Warum 4-20mA?

Was ist 4-20mA?

Der Signalstandard 4–20 mA DC (1–5 V DC) ist von der International Electrotechnical Commission (IEC) definiert und wird für analoge Signale in Prozessleitsystemen verwendet.

Im Allgemeinen ist der Signalstrom für Instrumente und Messgeräte auf 4–20 mA eingestellt, wobei 4 mA den minimalen Strom und 20 mA den maximalen Strom darstellen.

Warum ist die aktuelle Ausgabe?

In industriellen Umgebungen kann die Verwendung eines Signalverstärkers zur Aufbereitung und Übertragung von Signalen über große Entfernungen mithilfe von Spannungssignalen zu mehreren Problemen führen. Erstens können über Kabel übertragene Spannungssignale anfällig für Rauschstörungen sein. Zweitens kann der verteilte Widerstand der Übertragungsleitungen Spannungsabfälle verursachen. Drittens kann die Stromversorgung des Signalverstärkers im Feld eine Herausforderung sein.

Um diese Probleme anzugehen und die Auswirkungen von Rauschen zu minimieren, wird zur Übertragung von Signalen Strom verwendet, da dieser weniger empfindlich gegenüber Rauschen ist. Die 4-20-mA-Stromschleife verwendet 4 mA zur Darstellung des Nullsignals und 20 mA zur Darstellung des Vollausschlagsignals, wobei Signale unter 4 mA und über 20 mA für verschiedene Fehleralarme verwendet werden.

Warum verwenden wir 4–20 mA Gleichstrom (1–5 V Gleichstrom)?

Feldinstrumente können ein Zweileitersystem implementieren, bei dem Stromversorgung und Last in Reihe mit einem gemeinsamen Punkt verbunden sind und nur zwei Drähte für die Signalkommunikation und Stromversorgung zwischen dem Feldsender und dem Kontrollrauminstrument verwendet werden. Die Verwendung eines 4-mA-Gleichstromsignals als Startstrom liefert den statischen Betriebsstrom für den Sender und die Einstellung des elektrischen Nullpunkts auf 4 mA Gleichstrom, der nicht mit dem mechanischen Nullpunkt übereinstimmt, ermöglicht die Erkennung von Fehlern wie Stromausfall und Kabelbrüchen . Darüber hinaus eignet sich das Zweileitersystem für den Einsatz von Sicherheitsbarrieren und trägt so zum Explosionsschutz bei.

Kontrollrauminstrumente verwenden eine spannungsparallele Signalübertragung, bei der Instrumente, die zum selben Steuerungssystem gehören, einen gemeinsamen Anschluss haben, was die Instrumentenprüfung, -anpassung, Computerschnittstellen und Alarmgeräte erleichtert.

Der Grund für die Verwendung von 4–20 mA Gleichstrom für die Signalkommunikation zwischen Feldinstrumenten und Kontrollrauminstrumenten liegt darin, dass der Abstand zwischen Feld und Kontrollraum erheblich sein kann, was zu einem höheren Kabelwiderstand führt. Die Übertragung von Spannungssignalen über große Entfernungen kann aufgrund des Spannungsabfalls, der durch den Kabelwiderstand und den Eingangswiderstand des empfangenden Instruments verursacht wird, zu erheblichen Fehlern führen. Durch die Verwendung eines Konstantstromquellensignals für die Fernübertragung wird sichergestellt, dass der Strom in der Schleife unabhängig von der Kabellänge unverändert bleibt, wodurch die Übertragungsgenauigkeit gewährleistet wird.

Der Grund für die Verwendung eines 1-5-V-Gleichstromsignals für die Verbindung zwischen Kontrollrauminstrumenten besteht darin, dass mehrere Instrumente dasselbe Signal empfangen können und die Verkabelung und Bildung verschiedener komplexer Steuerungssysteme erleichtert werden soll. Wenn eine Stromquelle als Verbindungssignal verwendet wird und mehrere Instrumente gleichzeitig dasselbe Signal empfangen, müssen ihre Eingangswiderstände in Reihe geschaltet werden. Dies würde die Belastbarkeit des sendenden Instruments überschreiten und die Signalmassepotentiale der empfangenden Instrumente würden unterschiedlich sein, was zu Störungen führen und eine zentrale Stromversorgung verhindern würde.

Die Verwendung eines Spannungsquellensignals für die Verbindung erfordert die Umwandlung des für die Kommunikation mit Feldinstrumenten verwendeten Stromsignals in ein Spannungssignal. Die einfachste Methode besteht darin, einen standardmäßigen 250-Ohm-Widerstand in Reihe in den Stromübertragungskreis zu schalten und so 4–20 mA Gleichstrom in 1–5 V Gleichstrom umzuwandeln. Typischerweise wird diese Aufgabe von einem Sender übernommen.

In diesem Diagramm wird ein 250-Ohm-Widerstand verwendet, um das 4-20-mA-Stromsignal in ein 1-5-V-Spannungssignal umzuwandeln. Anschließend werden ein RC-Filter und eine Diode verwendet, die mit dem AD-Umwandlungspin des Mikrocontrollers verbunden sind.

„Hier anbei ein einfacher Schaltplan zur Umwandlung eines 4-20-mA-Stromsignals in ein Spannungssignal:

Warum ist der Sender so ausgewählt, dass er zur Übertragung ein 4-20-mA-Gleichstromsignal verwendet?

1. Sicherheitsüberlegungen für gefährliche Umgebungen: Sicherheit in gefährlichen Umgebungen, insbesondere bei explosionsgeschützten Instrumenten, erfordert die Minimierung des statischen und dynamischen Stromverbrauchs, der für den Betrieb des Instruments erforderlich ist. Sender, die ein 4-20-mA-DC-Standardsignal ausgeben, verwenden normalerweise eine 24-V-DC-Stromversorgung. Der Hauptgrund für die Verwendung von Gleichspannung liegt darin, dass große Kondensatoren und Induktivitäten überflüssig werden und der Schwerpunkt auf der verteilten Kapazität und Induktivität der Verbindungsdrähte zwischen dem Sender und dem Kontrollrauminstrument liegt, die viel niedriger ist als der Zündstrom von Wasserstoffgas.

2. Die Übertragung von Stromquellen wird gegenüber Spannungsquellen bevorzugt: In Fällen, in denen die Entfernung zwischen Feld und Kontrollraum beträchtlich ist, kann die Verwendung von Spannungsquellensignalen zur Übertragung aufgrund des durch den Kabelwiderstand und den Eingang verursachten Spannungsabfalls zu erheblichen Fehlern führen Widerstand des empfangenden Instruments. Durch die Verwendung eines Stromquellensignals für die Fernübertragung wird sichergestellt, dass der Strom in der Schleife unabhängig von der Kabellänge konstant bleibt, wodurch die Übertragungsgenauigkeit erhalten bleibt.

3. Die Wahl von 20 mA als Maximalstrom: Die Wahl eines Maximalstroms von 20 mA basiert auf Überlegungen zu Sicherheit, Praktikabilität, Stromverbrauch und Kosten. Explosionsgeschützte Instrumente können nur Niederspannung und Schwachstrom verwenden. Der 4-20-mA-Strom und 24-V-Gleichstrom sind sicher für den Einsatz in der Nähe von brennbaren Gasen. Der Zündstrom für Wasserstoffgas mit 24V DC beträgt 200mA, deutlich höher als 20mA. Darüber hinaus werden Faktoren wie die Entfernung zwischen den Instrumenten am Produktionsstandort, die Last, der Stromverbrauch, die Anforderungen an elektronische Komponenten und die Anforderungen an die Stromversorgung berücksichtigt.

4. Die Wahl von 4 mA als Startstrom: Die meisten Sender, die 4–20 mA ausgeben, arbeiten in einem Zweileitersystem, bei dem die Stromversorgung und die Last in Reihe mit einem gemeinsamen Punkt verbunden sind und nur zwei Drähte für die Signalkommunikation verwendet werden und Stromversorgung zwischen dem Feldsender und dem Kontrollrauminstrument. Die Wahl eines Anlaufstroms von 4 mA ist für den Betrieb der Senderschaltung von entscheidender Bedeutung. Ein Anlaufstrom von 4 mA, der nicht mit dem mechanischen Nullpunkt übereinstimmt, sorgt für einen „aktiven Nullpunkt“, der hilft, Fehler wie Stromausfall und Kabelbrüche zu erkennen.

Die Verwendung von 4-20-mA-Signalen gewährleistet minimale Störungen, Sicherheit und Zuverlässigkeit und macht es zum weit verbreiteten Standard in industriellen Anwendungen. Allerdings werden auch andere Ausgangssignalformate wie 3,33 mV/V, 2 mV/V, 0–5 V und 0–10 V verwendet, um Sensorsignale besser verarbeiten und verschiedene Steuerungssysteme unterstützen zu können.