Токовый сигнал 4 20 ма что это
Как работает токовая петля 4-20 мА
«Токовая петля» начала применяться в качестве интерфейса передачи данных еще в 50-е годы. Сначала рабочий ток интерфейса составлял 60 мА, а позже, начиная с 1962 года, широкое распространение в телетайпе получил 20 миллиамперный интерфейс токовой петли.
Дальнейшее распространение «токовой петли» стало замедляться начиная с 1983 года, с появлением интерфейсного стандарта RS-485, и на сегодняшний день «токовая петля» почти нигде в новом оборудовании как таковая не применяется.
Передатчик «токовой петли» отличается от передатчика интерфейса RS-485 тем, что в нем используется источник тока, а не источник напряжения.
Ток, в отличие от напряжения, двигаясь из источника по цепи не меняет своего текущего значения в зависимости от параметров нагрузки. Вот почему «токовая петля» не чувствительна ни к сопротивлению кабеля, ни к сопротивлению нагрузки, ни даже к ЭДС индуктивной помехи.
Кроме того ток петли не зависит от напряжения питания самого источника тока, а может изменяться лишь вследствие утечек через кабель, которые обычно пренебрежимо малы. Данная особенность токовой петли полностью определяет способы ее применения.
Стоит отметить, что ЭДС емкостной наводки приложена здесь параллельно источнику тока, и для ослабления ее паразитного действия применяют экранирование.
По этой причине линией передачи сигнала обычно выступает экранированная витая пара, которая, работая совместно с дифференциальным приемником, сама ослабляет синфазную и индуктивную помехи.
Первый и главный недостаток интерфейса «токовая петля» заключается в его низком быстродействии, ограниченном скоростью зарядки емкости самого передающего кабеля от упомянутого выше источника тока, расположенного на передающей стороне.
Так, при использовании кабеля длиной в 2 км, с погонной емкостью 75 пФ/м, его емкость составит 150 нФ, а это значит что для зарядки данной емкости до 5 вольт при токе 20 мА потребуется 38 мкс, что соответствует скорости передачи данных 4,5 кбит/с.
Ниже приведена графическая зависимость максимально доступной скорости передачи данных по «токовой петле» от длины применяемого кабеля при различных уровнях искажений (дрожания) и при разных напряжениях, оценка проводилась так же как для интерфейса RS-485.
Еще один недостаток «токовой петли» заключается в отсутствии определенного стандарта на конструктивное исполнение разъемов и на электрические параметры кабелей, что тоже ограничивает практическое применение данного интерфейса. Но справедливости ради можно отметить, что фактически общеприняты диапазоны от 0 до 20 мА и от 4 до 20 мА. Диапазон 0 — 60 мА применяется значительно реже.
Практически низкая скорость передачи данных по «токовой петле» любого типа (аналоговой или цифровой) позволяет использовать ее одновременно с несколькими приемниками соединенными последовательно, причем согласование длинной линии не потребуется.
Аналоговая версия «токовой петли»
Аналоговая «токовая петля» нашла применение в технике, где необходимо например передавать сигналы от датчиков к контроллерам или между контроллерами и исполнительными устройствами. Здесь токовая петля обеспечивает некоторые преимущества.
Прежде всего диапазон варьирования измеряемой величины будучи приведен к стандартному диапазону позволяет изменять компоненты системы. Примечательна и возможность высокоточной (не более +-0,05% погрешности) передачи сигнала на значительное расстояние. Наконец, стандарт «токовая петля» поддерживается большинством поставщиков устройств промышленной автоматизации.
Токовая петля 4. 20 мА имеет минимальный ток 4 мА в качестве начала отсчета сигнала. Таким образом при обрыве кабеля ток будет равен нулю. Тогда как при использовании токовой петли 0. 20 мА диагностировать обрыв кабеля будет сложнее, ибо 0 мА может просто обозначать минимальное значение передаваемого сигнала. Еще одно достоинство диапазона 4. 20 мА заключается в том, что уже при уровне 4 мА можно без проблем подводить питание к датчику.
Ниже приведены две схемы аналоговой токовой петли. В первом варианте источник питания встроен в передатчик, тогда как во втором варианте источник питания внешний.
Встроенный источник питания удобен в плане монтажа, а внешний позволяет варьировать его параметры в зависимости от назначения и условий работы устройства, с которым применяется токовая петля.
Принцип действия токовой петли одинаков для обеих схем. Операционный усилитель имеет в идеале бесконечно большое внутреннее сопротивление и нулевой ток входов, и значит напряжение между его входами также изначально равно нулю.
Таким образом, ток через резистор в передатчике будет зависеть только от величины входного напряжения и будет равен току во всей петле, при этом он не будет зависеть от сопротивления нагрузки. Напряжение на входе приемника может быть поэтому легко определено.
Схема с операционным усилителем отличается тем преимуществом, что позволяет калибровать передатчик без необходимости подключать к нему кабель с приемником, ибо погрешность, вносимая приемником и кабелем, очень незначительна.
Напряжение источника выбирается исходя из потребности транзистора передатчика для его нормальной работы в активном режиме, а также с условием компенсации падения напряжения на проводах, на самом транзисторе, и на резисторах.
Допустим, резисторы имеют сопротивления по 500 Ом, а кабель — 100 Ом. Тогда для получения тока в 20 мА потребуется напряжение источника 22 В. Выбирают ближайшее стандартное — 24 В. Избыток мощности от запаса по напряжению будет как раз рассеян на транзисторе.
Обратите внимание, что на обеих схемах изображена гальваническая развязка между передающим каскадом и входом передатчика. Это нужно для того чтобы избежать любых паразитных связей между передатчиком и приемником.
В качестве примера передатчика для построения аналоговой токовой петли можно привести готовое изделие NL-4AO с четырьмя аналоговыми каналами вывода для связи компьютера с исполнительным устройством посредством протокола «токовая петля» 4. 20 мА или 0. 20 мА.
Связь модуля с компьютером осуществляется по протоколу RS-485. Устройство калибруется по току для компенсации погрешностей преобразования и исполняет подаваемые с компьютера команды. Калибровочные коэффициенты хранятся в памяти устройства. Цифровые данные преобразуются в аналоговые при помощи ЦАП.
Цифровая версия «токовой петли»
Цифровая токовая петля работает, как правило, в режиме 0. 20 мА, поскольку цифровой сигнал проще воспроизвести именно в таком виде. Точность логических уровней здесь не так важна, поэтому источник тока петли может обладать не очень большим внутренним сопротивлением и сравнительно низкой точностью.
На приведенной схеме при напряжении питания 24 В на входе приемника падает 0,8 В, значит при сопротивлении резистора 1,2 кОм ток будет равен 20 мА. Падением напряжения на кабеле, даже при его сопротивлении в 10% от общего сопротивления петли, можно пренебречь, как и падением напряжения на оптроне. Практически в данных условиях можно считать передатчик источником тока.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Унифицированные аналоговые сигналы в системах автоматики
При автоматизации технологических процессов используются различные датчики и исполнительные устройства. И те и другие так или иначе связаны с контроллерами или модулями ввода/вывода, которые получают от датчиков измеренные значения физических параметров и управляют исполнительными устройствами.
Представьте, что все устройства, присоединяемые к контроллеру имели бы различные интерфейсы — тогда производителям пришлось бы «плодить» огромное количество модулей ввода-вывода, а для того, чтобы заменить, например, неисправный датчик, нужно было бы искать точно такой же.
Именно поэтому, в системах промышленной автоматики принято унифицировать интерфейсы различных устройств.
В этой статье мы расскажем об унифицированных аналоговых сигналах. Поехали!
Унифицированные аналоговые сигналы
С аналоговыми сигналами мы имеем дело при измерении любых физических величин (температуры, влажности, давления и т.д.), а так же при непрерывном управлении исполнительными устройствами (регулирование скорости вращения двигателя с помощью преобразователя частоты; управление температурой с помощью нагревателя и т.д.).
Во всех перечисленных и им подобных случаях используются аналоговые (непрерывные) сигналы.
В контроллерном оборудовании в подавляющем большинстве случаев используются два типа аналоговых сигналов: токовый 4-20 мА и сигнал напряжения 0-10 В.
Унифицированный сигнал напряжения 0-10 В
Это же верно для любого другого устройства. Например, если аналоговый выход частотного преобразователя настроен на передачу текущей скорости вращения двигателя — тогда 0 В у него на выходе означает, что двигатель остановлен, а 10 В, что двигатель крутится на максимальной частоте.
Управление сигналом 0-10 В
С помощью унифицированного сигнала напряжения можно не только получать данные о физических величинах, но и управлять устройствами. Например, можно привести трёхходовой клапан в нужное положение, изменить скорость вращения электродвигателя через частотный преобразователь или мощность нагревателя.
Возьмём для примера электродвигатель, частотой вращения которого управляет частотный преобразователь.
Частоту вращения двигателя задаёт контроллер сигналом 0-10 В, приходящим на аналоговый вход частотника.Частота вращения двигателя двигателя может быть от 0 до 50 Гц. Тогда, если в соответствии с алгоритмом контроллер собирается раскрутить двигатель на 25 Гц, он должен подать на вход частотника 5В.
«Токовая петля»: унифицированный аналоговый сигнал 4-20 мА
Аналоговый сигнал 4-20 мА (ещё называют «токовая петля») так же как сигнал напряжения 0-10 В используется в автоматике для получения информации от датчиков и управления различными устройствами.
По сравнению с сигналом 0-10 В сигнал 4-20 мА имеет ряд преимуществ:
Управление сигналом 4-20 мА
Управление различными устройствами с помощью токового сигнала ничем не отличается от управления с помощью сигнала напряжения. Только в данном случае нужен уже источник не напряжения, а тока.
Если устройство имеет управляющий вход 4-20 мА, то таким устройством может управлять контроллер или другое интеллектуальное устройство, имеющее соответствующий выход.
Например, мы хотим плавно открывать вентиль, имеющий электропривод со входом 4-20 мА. Если подать на вход сигнал тока 4 мА, тогда вентиль будет полностью закрыт, а если подать 20 мА — полностью открыт.
Активный и пассивный аналоговый выход 4-20 мА
Зачастую аналоговый выход датчика, контроллера или другого устройства — пассивный, то есть не может являться источником тока без внешнего питания. Поэтому при проектировании схемы автоматики нужно внимательно изучить характеристики аналоговых выходов используемых устройств, и если они пассивные — добавить в схему внешний источник питания для пропитки токовой петли.
На рисунке представлена схема подключения датчика с выходом 4-20 мА к измерителю-регулятору с соответствующим входом. Поскольку выход датчика пассивный — требуется его пропитка внешним блоком питания.
Нормирующий преобразователь
При измерении физической величины (температуры, влажности, загазованности, pH и др.) датчики преобразуют её значение в ток, напряжение, сопротивление, ёмкость и т.д. (в зависимости от принципа работы датчика). Для того, чтобы привести выходной сигнал датчика к унифицированному сигналу используют нормирующие преобразователи.
Нормирующий преобразователь — устройство, приводящее сигнал первичного преобразователя к унифицированному сигналу тока или напряжения.
Так выглядит датчик температуры с нормирующим преобразователем:
Токовая петля 20 мА. Вопросы и ответы
Что делать, если Вам требуется считывать показания датчика температуры, работающего в условиях промышленного производства и расположенного на расстоянии 30 метров от управляющего контроллера? После долгих раздумий и тщательного изучения существующих решений, Вы наверняка выберете не Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Ethernet или RS-232/423, а токовую петлю 20 мА, которая с успехом используется уже более 50 лет. Несмотря на кажущуюся архаичность этого интерфейса, такой выбор, на самом деле, является оправданным во многих случаях.
В данной статье, построенной в виде вопросов и ответов, раскрываются особенности использования токовой петли для сбора данных и управления. В статье также рассказывается о различных улучшениях и модификациях токовой петли, которые были сделаны за всю историю ее практического использования.
Что такое токовая петля 20 мА?
Токовая петля 0-20 мА или токовая петля 4-20 мА представляет собой стандарт проводного интерфейса, в котором сигнал кодируется в виде аналогового тока. Ток 4 мА соответствует минимальному значению сигнала, а ток 20 мА соответствует максимальному значению сигнала (рис. 1). В типовом приложении напряжение датчика (часто милливольтного диапазона) преобразуется в токовый сигнал из диапазона 4-20 мА. Токовая петля использовалась во всех аналоговых системах еще до появления цифрового управления и заменяла пневматические системы управления в промышленных установках.
Рис. 1. При работе с датчиком токовая петля включает пять основных элементов: датчик, передатчик, источник питания, проводящий контур (петлю) и приемник
Может ли токовая петля использоваться совместно с цифровыми сигналами?
Да, может. Обычно для представления логического «0» используется токовый сигнал 4 мА, а для кодирования логической «1» используется токовый сигнал 20 мА. Подробнее об этом рассказывается далее.
Где используется интерфейс токовой петли 4-20 мА?
Он используется в основном в промышленных приложениях, в которых датчик и контроллер или контроллер и актуатор расположены на значительном удалении друг от друга, а коммуникационные кабели пролегают в помещениях с большим уровнем электромагнитных помех.
Почему используют токовую петлю, а не традиционные интерфейсы, например, RS-232, RS-423, RS-485 и т.д.?
Существует две веские причины.
Во-первых, низкоомный контур в токовой петле обеспечивает высокую стойкость к внешним шумам. В соответствии с законом Кирхгофа сумма токов замкнутого контура равна нулю. По этой причине в токовой петле невозможно ослабление или усиление тока (рис. 2). На практике питание токовой петли осуществляется от источника напряжения 12 до 30 В, но электроника передатчика преобразует напряжение в ток. С другой стороны, интерфейсы, использующие сигналы напряжения, строятся на основе высокоомных контуров, которые оказываются весьма восприимчивыми к помехам.
Во-вторых, токовая петля имеет естественную функцию самодиагностики: если контур разрывается – ток падает до нуля, что автоматически определяется схемой. После этого формируется аварийное предупреждение и производится локализация разрыва.
Рис. 2. Принцип, лежащий в основе токовой петли, определяется первым законом Кирхгофа: сумма токов замкнутого контура равна нулю
Как токовая петля реализуется на стороне датчика и на стороне актуатора?
Устройства, подключаемые к токовой петле, можно разделить на две основные группы: датчики и актуаторы. В датчиках реализуется схема передатчика, который формирует линейный токовый сигнал в диапазоне 4…20 мА. В актуаторах используется схема приемника, который преобразует ток в управляющее напряжение. Например, для задания минимальной скорости вращения двигателя контроллер формирует токовый сигнал 4 мА, а для задания максимальной скорости – сигнал 20 мА.
Почему вместо токовой петли не использовать беспроводной интерфейс, например, Wi-Fi или другой проводной интерфейс, например, Ethernet?
Выше уже было сказано, что токовая петля обладает двумя важными преимуществами: высокой помехозащищенностью и встроенной возможностью самодиагностики. Кроме того, данный интерфейс имеет и другие достоинства, в том числе: невысокую стоимость реализации, легкость настройки и отладки, простоту диагностики, высокую надежность, возможность создания длинных линий связи вплоть до нескольких сотен метров (в том случае, если источник питания позволяет покрыть падение напряжения на проводах).
Другие проводные стандарты сложнее настраивать и обслуживать, они чувствительны к шуму, слабо защищены от взлома и отличаются высокой стоимостью реализации.
Создать беспроводную связь в промышленной среде вполне возможно, если речь идет о небольших расстояниях. Но при работе на больших дистанциях возникают трудности, связнные с необходимостью многоуровневой фильтрации, реализацией механизмов обнаружения и исправления ошибок, что приводит также и к избыточности данных. Все это увеличивает стоимость и риск разрыва связи. Такое решение вряд ли оправдано, если требуется всего лишь подключить простой датчик температуры или контроллер клапана/двигателя.
Как сигнал токового контура преобразуется в напряжение?
Все довольно просто: ток проходит через резистор, а получаемое падение напряжения усиливается с помощью операционного или дифференциального усилителя. По разным причинам для резистора токовой петли было выбрано стандартное значение сопротивления 250 Ом. Таким образом, сигналу 4 мА соответствует напряжение 1 В, а сигналу 20 мА соответствует напряжение 5 В. Напряжение 1 В оказывается достаточно большим по сравнению с фоновыми шумом и может быть легко измерено. Напряжение 5 В также является весьма удобным и лежит в диапазоне допустимых значений для большинства аналоговых схем. В то же время, максимальная мощность, рассеиваемая на резисторе токовой петли (I 2 R), составляет всего 0,1 Вт, что приемлемо даже для устройств с ограниченными возможностями по отводу тепла.
Действительно ли токовая петля 20 мА является пережитком прошлого и используется только в устаревших электронных приборах?
Совсем нет. Производители интегральных микросхем и приборов все еще выпускают новые продукты, поддерживающие этот интерфейс.
Каким образом аналоговая токовая петля адаптируется к цифровому миру?
Как было сказано выше, токовая петля позволяет передавать цифровые данные. Результаты измерений от датчика можно посылать не в виде аналогового непрерывного сигнала, а в виде дискретных токовых сигналов. Типовая разрядность данных при этом составляет от 12 до 16 бит. Иногда используют разрядность 18 бит, но это скорее является исключением, так как для обычных промышленных систем вполне хватает и 16 бит. Таким образом, токовая петля может быть интегрирована в цифровые системы управления.
Что еще требуется для передачи цифровых данных?
Для выполнения обмена цифровыми данными будет недостаточно простой пересылки битов в виде токовых импульсов. Необходимо каким-то образом сообщать пользователю, когда начинается и заканчивается пакет данных. Кроме того, требуется контролировать появление ошибок и выполнять некоторые другие функции. Таким образом, для передачи цифровых данных с помощью токовой петли требуется определить формат кадров и реализовать соответствующий протокол передачи.
Что такое стандарт HART?
HART – общепринятый стандарт, который оговаривает не только физическое кодирование битов, но определяет формат и протокол передачи данных. Например, в формате кадра используются различные поля: многобайтовая преамбула, стартовый байт, многобайтовый адрес, поле команды, поле данных, поле, указывающее количество байтов данных, фактические данные и, наконец, контрольная сумма.
Разработка HART была инициирована Rosemount Corp в 1980-х годах, и вскоре он стал отраслевым стандартом де-факто. Обозначение HART (Highway Addressable Remote Transducer) было закреплено в 1990-х годах, когда стандарт стал открытым и даже был реализован в виде стандарта МЭК для использования в Европе. HART претерпел три основных модификации, но сохранил обратную совместимость со всеми предыдущими версиями, что является крайне важным для рынка промышленной электроники.
Дополнительной особенностью HART является включение информации о производителе электронного устройства в поле команды. Эта информация позволяет избежать путаницы при выполнении установки, отладки и документирования, так как существует более 100 поставщиков HART-совместимых устройств.
Какие еще улучшения дает HART?
Использование байтового поля адреса позволяет одной токовой петле работать с множеством подключенных датчиков, поскольку каждому датчику может быть присвоен уникальный номер. Это приводит к значительной экономии средств, затрачиваемых на прокладку проводов и монтаж по сравнению с соединением точка-точка.
Таким образом, стандарт HART делает токовую петлю 20 мА востребованной даже в век цифровых технологий.
Есть ли какие-либо другие улучшения, которые повышают актуальность данного интерфейса?
Да, другое важное усовершенствование касается питания. Напомним, что токовая петля использует диапазон сигналов 4-20 мА. Источник тока может находиться в передатчике или приемнике. В то же время и датчику, и актуатору требуется дополнительный источник для питания собственной электроники (АЦП, усилители, драйверы и т.д.). Это приводит к усложнению монтажа и увеличению стоимости.
Однако по мере развития интегральных технологий потребление приемников и передатчиков уменьшалось. В результате появилась реальная возможность питания устройств непосредственно от токовой петли. Если потребление электронных компонентов, входящих в состав датчика или актуатора, не превышает 4 мА, то нет необходимости в дополнительном источнике питания. Пока напряжение сигнального контура достаточно велико, интерфейс токовой петли может питать сам себя.
Есть ли какие-либо другие преимущества у устройств с питанием от токовой петли?
Да. Многие устройства с питанием от сигнальных линий должны иметь разрешение на использование во взрывоопасных зонах. Например, они должны быть сертифицированы, как невоспламеняющиеся (N.I.) или искробезопасные (I.S.). Для устройств любого из этих классов требуется, чтобы энергии, потребляемой электроникой, было так мало, чтобы ее не хватало для возгорания как при нормальных условиях эксплуатации, так и при авариях. Потребляемая мощность устройств с питанием от токовой петли столь мала, что они обычно без проблем проходят данную сертификацию.
Что делают производители ИС для упрощения работы с токовой петлей?
Они делают то же, что и всегда: создают ИС, которые обеспечивают реализацию не только базового функционала, но множества других дополнительных возможностей. Например, Maxim Integrated MAX12900 представляет собой малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА (рис. 3).
Рис. 3. MAX12900 – малопотребляющий высокоинтегрированный аналоговый интерфейс (AFE) для токовой петли 4-20 мА, который обеспечивает выполнение базовых функций, а также множества дополнительных полезных возможностей, в том числе питание напрямую от токовой петли
MAX12900 обеспечивает не только передачу данных, но и питание напрямую от токовой петли. Микросхема объединяет в одном корпусе множество функциональных блоков: стабилизатор напряжения LDO; две схемы для формирования ШИМ-сигналов; два малопотребляющих и стабильных ОУ общего назначения; один широкополосный ОУ с нулевым смещением; два диагностических компаратора, схему управления подачей питания для обеспечения плавного включения; источники опорного напряжения с минимальным дрейфом.
Можете ли вы привести пример реализации датчика с интерфейсом токовой петли?
Компания Texas Instruments предлагает TIDM-01000 – референсную схему датчика температуры с интерфейсом токовой петли 4-20 мА. Схема построена на базе микроконтроллера MSP430 и представляет собой бюджетное решение с минимальным набором компонентов.
Рис. 4. Референсная схема TIDM-01000 представляет собой датчик температуры (RTD) с токовым интерфейсом 4-20 мА. Схема построена на базе нескольких ИС, которые обеспечивают обработку показаний датчика и взаимодействие с токовой петлей
В TIDM-01000 для управления током используется модуль Smart Analog Combo (SAC), встроенный в микроконтроллер MSP430FR2355. Таким образом, отдельный ЦАП не требуется. Схема имеет 12-битное разрешение с шагом квантования выходного тока 6 мкА. Предложенное решение обеспечивает защиту от обратной полярности, а защита входов токовой петли отвечает требованиям IEC61000-4-2 и IEC61000-4-4 (рис. 5).
Рис. 5. Передатчик, построенный с использованием TIDM-01000, умещается на небольшой печатной плате. Компактность является еще одним достоинством токовой петли
Заключение
В статье были рассмотрены основные вопросы, посвященные использованию токовой петли 4-20 мА в промышленных приложениях. Несмотря на то, что этот интерфейс является настоящей «древностью» по меркам электроники, тем не менее, его по-прежнему широко используют, в том числе в современных цифровых устройствах. В статье также рассказывалось о том, каким образом питание от токового контура дополнительно расширяет возможности данного интерфейса.