Perché 4-20 mA?

Cosa sono 4-20 mA?

Lo standard del segnale 4-20 mA CC (1-5 V CC) è definito dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) e viene utilizzato per segnali analogici nei sistemi di controllo di processo.

In generale, la corrente del segnale per strumenti e misuratori è impostata su 4-20 mA, dove 4 mA rappresentano la corrente minima e 20 mA rappresentano la corrente massima.

Perché l'uscita corrente?

Negli ambienti industriali, l'utilizzo di un amplificatore di segnale per condizionare e trasmettere segnali su lunghe distanze utilizzando segnali di tensione può portare a diversi problemi. Innanzitutto, i segnali di tensione trasmessi sui cavi possono essere soggetti a interferenze di rumore. In secondo luogo, la resistenza distribuita delle linee di trasmissione può causare cadute di tensione. In terzo luogo, fornire alimentazione all’amplificatore di segnale sul campo può essere impegnativo.

Per risolvere questi problemi e ridurre al minimo l'impatto del rumore, per trasmettere i segnali viene utilizzata la corrente perché è meno sensibile al rumore. Il circuito di corrente da 4-20 mA utilizza 4 mA per rappresentare il segnale zero e 20 mA per rappresentare il segnale di fondo scala, con segnali inferiori a 4 mA e superiori a 20 mA utilizzati per vari allarmi di guasto.

Perché utilizziamo 4-20 mA CC (1-5 V CC)?

Gli strumenti da campo possono implementare un sistema a due fili, in cui l'alimentazione e il carico sono collegati in serie con un punto comune e vengono utilizzati solo due fili per la comunicazione del segnale e l'alimentazione tra il trasmettitore da campo e lo strumento della sala di controllo. L'utilizzo di un segnale da 4 mA CC come corrente di avvio fornisce corrente operativa statica al trasmettitore e l'impostazione del punto zero elettrico su 4 mA CC, che non coincide con il punto zero meccanico, consente il rilevamento di guasti come perdita di potenza e rotture dei cavi . Inoltre, il sistema a due fili è adatto per l'utilizzo di barriere di sicurezza, favorendo la protezione dalle esplosioni.

Gli strumenti della sala di controllo utilizzano la trasmissione del segnale in parallelo alla tensione, in cui gli strumenti appartenenti allo stesso sistema di controllo condividono un terminale comune, rendendolo conveniente per test, regolazioni, interfacce computer e dispositivi di allarme degli strumenti.

Il motivo per utilizzare 4-20 mA CC per la comunicazione del segnale tra strumenti sul campo e strumenti della sala di controllo è che la distanza tra il campo e la sala di controllo può essere significativa, determinando una maggiore resistenza del cavo. La trasmissione di segnali di tensione su lunghe distanze può provocare errori significativi a causa della caduta di tensione causata dalla resistenza del cavo e dalla resistenza di ingresso dello strumento ricevente. L'utilizzo di un segnale sorgente di corrente costante per la trasmissione remota garantisce che la corrente nel circuito rimanga invariata indipendentemente dalla lunghezza del cavo, garantendo la precisione della trasmissione.

Il motivo per cui si utilizza un segnale da 1-5 V CC per l'interconnessione tra gli strumenti della sala di controllo è quello di facilitare la ricezione dello stesso segnale da parte di più strumenti e di facilitare il cablaggio e la formazione di vari sistemi di controllo complessi. Se come segnale di interconnessione viene utilizzata una sorgente di corrente, quando più strumenti ricevono simultaneamente lo stesso segnale, le loro resistenze di ingresso devono essere collegate in serie. Ciò supererebbe la capacità di carico dello strumento trasmittente e i potenziali di terra del segnale degli strumenti riceventi sarebbero diversi, introducendo interferenze e impedendo l'alimentazione centralizzata.

L'utilizzo di un segnale sorgente di tensione per l'interconnessione richiede la conversione del segnale di corrente utilizzato per la comunicazione con gli strumenti di campo in un segnale di tensione. Il metodo più semplice consiste nel collegare un resistore standard da 250 ohm in serie nel circuito di trasmissione della corrente, convertendo 4-20 mA CC in 1-5 V CC. Tipicamente, questo compito viene svolto da un trasmettitore.

Questo diagramma utilizza un resistore da 250 ohm per convertire il segnale di corrente da 4-20 mA in un segnale di tensione da 1-5 V, quindi utilizza un filtro RC e un diodo collegato al pin di conversione AD del microcontrollore.

“Qui in allegato un semplice schema elettrico per convertire un segnale di corrente 4-20 mA in un segnale di tensione:

Perché il trasmettitore è selezionato per utilizzare un segnale CC da 4-20 mA per la trasmissione?

1. Considerazioni sulla sicurezza per ambienti pericolosi: la sicurezza in ambienti pericolosi, in particolare per gli strumenti a prova di esplosione, richiede di ridurre al minimo il consumo di energia statica e dinamica necessaria per mantenere lo strumento in funzione. I trasmettitori che emettono un segnale standard da 4-20 mA CC utilizzano generalmente un'alimentazione da 24 V CC. L'uso della tensione CC è principalmente dovuto al fatto che elimina la necessità di condensatori e induttori di grandi dimensioni e si concentra sulla capacità e sull'induttanza distribuite dei cavi di collegamento tra il trasmettitore e lo strumento della sala di controllo, che è molto inferiore alla corrente di accensione dell'idrogeno gassoso.

2. La trasmissione della sorgente di corrente è preferibile rispetto alla sorgente di tensione: nei casi in cui la distanza tra il campo e la sala di controllo è considerevole, l'uso di segnali della sorgente di tensione per la trasmissione può introdurre errori significativi dovuti alla caduta di tensione causata dalla resistenza del cavo e dall'ingresso resistenza dello strumento ricevente. L'utilizzo di un segnale sorgente di corrente per la trasmissione remota garantisce che la corrente nel circuito rimanga costante, indipendentemente dalla lunghezza del cavo, mantenendo così la precisione della trasmissione.

3. Scelta di 20 mA come corrente massima: La scelta di una corrente massima di 20 mA si basa su considerazioni di sicurezza, praticità, consumo energetico e costo. Gli strumenti antideflagranti possono utilizzare solo bassa tensione e bassa corrente. La corrente da 4-20 mA e 24 V CC sono sicure per l'uso in presenza di gas infiammabili. La corrente di accensione per l'idrogeno a 24 V CC è 200 mA, notevolmente superiore a 20 mA. Inoltre, vengono presi in considerazione fattori quali la distanza tra gli strumenti del sito di produzione, il carico, il consumo energetico, i requisiti dei componenti elettronici e i requisiti di alimentazione.

4. Scelta di 4 mA come corrente di avviamento: la maggior parte dei trasmettitori che emettono 4-20 mA funzionano in un sistema a due fili, in cui l'alimentazione e il carico sono collegati in serie con un punto comune e vengono utilizzati solo due fili per la comunicazione del segnale e alimentazione tra il trasmettitore da campo e lo strumento della sala di controllo. La scelta di una corrente di avviamento di 4 mA è essenziale per il funzionamento del circuito trasmettitore. Una corrente di avviamento di 4 mA, non coincidente con il punto zero meccanico, fornisce un "punto zero attivo" che aiuta a identificare guasti come perdita di potenza e rotture del cavo.

L'uso di segnali da 4-20 mA garantisce interferenze, sicurezza e affidabilità minime, rendendolo lo standard ampiamente adottato nelle applicazioni industriali. Tuttavia, vengono utilizzati anche altri formati di segnale di uscita, come 3,33 mV/V, 2 mV/V, 0-5 V e 0-10 V, per gestire meglio i segnali dei sensori e supportare vari sistemi di controllo.