¿Por qué 4-20 mA?

¿Qué es 4-20 mA?

El estándar de señal de 4-20 mA CC (1-5 V CC) está definido por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y se utiliza para señales analógicas en sistemas de control de procesos.

En general, la corriente de señal para instrumentos y medidores se establece en 4-20 mA, donde 4 mA representa la corriente mínima y 20 mA representa la corriente máxima.

¿Por qué es la producción actual?

En entornos industriales, el uso de un amplificador de señal para acondicionar y transmitir señales a largas distancias mediante señales de voltaje puede generar varios problemas.En primer lugar, las señales de voltaje transmitidas a través de cables pueden ser susceptibles a interferencias de ruido.En segundo lugar, la resistencia distribuida de las líneas de transmisión puede provocar caídas de tensión.En tercer lugar, proporcionar energía al amplificador de señal en el campo puede resultar un desafío.

Para abordar estos problemas y minimizar el impacto del ruido, se utiliza corriente para transmitir señales porque es menos sensible al ruido.El bucle de corriente de 4-20 mA utiliza 4 mA para representar la señal cero y 20 mA para representar la señal de escala completa, con señales por debajo de 4 mA y por encima de 20 mA utilizadas para varias alarmas de falla.

¿Por qué utilizamos 4-20 mA CC (1-5 V CC)?

Los instrumentos de campo pueden implementar un sistema de dos cables, donde la fuente de alimentación y la carga están conectadas en serie con un punto común, y solo se utilizan dos cables para la comunicación de señales y el suministro de energía entre el transmisor de campo y el instrumento de la sala de control.El uso de una señal de 4 mA CC como corriente de arranque proporciona corriente de funcionamiento estática al transmisor y el establecimiento del punto cero eléctrico en 4 mA CC, que no coincide con el punto cero mecánico, permite la detección de fallas como pérdida de energía y roturas de cables. .Además, el sistema de dos cables es adecuado para utilizar barreras de seguridad, lo que ayuda en la protección contra explosiones.

Los instrumentos de la sala de control utilizan transmisión de señales de voltaje paralelo, donde los instrumentos que pertenecen al mismo sistema de control comparten un terminal común, lo que lo hace conveniente para pruebas, ajustes, interfaces de computadora y dispositivos de alarma de instrumentos.

La razón para utilizar 4-20 mA CC para la comunicación de señales entre instrumentos de campo y los instrumentos de la sala de control es que la distancia entre el campo y la sala de control puede ser significativa, lo que genera una mayor resistencia del cable.La transmisión de señales de voltaje a largas distancias puede provocar errores importantes debido a la caída de voltaje causada por la resistencia del cable y la resistencia de entrada del instrumento receptor.El uso de una señal de fuente de corriente constante para la transmisión remota garantiza que la corriente en el bucle permanezca sin cambios independientemente de la longitud del cable, lo que garantiza la precisión de la transmisión.

La razón para utilizar una señal de 1-5 V CC para la interconexión entre los instrumentos de la sala de control es facilitar que varios instrumentos reciban la misma señal y ayudar a cablear y formar varios sistemas de control complejos.Si se utiliza una fuente de corriente como señal de interconexión, cuando varios instrumentos reciben la misma señal simultáneamente, sus resistencias de entrada deben conectarse en serie.Esto excedería la capacidad de carga del instrumento transmisor y los potenciales de tierra de la señal de los instrumentos receptores serían diferentes, introduciendo interferencias e impidiendo el suministro de energía centralizado.

El uso de una señal de fuente de voltaje para la interconexión requiere convertir la señal de corriente utilizada para la comunicación con instrumentos de campo en una señal de voltaje.El método más simple es conectar una resistencia estándar de 250 ohmios en serie en el circuito de transmisión de corriente, convirtiendo 4-20 mA CC en 1-5 V CC.Normalmente, esta tarea la realiza un transmisor.

Este diagrama usa una resistencia de 250 ohmios para convertir la señal de corriente de 4-20 mA en una señal de voltaje de 1-5 V, y luego usa un filtro RC y un diodo conectado al pin de conversión AD del microcontrolador.

“Aquí adjunto un diagrama de circuito simple para convertir una señal de corriente de 4-20 mA en una señal de voltaje:

¿Por qué se selecciona el transmisor para utilizar una señal de CC de 4-20 mA para la transmisión?

1. Consideraciones de seguridad para ambientes peligrosos: La seguridad en ambientes peligrosos, particularmente para instrumentos a prueba de explosiones, requiere minimizar el consumo de energía estática y dinámica necesaria para mantener el instrumento en funcionamiento.Los transmisores que emiten una señal estándar de 4-20 mA CC normalmente utilizan una fuente de alimentación de 24 V CC.El uso de voltaje CC se debe principalmente a que elimina la necesidad de condensadores e inductores grandes y se centra en la capacitancia e inductancia distribuidas de los cables de conexión entre el transmisor y el instrumento de la sala de control, que es mucho menor que la corriente de ignición del gas hidrógeno.

2. Se prefiere la transmisión de fuente de corriente a la fuente de voltaje: En los casos donde la distancia entre el campo y la sala de control es considerable, el uso de señales de fuente de voltaje para la transmisión puede introducir errores importantes debido a la caída de voltaje causada por la resistencia del cable y la entrada. resistencia del instrumento receptor.El uso de una señal de fuente de corriente para la transmisión remota garantiza que la corriente en el bucle permanezca constante, independientemente de la longitud del cable, manteniendo así la precisión de la transmisión.

3. La elección de 20 mA como corriente máxima: La elección de una corriente máxima de 20 mA se basa en consideraciones de seguridad, practicidad, consumo de energía y costo.Los instrumentos a prueba de explosiones solo pueden utilizar bajo voltaje y baja corriente.La corriente de 4-20 mA y 24 V CC son seguras para su uso en presencia de gases inflamables.La corriente de ignición del gas hidrógeno con 24 V CC es de 200 mA, significativamente superior a los 20 mA.Además, se tienen en cuenta factores como la distancia entre los instrumentos del sitio de producción, la carga, el consumo de energía, los requisitos de los componentes electrónicos y los requisitos de suministro de energía.

4. La elección de 4 mA como corriente de arranque: la mayoría de los transmisores que emiten 4-20 mA funcionan en un sistema de dos cables, donde la fuente de alimentación y la carga están conectadas en serie con un punto común, y solo se utilizan dos cables para la comunicación de señales. y suministro de energía entre el transmisor de campo y el instrumento de la sala de control.La elección de una corriente de arranque de 4 mA es esencial para el funcionamiento del circuito transmisor.Una corriente de arranque de 4 mA, que no coincide con el punto cero mecánico, proporciona un "punto cero activo" que ayuda a identificar fallas como pérdida de energía y roturas de cables.

El uso de señales de 4-20 mA garantiza interferencias mínimas, seguridad y confiabilidad, lo que lo convierte en el estándar ampliamente adoptado en aplicaciones industriales.Sin embargo, también se utilizan otros formatos de señal de salida, como 3,33 mV/V, 2 mV/V, 0-5 V y 0-10 V, para manejar mejor las señales de los sensores y admitir varios sistemas de control.