلی آمپر نشان دهنده پایان بالا است. فرستنده بسته به مدل ، 7 تا 15 ولت ولتاژ حلقه مصرف می کند تا خود تأمین شود. BAPI توان فرستنده های فعلی ما را به عنوان یک دامنه ، 15 تا 24 VDC برای BA / H200 یا 7 تا 40VDC برای BA / T1K مشخص می کند. ولتاژ پایین حداقل ولتاژ لازم برای تضمین عملکرد انتقال دهنده املاک است. ولتاژ بالاتر حداکثر ولتاژی است که فرستنده می تواند طبق مشخصات اعلام شده مقاومت و کار کند.
مقاومت گیرنده
اندازه گیری ولتاژ بسیار آسان تر از جریان است. اجرای جریان حلقه از طریق مقاومت جریان را به ولتاژ تبدیل می کند. در شکل 1 ، گیرنده مقاومتی دقیق است که دارای خصوصیات کاملاً مشخص شده است که اصلی ترین آن مقاومت است. متداول ترین مقاومت مورد استفاده 250Ω است. بسته به کاربرد ممکن است از مقاومت های 100Ω تا 750Ω استفاده شود.
سیم
ارسال جریان از طریق سیم باعث ایجاد افت ولتاژ متناسب با طول سیم می شود. تمام سیم ها دارای مقاومت هستند که معمولاً با اهم در هر 1000 فوت بیان می شود. افت ولتاژ را می توان با استفاده از قانون Ohm محاسبه کرد. در سال 1825 ، گئورگ سایمون اوم دریافت که جریان از طریق مواد رسانای الکتریکی مستقیماً با اختلاف پتانسیل اعمال شده در مواد متناسب است .
امروز ، ما کار اهم را به عنوان قانون اهم می دانیم ، فرمول بیان می کند ؛ مقاومت فعلی ولتاژ است. فرمول را می توان به صورت زیر نوشت:
E = I * R
جایی که E ولتاژ مقاومت در برابر ولت است ، I جریان عبوری از هادی در آمپر و R مقاومت هادی در اهم است. (حرف یونانی بزرگ امگا ، Ω ، معمولاً اهم را نشان می دهد.) بر خلاف زمان اهم ، اکنون ما دارای سیم های استاندارد سیم با مقاومت های کاملاً مشخص هستیم. مقاومت سیم برای سیم سنجهای معمول در جدول 1 نشان داده شده است.
بزرگترین مزیت عدم حساسیت ذاتی یک حلقه جریان به نویز الکتریکی است. هر فرستنده جریان دارای مقداری مقاومت خروجی مرتبط با آن است. در حالت ایده آل ، از تئوری الکترونیک ابتدایی ، مقاومت خروجی فرستنده های جریان باید بی نهایت باشد. از آنجایی که فرستنده های دنیای واقعی از قطعات الکترونیکی ساخته می شوند و نه از کتاب های درسی ، مقاومت های بسیار زیادی دارند اما بی نهایت خروجی ندارند. به عنوان مثال ، مقاومت خروجی BA / T1K 3،640،000 اهم یا 3.64 مگاوات است. مقاومت خروجی ممکن است به عنوان یک مقاومت مدل شود. شکل زیر مقاومتهای جزhemat را با منبع نویز اضافه شده به سیگنال به صورت نمونه نشان می دهد. خروجی ای که کنترل کننده شما می بیند ولتاژ عبور از گیرنده است. اگر منبع نویز دارای دامنه 20 ولت باشد ، خطایی که در سراسر گیرنده مشاهده می شود عبارت است از:
خطا= 20 * (250 / (10 + 3،640،000 + 250) = 0.0014 ولت
امپدانس خروجی بالای BA / T1K خطاهای ناشی از نوسانات منبع تغذیه را رد می کند. اگر منبع تغذیه شکل 1 متنوع باشد به گونه ای که ولتاژ افتاده روی فرستنده از 7 تا 24 VDC متغیر باشد ، جریان خروجی فقط 0.000005 آمپر یا 5 میکرو آمپر تغییر می کند. 5 میکرو آمپر 0.031٪ از کل تغییر سیگنال است. از آنجا که مقاومتهای بزرگ خروجی ذاتاً نوسانات بیشتر نویز و منبع تغذیه را رد می کنند ، مطمئن باشید وقتی پارامتری را با فرستنده BAPI اندازه گیری می کنید .
سیگنال 4-20mA در صنایع مختلف کاربرد گسترده‌ای دارد، از جمله:
سیگنال 4-20mA توسط استانداردهای مختلفی پشتیبانی می‌شود، از جمله:
این استانداردها جزئیات فنی مانند دقت، خطی بودن، و محدوده‌های مجاز را مشخص می‌کنند.
برای اطمینان از عملکرد صحیح سیستم‌های 4-20mA، موارد زیر باید به طور منظم بررسی شوند:
سیگنال 4-20mA در مقایسه با سایر استانداردها مانند 0-10V یا سیگنال‌های دیجیتال مزایا و معایبی دارد:
مزایا:
معایب:
سیگنال 4 تا 20 میلی آمپر، با وجود قدمت بالا، همچنان یکی از پرکاربردترین استانداردهای انتقال داده در صنعت است. درک عمیق این سیگنال و نحوه کارکرد آن برای مهندسان و تکنسین‌های ابزار دقیق ضروری است. با پیشرفت فناوری، انتظار می‌رود این استاندارد با قابلیت‌های جدید ترکیب شده و همچنان نقش مهمی در صنعت اتوماسیون ایفا کند.
