Tại sao 4-20mA?

4-20mA là gì?

Tiêu chuẩn tín hiệu 4-20mA DC (1-5V DC) được Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (IEC) xác định và được sử dụng cho tín hiệu tương tự trong các hệ thống điều khiển quá trình.

Nói chung, dòng tín hiệu cho các thiết bị và đồng hồ đo được đặt ở mức 4-20mA, trong đó 4mA biểu thị dòng điện tối thiểu và 20mA biểu thị dòng điện tối đa.

Tại sao đầu ra hiện tại?

Trong môi trường công nghiệp, việc sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu để điều hòa và truyền tín hiệu trên khoảng cách xa bằng tín hiệu điện áp có thể dẫn đến một số vấn đề. Đầu tiên, tín hiệu điện áp truyền qua cáp có thể dễ bị nhiễu. Thứ hai, điện trở phân tán của đường dây truyền tải có thể gây sụt áp. Thứ ba, việc cung cấp năng lượng cho bộ khuếch đại tín hiệu tại hiện trường có thể là một thách thức.

Để giải quyết những vấn đề này và giảm thiểu tác động của nhiễu, dòng điện được sử dụng để truyền tín hiệu vì nó ít nhạy cảm hơn với nhiễu. Vòng dòng 4-20mA sử dụng 4mA để biểu thị tín hiệu 0 và 20mA để biểu thị tín hiệu toàn thang, với các tín hiệu dưới 4mA và trên 20mA được sử dụng cho các cảnh báo lỗi khác nhau.

Tại sao chúng ta sử dụng 4-20mA DC (1-5V DC)?

Thiết bị hiện trường có thể thực hiện hệ thống hai dây, trong đó nguồn điện và tải được kết nối nối tiếp với một điểm chung và chỉ có hai dây được sử dụng để liên lạc tín hiệu và cấp nguồn giữa máy phát hiện trường và thiết bị trong phòng điều khiển. Sử dụng tín hiệu DC 4mA làm dòng khởi động sẽ cung cấp dòng điện hoạt động tĩnh cho máy phát và đặt điểm 0 điện ở 4mA DC, không trùng với điểm 0 cơ học, cho phép phát hiện các lỗi như mất điện và đứt cáp . Ngoài ra, hệ thống hai dây còn phù hợp cho việc sử dụng rào chắn an toàn, hỗ trợ chống cháy nổ.

Các thiết bị trong phòng điều khiển sử dụng truyền tín hiệu song song điện áp, trong đó các thiết bị thuộc cùng một hệ thống điều khiển có chung một thiết bị đầu cuối, giúp thuận tiện cho việc kiểm tra, điều chỉnh, giao diện máy tính và thiết bị báo động.

Lý do sử dụng 4-20mA DC để liên lạc tín hiệu giữa các thiết bị hiện trường và thiết bị phòng điều khiển là vì khoảng cách giữa hiện trường và phòng điều khiển có thể lớn, dẫn đến điện trở cáp cao hơn. Việc truyền tín hiệu điện áp qua khoảng cách xa có thể gây ra lỗi nghiêm trọng do sụt áp do điện trở cáp và điện trở đầu vào của thiết bị thu. Việc sử dụng tín hiệu nguồn dòng không đổi để truyền từ xa đảm bảo rằng dòng điện trong vòng lặp không thay đổi bất kể chiều dài cáp, đảm bảo độ chính xác khi truyền.

Lý do sử dụng tín hiệu DC 1-5V để kết nối giữa các thiết bị trong phòng điều khiển là để tạo điều kiện cho nhiều thiết bị nhận được cùng một tín hiệu và hỗ trợ nối dây và hình thành các hệ thống điều khiển phức tạp khác nhau. Nếu nguồn dòng điện được sử dụng làm tín hiệu kết nối, khi nhiều thiết bị nhận được cùng một tín hiệu đồng thời, điện trở đầu vào của chúng phải được mắc nối tiếp. Điều này sẽ vượt quá khả năng tải của thiết bị phát và điện thế nối đất tín hiệu của các thiết bị thu sẽ khác nhau, gây nhiễu và ngăn cản việc cung cấp điện tập trung.

Việc sử dụng tín hiệu nguồn điện áp để kết nối yêu cầu chuyển đổi tín hiệu dòng điện được sử dụng để liên lạc với các thiết bị đo hiện trường thành tín hiệu điện áp. Phương pháp đơn giản nhất là mắc nối tiếp một điện trở tiêu chuẩn 250 ohm vào mạch truyền tải dòng điện, chuyển đổi 4-20mA DC thành 1-5V DC. Thông thường, nhiệm vụ này được thực hiện bởi một máy phát.

Sơ đồ này sử dụng điện trở 250 ohm để chuyển đổi tín hiệu dòng điện 4-20mA thành tín hiệu điện áp 1-5V, sau đó sử dụng bộ lọc RC và một diode được kết nối với chân chuyển đổi AD của vi điều khiển.

“Ở đây đính kèm một sơ đồ mạch đơn giản để chuyển đổi tín hiệu dòng điện 4-20mA thành tín hiệu điện áp:

Tại sao máy phát được chọn sử dụng tín hiệu DC 4-20mA để truyền?

1. Các cân nhắc về an toàn cho môi trường nguy hiểm: An toàn trong môi trường nguy hiểm, đặc biệt đối với các thiết bị chống cháy nổ, yêu cầu giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng tĩnh và động cần thiết để duy trì hoạt động của thiết bị. Các máy phát phát ra tín hiệu tiêu chuẩn DC 4-20mA thường sử dụng nguồn điện 24V DC. Việc sử dụng điện áp DC chủ yếu là do nó loại bỏ nhu cầu về tụ điện và cuộn cảm lớn, đồng thời tập trung vào điện dung và độ tự cảm phân bố của dây nối giữa máy phát và thiết bị trong phòng điều khiển, thấp hơn nhiều so với dòng đánh lửa của khí hydro.

2. Truyền nguồn dòng điện được ưu tiên hơn nguồn điện áp: Trong trường hợp khoảng cách giữa trường và phòng điều khiển lớn, việc sử dụng tín hiệu nguồn điện áp để truyền có thể gây ra lỗi đáng kể do sụt áp do điện trở cáp và đầu vào gây ra. điện trở của thiết bị thu. Việc sử dụng tín hiệu nguồn hiện tại để truyền từ xa đảm bảo rằng dòng điện trong vòng lặp không đổi, bất kể chiều dài cáp, từ đó duy trì độ chính xác khi truyền.

3. Việc lựa chọn 20mA làm dòng điện tối đa: Việc lựa chọn dòng điện tối đa 20mA dựa trên những cân nhắc về độ an toàn, tính thực tế, mức tiêu thụ điện năng và chi phí. Dụng cụ chống cháy nổ chỉ có thể sử dụng điện áp thấp và dòng điện thấp. Dòng điện 4-20mA và 24V DC an toàn khi sử dụng khi có khí dễ cháy. Dòng đánh lửa của khí hydro với 24V DC là 200mA, cao hơn đáng kể so với 20mA. Ngoài ra, các yếu tố như khoảng cách giữa các thiết bị tại nơi sản xuất, tải, mức tiêu thụ điện năng, yêu cầu về linh kiện điện tử và yêu cầu về nguồn điện cũng được tính đến.

4. Chọn 4mA làm dòng khởi động: Hầu hết các máy phát có đầu ra 4-20mA đều hoạt động trong hệ thống hai dây, trong đó nguồn điện và tải được mắc nối tiếp với một điểm chung và chỉ sử dụng hai dây để truyền tín hiệu và nguồn điện giữa máy phát hiện trường và thiết bị của phòng điều khiển. Việc lựa chọn dòng khởi động 4mA là cần thiết để mạch phát hoạt động. Dòng khởi động 4mA, không trùng với điểm 0 cơ học, cung cấp “điểm 0 hoạt động” giúp xác định các lỗi như mất điện và đứt cáp.

Việc sử dụng tín hiệu 4-20mA đảm bảo giảm thiểu nhiễu, an toàn và độ tin cậy, khiến nó trở thành tiêu chuẩn được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, các định dạng tín hiệu đầu ra khác, chẳng hạn như 3,33mV/V, 2mV/V, 0-5V và 0-10V, cũng được sử dụng để xử lý tín hiệu cảm biến tốt hơn và hỗ trợ các hệ thống điều khiển khác nhau.