إشارة موحدة 4 20 أماه. الإشارات التناظرية الموحدة في أنظمة الأتمتة

نيزهني نوفجورود

هذه المقالة هي استمرار لسلسلة من المنشورات في مجلة ISUP المخصصة للتوحيد القياسي *، **، *** ****. تم تخصيص المقالة "تحويل المثل إلى مثيل في أنظمة القياس والتحكم" (ISUP. 2012. رقم 1) للتوحيد القياسي، الذي يحول إشارات الإدخال الموحدة إلى إشارات خرج موحدة.

لماذا إشارة 4...20 مللي أمبير؟

يتم تفسير التوزيع الواسع للإشارة الموحدة الحالية 4...20 مللي أمبير بالأسباب التالية:
- لا يتأثر إرسال الإشارات الحالية بمقاومة أسلاك التوصيل، وبالتالي تنخفض متطلبات قطر وطول أسلاك التوصيل، وبالتالي التكلفة؛
- تعمل الإشارة الحالية على حمل ذو مقاومة منخفضة (مقارنة بمقاومة مصدر الإشارة)، وبالتالي فإن التداخل الكهرومغناطيسي المستحث في دوائر التيار يكون صغيراً مقارنة بالدوائر المماثلة التي تستخدم إشارات الجهد؛
- يتم تحديد انقطاع خط نقل الإشارة الحالي 4…20 مللي أمبير بشكل واضح وسهل عن طريق أنظمة القياس المعتمدة على مستوى التيار الصفري في الدائرة (في الظروف العاديةيجب أن يكون على الأقل 4 مللي أمبير)؛
- الإشارة الحالية البالغة 4...20 مللي أمبير لا تسمح فقط بنقل إشارة معلومات مفيدة، ولكن أيضًا لتوفير مصدر طاقة لمحول التطبيع نفسه: الحد الأدنى المستوى المسموح به 4 مللي أمبير كافية لتشغيل الأجهزة الإلكترونية الحديثة.

خصائص محولات الحلقة الحالية 4…20 مللي أمبير

دعونا نلقي نظرة على الخصائص والميزات الرئيسية التي يجب مراعاتها عند الاختيار. كمثال، دعونا نأخذ محولات التقييس NSSI-GRTP التي تنتجها شركة الأبحاث والإنتاج "KontrAvt" (الشكل 2).

أرز. 2.ظهور NPSI-GRTP - المحولات التي تنتجها NPF "KontrAvt" مع فصل كلفاني لـ 1، 2، 4 قنوات من الحلقة الحالية

مصممة لأداء وظيفتين رئيسيتين فقط:
- قياس إشارة تيار نشط بقدرة 4...20 مللي أمبير وتحويلها إلى نفس إشارة التيار النشط بقدرة 4...20 مللي أمبير بمعامل تحويل 1 وبسرعة عالية؛
- الفصل الكلفاني لإشارات الدخل والخرج للحلقة الحالية.

الخطأ الرئيسي في تحويل NPSI-GRTP هو 0.1%، واستقرار درجة الحرارة هو 0.005%/درجة مئوية. نطاق درجة حرارة التشغيل - من -40 إلى +70 درجة مئوية. جهد العزل - 1500 فولت. الأداء - 5 مللي ثانية.

تظهر خيارات الاتصال بمصادر الإشارات النشطة والسلبية في الشكل. 3 و 4. في الحالة الأخيرة، مطلوب مصدر طاقة إضافي.

أرز. 3.توصيل محولات NSSI-GRTP بمصدر نشط

أرز. 4.توصيل محولات NSSI-GRTP بمصدر سلبي باستخدام وحدة إمداد طاقة إضافية BP

في أنظمة القياس التي يكون فيها فصل إشارات الدخل ضروريًا، يكون مصدر إشارة الدخل، كقاعدة عامة، أجهزة استشعار قياس (MS)، وتكون أجهزة الاستقبال ثانوية أدوات القياس(IP) (المنظمون، وحدات التحكم، المسجلات، وما إلى ذلك).

في أنظمة التحكم التي تتطلب فصل إشارات الخرج، تكون المصادر هي أجهزة التحكم (الأقراص المضغوطة) (منظمات، وحدات تحكم، مسجلات، وما إلى ذلك)، وأجهزة الاستقبال هي المحركات(IU) مع التحكم الحالي (الغشاء المحركات(MIM)، منظمات الثايرستور، محولات الترددإلخ.).

يشار إلى أن محول NPSI-GRTP الذي تنتجه شركة NPSI لا يحتاج إلى طاقة منفصلة. يتم تشغيله من مصدر تيار الإدخال النشط 4 ... 20 مللي أمبير. في هذه الحالة، يتم أيضًا إنشاء إشارة نشطة تبلغ 4...20 مللي أمبير عند الخرج، ولا يلزم وجود مصدر إضافي في دوائر الخرج. ولذلك، فإن الحل القائم على فواصل الحلقة الحالية، والذي يستخدم في NPSI-GRTP، هو حل اقتصادي للغاية.

تتوفر ثلاثة تعديلات للمحول: . وهي تختلف في عدد القنوات (1، 2، 4، على التوالي) والتصميم (الشكل 2). يوجد المحول أحادي القناة في علبة صغيرة ضيقة بعرض 8.5 مم فقط (الأبعاد 91.5 × 62.5 × 8.5 مم) وقناتين وأربع قنوات في علبة بعرض 22.5 مم (الأبعاد 115 × 105 × 22.5 ملم). تُستخدم المحولات ذات العزل الجلفاني في الأنظمة التي تحتوي على عشرات ومئات من الإشارات، وبالنسبة لهذه الأنظمة، يصبح وضع مثل هذا العدد من المحولات في الأغلفة الهيكلية (الخزانات) مشكلة كبيرة. العامل الرئيسي هنا هو عرض قناة تحويل واحدة على طول خط DIN. في الإصدارات ذات 1 و2 و4 قنوات، يكون عرض القناة صغيرًا للغاية: 8.5 و11.25 و5.63 ملم على التوالي.

وتجدر الإشارة إلى أنه في التعديلات متعددة القنوات NSSI-GRPT2 وNSSI-GRTP4، تكون جميع القنوات غير متصلة تمامًا. ومن هذا المنطلق فإن أداء إحدى القنوات لا يؤثر بأي شكل من الأشكال على تشغيل القنوات الأخرى. هذا هو السبب في أن إحدى الحجج ضد المحولات متعددة القنوات - "تحترق قناة واحدة، ويتوقف الجهاز متعدد القنوات بأكمله عن العمل، وهذا يقلل بشكل حاد من سلامة واستقرار النظام" - لا يعمل. لكن هذه الخاصية الإيجابية المهمة للأنظمة متعددة القنوات مثل انخفاض "سعر القناة" تتجلى بالكامل. تم تجهيز تعديلات المحولات ثنائية وأربعة قنوات بموصلات لولبية قابلة للفصل، مما يسهل تركيبها، صيانةوإصلاح (استبدال).

في عدد من المهام من الضروري توفير إشارة 4...20 مللي أمبير لعدة أجهزة استقبال معزولة غلفانيا. لهذا، يمكنك استخدام المحولات أحادية القناة NSSI-GRTP1 والمحولات متعددة القنوات NSSI-GRTP2 وNPSI-GRTP4. تظهر مخططات الاتصال في الشكل. 5.

أرز. 5.استخدام المحولات أحادية القناة والثنائية القناة لمضاعفة الإشارة “1 إلى 2”

لسهولة التركيب والصيانة، يتم توصيل التوصيلات الخارجية في الإصدار أحادي القناة باستخدام موصلات طرفية زنبركية، وفي إصدارين وأربع قنوات - باستخدام موصلات لولبية قابلة للفصل.

أرز. 6.توصيل الخطوط الخارجية باستخدام موصلات طرفية قابلة للفصل

وبالتالي، فإن الخط الجديد من المحولات لفصل حلقة التيار 4...20 مللي أمبير، المقدم من NPF "KontrAvt"، يمكن أن يُطلق عليه بشكل معقول حل مدمج واقتصادي، قادر على التنافس من حيث الخصائص مع نظائرها المستوردة المقابلة. يتم توفير المحولات للتشغيل التجريبي، بحيث يكون لدى المستخدم الفرصة لاختبار الأجهزة قيد التشغيل وتقييم خصائصها واتخاذ قرار مستنير بشأن مدى استصواب استخدامها.
____________________________

يوري كورتسيفوي (مكسيم متكامل)

التناظرية المتكاملة للغاية 4-20 مللي أمبير مكيف إشارة الحلقة الحالية الأعلى12900 إنتاجحكمة - قول مأثور مدمج يمكن تحويل PWM— إشارة من وحدة تحكم دقيقة لا تحتوي على DAC مدمج في إشارة الحلقة 4… 20 مللي أمبير لاثنين-, ثلاثة-أوأربعةتكوينات سلكية .

تعد حلقة التيار 4...20 مللي أمبير اليوم واحدة من أكثر الطرق شيوعًا لنقل البيانات في العديد من الصناعات. إن مناعتها ضد التداخل أثناء إرسال الإشارة من جهاز الإرسال إلى جهاز الاستقبال تجعلها مثالية لمثل هذه التطبيقات. ميزة أخرى هي البساطة النسبية والتكلفة المنخفضة لهذه الطريقة. على الرغم من أن الحاجة بالطبع إلى التحكم في انخفاض الجهد في بعض أقسام الدائرة وعدد من المعلمات الأخرى تؤدي غالبًا إلى دائرة أكثر تعقيدًا وزيادة في تكلفة الحل. يلخص الجدول 1 مزايا وعيوب طريقة الاتصال بالحلقة الحالية من 4 إلى 20 مللي أمبير.

الجدول 1. مزايا وعيوب حلقة تيار 4...20 مللي أمبير

مزايا	عيوب
المعيار الأساسي في العديد من الصناعات	تتوافق الحلقة الحالية الواحدة مع قناة واحدة فقط لنقل البيانات إمكانية تمرير قيمة متغير واحد فقط
من السهل الاتصال والتكوين	للتشغيل المتزامن لعدة قنوات بيانات (لنقل قيم عدة متغيرات)، من الضروري إنشاء نفس العدد من الحلقات الحالية. لكن استخدم كمية كبيرةيمكن أن تؤدي الأسلاك إلى مشاكل في الحلقات الأرضية إذا لم يتم عزل الحلقات المستقلة بشكل صحيح.
لا تتحلل الإشارة مع زيادة المسافة	تزداد مشاكل عزل القنوات مع زيادة عدد القنوات
حساسية أقل للتدخل	–
لا يوجد تيار يشير إلى وجود خطأ في رابط البيانات	–

يمكن تقسيم جميع المستشعرات ذات الواجهة 4...20 مللي أمبير، حسب التكوين، إلى ثلاث مجموعات:

مستشعر بسلكين (مزود بحلقة) 4...20 مللي أمبير؛
مستشعر ثلاثي الأسلاك 4…20 مللي أمبير؛
مستشعر بأربعة أسلاك 4…20 مللي أمبير.

التكوين الأكثر ملاءمة هو الحل الذي يتم تغذيته بالحلقة. ومع ذلك، إذا كان المستشعر نفسه يستهلك أكثر من 3...4 مللي أمبير من ميزانية الحلقة 4...20 مللي أمبير، فيجب استخدام مصدر طاقة إضافي لتشغيله. عند توصيل هذه المستشعرات، سيتعين عليك استخدام تكوين مكون من 4 أسلاك. التكوين المكون من 3 أسلاك هو نسخة مبسطة من التكوين السابق، والذي يجمع بين مصدر الطاقة الإيجابي للمستشعر والحلقة الحالية (الشكل 1 ب). يوضح الشكل 1 جميع التكوينات الموضحة أعلاه. ويبين الجدول 2 مزايا وعيوب كل منها.

الجدول 2. مزايا وعيوب أجهزة الاستشعار مع مخططات مختلفةروابط

إعدادات	2-سلك	3-سلك	4-سلك
مزايا	لا حاجة لإمدادات الطاقة المحلية؛ تكلفة منخفضة؛ مناسبة للعمل في ظروف عدوانية	أكثر اقتصادا من خيار الأسلاك الأربعة. سهولة التنفيذ؛ القدرة على استخدام أجهزة العرض والأجهزة الأخرى التي تتطلب طاقة إضافية؛ القدرة على استخدام النواتج القوية والمرحلات	إمدادات الطاقة الخارجية. القدرة على إرسال إشارة متناوبة. عزل دائرة الطاقة القدرة على استخدام أجهزة العرض والأجهزة الأخرى التي تتطلب طاقة إضافية؛ القدرة على استخدام النواتج القوية والمرحلات
عيوب	يمكن أن يسبب انخفاض الجهد في أقسام الحلقة مشاكل؛ هناك قيود على استهلاك الدائرة	عدم وجود عزل حلقة الطاقة. يجب تنفيذ خطوط الكهرباء والحلقات بعناية	تكلفة أعلى؛ المزيد من الأسلاك لا ينطبق في بيئات التشغيل العدوانية

استخدام MAX12900 في دوائر الاستشعار مع تكوينات حلقة التيار 2 أو 3 أو 4 أسلاك

MAX12900 عبارة عن مكيف إشارة تناظرية متكامل للغاية ومنخفض الطاقة للغاية لأجهزة استشعار الإرسال من 2 إلى 20 مللي أمبير. يحتوي جسمها المدمج على 10 وحدات:

محول LDO مع نطاق جهد دخل واسع؛
دوائر لمعالجة الإشارات المعدلة PWM لمدخلين؛
اثنان من مضخمات التشغيل منخفضة الطاقة ومنخفضة الانجراف ؛
مضخم تشغيلي واحد مع انجراف جهد منخفض ونطاق ترددي عريض؛
مقارنتان تشخيصيتان؛
تبديل وحدة التحكم مع إخراج الإشارة جودة جيدةمصدر الطاقة (إخراج الطاقة الجيد) ؛
مصدر الجهد المرجعي المنخفض الانجراف.

الميزة الرئيسية لـ MAX12900 هي أنه يمكنه تحويل إشارة PWM من وحدة التحكم الدقيقة التي لا تحتوي على DAC على الرقاقة إلى إشارة حلقة من 4 إلى 20 مللي أمبير لتكوينات ذات سلكين أو ثلاثة أو أربعة أسلاك. وبالتالي، فهو يعادل مزيجًا من DAC منخفض الطاقة مع دقة عاليةومعالج إشارة PWM ودائرتي معالجة ومرشح نشط مع مضخم تشغيلي متكامل منخفض الطاقة. تضمن دائرتان لمعالجة الإشارات سعة PWM ثابتة على الرغم من التقلبات في سعة الإشارة ودرجة الحرارة وجهد الإمداد. يقوم مضخم النطاق الترددي العالي المقترن بترانزستور منفصل بتحويل جهد الإدخال إلى تيار الإخراج ويتيح تعديل إشارة HART® وFOUNDATION Fieldbus H1. يوفر مضخم التشغيل ذو الإزاحة المنخفضة ومرجع الانجراف المنخفض الحد الأدنى من الخطأ على نطاق واسع من درجات الحرارة. تعد مضخمات التشغيل والمقارنات منخفضة الطاقة بمثابة اللبنات الأساسية لإنشاء أنظمة تشخيصية متقدمة. تعد مراقبة ناقل الطاقة وقياس تيار الخرج واكتشاف الدائرة المفتوحة بعض الأمثلة على القدرات التشخيصية لهذه الأنظمة. هذا، إلى جانب الدقة العالية والاستهلاك الإجمالي المنخفض للطاقة، يجعل MAX12900 جهازًا مثاليًا لأجهزة استشعار حلقة التيار الذكية.

استخدام MAX12900 كجهاز إرسال بسلكين (مزود بحلقة)

يوضح الشكل 2 رسمًا تخطيطيًا مبسطًا ونموذجًا لكيفية تكوين جهاز MAX12900 كجزء من مستشعر يعمل بالحلقة. هذا التكوين مطلوب للأنظمة التي تعمل في بيئات قاسية ويجب أن يتوافق مع توجيه ATEX 94/9/EC وأن يكون معتمدًا من IECEx. لا يكون تنفيذ دائرة المستشعر هذا ممكنًا إلا في الحالات التي يستهلك فيها جهاز الإرسال أقل من 4 مللي أمبير. يتم تغذية إشارات PWM الناتجة عن وحدة التحكم الدقيقة إلى دوائر معالجة وتكييف إشارة PWM الخاصة المدمجة في MAX12900. باستخدام أحد مضخمات التشغيل المدمجة ودائرة RC خارجية، يمكنك إنشاء مرشح ترددات منخفضة. تستخدم الترانزستورات الخارجية لتحويل الجهد إلى تيار.

ويبين الشكل 3 التنفيذ على المستوى الكهربائي رسم تخطيطىحلقة تيار مكونة من سلكين تعمل على تشغيل المستشعر (لاحظ أن جميعها مخصصة لون فيروزيتم دمج الوحدة في MAX12900).

بعض أجهزة الاستشعار الأكثر شيوعًا من هذا النوع هي أجهزة استشعار درجة الحرارة. دعونا نحاول تصميم جهاز إرسال مستشعر درجة الحرارة استنادًا إلى MAX12900 باستخدام مزدوجة حرارية دقيقة ومحول إشارة مزدوج حراري مخصص (MAX31856). يعالج MAX31856 الإشارة من المزدوج الحراري وينقل البيانات عبر واجهة SPI. لذلك، لقراءة المستشعر وتوليد إشارات PWM لجهاز MAX12900، يجب استخدام وحدة تحكم دقيقة. تستخدم مجموعة التطوير MAX12900EVKIT وحدة التحكم الدقيقة STM32L071 لهذه المهمة. لحظة رئيسيةفي مثل هذا المخطط، قم بتقدير ميزانية استهلاك الطاقة لأسوأ السيناريوهات (الحد الأقصى للاستهلاك الحالي لجميع درجات حرارة التشغيل وقيم الجهد). وبناءً على ذلك، يمكنك أن تقرر ما إذا كنت تريد استخدام تكوين حلقة حالية أو أخرى: سلكين أو ثلاثة أو أربعة أسلاك.

وفقا لل الوصف الفني MAX12900EV، إجمالي استهلاك وحدة التحكم الدقيقة منخفضة الطاقة وMAX12900 هو 3.5 مللي أمبير في أسوأ الحالات. يستهلك MAX31856 بحد أقصى 2 مللي أمبير عند جهد إمداد 3.3 فولت (الجدول 3). وبذلك يتجاوز الاستهلاك الإجمالي 4 مللي أمبير، مما يعني أنه من غير الممكن تنفيذ جهاز إرسال بسلكين.

الجدول 3. استهلاك مكون استشعار درجة الحرارة

تطبيق MAX12900 في دائرة إرسال بثلاثة أسلاك

بعد استبعاد إمكانية استخدام حل ثنائي الأسلاك، دعونا نرى ما هي إمكانية تصميم دائرة ثلاثية الأسلاك. أول شيء يجب أخذه في الاعتبار هو أنه من الممكن استخدام دبوس طاقة موجب واحد فقط لكل من نقل البيانات وطاقة الدائرة. الجهد الكهربي 24 فولت (من PLC) مرتفع جدًا بالنسبة للمتحكم الدقيق و MAX31856، اللذين يتطلبان 3.3 فولت للتشغيل. هناك عدة طرق لحل هذه المشكلة. الأول هو استخدام محول DC/DC مثل MAX17550 لتحويل 24 فولت إلى 3.3 فولت، كما هو موضح في الشكل 4. إن MAX17550 عبارة عن محول DC/DC متزامن صغير الحجم وعالي الكفاءة مع تيار إخراج يصل إلى ما يصل إلى 25 مللي أمبير. لعزل واجهة المستشعر/mc PWM إلى MAX12900، استخدم المعزل الرقمي ثنائي القناة MAX12930. في الشكل 4، المكونات الموجودة في المربع المنقط موجودة في مجال طاقة معزول بأرضية عائمة تختلف عن أرض PLC.

هناك طريقة أخرى لحل مشكلة الطاقة وهي استخدام محول الجهد الخطي للتيار الهادئ المنخفض للغاية MAX15006AATT+، والذي يمكن أن يوفر 3.3 فولت مع تيار حمل يصل إلى 50 مللي أمبير، كما هو موضح في الشكل 5.

المشكلة الثانية التي يجب الانتباه إليها عند تصميم مثل هذه المستشعرات هي الأرض العائمة للمرسل. يجب أن يكون لدى المستشعر نفسه ووحدة التحكم الدقيقة وMAX12900 - جهاز إرسال تبادل البيانات - ناقل أرضي مشترك. وفي الوقت نفسه، فإن إمكانات هذه الأرض هي إمكانات عائمة بالنسبة إلى أرض PLC. تعتمد حالة الأرض العائمة على البيانات المرسلة ومستوى تحميل الحلقة. تم اتباع عدة طرق لمعالجة هذه المشكلة، مثل استخدام MAX12930 ثنائي القناة ومنخفض الطاقة (كما هو موضح في الشكل 4) لعزل مدخلات PWMA وPWMB عن جهاز الإرسال.

يتمثل النهج البديل في استخدام دائرة نشطة تراقب وتتحكم بشكل مستمر في مستوى الأرض المشترك لوحدة التحكم الدقيقة والمستشعر. أصبح خيار التنفيذ هذا ممكنًا ومريحًا نظرًا لوجود مضخم تشغيلي للأغراض العامة، وهو OP2، المدمج في MAX12900. تتطلب هذه الدائرة أيضًا استخدام قناة MOSFET Q3 الخارجية ذات الجهد المنخفض وترانزستور PNP للأغراض العامة Q4 لمطابقة انخفاضات الجهد عبر RLOAD وRSENSE.

استخدام MAX12900 في تطبيقات الإرسال بأربعة أسلاك

لقد نظرنا في كيفية استخدام MAX12900 في أجهزة الإرسال ثنائية وثلاثية الأسلاك. يعد تنفيذ حل الأسلاك الأربعة بسيطًا جدًا بالمقارنة، نظرًا لوجود دوائر طاقة ودوائر أرضية منفصلة للمستشعر وPLC.

خاتمة

يوفر مكيف الإشارة التناظرية ذو الطاقة المنخفضة للغاية MAX12900 من Maxim Integrated لأجهزة إرسال 4...20 مللي أمبير مستوى لا مثيل له من المرونة عبر مجموعة متنوعة من التطبيقات وهو مثالي للاستخدام في أجهزة استشعار التحكم والأتمتة الصناعية التي تحتاج إلى تحويلها إلى 4.. .20 مللي أمبير إشارة الحلقة الحالية.

أساسيات تشغيل الحلقة الحالية 4..20 مللي أمبير

منذ الخمسينيات من القرن الماضي، تم استخدام الحلقات الحالية لنقل البيانات من أجهزة الإرسال في تطبيقات المراقبة والتحكم. مع تكاليف التنفيذ المنخفضة، والحصانة العالية من الضوضاء والقدرة على نقل الإشارات عبر مسافات طويلة، أثبتت الحلقة الحالية أنها ملائمة بشكل خاص للتشغيل في البيئات الصناعية. هذه المادة مخصصة لوصف المبادئ الأساسية لتشغيل الحلقة الحالية وأساسيات التصميم والتكوين.

استخدام التيار لنقل البيانات من المحول

غالبًا ما تستخدم أجهزة الاستشعار الصناعية الإشارة الحالية لنقل البيانات، على عكس معظم محولات الطاقة الأخرى، مثل المزدوجات الحرارية أو مقاييس الضغط، التي تستخدم إشارة الجهد. على الرغم من أن المحولات التي تستخدم الجهد كمعامل لنقل المعلومات فعالة بالفعل في العديد من التطبيقات الصناعية، إلا أن هناك عددًا من التطبيقات التي يفضل فيها استخدام الخصائص الحالية. من العيوب الكبيرة لاستخدام الجهد الكهربي لنقل الإشارات في البيئات الصناعية هو ضعف الإشارة عند إرسالها لمسافات طويلة بسبب وجود المقاومة خطوط الأسلاكمجال الاتصالات. يمكنك بالطبع استخدام أجهزة ذات مقاومة عالية للإدخال للتغلب على فقدان الإشارة. ومع ذلك، ستكون هذه الأجهزة حساسة للغاية للضوضاء الناتجة عن المحركات القريبة أو أحزمة القيادة أو أجهزة إرسال البث.

وفقًا لقانون كيرشوف الأول، فإن مجموع التيارات المتدفقة إلى العقدة يساوي مجموع التيارات المتدفقة خارج العقدة.
ومن الناحية النظرية فإن التيار المتدفق في بداية الدائرة يجب أن يصل إلى نهايته بالكامل،
كما هو مبين في الشكل 1. 1.

رسم بياني 1. وفقا لقانون كيرشوف الأول، فإن التيار في بداية الدائرة يساوي التيار في نهايتها.

هذا هو المبدأ الأساسي الذي تعمل عليه حلقة القياس، وقياس التيار في أي مكان في حلقة التيار (حلقة القياس) يعطي نفس النتيجة. استخدام الإشارات الحالية وأجهزة الاستقبال لجمع البيانات عند مستوى منخفض مقاومة المدخلاتفي التطبيقات الصناعية من الممكن الحصول على فائدة كبيرة من تحسين المناعة ضد الضوضاء وزيادة طول خط الاتصال.

مكونات الحلقة الحالية
تتضمن المكونات الرئيسية للحلقة الحالية مصدر تيار مستمر، وجهاز استشعار، وجهاز الحصول على البيانات، والأسلاك التي تربطهم على التوالي، كما هو مبين في الشكل 2.

الصورة 2. رسم بياني وظيفيحلقة الحالية.

يوفر مصدر التيار المستمر الطاقة للنظام. يقوم المحول بتنظيم التيار في الأسلاك من 4 إلى 20 مللي أمبير، حيث يمثل 4 مللي أمبير الصفر الحي و 20 مللي أمبير يمثل الحد الأقصى للإشارة.
0 مللي أمبير (بدون تيار) يعني دائرة مفتوحة. يقيس جهاز الحصول على البيانات مقدار التيار المنظم. تتمثل إحدى الطرق الفعالة والدقيقة لقياس التيار في تثبيت مقاوم تحويل دقيق عند مدخل مضخم الأجهزة لجهاز الحصول على البيانات (في الشكل 2) لتحويل التيار إلى جهد قياس، والحصول في النهاية على نتيجة تعكس بوضوح الجهد إشارة عند إخراج المحول.

للمساعدة في فهم مبدأ تشغيل الحلقة الحالية بشكل أفضل، فكر، على سبيل المثال، في تصميم نظام بمحول له الخصائص التقنية التالية:

يستخدم محول الطاقة لقياس الضغط
يقع محول الطاقة على بعد 2000 قدم من جهاز القياس
يوفر التيار الذي يتم قياسه بواسطة جهاز الحصول على البيانات للمشغل معلومات حول مقدار الضغط المطبق على محول الطاقة

لنبدأ بالنظر إلى المثال عن طريق اختيار المحول المناسب.

تصميم النظام الحالي

اختيار المحول

الخطوة الأولى في تصميم النظام الحالي هي اختيار المحول. بغض النظر عن نوع المتغير الذي يتم قياسه (التدفق، الضغط، درجة الحرارة، وما إلى ذلك)، فإن العامل المهم في اختيار جهاز الإرسال هو جهد التشغيل. يسمح لك توصيل مصدر الطاقة بالمحول فقط بتنظيم مقدار التيار في خط الاتصال. يجب أن يكون جهد مصدر الطاقة ضمن الحدود المقبولة: أكبر من الحد الأدنى المطلوب وأقل من الحد الأقصى للقيمة التي قد تؤدي إلى تلف المحول.

بالنسبة للنظام الحالي في المثال، يقوم محول الطاقة المحدد بقياس الضغط وله جهد تشغيل يتراوح من 12 إلى 30 فولت. بمجرد تحديد محول الطاقة، يجب قياس الإشارة الحالية بشكل صحيح لتوفير تمثيل دقيق للضغط الذي يتم تطبيقه على محول الطاقة .

اختيار جهاز الحصول على البيانات للقياس الحالي

أحد الجوانب المهمة التي يجب الانتباه إليها عند بناء نظام تيار هو منع ظهور حلقة تيار في الدائرة الأرضية. استقبال عاموفي مثل هذه الحالات يكون هناك عزلة. باستخدام العزل، يمكنك تجنب تأثير الحلقة الأرضية، والتي تم توضيح حدوثها في الشكل 3.

تين. 3. حلقة الأرض

تتشكل الحلقات الأرضية عندما يكون طرفان متصلان في الدائرة في إمكانات مختلفة. يقدم هذا الاختلاف تيارًا إضافيًا إلى خط الاتصال، مما قد يؤدي إلى أخطاء في القياس.
يشير عزل جهاز الحصول على البيانات إلى الفصل الكهربائي لأرض مصدر الإشارة عن أرض مضخم إدخال جهاز القياس، كما هو موضح في الشكل 4.

وبما أن التيار لا يمكن أن يتدفق عبر حاجز العزل، فإن النقاط الأرضية لمكبر الصوت ومصدر الإشارة تكون لهما نفس الإمكانية. وهذا يلغي إمكانية إنشاء حلقة أرضية عن غير قصد.

الشكل 4. جهد الوضع المشترك وجهد الإشارة في دائرة معزولة

يمنع العزل أيضًا تلف جهاز الحصول على البيانات عند وجود جهد عالي للوضع المشترك. جهد الوضع المشترك هو جهد بنفس القطبية موجود عند كلا مدخلي مضخم الأجهزة. على سبيل المثال، في الشكل 4. كل من المدخلات الموجبة (+) والسالبة (-) لمكبر الصوت لها جهد الوضع المشترك +14 فولت. تحتوي العديد من أجهزة الحصول على البيانات على نطاق إدخال أقصى يبلغ ±10 فولت. إذا لم يكن جهاز الحصول على البيانات مزودًا بعزل وكان جهد الوضع الشائع خارج نطاق الإدخال الأقصى، فقد يؤدي ذلك إلى تلف الجهاز. على الرغم من أن جهد (الإشارة) الطبيعي عند دخل مكبر الصوت في الشكل 4 هو +2 فولت فقط، إلا أن إضافة +14 فولت يمكن أن يؤدي إلى جهد +16 فولت
(جهد الإشارة هو الجهد بين "+" و"-" لمكبر الصوت، جهد التشغيل هو مجموع جهد الوضع العادي والشائع)، وهو ما يمثل مستوى جهد خطير لأجهزة التجميع ذات جهد التشغيل المنخفض.

في عزلة، يتم فصل النقطة المشتركة للمضخم كهربائيًا عن نقطة الصفر. في الدائرة الموضحة في الشكل 4، يتم "رفع" الجهد عند النقطة المشتركة للمكبر إلى مستوى +14 فولت. وتؤدي هذه التقنية إلى انخفاض جهد الدخل من 16 إلى 2 فولت. والآن بعد أن تم جمع البيانات، يقوم الجهاز لم يعد معرضًا لخطر تلف الجهد الزائد. (لاحظ أن العوازل لديها أقصى جهد للوضع المشترك يمكنها رفضه.)

بمجرد عزل جهاز الحصول على البيانات وحمايته، فإن الخطوة الأخيرة في إنشاء الحلقة الحالية هي اختيار مصدر الطاقة المناسب.

اختيار مصدر الطاقة

يعد تحديد مصدر الطاقة الذي يناسب احتياجاتك أمرًا سهلاً. عند التشغيل في حلقة تيار، يجب أن ينتج مصدر الطاقة جهدًا يساوي أو أكبر من مجموع انخفاضات الجهد عبر جميع عناصر النظام.

يستخدم جهاز الحصول على البيانات في مثالنا تحويلة دقيقة لقياس التيار.
من الضروري حساب انخفاض الجهد عبر هذه المقاومة. مقاومة التحويل النموذجية هي 249 أوم. الحسابات الأساسية للنطاق الحالي للحلقة الحالية من 4 .. 20 مللي أمبير
عرض ما يلي:

أنا * ص = ش
0.004 أمبير * 249 أوم = 0.996 فولت
0.02 أمبير * 249 أوم = 4.98 فولت

من تحويلة 249 أوم، يمكننا إزالة جهد في النطاق من 1 إلى 5 فولت عن طريق ربط قيمة الجهد عند مدخل جهاز الحصول على البيانات بقيمة إشارة الخرج لمحول طاقة الضغط.
كما ذكرنا سابقًا، يتطلب مرسل الضغط حدًا أدنى لجهد التشغيل يبلغ 12 فولتًا وبحد أقصى 30 فولتًا. وبإضافة انخفاض الجهد عبر مقاومة التحويل الدقيقة إلى جهد تشغيل المرسل، نحصل على ما يلي:

12 فولت + 5 فولت = 17 فولت

للوهلة الأولى، يكون الجهد الكهربي 17 فولت كافيًا، ومع ذلك، من الضروري أن نأخذ في الاعتبار الحمل الإضافي على مصدر الطاقة الذي يتم إنشاؤه بواسطة الأسلاك التي تحتوي على المقاومة الكهربائية.
في الحالات التي يكون فيها المستشعر بعيدًا عن أدوات القياس، يجب مراعاة عامل مقاومة الأسلاك عند حساب الحلقة الحالية. سلك نحاسلديك مقاومة العاصمة، والذي يتناسب طرديا مع طولها. باستخدام مستشعر الضغط المثال، تحتاج إلى حساب 2000 قدم من طول خط الاتصال عند تحديد جهد التشغيل لمصدر الطاقة. المقاومة الخطية أحادية النواة الكابلات النحاسية 2.62 أوم/100 قدم. وبأخذ هذه المقاومة في الاعتبار يعطي ما يلي:

مقاومة النواة الواحدة بطول 2000 قدم ستكون 2000 * 2.62 / 100 = 52.4 م.
سيكون انخفاض الجهد عبر قلب واحد 0.02 * 52.4 = 1.048 فولت.
لإكمال الدائرة، هناك حاجة إلى سلكين، ثم يتضاعف طول خط الاتصال، و
سيكون إجمالي انخفاض الجهد 2.096 فولت. وينتج عن ذلك حوالي 2.1 فولت نظرًا لأن المسافة من المحول إلى الجهاز الثانوي هي 2000 قدم. بتلخيص انخفاض الجهد عبر جميع عناصر الدائرة، نحصل على:
2.096 فولت + 12 فولت + 5 فولت = 19.096 فولت

إذا استخدمت 17 فولتًا لتشغيل الدائرة المعنية، فسيكون الجهد الذي يتم توفيره لمحول الضغط أقل من الحد الأدنى لجهد التشغيل بسبب انخفاض مقاومة الأسلاك ومقاوم التحويل. خيار مصدر نموذجيسوف يلبي مصدر 24V متطلبات الطاقة للعاكس. بالإضافة إلى ذلك، يوجد احتياطي للجهد من أجل وضع مستشعر الضغط على مسافة أكبر.

مع تحديد محول الطاقة الصحيح وجهاز الحصول على البيانات وطول الكابل ومصدر الطاقة، يكتمل تصميم حلقة التيار البسيطة. بالنسبة للتطبيقات الأكثر تعقيدًا، يمكنك تضمين قنوات قياس إضافية في النظام.

نيزهني نوفجورود

لماذا إشارة 4...20 مللي أمبير؟

يتم تفسير التوزيع الواسع للإشارة الموحدة الحالية 4...20 مللي أمبير بالأسباب التالية:
- لا يتأثر إرسال الإشارات الحالية بمقاومة أسلاك التوصيل، وبالتالي تنخفض متطلبات قطر وطول أسلاك التوصيل، وبالتالي التكلفة؛
- تعمل الإشارة الحالية على حمل ذو مقاومة منخفضة (مقارنة بمقاومة مصدر الإشارة)، وبالتالي فإن التداخل الكهرومغناطيسي المستحث في دوائر التيار يكون صغيراً مقارنة بالدوائر المماثلة التي تستخدم إشارات الجهد؛
- يتم تحديد انقطاع خط نقل الإشارة الحالية 4...20 مللي أمبير بوضوح وسهولة عن طريق قياس الأنظمة بمستوى التيار الصفري في الدائرة (في الظروف العادية يجب أن يكون 4 مللي أمبير على الأقل) ؛
- الإشارة الحالية البالغة 4...20 مللي أمبير لا تسمح فقط بنقل إشارة معلومات مفيدة، ولكن أيضًا لتوفير الطاقة لمحول التوحيد نفسه: الحد الأدنى المسموح به وهو 4 مللي أمبير يكفي لتشغيل الأجهزة الإلكترونية الحديثة.

خصائص محولات الحلقة الحالية 4…20 مللي أمبير

أرز. 2.ظهور NPSI-GRTP - المحولات التي تنتجها NPF "KontrAvt" مع فصل كلفاني لـ 1، 2، 4 قنوات من الحلقة الحالية

تظهر خيارات الاتصال بمصادر الإشارات النشطة والسلبية في الشكل. 3 و 4. في الحالة الأخيرة، مطلوب مصدر طاقة إضافي.

أرز. 3.توصيل محولات NSSI-GRTP بمصدر نشط

أرز. 4.توصيل محولات NSSI-GRTP بمصدر سلبي باستخدام وحدة إمداد طاقة إضافية BP

في أنظمة القياس حيث يكون من الضروري فصل إشارات الدخل، يكون مصدر إشارة الدخل، كقاعدة عامة، أجهزة استشعار القياس (MS)، وأجهزة الاستقبال هي أجهزة قياس ثانوية (MI) (منظمات، وحدات تحكم، مسجلات، إلخ). .

في أنظمة التحكم التي تتطلب فصل إشارات الخرج، تكون المصادر عبارة عن أجهزة تحكم (أقراص مضغوطة) (منظمات، وحدات تحكم، مسجلات، وما إلى ذلك)، وتكون أجهزة الاستقبال عبارة عن مشغلات (أقراص مضغوطة) مع التحكم الحالي (مشغلات غشائية (MIMs)، ومنظمات الثايرستور ، محولات التردد، الخ.).

أرز. 5.استخدام المحولات أحادية القناة والثنائية القناة لمضاعفة الإشارة “1 إلى 2”

أرز. 6.توصيل الخطوط الخارجية باستخدام موصلات طرفية قابلة للفصل

تم تصميم معاير حلقة التيار RZU-420 لتعيين إشارات تيار موحدة تبلغ 4...20 مللي أمبير أثناء اختبار أنظمة التشغيل الآلي، وكذلك للتحكم في حجم التيار والجهد. يمكن تشغيل الحلقة الحالية إما من النظام قيد الاختبار أو من الجهاز.

الجهاز محمول ويعمل ذاتيًا بالبطاريات. من الممكن أيضًا تشغيل الجهاز من شبكة 220 فولت باستخدام محول شبكة خارجي.

يحتوي الجهاز على واجهة بديهية وسهلة الاستخدام. إن الوظائف الواسعة لـ RZU-420 وبيئة العمل والتكلفة المنخفضة تجعله أمرًا لا غنى عنه لمشغل نظام التحكم الآلي في العمليات أثناء التشغيل. يمكن أن يؤدي استخدام RZU-420 إلى تقليل وقت التشغيل بشكل كبير.

خضع معاير الحلقة الحالية RZU-420 لاختبارات مكثفة في ظل ظروف التشغيل الحقيقية وحصل على تقييمات إيجابية في جميع الفحوصات والاختبارات الفنية.

قدرات RZU-420

عرض متزامن للمرجع الحالي بدقة جزء من الألف من مللي أمبير وعرض مرجع الإخراج كنسبة مئوية من مقياس 4...20 مللي أمبير بدقة عُشر بالمائة.
نطاق الإعداد الحالي: 0…25 مللي أمبير (على مقياس خطي).
يتمتع RZU-420 بالقدرة على قياس معلمات الحلقة الحالية مثل التيار I والجهد U.
يمكن للجهاز أن يعمل إما من مصدر طاقة خارجي أو من مصدر مدمج. يتم تبديل الأوضاع عن طريق الضغط على مفتاح على لوحة الجهاز مع عرض وضع الطاقة المحدد باستمرار على الشاشة.
يتيح لك الجهاز إجراء كل من إعداد التيار السلس مع تفرد بنسبة 0.1% من المقياس وإعداد التيار خطوة بخطوة كل 1 مللي أمبير. كما يسمح لك RZU-420 بتوليد إشارة 4...20 مللي أمبير وضع المهمة الوظيفية: التعرج، المنشار، المثلث، موجة جيبية. يتم تبديل وضع المهمة باستخدام مفتاح موجود على اللوحة الأمامية للجهاز مع عرض الوضع المحدد باستمرار على الشاشة.
يحتوي الجهاز على إشارة إلى انقطاع الحلقة الحالية. إذا تم كسر الحلقة الحالية، تضيء رسالة "استراحة" على مؤشر LCD.
يحتوي الجهاز على مؤشر لحالة البطارية، يتم عرضه باستمرار على الشاشة، مما يسمح لك بحساب وقت التشغيل المتوقع من مجموعة معينة من البطاريات.
شاشة الجهاز مزودة بإضاءة خلفية للقدرة على العمل في ظروف الإضاءة المنخفضة.
الحد الأقصى لخطأ المرجع/القياس الأساسي هو ±0.1% فقط.
جسم الجهاز مصنوع من البلاستيك المقاوم للصدمات مع مستوى حماية من الغبار والرطوبة IP20.
هناك شهادة أداة القياس.