אות זרם 4 מעגל 20 mA. ממשקי לולאה נוכחיים

מכייל לולאת הזרם RZU-420 מיועד להגדיר אותות זרם מאוחדים של 4…20 mA בתהליך של בדיקת מערכות אוטומציה, כמו גם לשלוט בערכי הזרם והמתח. ניתן להפעיל את הלולאה הנוכחית הן מהמערכת הנבדקת והן מהמכשיר.

ביצוע המכשיר - נייד, עם מזון אוטונומי מסוללות. אפשר גם להפעיל את המכשיר מרשת 220V באמצעות מתאם רשת חיצוני.

למכשיר ממשק אינטואיטיבי וקל לשימוש. הפונקציונליות הרחבה של ה-RZU-420, הארגונומיה והעלות הנמוכה הופכים אותו לבלתי הכרחי עבור מכוון ה-APCS במהלך ההפעלה. השימוש ב-RZU-420 יכול להפחית משמעותית את זמן ההפעלה.

מכייל לולאת הזרם RZU-420 נבדק בהרחבה בתנאי עבודה אמיתיים וקיבל ציונים חיוביים בכל הבדיקות והבדיקות הטכניות.

יכולות RZU-420

• תצוגה סימולטנית של ההתייחסות הנוכחית בתצוגה בדיוק של אלפית mA והצגת התייחסות הפלט כאחוז מסולם 4 ... 20 mA בדיוק של עשירית האחוז.
• טווח הגדרה נוכחי: 0 ... 25 mA (בסולם עם תלות ליניארית).
• ל-RZU-420 יש את היכולת למדוד פרמטרים של לולאת זרם כגון זרם I ומתח U.
• המכשיר יכול לפעול הן ממקור מתח חיצוני והן מהמובנה. החלפת מצבים מתבצעת על ידי לחיצה על מקש בלוח המחוונים עם תצוגה קבועה של מצב הכוח שנבחר בתצוגה.
• המכשיר מאפשר גם הגדרה חלקה של זרם ברזולוציה של 0.1% מהסקאלה, וגם הגדרה שלב אחר שלב של זרם כל 1 mA. כמו כן, RZU-420 מאפשר לך ליצור אות של 4 ... 20 mA in מצב הגדרת פונקציה: פיתול, מסור, משולש, סינוסואיד. החלפת מצב המשימה מתבצעת על ידי מקש בפאנל הקדמי של המכשיר עם תצוגה קבועה של המצב הנבחר בתצוגה.
• למכשיר יש אינדיקציה לשבירת הלולאה הנוכחית. כאשר הלולאה הנוכחית נשברת, ההודעה "שבירה" נדלקת על מחוון ה-LCD.
• למכשיר יש אינדיקציה של מצב עוצמת הסוללה, המוצגת כל הזמן בתצוגה, המאפשרת לך לחשב את זמן הפעולה הצפוי מסט נתון של סוללות.
• התצוגה של המכשיר מוארת אחורית ליכולת עבודה בתנאי תאורה חלשים.
• ההתייחסות/שגיאת המדידה הפנימית המקסימלית היא רק ±0.1%.
• המארז של המכשיר עשוי מפלסטיק עמיד בפני פגיעות ברמת הגנה מפני אבק ולחות IP20.
• יש תעודה של מכשיר המדידה.

ניז'ני נובגורוד

מאמר זה הוא המשך לסדרת פרסומים בכתב העת ISUP, המוקדשים לנרמול *, **, *** ****. המאמר "טרנספורמציה של דומה לדומה במערכות מדידה ובקרה" (ISUP. 2012. מס' 1) הוקדש לנרמול, הממיר אותות קלט מאוחדים לאותות פלט מאוחדים.

למה האות של 4…20 mA?

ההפצה הרחבה של האות המאוחד הנוכחי 4 ... 20 mA מוסברת על ידי הסיבות הבאות:
- העברת אותות הזרם אינה מושפעת מההתנגדות של חוטי החיבור, ולכן הדרישות לקוטר ואורך חוטי החיבור, ומכאן העלות, מופחתות;
- אות הזרם פועל על עומס בעל התנגדות נמוכה (בהשוואה להתנגדות מקור האות), כך שההפרעה האלקטרומגנטית המושרה במעגלי הזרם קטנה בהשוואה למעגלים דומים המשתמשים באותות מתח;
- הפסקה בקו ההולכה של האות הנוכחי 4 ... 20 mA נקבעת באופן חד משמעי ובקלות על ידי מערכות מדידה לפי רמת הזרם האפס במעגל (בתנאים רגילים, זה צריך להיות לפחות 4 mA);
- אות זרם של 4...20 mA מאפשר לא רק לשדר אות מידע שימושי, אלא גם לספק כוח לממיר המנרמל עצמו: הרמה המינימלית המותרת של 4 mA מספיקה כדי להפעיל מכשירים אלקטרוניים מודרניים.

מאפיינים של מתמרי לולאת זרם 4...20 mA

שקול את המאפיינים והתכונות העיקריים שיש לקחת בחשבון בעת ​​הבחירה. כדוגמה, הבה ניתן את המתמרים המנרמלים NPSI-GRTP, המיוצרים על ידי חברת המחקר והייצור "KontrAvt" (איור 2).

אורז. 2.מראה של NPSI-GRTP - ממירים מיוצרים על ידי NPF "KontrAvt" עם הפרדה גלוונית של 1, 2, 4 ערוצים של הלולאה הנוכחית

נועד לבצע רק שתי פונקציות עיקריות:
- מדידת אות זרם פעיל 4...20 mA והמרתו לאותו אות זרם פעיל 4...20 mA עם מקדם המרה של 1 ובמהירות גבוהה;
- הפרדה גלוונית של אותות קלט ופלט של הלולאה הנוכחית.

שגיאת ההמרה העיקרית של NSI-GRTP היא 0.1%, יציבות הטמפרטורה היא 0.005% / מעלות צלזיוס. טווח טמפרטורת עבודה - מ -40 עד +70 מעלות צלזיוס. מתח בידוד - 1500 V. מהירות - 5 אלפיות השנייה.

אפשרויות לחיבור למקורות של אותות פעילים ופסיביים מוצגות באיור. 3 ו-4. במקרה האחרון, נדרש ספק כוח נוסף.

אורז. 3.חיבור ממירי NPSI-GRTP למקור פעיל

אורז. 4.חיבור ממירי NPSI-GRTP למקור פסיבי באמצעות יחידת ספק כוח נוספת BP

במערכות מדידה בהן יש צורך להפריד את אותות הכניסה, מקור אות הכניסה, ככלל, הוא חיישני המדידה (MT), והמקלטים הם מכשירי המדידה המשניים (MT) (ווסת, בקרים, מקליטים, וכו.).

במערכות בקרה בהן נדרשת הפרדת אותות פלט, המקורות הם התקני בקרה (CU) (ווסת, בקרים, מקליטים וכו'), והמקלטים הם התקני הפעלה (ID) עם בקרת זרם (מפעילי ממברנה (MIM), תיריסטור בקרים, ממירי תדרים וכו').

ראוי לציין כי ממיר NPSI-GRTP, המיוצר על ידי , אינו דורש ספק כוח נפרד. הוא מופעל על ידי מקור זרם פעיל בכניסה של 4…20 mA. במקביל, נוצר גם אות פעיל של 4...20 mA במוצא, ואין צורך במקור נוסף במעגלי המוצא. לכן, הפתרון המבוסס על מפרידי לולאות זרם, המשמש ב-NSI-GRTP, הוא חסכוני מאוד.

ישנם שלושה שינויים בממיר: . הם שונים במספר הערוצים (1, 2, 4, בהתאמה) ובעיצוב (איור 2). מתמר חד-ערוצי נמצא במארז צר בגודל קטן ברוחב 8.5 מ"מ בלבד (מידות 91.5 × 62.5 × 8.5 מ"מ), דו-ערוצי וארבעה ערוצים - במארז ברוחב 22.5 מ"מ (מידות 115 × 105 × 22.5 מ"מ ). ממירים עם בידוד גלווני משמשים במערכות עם עשרות ומאות אותות, עבור מערכות אלו הצבת מספר כזה של ממירים בקונכיות (ארונות) מבניות הופכת לבעיה גדולה. גורם המפתח כאן הוא הרוחב של ערוץ המרה אחד לאורך מסילת ה-DIN. בגרסאות 1, 2 ו-4 ערוצים יש להם "רוחב ערוץ" קטן במיוחד: 8.5, 11.25 ו-5.63 מ"מ, בהתאמה.

יש לציין כי בשינויים הרב-ערוציים של NSI-GRTP2 ו-NPSI-GRTP4, כל הערוצים אינם קשורים זה לזה לחלוטין. מנקודת מבט זו, הביצועים של אחד מהערוצים אינם משפיעים בשום צורה על פעולתם של ערוצים אחרים. לכן אחת הטיעונים נגד ממירים רב-ערוציים - "ערוץ אחד נשרף, וכל המכשיר הרב-ערוצי מפסיק לעבוד, וזה מוריד דרמטית את הבטיחות והיציבות של המערכת" - לא עובד. אבל תכונה חיובית חשובה כל כך של מערכות רב-ערוציות כמו "מחיר ערוץ" נמוך יותר בא לידי ביטוי במלואו. שינויים דו- וארבעה ערוצים של המתמרים מצוידים במחברי בורג, המקלים על התקנתם, התחזוקה והתיקון (החלפה).

במספר משימות, נדרש להחיל אות 4 ... 20 mA על מספר מקלטים מבודדים גלווני. לשם כך, אתה יכול להשתמש הן בממירים חד-ערוציים NPSI-GRTP1, והן בממירים NPSI-GRTP2 ו-NPSI-GRTP4 רב-ערוציים. דיאגרמות חיבור מוצגות באיור. 5.

אורז. 5.השימוש בממירים חד-ערוציים ודו-ערוציים להכפלת אותות "1 עד 2"

כדי להקל על ההתקנה והתחזוקה, החיבור של חיבורים חיצוניים בשינוי חד ערוצי נעשה על ידי מחברי מסוף קפיצי, ובשינויים דו וארבעה ערוצים - על ידי מחברי בורג ניתנים להסרה.

אורז. 6.חיבור קווים חיצוניים באמצעות מחברי טרמינלים ניתנים להסרה

לפיכך, קו הממירים החדש להפרדת לולאת הזרם של 4…20 mA, המוצגת על ידי KontrAvt Research and Production Company, יכול להיקרא באופן סביר פתרון קומפקטי וחסכוני שיכול להתחרות במונחים של מאפיינים עם המקבילים המיובאים המקבילים. הממירים ניתנים להפעלת ניסיון, כך שלמשתמש יש הזדמנות לבדוק את המכשירים בפעולה, להעריך את מאפייניהם ולקבל החלטה מושכלת על נאותות השימוש בהם.
____________________________

ומהסעיפים הקודמים ברור שלא מעובד אותותממגוון מאוד וטווח השינוי שלהם משתרע מכמה מילי-וולט (עבור צמד תרמי) ליותר ממאה וולט עבור טכוגנרטור. בנוסף, הם יכולים להיגרם על ידי שינויים במתח DC, מתח AC, או אפילו התנגדות. לכן, זה די ברור שאם לוחות הקלט האנלוגיים נמצאים רק בטווח האותות, אז יש צורך להשתמש בכמה .

ניתן לייצג את המקור של אות הכניסה כפי שמוצג באיור. 4.13. האות העיקרי מהחיישן באתר מומר ל אות סטנדרטי, והשילוב של החיישן והמכשיר הזה נקרא המשדר או . לאחר מכן, ניתן להחיל אות סטנדרטי הנושא מידע על המשתנה הנמדד על לוח כניסה אנלוגי רגיל.

מתעוררת שאלה טבעית: מה אמור להיות האות הסטנדרטי הזה? אותות אנלוגיים הם אותות ברמה נמוכה ולכן נתונים להפרעות (או לרעש כפי שהם נקראים בדרך כלל). אות המיוצג על ידי זרם חשמלי מושפע פחות מרעש מאשר אות המיוצג על ידי מתח, ולכן בדרך כלל נבחרת לולאת זרם. הממיר והמכשיר המקבל מחוברים לפי הסכימה המוצגת באיור. 4.14, ואות הזרם בצד המקבל מומר למתח באמצעות נגד נטל. ניתן להשתמש בלולאה הנוכחית עם מספר מקלטים (כגון מד, מקליט תרשים או כניסת PLC) המחוברים בסדרה.

התקן הנפוץ ביותר מייצג אות אנלוגי כזרם בטווח של 4-20mA, כאשר 4mA הוא רמת האות המינימלית ו-20mA הוא המקסימום. אם, למשל, משדר לחץ נותן אות של 4-20 mA המייצג לחץ בטווח 0-10 בר, אז 8 בר יתאימו לזרם של 8 x (20 - 4)/10 + 4 = 16.8 mA. האות 4-20 mA מומר לעתים קרובות לאות 1-5 V באמצעות נגד נטל 250 אוהם.

האות "אפס" של 4 mA (הנקרא הטיה) משרת שתי מטרות. ראשית, הוא משמש כפגיעה למתמר או לכבל הכבל. אם יש ממיר או הפסקת כבל או מתרחש קצר חשמלי בקו התקשורת, אזי הזרם דרך הנגד הנטל יהיה אפס, מה שמתאים לאות "שלילי" של 0 V בצד המקבל. ניתן לזהות זאת בקלות רבה ולהשתמש בה כאזעקת "כשל במהפך".

זרם הטיה של 4mA גם מפשט את הפריסה. על איור. 4.14 ההנחה הייתה שלממיר היה מקומי

אורז. 4.15. משדר 2 חוטים 4-20 mA

מקור כוח וסיפק אות זרם. סידור דומה אפשרי, אך הסידור הנפוץ יותר (והפשוט יותר) המוצג באיור. 4.15. כאן, ספק הכוח (בדרך כלל 24-30 VDC) ממוקם בצד המכשיר המקבל, וקווי האות משמשים הן להנעת הממיר והן להעברת זרם. הממיר שואב זרם מאספקת החשמל בטווח של 4-20 mA בהתאם לאות הנמדד. זרם זה, כמו בעבר, מומר למתח באמצעות נגד נטל.

ההיסט של 4 mA מספק את הזרם הנדרש על ידי המשדר לפעולה רגילה. ברור שלא ניתן להשיג זאת אם טווח האותות הוא 0-20 mA. הממירים הכלולים בתוכנית של איור. 4.15 נקראים בדרך כלל דו-חוטי.

היסודות של פעולת לולאה זרם של 4..20mA

מאז שנות ה-50, הלולאה הנוכחית משמשת להעברת נתונים ממתמרים בתהליכי ניטור ובקרה. עם עלויות הטמעה נמוכות, חסינות גבוהה לרעשים ויכולת העברת אותות למרחקים ארוכים, הלולאה הנוכחית הוכחה כמתאימה במיוחד לסביבות תעשייתיות. חומר זה מוקדש לתיאור העקרונות הבסיסיים של הלולאה הנוכחית, יסודות העיצוב, התצורה.

שימוש בזרם להעברת נתונים מהממיר

חיישנים בדרגה תעשייתית משתמשים לעתים קרובות באות זרם להעברת נתונים, בניגוד לרוב המתמרים האחרים כגון צמדים תרמיים או מדי מתח המשתמשים באות מתח. למרות שממירים המשתמשים במתח כפרמטר תקשורת אכן יעילים ביישומים תעשייתיים רבים, ישנם מספר יישומים בהם השימוש במאפייני זרם עדיף. חיסרון משמעותי בשימוש במתח להעברת אותות בתנאים תעשייתיים הוא היחלשות האות כאשר הוא מועבר למרחקים ארוכים עקב נוכחות התנגדות בקווי תקשורת קוויים. אתה יכול, כמובן, להשתמש בהתקני עכבת כניסה גבוהה כדי לעקוף אובדן אות. עם זאת, מכשירים כאלה יהיו רגישים מאוד לרעש שנוצר על ידי מנועים קרובים, רצועות הנעה או משדרי שידור.

לפי החוק הראשון של קירכהוף, סכום הזרמים הזורמים לצומת שווה לסכום הזרמים הזורמים מהצומת.
בתיאוריה, הזרם הזורם בתחילת המעגל אמור להגיע לסופו במלואו,
כפי שמוצג באיור 1. אחד.

איור.1. לפי החוק הראשון של קירכהוף, הזרם בתחילת המעגל שווה לזרם בקצהו.

זהו העיקרון הבסיסי עליו פועלת לולאת המדידה מדידת זרם בכל מקום בלולאת הזרם (לולאת מדידה) נותנת את אותה תוצאה. באמצעות אותות זרם ומקלטי רכישת נתונים עם עכבה נמוכה, יישומים תעשייתיים יכולים להפיק תועלת רבה מחסינות משופרת לרעש ואורך קישור מוגדל.

רכיבי לולאה נוכחיים
המרכיבים העיקריים של הלולאה הנוכחית כוללים מקור DC, חיישן, התקן רכישת נתונים וחוטים המחברים אותם בשורה, כפי שמוצג באיור 2.

איור 2. תרשים פונקציונלי של הלולאה הנוכחית.

מקור DC מספק חשמל למערכת. המשדר מווסת את הזרם בחוטים מ-4 עד 20 mA, כאשר 4 mA הוא אפס חי ו-20 mA הוא האות המקסימלי.
0 mA (ללא זרם) פירושו מעגל פתוח. מכשיר רכישת הנתונים מודד את הזרם המוסדר. שיטה יעילה ומדויקת למדידת זרם היא התקנת נגד shunt מדויק בכניסה של מגבר המדידה של מכשיר רכישת הנתונים (באיור 2) כדי להמיר את הזרם למתח מדידה, על מנת להשיג בסופו של דבר תוצאה ש משקף באופן חד משמעי את האות במוצא הממיר.

כדי לעזור לך להבין טוב יותר כיצד פועלת הלולאה הנוכחית, שקול כדוגמה עיצוב מערכת עם ממיר בעל המפרטים הבאים:

המתמר משמש למדידת לחץ
המשדר ממוקם 2000 רגל ממכשיר המדידה
הזרם הנמדד על ידי מכשיר רכישת הנתונים מספק למפעיל מידע על כמות הלחץ המופעל על המתמר

בהתחשב בדוגמה, אנו מתחילים בבחירת ממיר מתאים.

עיצוב מערכת נוכחי

בחירת ממיר

השלב הראשון בתכנון מערכת נוכחית הוא בחירת מתמר. ללא קשר לסוג הכמות הנמדדת (זרימה, לחץ, טמפרטורה וכו'), גורם חשוב בבחירת משדר הוא מתח הפעולה שלו. רק חיבור ספק הכוח לממיר מאפשר להתאים את כמות הזרם בקו התקשורת. ערך המתח של ספק הכוח חייב להיות בגבולות מקובלים: יותר מהמינימום הנדרש, פחות מהערך המקסימלי, מה שעלול להזיק למהפך.

עבור מערכת הזרם לדוגמה, המתמר הנבחר מודד לחץ ויש לו מתח פעולה של 12 עד 30 V. כאשר המתמר נבחר, יש למדוד נכון את אות הזרם כדי לספק ייצוג מדויק של הלחץ המופעל על המשדר.

בחירת התקן לאיסוף נתונים למדידה נוכחית

היבט חשוב שיש לשים לב אליו בעת בניית מערכת זרם הוא מניעת הופעת לולאת זרם במעגל הארקה. טכניקה נפוצה במקרים כאלה היא בידוד. על ידי שימוש בבידוד, אתה יכול למנוע את השפעת לולאת הקרקע, שהתרחשותה מוסברת באיור 3.

איור 3. לולאת אדמה

לולאות הארקה נוצרות כאשר שני מסופים מחוברים במעגל במקומות פוטנציאליים שונים. הבדל זה מוביל להופעת זרם נוסף בקו התקשורת, מה שעלול להוביל לשגיאות מדידה.
בידוד רכישת נתונים מתייחס להפרדה החשמלית של הארקת מקור האות מהארקת מגבר כניסת המכשיר, כפי שמוצג באיור 4.

מכיוון ששום זרם לא יכול לזרום דרך מחסום הבידוד, נקודות ההארקה של המגבר ומקור האות נמצאות באותו פוטנציאל. זה מבטל את האפשרות ליצור בטעות לולאה הארקה.

איור 4. מתח ומתח אות ב-common-mode במעגל מבודד

הבידוד גם מונע נזק למכשיר ה-DAQ בנוכחות מתחים רגילים גבוהים. מצב משותף הוא מתח בעל אותה קוטביות שקיים בשתי הכניסות של מגבר מכשור. לדוגמה, באיור 4. הן לכניסות החיוביות (+) והן השליליות (-) של המגבר יש +14 וולט מצב משותף. להתקני רכישת נתונים רבים יש טווח כניסה מרבי של ±10 וולט. אם התקן רכישת הנתונים אינו מבודד ומתח המצב המשותף נמצא מחוץ לטווח הכניסה המרבי, אתה עלול לגרום נזק להתקן. למרות שהמתח הרגיל (אות) בכניסת המגבר באיור 4 הוא רק +2 V, הוספת +14 V יכולה לגרום למתח של +16 V
(מתח האות הוא המתח בין ה-"+" ל-"-" של המגבר, מתח הפעולה הוא סכום המתח הרגיל והמשותף), שהיא רמת מתח מסוכנת למכשירים עם מתח פעולה נמוך יותר.

עם בידוד, הנקודה המשותפת של המגבר מופרדת חשמלית מהאדמה אפס. במעגל באיור 4, הפוטנציאל בנקודה המשותפת של המגבר "מוגבה" ל-+14 V. טכניקה זו גורמת לערך מתח הכניסה לרדת מ-16 ל-2 V. כעת, לאחר שנאספים נתונים, המכשיר הוא כבר לא בסיכון לנזק למתח יתר. (שים לב שלבודדים יש מתח משותף מרבי שהם יכולים לדחות.)

לאחר שאוסף הנתונים מבודד ומאובטח, השלב האחרון בהגדרת הלולאה הנוכחית הוא בחירת מקור מתח מתאים.

בחירת ספק כוח

קל לקבוע איזה ספק כוח מתאים לצרכים שלך. כאשר פועלים בלולאת זרם, ספק הכוח חייב לספק מתח השווה או גדול מסכום נפילות המתח על פני כל מרכיבי המערכת.

מכשיר רכישת הנתונים בדוגמה שלנו משתמש ב-shunt מדויק למדידת זרם.
יש צורך לחשב את ירידת המתח על פני הנגד הזה. לנגד shunt טיפוסי יש התנגדות של 249 Ω. חישובים בסיסיים לטווח זרם לולאת זרם 4 .. 20 mA
הראה את הדברים הבאים:

I*R=U
0.004A*249Ω=0.996V
0.02A*249Ω=4.98V

עם shunt של 249 Ω, נוכל להסיר את המתח בטווח שבין 1 ל-5 V על ידי קישור ערך המתח בכניסה של אספן הנתונים לערך אות המוצא של מתמר הלחץ.
כפי שכבר הוזכר, משדר הלחץ דורש מתח הפעלה מינימלי של 12 וולט עם מקסימום 30 וולט. הוספת מפל המתח על פני נגד ה-shunt המדויק למתח הפעולה של המשדר נותן את הדברים הבאים:

12V+ 5V=17V

במבט ראשון, מתח של 17V מספיק. עם זאת, יש צורך לקחת בחשבון את העומס הנוסף על ספק הכוח, אשר נוצר על ידי חוטים שיש להם התנגדות חשמלית.
במקרים בהם החיישן ממוקם רחוק ממכשירי המדידה, עליך לקחת בחשבון את מקדם התנגדות החוט בעת חישוב הלולאה הנוכחית. לחוטי נחושת התנגדות DC פרופורציונלית ישירה לאורכם. עם משדר הלחץ בדוגמה זו, עליך לקחת בחשבון 2000 רגל של אורך קו בעת קביעת מתח הפעולה של ספק הכוח. התנגדות ליניארית של כבל נחושת חד ליבה היא 2.62 Ω/100 רגל. התחשבות בהתנגדות זו מספקת את הדברים הבאים:

ההתנגדות של גדיל אחד באורך 2000 רגל תהיה 2000 * 2.62 / 100 = 52.4 מ'.
ירידת המתח בליבה אחת תהיה 0.02 * 52.4 = 1.048 V.
כדי להשלים את המעגל, יש צורך בשני חוטים, ואז אורך קו התקשורת מוכפל, ו
נפילת המתח הכוללת תהיה 2.096 וולט. סך הכל יהיה בערך 2.1 וולט בגלל שהממיר נמצא במרחק של 2000 רגל מהמשני. אם נסכם את נפילות המתח בכל מרכיבי המעגל, אנו מקבלים:
2.096V + 12V+ 5V=19.096V

אם השתמשת ב-17V כדי להפעיל את המעגל המדובר, אזי המתח המופעל על מתמר הלחץ יהיה מתחת למתח ההפעלה המינימלי עקב הירידה בהתנגדות החוט ובנגד ה-shunt. בחירת ספק כוח טיפוסי של 24V תספק את דרישות ההספק של המהפך. בנוסף, יש מרווח מתח על מנת למקם את חיישן הלחץ במרחק גדול יותר.

עם הבחירה הנכונה של מתמר, התקן רכישת נתונים, אורכי כבלים ואספקת חשמל, העיצוב של לולאת זרם פשוטה הושלם. עבור יישומים מורכבים יותר, ניתן לכלול ערוצי מדידה נוספים במערכת.

יורי קורטסבוי (מקסים משולב)

אנלוגי משולב מאוד מזגן אות לולאת זרם 4-20 mA MAX12900 הפקהפִּתגָם מְשׁוּלָב יכול להמיר PWM— אות מיקרו-בקר שאין לו DAC מובנה לתוך אות לולאה 4… 20mA עבורשתיים-, שְׁלוֹשָׁה-אוֹארבעתצורות קוויות .

לולאת הזרם של 4…20 mA היא אחת משיטות העברת הנתונים הפופולריות ביותר בתעשיות רבות כיום. בשל ההתנגדות שלו להפרעות בעת העברת אות ממשדר למקלט, הוא מתאים באופן אידיאלי ליישומים כאלה. יתרון נוסף הוא הפשטות והתקציב היחסיים של השיטה. אם כי, כמובן, הצורך לשלוט על ירידת המתח בחלקים מסוימים של המעגל ובעבור מספר פרמטרים אחרים מוביל לרוב למעגלים מורכבים יותר ולעלייה בעלות הפתרון. טבלה 1 מסכמת את היתרונות והחסרונות של שיטת התקשורת בלולאת זרם 4…20 mA.

טבלה 1. יתרונות וחסרונות של לולאת זרם 4…20 mA

יתרונות	חסרונות
תקן בסיסי בתעשיות רבות	לולאה נוכחית אחת מתאימה לערוץ נתונים אחד בלבד יכולת להעביר ערך למשתנה אחד בלבד
קל לחיבור והגדרה	להפעלה בו זמנית של מספר ערוצי נתונים (להעברת ערכים של מספר משתנים), יש צורך ליצור את אותו מספר לולאות זרם. אבל שימוש ביותר מדי חוטים עלול להוביל לבעיות בלולאת הארקה אם הלולאות העצמאיות אינן מבודדות כראוי.
האות אינו מתכלה עם הגדלת המרחק	בעיות בידוד ערוצים גדלות עם מספר הערוצים
פחות רגישות להפרעות	–
אין זרם מצביע על שגיאה בקישור הנתונים	–

ניתן לחלק את כל החיישנים עם ממשק 4…20 mA, בהתאם לתצורה, לשלוש קבוצות:

1. חיישן שני חוטים (מופעל באמצעות לולאה) 4...20 mA;
2. חיישן תלת-חוטי 4...20 mA;
3. חיישן ארבעה חוטים 4…20 mA.

התצורה הנוחה ביותר היא פתרון המופעל באמצעות לולאה. עם זאת, אם החיישן עצמו צורך יותר מ-3...4 mA מהתקציב של לולאת ה-4...20 mA, יהיה צורך להשתמש בספק כוח נוסף לצורך פעולתו. בעת חיבור חיישנים כאלה, תצטרך להשתמש בתצורה של 4 חוטים. תצורת 3 החוטים היא גרסה פשוטה של ​​הקודמת המשלבת את כבל המתח החיובי של החיישן עם הלולאה הנוכחית (איור 1ב). איור 1 מציג את כל התצורות שתוארו לעיל. טבלה 2 מפרטת את היתרונות והחסרונות של כל אחד מהם.

טבלה 2. יתרונות וחסרונות של חיישנים עם סכימות חיבור שונות

תְצוּרָה	2 חוטים	3 חוטים	4 חוטים
יתרונות	אין צורך באספקת חשמל מקומית; זול; מתאים לסביבות אגרסיביות	חסכוני יותר מאופציית ארבעת החוטים; קלות היישום; היכולת להשתמש בהתקני תצוגה והתקנים אחרים הדורשים כוח נוסף; היכולת להשתמש ביציאות עוצמתיות, ממסרים	כוח חיצוני; היכולת לשדר אות משתנה; בידוד מעגל החשמל; היכולת להשתמש בהתקני תצוגה והתקנים אחרים הדורשים כוח נוסף; היכולת להשתמש ביציאות עוצמתיות, ממסרים
חסרונות	נפילות מתח על פני חלקים של הלולאה עלולות לגרום לבעיות; יש הגבלות על צריכת המעגל	חוסר בידוד לולאת כוח; קווי חשמל ולולאות חייבים להיות מיושמים בזהירות	עלות גבוהה יותר; יותר חוטים; לא ישים בסביבות אגרסיביות

שימוש ב-MAX12900 במעגלי חיישן עם תצורות לולאות זרם של 2, 3 או 4 חוטים

ה-MAX12900 הוא מזגן אותות אנלוגי משולב במיוחד, בעל הספק נמוך במיוחד עבור חיישנים עם משדר 2…20 mA. 10 מודולים מובנים בגוף הקומפקטי שלו:

• ממיר LDO עם טווח מתח כניסה רחב;
• מעגלים לעיבוד אותות עם אפנון PWM עבור שתי כניסות;
• שני מגברי הפעלה בעלי הספק נמוך עם סחיפה נמוכה;
• מגבר הפעלה אחד עם סחיפה נמוכה של מתח אופסט ורוחב פס רחב;
• שני משווים דיאגנוסטיים;
• בקר הפעלה עם פלט לציון איכות חשמל טובה (הספק טוב);
• התייחסות למתח סחיפה נמוך.

יתרון מרכזי של ה-MAX12900 הוא שהוא יכול להמיר אות PWM ממיקרו-בקר שאין לו DAC מובנה לאות לולאה של 4…20mA עבור תצורות של שניים, שלושה או ארבעה חוטים. לפיכך, זה שווה ערך לשילוב של DAC עם הספק נמוך ברזולוציה גבוהה, מעבד אותות PWM, שני מעגלי עיבוד ומסנן אקטיבי עם מגבר הפעלה משולב בהספק נמוך. שני מעגלי עיבוד אותות מבטיחים משרעת PWM יציבה למרות תנודות באמפליטודת האות, הטמפרטורה ושינויי מתח האספקה. מגבר רוחב פס רחב יחד עם טרנזיסטור בדיד ממיר מתח כניסה לזרם פלט ומאפשר אפנון אותות HART® ו-FOUNDATION Fieldbus H1. מגבר ההפעלה בעל הטיה נמוכה והפניית מתח סחיפה נמוכה מבטיחים שגיאה מינימלית בטווח טמפרטורות רחב. מגבר ההפעלה וההשוואה עם הספק נמוך הם אבני הבניין לבניית מערכות אבחון מתקדמות. ניטור מסילות חשמל, מדידת זרם פלט וזיהוי מעגל פתוח הם כמה דוגמאות ליכולות האבחון של מערכות כאלה. כל זה, יחד עם דיוק גבוה וצריכת חשמל כוללת נמוכה, הופכים את ה-MAX12900 למכשיר אידיאלי עבור חיישני לולאת זרם חכמים.

שימוש ב-MAX12900 כמשדר דו-חוטי (מופעל באמצעות לולאה)

איור 2 מציג דיאגרמת בלוקים פשוטה ומודל של האופן שבו ניתן להגדיר את ה-MAX12900 כחלק מחישן המופעל באמצעות לולאה. תצורה זו נדרשת עבור מערכות הפועלות בסביבות קשות ועליה לעמוד בהנחיית ATEX 94/9/EC ולהיות מאושרת IECEx. יישום כזה של מעגל החיישן אפשרי רק במקרים שבהם המשדר צורך פחות מ-4 mA. אותות PWM שנוצרים על ידי המיקרו-בקר מוזנים למעגלי מיזוג ועיבוד אותות PWM מיוחדים המובנים ב-MAX12900. באמצעות אחד מהמגברים התפעוליים המובנים ומעגל RC חיצוני, ניתן ליצור מסנן נמוך. טרנזיסטורים חיצוניים משמשים להמרת מתח לזרם.

איור 3 מציג את היישום ברמת המעגל החשמלי של לולאת הזרם הדו-חוטית שמניעה את החיישן (שים לב שכל הבלוק המודגש בטורקיז משולב ב-MAX12900).

אחד החיישנים הנפוצים מסוג זה הם חיישני טמפרטורה. בואו ננסה לתכנן משדר חיישן טמפרטורה MAX12900 באמצעות צמד תרמי מדויק וממיר אותות צמד תרמי ייעודי (MAX31856). ה-MAX31856 מעבד את האות של הצמד התרמי ומשדר את הנתונים דרך ממשק SPI. לפיכך, על מנת לקרוא את החיישן וליצור אותות PWM עבור ה-MAX12900, יש להשתמש במיקרו-בקר. ה-MAX12900EVKIT משתמש במיקרו-בקר STM32L071 למשימה זו. המפתח לתכנון זה הוא להעריך את תקציב ההספק הגרוע ביותר (תחזוקה מרבית של זרם עבור כל טמפרטורות ההפעלה והמתחים). על סמך זה, ניתן לקבל החלטה על שימוש בתצורה כזו או אחרת של הלולאה הנוכחית: שניים, שלושה או ארבעה חוטים.

על פי גיליון הנתונים של MAX12900EV, הצריכה הכוללת של ה-MCU בעל הספק נמוך וה-MAX12900 היא 3.5 mA למקרה הגרוע ביותר. ה-MAX31856 שואב מקסימום 2mA במתח אספקה ​​של 3.3V (טבלה 3). לפיכך, הצריכה הכוללת עולה על 4 mA, מה שאומר שלא ניתן ליישם משדר דו-חוטי.

טבלה 3. צריכת רכיבי חיישני טמפרטורה

שימוש ב-MAX12900 במעגל משדר בעל 3 חוטים

לאחר ששללנו את האפשרות להשתמש בפתרון דו-חוטי, בואו נראה מהי האפשרות לתכנן מעגל תלת-חוטי. הדבר הראשון שיש לזכור הוא שניתן להשתמש רק בפין מתח חיובי אחד עבור העברת נתונים והספק מעגלים. 24V (מ-PLC) גבוה מדי עבור המיקרו-בקר ו-MAX31856, שדורשים 3.3V כדי לפעול. ישנן מספר גישות לפתרון בעיה זו. הראשון הוא להשתמש בממיר DC/DC כגון MAX17550 כדי להמיר 24V ל-3.3V, כפי שמוצג באיור 4. ה-MAX17550 הוא ממיר DC/DC באק סינכרוני קומפקטי במיוחד, בעל יעילות גבוהה עם עד 25mA זרם מוצא. מבודד כפול ערוץ דיגיטלי MAX12930 משמש לבידוד חיישן/ממשק MCU PWM עם MAX12900. באיור 4, הרכיבים בקופסה המנוקדת נמצאים בתחום כוח מבודד עם הארקה צפה השונה מהארקת PLC.

גישה נוספת לפתרון בעיית החשמל היא שימוש בממיר מתח ליניארי עם זרם נמוך במיוחד MAX15006AATT+, שיכול לספק 3.3V עם זרם עומס של עד 50mA, כפי שמוצג באיור 5.

הבעיה השנייה שיש לזכור בעת תכנון חיישנים כאלה היא הקרקע הצפה של המשדר. החיישן עצמו, המיקרו-בקר וה-MAX12900 - המשדר לתקשורת - חייבים לחלוק אפיק קרקע משותף. יחד עם זאת, הפוטנציאל של כדור הארץ הזה הוא פוטנציאל צף ביחס לכדור הארץ PLC. מצב הקרקע הצפה תלוי בנתונים המועברים וברמת העומס של הלולאה. ננקטו מספר גישות לפתרון בעיה זו, כגון שימוש ב-MAX12930 דו-ערוצי בעל הספק נמוך (כמתואר באיור 4) כדי לבודד את כניסות ה-PWMA וה-PWMB מהמשדר.

גישה חלופית היא להשתמש במעגל פעיל המנטר ושולט כל הזמן על גובה הקרקע המשותף של המיקרו-בקר והחיישן. אפשרות יישום זו הופכת לאפשרית ונוחה בשל נוכחותו של מגבר הפעלה לשימוש כללי, כלומר OP2, המשולב ב-MAX12900. מעגל זה דורש גם שימוש במתח נמוך חיצוני n-channel MOSFET Q3 ובטרנזיסטור PNP למטרות כלליות Q4 כדי להתאים את נפילות המתח על פני RLOAD ו-RSENSE.

שימוש ב-MAX12900 ביישומי משדר 4 חוטים

בדקנו כיצד ניתן להשתמש ב-MAX12900 במשדרים דו-חוטיים ותלת-חוטים. היישום של פתרון 4 חוטים הוא פשוט מאוד בהשוואה, מכיוון שישנם מעגלי חשמל והארקה נפרדים לחיישן ול-PLC.

סיכום

מזגן האותות האנלוגי MAX12900 בעל הספק נמוך במיוחד עבור משדרי 4...20mA מציע גמישות ללא תחרות במגוון יישומים ואידיאלי לשימוש בחיישנים תעשייתיים למערכות בקרה ואוטומציה שיש להמיר ל-4...20mA אות לולאה נוכחית.