Por que 4-20mA?

O que é 4-20mA?

O padrão de sinal 4-20mA DC (1-5V DC) é definido pela Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) e é usado para sinais analógicos em sistemas de controle de processo.

Em geral, a corrente do sinal para instrumentos e medidores é definida como 4-20mA, com 4mA representando a corrente mínima e 20mA representando a corrente máxima.

Por que a saída atual?

Em ambientes industriais, usar um amplificador de sinal para condicionar e transmitir sinais por longas distâncias usando sinais de tensão pode levar a vários problemas. Primeiro, os sinais de tensão transmitidos pelos cabos podem ser suscetíveis à interferência de ruído. Segundo, a resistência distribuída das linhas de transmissão pode causar quedas de tensão. Terceiro, fornecer energia ao amplificador de sinal em campo pode ser um desafio.

Para resolver esses problemas e minimizar o impacto do ruído, a corrente é usada para transmitir sinais porque é menos sensível ao ruído. O loop de corrente de 4-20 mA usa 4 mA para representar o sinal zero e 20 mA para representar o sinal de escala total, com sinais abaixo de 4 mA e acima de 20 mA usados ​​para vários alarmes de falha.

Por que usamos 4-20mA DC (1-5V DC)?

Os instrumentos de campo podem implementar um sistema de dois fios, onde a fonte de alimentação e a carga são conectadas em série com um ponto comum, e apenas dois fios são usados ​​para comunicação de sinal e alimentação entre o transmissor de campo e o instrumento da sala de controle. Usar um sinal de 4mA DC como corrente de partida fornece corrente operacional estática ao transmissor, e definir o ponto zero elétrico em 4mA DC, que não coincide com o ponto zero mecânico, permite a detecção de falhas como perda de energia e rompimento de cabos . Além disso, o sistema de dois fios é adequado para utilização de barreiras de segurança, auxiliando na proteção contra explosão.

Os instrumentos da sala de controle usam transmissão de sinal paralelo à tensão, onde instrumentos pertencentes ao mesmo sistema de controle compartilham um terminal comum, tornando-os convenientes para testes de instrumentos, ajustes, interfaces de computador e dispositivos de alarme.

A razão para usar 4-20mA DC para comunicação de sinal entre instrumentos de campo e instrumentos da sala de controle é que a distância entre o campo e a sala de controle pode ser significativa, levando a uma maior resistência do cabo. A transmissão de sinais de tensão por longas distâncias pode resultar em erros significativos devido à queda de tensão causada pela resistência do cabo e pela resistência de entrada do instrumento receptor. O uso de um sinal de fonte de corrente constante para transmissão remota garante que a corrente no loop permaneça inalterada independentemente do comprimento do cabo, garantindo a precisão da transmissão.

A razão para usar um sinal de 1-5 Vcc para interconexão entre instrumentos da sala de controle é facilitar que vários instrumentos recebam o mesmo sinal e ajudar na fiação e na formação de vários sistemas de controle complexos. Se uma fonte de corrente for usada como sinal de interconexão, quando vários instrumentos recebem o mesmo sinal simultaneamente, suas resistências de entrada devem ser conectadas em série. Isto excederia a capacidade de carga do instrumento transmissor e os potenciais de terra do sinal dos instrumentos receptores seriam diferentes, introduzindo interferência e impedindo o fornecimento de energia centralizado.

Usar um sinal de fonte de tensão para interconexão requer a conversão do sinal de corrente usado para comunicação com instrumentos de campo em um sinal de tensão. O método mais simples é conectar um resistor padrão de 250 ohms em série no circuito de transmissão de corrente, convertendo 4-20mA DC em 1-5V DC. Normalmente, esta tarefa é realizada por um transmissor.

Este diagrama usa um resistor de 250 ohms para converter o sinal de corrente de 4-20 mA em um sinal de tensão de 1-5 V e, em seguida, usa um filtro RC e um diodo conectado ao pino de conversão AD do microcontrolador.

“Aqui está anexado um diagrama de circuito simples para converter um sinal de corrente de 4-20mA em um sinal de tensão:

Por que o transmissor foi selecionado para usar um sinal DC de 4-20 mA para transmissão?

1. Considerações de segurança para ambientes perigosos: A segurança em ambientes perigosos, especialmente para instrumentos à prova de explosão, requer a minimização do consumo de energia estática e dinâmica necessária para manter o instrumento funcionando. Transmissores que emitem um sinal padrão de 4-20 mA DC normalmente usam uma fonte de alimentação de 24 V DC. O uso de tensão CC ocorre principalmente porque elimina a necessidade de grandes capacitores e indutores e se concentra na capacitância e indutância distribuídas dos fios de conexão entre o transmissor e o instrumento da sala de controle, que é muito menor que a corrente de ignição do gás hidrogênio.

2. A transmissão da fonte de corrente é preferível à fonte de tensão: Nos casos em que a distância entre o campo e a sala de controle é considerável, o uso de sinais de fonte de tensão para transmissão pode introduzir erros significativos devido à queda de tensão causada pela resistência do cabo e pela entrada. resistência do instrumento receptor. O uso de um sinal de fonte de corrente para transmissão remota garante que a corrente no loop permaneça constante, independentemente do comprimento do cabo, mantendo assim a precisão da transmissão.

3. A escolha de 20mA como corrente máxima: A escolha de uma corrente máxima de 20mA é baseada em considerações de segurança, praticidade, consumo de energia e custo. Instrumentos à prova de explosão só podem usar baixa tensão e baixa corrente. A corrente de 4-20mA e 24V DC são seguras para uso na presença de gases inflamáveis. A corrente de ignição para gás hidrogênio com 24V DC é 200mA, significativamente superior a 20mA. Além disso, são levados em consideração fatores como a distância entre os instrumentos do local de produção, carga, consumo de energia, requisitos de componentes eletrônicos e requisitos de fonte de alimentação.

4. A escolha de 4mA como corrente inicial: A maioria dos transmissores que produzem 4-20mA operam em um sistema de dois fios, onde a fonte de alimentação e a carga são conectadas em série com um ponto comum, e apenas dois fios são usados ​​para comunicação de sinal e fonte de alimentação entre o transmissor de campo e o instrumento da sala de controle. A escolha de uma corrente de partida de 4mA é essencial para o funcionamento do circuito transmissor. Uma corrente inicial de 4mA, não coincidindo com o ponto zero mecânico, fornece um “ponto zero ativo” que ajuda a identificar falhas como perda de energia e rupturas de cabos.

O uso de sinais de 4-20 mA garante interferência, segurança e confiabilidade mínimas, tornando-o o padrão amplamente adotado em aplicações industriais. No entanto, outros formatos de sinal de saída, como 3,33mV/V, 2mV/V, 0-5V e 0-10V, também são usados ​​para lidar melhor com os sinais do sensor e suportar vários sistemas de controle.