لماذا 4-20mA؟

ما هو 4-20mA؟

يتم تعريف معيار الإشارة 4-20 مللي أمبير تيار مستمر (1-5 فولت تيار مستمر) من قبل اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) ويستخدم للإشارات التناظرية في أنظمة التحكم في العمليات.

بشكل عام، يتم ضبط تيار الإشارة للأجهزة وأجهزة القياس على 4-20 مللي أمبير، حيث يمثل 4 مللي أمبير الحد الأدنى للتيار و20 مللي أمبير يمثل الحد الأقصى للتيار.

لماذا هو الناتج الحالي؟

في البيئات الصناعية، يمكن أن يؤدي استخدام مضخم الإشارة لتكييف الإشارات ونقلها عبر مسافات طويلة باستخدام إشارات الجهد إلى العديد من المشكلات. أولاً، يمكن أن تكون إشارات الجهد المرسلة عبر الكابلات عرضة لتداخل الضوضاء. ثانياً، يمكن أن تؤدي المقاومة الموزعة لخطوط النقل إلى انخفاض الجهد. ثالثًا، قد يكون توفير الطاقة لمضخم الإشارة في الميدان أمرًا صعبًا.

ولمعالجة هذه المشكلات وتقليل تأثير الضوضاء، يتم استخدام التيار لنقل الإشارات لأنه أقل حساسية للضوضاء. تستخدم حلقة التيار 4-20 مللي أمبير 4 مللي أمبير لتمثيل إشارة الصفر و20 مللي أمبير لتمثيل إشارة واسعة النطاق، مع إشارات أقل من 4 مللي أمبير وما فوق 20 مللي أمبير تستخدم في إنذارات الأعطال المختلفة.

لماذا نستخدم 4-20 مللي أمبير تيار مستمر (1-5 فولت تيار مستمر)؟

يمكن للأجهزة الميدانية تنفيذ نظام ثنائي الأسلاك، حيث يتم توصيل مصدر الطاقة والحمل في سلسلة بنقطة مشتركة، ويتم استخدام سلكين فقط لاتصال الإشارة وإمدادات الطاقة بين جهاز الإرسال الميداني وأداة غرفة التحكم. استخدام إشارة تيار مستمر 4 مللي أمبير حيث يوفر تيار البدء تيار تشغيل ثابت لجهاز الإرسال، كما أن ضبط نقطة الصفر الكهربائية عند 4 مللي أمبير تيار مستمر، والتي لا تتطابق مع نقطة الصفر الميكانيكية، يسمح باكتشاف الأخطاء مثل فقدان الطاقة وانقطاع الكابلات . بالإضافة إلى ذلك، فإن نظام السلكين مناسب لاستخدام حواجز السلامة، للمساعدة في الحماية من الانفجارات.

تستخدم أدوات غرفة التحكم نقل الإشارات المتوازية للجهد، حيث تشترك الأجهزة التي تنتمي إلى نفس نظام التحكم في محطة مشتركة، مما يجعلها ملائمة لاختبار الأجهزة، والضبط، وواجهات الكمبيوتر، وأجهزة الإنذار.

السبب في استخدام 4-20mA DC لاتصال الإشارة بين الأجهزة الميدانية وأدوات غرفة التحكم هو أن المسافة بين الميدان وغرفة التحكم يمكن أن تكون كبيرة، مما يؤدي إلى زيادة مقاومة الكابلات. يمكن أن يؤدي إرسال إشارات الجهد عبر مسافات طويلة إلى حدوث أخطاء كبيرة بسبب انخفاض الجهد الناتج عن مقاومة الكابل ومقاومة الإدخال لجهاز الاستقبال. إن استخدام إشارة مصدر تيار ثابت للإرسال عن بعد يضمن بقاء التيار في الحلقة دون تغيير بغض النظر عن طول الكابل، مما يضمن دقة الإرسال.

السبب في استخدام إشارة تيار مستمر 1-5 فولت للتوصيل البيني بين أدوات غرفة التحكم هو تسهيل استقبال الأجهزة المتعددة لنفس الإشارة والمساعدة في توصيل الأسلاك وتشكيل أنظمة تحكم معقدة مختلفة. إذا تم استخدام مصدر حالي كإشارة للتوصيل البيني، فعندما تستقبل أدوات متعددة نفس الإشارة في وقت واحد، يجب توصيل مقاومات الإدخال الخاصة بها على التوالي. وهذا من شأنه أن يتجاوز سعة الحمولة لجهاز الإرسال، وستكون إمكانات الإشارة الأرضية لأجهزة الاستقبال مختلفة، مما يؤدي إلى حدوث تداخل ومنع إمدادات الطاقة المركزية.

يتطلب استخدام إشارة مصدر الجهد للتوصيل البيني تحويل الإشارة الحالية المستخدمة للاتصال بالأجهزة الميدانية إلى إشارة جهد. إن أبسط طريقة هي توصيل مقاومة قياسية 250 أوم على التوالي في دائرة نقل التيار، وتحويل 4-20 مللي أمبير تيار مستمر إلى 1-5 فولت تيار مستمر. عادةً ما يتم إنجاز هذه المهمة بواسطة جهاز إرسال.

يستخدم هذا المخطط مقاومة 250 أوم لتحويل إشارة التيار 4-20 مللي أمبير إلى إشارة جهد 1-5 فولت، ثم يستخدم مرشح RC وصمامًا ثنائيًا متصلاً بدبوس تحويل AD الخاص بالمتحكم الدقيق.

"أرفق هنا مخطط دائرة بسيط لتحويل إشارة تيار 4-20 مللي أمبير إلى إشارة جهد:

لماذا يتم اختيار جهاز الإرسال لاستخدام إشارة DC 4-20mA للإرسال؟

1. اعتبارات السلامة في البيئات الخطرة: تتطلب السلامة في البيئات الخطرة، خاصة بالنسبة للأدوات المقاومة للانفجار، تقليل استهلاك الطاقة الثابتة والديناميكية اللازمة للحفاظ على تشغيل الجهاز. عادةً ما تستخدم أجهزة الإرسال التي تنتج إشارة قياسية من 4 إلى 20 مللي أمبير تيار مستمر مصدر طاقة بجهد 24 فولت تيار مستمر. إن استخدام جهد التيار المستمر يرجع بشكل أساسي إلى أنه يلغي الحاجة إلى المكثفات الكبيرة والمحاثات ويركز على السعة الموزعة ومحاثة أسلاك التوصيل بين جهاز الإرسال وأداة غرفة التحكم، وهو أقل بكثير من تيار الإشعال لغاز الهيدروجين.

2. يفضل نقل مصدر التيار على مصدر الجهد: في الحالات التي تكون فيها المسافة بين المجال وغرفة التحكم كبيرة، فإن استخدام إشارات مصدر الجهد للإرسال يمكن أن يؤدي إلى أخطاء كبيرة بسبب انخفاض الجهد الناتج عن مقاومة الكابل والمدخل مقاومة أداة الاستقبال. إن استخدام إشارة المصدر الحالية للإرسال عن بعد يضمن بقاء التيار في الحلقة ثابتًا، بغض النظر عن طول الكابل، وبالتالي الحفاظ على دقة الإرسال.

3. اختيار 20 مللي أمبير كحد أقصى للتيار: يعتمد اختيار الحد الأقصى للتيار 20 مللي أمبير على اعتبارات السلامة والتطبيق العملي واستهلاك الطاقة والتكلفة. يمكن للأدوات المقاومة للانفجار أن تستخدم فقط الجهد المنخفض والتيار المنخفض. التيار 4-20 مللي أمبير و24 فولت تيار مستمر آمن للاستخدام في وجود الغازات القابلة للاشتعال. تيار الإشعال لغاز الهيدروجين مع 24 فولت تيار مستمر هو 200 مللي أمبير، وهو أعلى بكثير من 20 مللي أمبير. بالإضافة إلى ذلك، يتم أخذ عوامل مثل المسافة بين أدوات موقع الإنتاج، والحمل، واستهلاك الطاقة، ومتطلبات المكونات الإلكترونية، ومتطلبات مصدر الطاقة في الاعتبار.

4. اختيار 4 مللي أمبير كتيار البداية: تعمل معظم أجهزة الإرسال التي تنتج 4-20 مللي أمبير في نظام ثنائي الأسلاك، حيث يتم توصيل مصدر الطاقة والحمل على التوالي مع نقطة مشتركة، ويتم استخدام سلكين فقط للاتصالات الإشارة وإمدادات الطاقة بين جهاز الإرسال الميداني وأداة غرفة التحكم. يعد اختيار تيار البدء 4 مللي أمبير أمرًا ضروريًا لتشغيل دائرة الإرسال. يوفر تيار البدء 4 مللي أمبير، الذي لا يتزامن مع نقطة الصفر الميكانيكية، "نقطة الصفر النشطة" التي تساعد في تحديد الأخطاء مثل فقدان الطاقة وانقطاع الكابلات.

ويضمن استخدام إشارات 4-20 مللي أمبير الحد الأدنى من التداخل والسلامة والموثوقية، مما يجعله المعيار المعتمد على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية. ومع ذلك، يتم أيضًا استخدام تنسيقات إشارة الإخراج الأخرى، مثل 3.33mV/V، و2mV/V، و0-5V، و0-10V، للتعامل بشكل أفضل مع إشارات المستشعر ودعم أنظمة التحكم المختلفة.