Mendapatkan sinyal output sebesar 4,20 mA. Sinyal analog terpadu dalam sistem otomasi

Sensor arus (konverter) dirancang untuk pemantauan arus non-kontak di sirkuit listrik dengan tegangan pengenal hingga 660 V. Sensor mengubah sinyal masukan AC menjadi sinyal keluaran DC 4-20mA atau 0-20mA atau 0-10V, yang dapat dikirim ke alat ukur universal atau pengontrol kontrol.

Sensornya tersegel dan dapat dipasang di mana saja, termasuk di tempat tersembunyi dan sulit dijangkau. Mereka tidak dapat diperbaiki atau memerlukan pemeliharaan, mereka berisi trafo arus built-in dan platform Ayumi universal, yang dirancang khusus untuk digunakan dengan trafo instrumen yang kami produksi dan terdiri dari penyearah op-amp presisi, sirkuit pengintegrasi (konstanta waktu 0,6- 0,8 detik) dan pembentuk sinyal analog keluaran.

Tegangan suplai terukur dari sensor adalah 24V(DC), pengoperasian dipertahankan sepenuhnya pada kisaran tegangan 20-28V. Sensor tidak sensitif terhadap denyut dan ketidakstabilan tegangan suplai. Kisaran suhu pengoperasian -40...+85 derajat C. Saat ini sensor berikut tersedia untuk dipesan:

TP03S (foto 2) untuk arus pengenal dari 1 hingga 90A dengan lubang. 11mm TTP60 (foto 5) - untuk arus dari 10 hingga 500A dengan lubang. 37mm TP60 - untuk arus dari 0,05 hingga 300A dengan lubang. 37mm TP102S (foto 4) - untuk arus dari 0,05 hingga 40A dengan lubang 14 mm.

Arus apa pun dalam rentang yang ditentukan tersedia untuk dipesan. Linearitas dan stabilitas sangat tinggi dalam kisaran 1-100% dari arus pengenal. Kesalahan konversi yang dikurangi kurang dari 2% tanpa kalibrasi dan kurang dari 1% dengan kalibrasi tambahan selama pembuatan. Sensor diproduksi sesuai dengan TU 27.11. 50.120-001-11976052-2017

Saat memesan, dimungkinkan untuk menentukan pengurangan tegangan suplai sebesar 9(12) V dengan pengurangan tegangan maks. nilai keluaran sinyal hingga 3(5)v.

Nama sensor arus untuk pemesanan: TP03C-xx/yy-zz(mm), dimana

• xx - arus pengenal (A)
• yy- sinyal keluaran: 0-1V/0-10V/0-20mA/4-20mA
• zz-00-keluaran kaku
• mm - perhatikan, misalnya (blok terminal) - keluaran dibuat dalam bentuk blok terminal. Perhatian! Opsi tersedia secara lengkap untuk TPP60 dan TP60. Untuk TP03 dan TP102 hanya terkait dengan opsi 4-20mA

Misalnya: TP03S-30A/(4-20mA)-00, mis. sensor TP03S dengan nom. memasukkan arus 30A, keluaran 4-20mA, pin keras untuk pemasangan sirkuit cetak.

Harap diperhatikan lagi: Saat memesan, parameter arus pengenal dan sinyal keluaran dapat ditentukan pada nilai apa pun dalam batas yang ditentukan, yaitu. untuk TP03S - 1...90A; TP102S - 0,1...40A;TP60 - 0,05...300A TTP60 - 10...500A untuk arus masukan, dan 0...20mA; 1...20mA; 0...10v. untuk sinyal keluaran! Sensitivitas sensor tidak lebih buruk dari 0,1% dari nilai nominal. saat ini Hal ini tidak tercermin dalam harga.

Perhatian: Impedansi masukan meteran pada sisi penerima harus:

• tidak lebih rendah dari 50 kOhm untuk modifikasi 0-1V;
• tidak lebih rendah dari 100 kOhm untuk 0-10V;
• tidak lebih tinggi dari 500 ohm untuk 0-20mA (termasuk konduktor penahan)
• tidak lebih tinggi dari 500 ohm untuk 4-20mA (termasuk konduktor penahan) pada 24V. pasokan loop saat ini

Rumah sensor memberikan isolasi galvanik yang sangat baik dari sirkuit yang dipantau, yang cukup untuk aplikasi apa pun.

Sensor TP03S memiliki lubang dengan diameter 11mm, TP102S - 14mm, TTP60 dan TP60 - 37mm untuk jalur terkontrol. Jika perlu, dimungkinkan untuk menggunakan trafo arus produksi kami untuk menambah lubang atau arus terukur. Contoh implementasi tersebut ditunjukkan pada Foto 1. Desain ini memungkinkan Anda mengontrol sirkuit dengan cara non-kontak, tanpa melepaskan insulasinya, yang secara signifikan meningkatkan keandalan dan keamanan jaringan listrik. Arus terukur terukur kecil dan lubang TP102S dan TP60 yang layak juga memungkinkannya digunakan sebagai transformator arus diferensial untuk mengukur arus bocor dalam saluran (transformator arus urutan nol), misalnya, untuk versi 100mA, rentang pengukuran arus masukan adalah dari 1 hingga 100mA dengan linearitas yang baik.

Desain dan prinsip operasi

Ketika arus mengalir di sirkuit eksternal, trafo arus internal menyediakan isolasi galvanik dan mengubah arus ini menjadi arus yang lebih rendah, yang diperkuat oleh konverter penguat tegangan arus. Tegangan yang dihasilkan disearahkan dengan penyearah presisi dan diumpankan ke rangkaian RC, yang memungkinkan seseorang mengisolasi tegangan rata-rata sebanding dengan masukan. saat ini Penggerak arus tegangan dipasang pada keluaran rangkaian RC, yang juga berfungsi sebagai penyangga dan membawa sinyal keluaran ke 0. Tegangan keluaran terbentuk ketika arus penggerak mengalir melalui Rn. Berkat ini, tegangan keluaran dapat bervariasi dalam rentang yang luas (0-1V; 0-2V, dll.) untuk nilai masukan tertentu. saat ini, yang memungkinkan Anda untuk menyesuaikan koefisien. konversi dengan menyesuaikan resistor beban. Penyesuaian ini juga dapat dilakukan jika diperlukan penurunan koefisien. transmisi atau penyesuaian ADC dengan referensi yang ada. Pada saat yang sama, nilai output. tegangan dan resistansi internal (tidak lebih dari 49,9 ohm untuk 0-1v dan 499 ohm untuk opsi 0-10v) dari output analog memungkinkan Anda dengan mudah menghubungkannya dengan mikrokontroler ADC atau alat ukur standar yang memiliki 0-1v atau 0- masukan 10v. Jika perlu, pada tahap pembuatan, dimungkinkan untuk mengurangi atau menambah konstanta waktu rangkaian RC atau menyesuaikan keluaran yang diperlukan. tegangan atau arus.

Modifikasi sensor dengan output 0-20mA tidak memiliki resistor bawaan. Maks. tegangan pada output 4 bisa mencapai 10V. yang membatasi masukan. resistansi meter dengan mempertimbangkan resistansi kawat 500 ohm. Dalam modifikasi 4-20mA, resistor bawaan 0...10 ohm dipasang dan koneksi 2 kabel digunakan, yang membatasi input. Resistansi meteran ini sudah mencapai 800 ohm dengan catu daya 24V.

Konsumsi sendiri sensor Ayumi tanpa adanya input. arus tidak melebihi 0,8-1mA pada rentang tegangan 20-28V. Jika masukan terlampaui. arus di atas nilai pengenal, sirkuit perlindungan internal diaktifkan, membatasi arus keluaran dari 20 hingga 35 mA menurut hukum logaritmik (24-39 mA untuk 4-20), sedangkan tegangan keluaran tidak boleh melebihi 11 V, dan konsumsi arus maksimum adalah 38 mA, yang memungkinkan penggunaannya dengan catu daya rendah.Harap diperhatikan: arus masukan maksimum yang diizinkan untuk TP03 dan TP102 tidak boleh melebihi 200A untuk menghindari kerusakan pada trafo atau sirkuit elektronik internal. Untuk TTP60 batas ini diatur pada 500A untuk waktu lama dan 1000A hingga 2 detik, untuk TP60 dengan kisaran 0,05-150A pada kecepatan 300A, untuk 150-300A dengan kecepatan 500A

Diagram koneksi sensor tipikal ditunjukkan pada Gambar. 3.

• Pada Gambar. Gambar 3a menunjukkan diagram koneksi TP03S-xx/(0-1v) ke meteran universal 0-1v dan tidak memiliki fitur khusus; T03S-xx/(0-10v) ke meteran universal 0-10v memiliki koneksi serupa.
• Pada Gambar. Gambar 3b menunjukkan rangkaian untuk memasangkan TP03S-xx/(0-10v) dengan ADC mikrokontroler dengan ION=5v bawaan. Untuk mengurangi tegangan keluaran dari 10 menjadi 5V. Resistor tambahan 510 ohm dipasang. Untuk tegangan ION lainnya, nilai resistor tambahan dapat dihitung dengan rumus: Rx=510*Ux/(10-Ux).
• Pada Gambar. Gambar 3c menunjukkan diagram koneksi TP03S-xx/(4-20mA) ke meteran universal 4-20mA dan tidak memiliki fitur khusus.
• Pada Gambar. 3d menunjukkan diagram koneksi TP03S-xx/(0-20mA) ke meteran universal 0-20mA.

Loop arus adalah antarmuka transfer informasi dua kabel di mana data tertanam dalam nilai saat ini.

Ucapan Terima Kasih

Terima kasih banyak kepada Mikhail Guk untuk buku-buku menariknya. Suatu ketika, penulis memulai studi elektronik modern dengan ensiklopedia dan publikasi orang yang luar biasa ini. Tanpa internet, buku pelajaran harus dengan sabar dibalik dengan tangan Anda, dan sebagian besar tikus berlarian di bawah tanah.

Perusahaan muRata senantiasa memberikan informasi segar kepada pembaca, yang berarti kini pembaca juga akan mengetahui berita tersebut. Produk yang dimaksud telah disebutkan di bagian sensor buluh. Kita berbicara tentang perkembangan terbaru – RedRock.

Perlunya loop saat ini

Loop arus 4-20 mA dianggap sebagai protokol umum untuk mengirimkan informasi sensor. Dalam industri seringkali diperlukan pengukuran parameter fisik, misalnya:

• Tekanan;
• Suhu;
• Aliran fluida.

Kebutuhan muncul terus-menerus ketika informasi perlu dikirimkan melalui jarak ratusan meter atau lebih. Loop arus dianggap sebagai antarmuka digital yang lambat, dan ini disebabkan oleh muatan kapasitansi kabel dari sumber (yang memanifestasikan dirinya dengan meningkatnya frekuensi); ada cukup banyak kemungkinan untuk perangkat analog atau diskrit. Pemancar dilengkapi dengan baterai 12 (lebih jarang) atau 24 V (lebih sering). Yang terakhir memungkinkan transmisi informasi lebih lanjut; parameter penting menjadi arus, bukan tegangan. Semakin panjang antreannya, potensi penurunannya semakin nyata.

Solusi teknis yang diberikan memiliki beberapa kelemahan. Pertama, Anda harus menggunakan kabel berpelindung, dan kedua, peningkatan jangkauan menyebabkan penurunan efisiensi yang tajam. Loop arus tipikal terdiri dari empat komponen:

1. Sumber Daya listrik. Lokasinya sewenang-wenang.
2. Penerima atau monitor.
3. Pemancar (sensor).
4. Konverter tegangan ke arus.

Sensor memberikan informasi sebanding dengan parameter yang diukur, diwakili oleh tegangan. Oleh karena itu, Anda perlu melakukan konversi ke arus. Kemudian informasi tersebut dikodekan berdasarkan level saat ini atau dalam bentuk biner: 4 mA - nol, 20 mA - satu. Di sisi penerima, informasi didekripsi.

Penggemar teknologi digital mengklaim rendahnya kecepatan loop saat ini. Memang benar, dengan kapasitansi linier 75 pF/m, seutas kawat sepanjang satu kilometer membentuk kapasitor dengan nilai nominal 75 nF. Ketika frekuensi meningkat, resistensi menurun, efek penghalusan dan penyaringan mencegah Anda bekerja dengan benar dengan informasi. Dalam 19 μs, kapasitor terisi penuh dari tegangan 5 V, menyebabkan batasan yang diamati sebesar 9,6 kbit/s.

Loop saat ini sendiri dianggap sebagai protokol usang; protokol lain yang banyak digunakan sudah siap menggantikannya, misalnya MIDI dan antarmuka industri HART, yang kurang dikenal di kalangan masyarakat umum.

informasi Umum

Kejutan pertama adalah tidak adanya standar yang seragam. Protokol 4-20 mA, 0-20 mA dan 0-60 mA telah menjadi dominan; tidak ada aturan yang tegas dan tegas. Informasi apa pun dapat dikirimkan dalam loop saat ini. Jika ini adalah kode biner, satu berarti adanya arus 20 mA, tergantung pada pengaturan sistem, dan nol berarti tidak adanya sinyal atau adanya 4 mA. Jika terjadi putus saluran pada saat transmisi paket, hal ini tentunya dikenali melalui stop byte.

Antarmuka telah digunakan sejak tahun 50an, awalnya unit diberi kode 60 mA DC. Akibatnya, efisiensi sistem menjadi jauh lebih rendah. Loop 20 mA muncul pada tahun 1962 sebagai sinyal untuk teletipe - untuk pencetakan pesan jarak jauh (menghubungkan dua mesin tik listrik). Sejak awal tahun 80-an, mereka mencoba meredam arus, tidak selalu berhasil. Kami memutuskan untuk berkompromi:

1. 4 mA berarti nol “hidup”. Sehingga sistem mengetahui secara pasti apakah terjadi putusnya jaringan.
2. Unit ini tetap 20 mA.

Batasan utama adalah jarak penyampaian informasi. Parameternya dipengaruhi oleh bitrate: pada jarak kilometer, kecepatan transmisi informasi yang diizinkan adalah 9600 bits/detik. Di atas 19,2 kbit/s saluran tidak digunakan. Akibatnya, jangkauan dipengaruhi oleh parameter kelistrikan saluran dan tingkat interferensi. Loop saat ini seharusnya diganti sesuai dengan ide Fieldbus; pada kenyataannya, versi standar port COM RS-485 (1983) mulai digunakan saat ini. Hingga saat ini, terminal yang menggunakan protokol RS-232 dihubungkan menggunakan loop arus, dan konversi yang diperlukan dilakukan di sisi penerima. Terkadang printer yang dipilih bekerja berdasarkan protokol. Misalkan batas teoritis di sini adalah 115 kbis/s, dalam praktiknya digunakan 9600.

Keunikan loop arus adalah pemancar tidak memperhatikan tegangan. Kekuatan bervariasi. Yang utama adalah menjaga nilai saat ini, 20 mA. Oleh karena itu, semakin panjang salurannya, semakin rendah efisiensinya. Ini adalah aturan yang ditegakkan dengan ketat. Secara berkala, terjadi loop arus dengan isolasi galvanik. Untuk tujuan ini, optocoupler dan struktur semikonduktor serupa digunakan.

Biasanya, kabel berpelindung digunakan untuk menghindari interferensi kapasitif paralel yang tidak dapat dikompensasi atau dilacak. Kabel twisted pair berpelindung adalah pilihan yang baik untuk membuat jaringan. Berkat jalinan kabel yang erat, ini menghilangkan interferensi eksternal dalam bentuk interferensi induktif dan mode umum. Untuk membuat saluran dupleks, dua pasangan terpilin digunakan; antarmuka dikontrol secara perangkat lunak menggunakan metode XON/XOFF. Aplikasi khusus yang layak mengatasi kerumitan dalam membuat permintaan dan tanggapan transfer terlebih dahulu.

Pada penerima, arus diubah menjadi tegangan menggunakan pembagi resistif. Tergantung pada tegangan, resistansi 125 - 500 Ohm digunakan. Terkadang adaptor (konverter sinyal) dipasang di sisi pemancar atau penerima ke antarmuka serial port COM. Penurunan tegangan pada resistor dihitung menurut hukum Ohm, misalnya untuk nilai nominal 250 Ohm akan menjadi 250 x 0,02 = 5 V. Oleh karena itu, penerima dapat dikalibrasi, jika perlu, ke tingkat yang diinginkan.

Di mana loop saat ini digunakan?

1. Pengendalian proses teknologi. Di bidang manufaktur, loop arus 4-20 mA dianggap sebagai antarmuka analog utama. Nol “hidup” digunakan ketika tidak adanya sinyal sama sekali berarti putusnya saluran. Arus 4 mA terkadang digunakan sebagai daya untuk pemancar, atau sinyal yang masuk dimodulasi oleh sensor dan dikembalikan sebagai informasi. Ada sirkuit di mana baterainya terpisah, kemudian sinyalnya dimodulasi. Baik penerima maupun pemancar tidak membuang energinya sendiri.
2. Pada zaman telepon analog, loop arus tetap menjadi antarmuka koneksi favorit. Dan saat ini masih ada kabel listrik di apartemen. Di sini telepon ditenagai oleh stasiun dan memodulasi sinyal untuk memanggil pelanggan. Seperti halnya sensor yang dijelaskan di atas. Garis-garis ini tetap menjadi warisan masa lalu. Misalnya saja perusahaan Bella System yang menggunakan daya DC hingga 125 V.
3. Loop arus terkadang digunakan untuk menyampaikan informasi berdasarkan level sinyal. Misalnya, 15 mA berarti “terbakar!”, 6 mA berarti “semuanya baik-baik saja”, 0 mA berarti putusnya saluran. Setiap pabrikan lokal menetapkan aturannya sendiri dan menggunakan protokol.
4. Dalam telepon, stasiun pangkalan dapat dikontrol melalui loop arus. Ini disebut "kendali jarak jauh DC". Misalnya, Motorola MSF-5000 menggunakan arus konstan 4 mA untuk mengirimkan sinyal layanan. Contoh protokol tersebut:

• Tidak ada arus - terima di saluran 1.
• +6 mA – transmisi pada saluran 1.
• -6 mA – menerima informasi di saluran 2.
• -12 mA – transmisi pada saluran 2.

antarmuka MIDI

Format MIDI populer di kalangan musisi dan merupakan protokol perekaman audio digital khusus. Pada tingkat fisik, ini diatur menurut rangkaian loop arus 5 mA. Tentu saja, karena perbedaan level unit, kedua standar transmisi tersebut tidak kompatibel secara langsung. Menurut Mikhail Guk, MIDI dikembangkan pada tahun 1983 dan menjadi aturan de facto untuk menghubungkan synthesizer.

Wikipedia melaporkan bahwa pada bulan Juni 1981, Roland Corporation mengajukan ide antarmuka standar kepada produsen synthesizer besar, Oberheim Electronics. Pada bulan Oktober, Smith, Oberheim dan Kakihashi mendiskusikan hal ini dengan dewan direksi Yamaha, Korg dan Kawai, dan pada bulan November, di pameran masyarakat AES, mereka mendemonstrasikan versi pertama yang bisa diterapkan.

Antarmuka ini sedang dikembangkan selama dua tahun, dan pada bulan Januari 1983, Smith menghubungkan dua synthesizer analog melalui MIDI. Hal ini memungkinkan untuk mentransfer aransemen secara langsung dan membuat komposisi musik baru. Belakangan, file MIDI diperkenalkan untuk mendukung sistem operasi Windows, memungkinkan penulis memproses melodi secara langsung, menjenuhkannya dengan efek khusus baru yang tidak ditemukan di synthesizer asli. Pengenalan sampel berbagai instrumen memungkinkan pemain untuk mereproduksi musik pengiring dengan kompleksitas apa pun.

Penerapan MIDI

MIDI menggunakan jalur fisik 5 mA. Jarang ditemukan 10. Isolasi galvanik dilakukan melalui optocoupler. Pembalikan sinyal dikenali sebagai ciri khas:

1. Ada arus.
2. Tidak ada arus.

Oleh karena itu MIDI tidak secara langsung kompatibel dengan loop arus konvensional. Banyak orang melihat antarmuka fisiknya, tetapi tidak mengetahui namanya. Secara visual soketnya berupa piringan dielektrik dengan potongan samping, terdapat 5 lubang (DIN) di sekelilingnya. Strukturnya dikelilingi lingkaran oleh layar. Musisi memiliki tiga jenis antarmuka:

1. MIDI-Masuk.
2. MIDI Keluar.
3. MIDI Melalui.

Port MIDI terkadang ditemukan pada motherboard komputer pribadi. Dalam mode normal, pin 12 dan 15 yang tidak terpakai dari port adaptor game DB-15S digunakan secara fisik. Logika TTL yang digunakan di sini memerlukan adaptor untuk berinteraksi dengan synthesizer standar menggunakan protokol loop saat ini. Chip konverter tidak terlalu rumit; ia mencakup optocoupler, dioda, dan sejumlah elemen logika.

Port MIDI dapat diprogram melalui UART sebagai port serial COM. Ada kartu suara dengan MIDI yang dijual atau kartu ekspansi terpisah untuk slot gratis.

Protokol HART

Ini merupakan pengembangan dari protokol Fieldbus, yang banyak digunakan di industri. Basis yang mendasarinya adalah loop arus 4-20 mA, yang berarti dapat menggunakan pasangan terpilin (twisted pair) yang tersisa dari protokol yang sudah usang. Pada awalnya, standar ini dianggap sebagai antarmuka komunikasi yang sangat terspesialisasi, tetapi pada tahun 1986 standar ini dirilis ke publik. Transmisi melalui HART terjadi dalam paket lengkap, terdiri dari:

1. Pembukaan – 5-20 byte. Berfungsi untuk sinkronisasi dan deteksi operator.
2. Mulai byte – 1 byte. Menunjukkan nomor induk bus.
3. Alamat – dari 1 hingga 5 byte. Ditugaskan untuk menguasai, melayani dan berfungsi sebagai tanda khusus mode batch.
4. Ekstensi – dari 0 hingga 3 byte. Panjangnya ditunjukkan dalam byte awal.
5. Perintah – 1 byte. Apa yang harus dilakukan oleh pelayan itu.
6. Jumlah byte data adalah 1 byte. Ukuran bidang data dalam byte.
7. Data – dari 0 hingga 255 byte. Data yang membantu menguraikan urutan tindakan.
8. Checksumnya adalah 1 byte. Berisi hasil operasi logika XOR untuk semua byte kecuali byte awal dan akhir pada blok data.

Tentu saja, struktur paketnya khas untuk perangkat digital dan perlu didekripsi agar perintah dapat dijalankan dengan benar.

Nizhny Novgorod

Artikel ini merupakan kelanjutan dari rangkaian publikasi di jurnal ISUP yang dikhususkan untuk standardisasi *, **, *** ****. Artikel “Mengubah yang serupa menjadi yang serupa dalam sistem pengukuran dan kendali” (ISUP. 2012. No. 1) dikhususkan untuk standardisasi, yang mengubah sinyal masukan terpadu menjadi sinyal keluaran terpadu.

Mengapa sinyal 4...20 mA?

Distribusi luas sinyal terpadu arus 4...20 mA dijelaskan oleh alasan berikut:
- transmisi sinyal arus tidak dipengaruhi oleh resistansi kabel penghubung, oleh karena itu persyaratan untuk diameter dan panjang kabel penghubung, dan karenanya biayanya, berkurang;
- sinyal arus beroperasi pada beban dengan resistansi rendah (dibandingkan dengan resistansi sumber sinyal), sehingga interferensi elektromagnetik yang diinduksi pada rangkaian arus kecil dibandingkan dengan rangkaian serupa yang menggunakan sinyal tegangan;
- putusnya saluran transmisi sinyal arus 4...20 mA dengan jelas dan mudah ditentukan dengan mengukur sistem dengan tingkat arus nol di sirkuit (dalam kondisi normal harus minimal 4 mA);
- sinyal arus 4...20 mA memungkinkan tidak hanya untuk mengirimkan sinyal informasi yang berguna, tetapi juga untuk menyediakan catu daya ke konverter standarisasi itu sendiri: tingkat minimum yang diizinkan sebesar 4 mA cukup untuk memberi daya pada perangkat elektronik modern.

Karakteristik konverter loop arus 4…20 mA

Mari kita lihat karakteristik dan fitur utama yang perlu diperhatikan saat memilih. Sebagai contoh, mari kita ambil konverter standarisasi NSSI-GRTP yang diproduksi oleh perusahaan riset dan produksi “KontrAvt” (Gbr. 2).

Beras. 2. Penampilan NPSI-GRTP - konverter yang diproduksi oleh NPF "KontrAvt" dengan pemisahan galvanik 1, 2, 4 saluran loop arus

Dirancang untuk melakukan hanya dua fungsi utama:
- pengukuran sinyal arus aktif 4...20 mA dan konversinya menjadi sinyal arus aktif yang sama sebesar 4...20 mA dengan faktor konversi 1 dan dengan kecepatan tinggi;
- pemisahan galvanik sinyal input dan output dari loop arus.

Kesalahan utama konversi NPSI-GRTP adalah 0,1%, stabilitas suhu 0,005% / °C. Kisaran suhu pengoperasian - dari -40 hingga +70 °C. Tegangan isolasi - 1500 V. Kinerja - 5 ms.

Opsi untuk menghubungkan ke sumber sinyal aktif dan pasif ditunjukkan pada Gambar. 3 dan 4. Dalam kasus terakhir, diperlukan sumber listrik tambahan.

Beras. 3. Menghubungkan konverter NSSI-GRTP ke sumber aktif

Beras. 4. Menghubungkan konverter NSSI-GRTP ke sumber pasif menggunakan unit catu daya tambahan BP

Dalam sistem pengukuran yang memerlukan pemisahan sinyal masukan, sumber sinyal masukan biasanya adalah sensor pengukur (MS), dan penerimanya adalah alat pengukur sekunder (MI) (regulator, pengontrol, perekam, dll.) .

Dalam sistem kendali yang memerlukan pemisahan sinyal keluaran, sumbernya adalah perangkat kendali (CD) (regulator, pengontrol, perekam, dll.), dan penerimanya adalah aktuator (CD) dengan kendali arus (aktuator membran (MIM), pengatur thyristor. , konverter frekuensi, dll.).

Patut dicatat bahwa konverter NPSI-GRTP, yang diproduksi oleh , tidak memerlukan daya terpisah. Ini didukung dari sumber arus input aktif 4…20 mA. Dalam hal ini, sinyal aktif 4...20 mA juga dihasilkan pada keluaran, dan tidak diperlukan sumber tambahan di rangkaian keluaran. Oleh karena itu, solusi berdasarkan pemisah loop arus yang digunakan dalam NPSI-GRTP sangat ekonomis.

Tersedia tiga modifikasi konverter: . Mereka berbeda dalam jumlah saluran (masing-masing 1, 2, 4) dan desain (Gbr. 2). Konverter saluran tunggal ditempatkan dalam wadah kecil dan sempit dengan lebar hanya 8,5 mm (dimensi 91,5 × 62,5 × 8,5 mm), dua saluran dan empat saluran dalam wadah dengan lebar 22,5 mm (dimensi 115 × 105 × 22,5mm). Konverter dengan isolasi galvanik digunakan dalam sistem dengan puluhan dan ratusan sinyal; untuk sistem ini, menempatkan sejumlah konverter dalam cangkang struktural (kabinet) menjadi masalah besar. Faktor kuncinya di sini adalah lebar satu saluran konversi di sepanjang rel DIN. dalam versi 1, 2, dan 4 saluran, mereka memiliki “lebar saluran” yang sangat kecil: masing-masing 8,5, 11,25, dan 5,63 mm.

Perlu dicatat bahwa dalam modifikasi multisaluran NSSI-GRPT2 dan NSSI-GRTP4, semua saluran sama sekali tidak terhubung. Dari sudut pandang ini, kinerja salah satu saluran tidak mempengaruhi pengoperasian saluran lainnya. Itulah sebabnya salah satu argumen yang menentang konverter multisaluran - “satu saluran terbakar, dan seluruh perangkat multisaluran berhenti bekerja, dan ini secara tajam mengurangi keamanan dan stabilitas sistem” - tidak berfungsi. Namun properti positif yang penting dari sistem multisaluran seperti “harga saluran” yang lebih rendah terwujud sepenuhnya. Modifikasi konverter dua dan empat saluran dilengkapi dengan konektor sekrup yang dapat dilepas, yang memudahkan pemasangan, pemeliharaan, dan perbaikan (penggantian).

Dalam sejumlah tugas, perlu untuk memasok sinyal 4...20 mA ke beberapa penerima yang diisolasi secara galvanis. Untuk ini, Anda dapat menggunakan konverter saluran tunggal NSSI-GRTP1, dan konverter multisaluran NSSI-GRTP2 dan NPSI-GRTP4. Diagram koneksi ditunjukkan pada Gambar. 5.

Beras. 5. Penggunaan konverter saluran tunggal dan dua saluran untuk perkalian sinyal “1 ke 2”

Untuk kemudahan pemasangan dan pemeliharaan, sambungan sambungan eksternal dalam versi saluran tunggal dibuat dengan konektor terminal pegas, dan dalam versi dua dan empat saluran - dengan konektor sekrup yang dapat dilepas.

Beras. 6. Menghubungkan saluran eksternal menggunakan konektor terminal yang dapat dilepas

Dengan demikian, rangkaian konverter baru untuk memisahkan loop arus 4...20 mA, yang disajikan oleh NPF "KontrAvt", dapat disebut sebagai solusi kompak dan ekonomis, yang mampu bersaing dalam hal karakteristik dengan analog impor terkait. Konverter disediakan untuk operasi percobaan, sehingga pengguna memiliki kesempatan untuk menguji perangkat yang sedang beroperasi, mengevaluasi karakteristiknya dan membuat keputusan yang tepat tentang kelayakan penggunaannya.
____________________________

Loop arus adalah metode transmisi informasi menggunakan nilai arus listrik yang diukur. Biasanya, sistem loop arus mencakup sensor (tekanan, suhu, gas, dll.), pemancar, penerima, dan konverter analog-ke-digital (ADC) atau mikrokontroler (Gambar 1).

Beras. 1.

Tegangan yang sebanding dengan parameter yang diukur dihasilkan pada keluaran sensor. Pemancar (penguat arus yang dikontrol tegangan) mengubah tegangan dari sensor menjadi arus yang sesuai sebesar 4 hingga 20 mA. Di ujung lain saluran, penerima (penguat tegangan yang dikontrol arus) mengubah arus 4...20 mA kembali menjadi tegangan. Konverter analog-ke-digital mendigitalkan tegangan keluaran penerima untuk diproses selanjutnya oleh prosesor atau mikrokontroler.

Dalam sistem dengan antarmuka loop arus, informasi ditransmisikan menggunakan arus termodulasi sinyal. Dalam loop arus 4...20 mA, nilai sinyal terkecil sesuai dengan arus 4 mA, dan yang terbesar - 20 mA. Jadi, seluruh rentang nilai yang diizinkan adalah 16 mA. Arus loop dipertahankan pada 4 mA setiap saat, sehingga level arus yang lebih rendah akan mendeteksi saluran terbuka dan membuat situasi ini mudah untuk didiagnosis.

Biasanya, dalam sistem otomasi industri, sensor terletak jauh dari unit kendali pusat, sehingga loop arus masih belum kehilangan relevansinya, karena ini adalah antarmuka analog yang paling tahan kebisingan, terutama dibandingkan dengan metode transmisi data tegangan. . Sistem yang lebih lengkap, termasuk loop arus kedua (misalnya, untuk mengontrol drive), ditunjukkan pada Gambar 2.

Beras. 2.

Berdasarkan skema ini, kami akan mempertimbangkan solusi yang ditawarkan Maxim untuk implementasinya.

Penguat operasional
sebagai pengubah tegangan-arus

Gambar 3 menunjukkan implementasi sederhana konverter tegangan ke arus menggunakan penguat operasional (op-amp). MAX9943. Op-amp ini memberikan arus keluaran lebih dari ±20 mA dengan tegangan suplai ±15 V, dan juga stabil dengan beban kapasitif hingga 1 nF sehingga sangat cocok digunakan pada saluran transmisi yang panjang. Untuk beroperasi pada kisaran arus keluaran 0...20 mA, daya penguat suplai tunggal dimungkinkan, karena MAX9943 memberikan ayunan tegangan keluaran yang sama dengan tegangan suplai ( keluaran rel-ke-rel).

Beras. 3.

Pada rangkaian ini, hubungan antara tegangan masukan dan arus beban digambarkan dengan persamaan: V IN = (R2/R1) ɑ R SENSE Ƒ I LOAD + V REF. Nilai resistansi beban tipikal bisa beberapa kOhm. Dalam contoh ini: R1 = 1 kOhm; R2 = 10 kOhm; R RASA = 12,5 ohm; R BEBAN = 600 Ohm.

Untuk mengubah tegangan masukan ±2,5 V menjadi arus ±20 mA, tegangan referensi V REF harus diatur ke 0 V. Untuk memperoleh keluaran arus 4...20 mA dari tegangan masukan 0...2,5 V, diperlukan offset harus diset agar tetap konstan pada arus saluran 4 mA. Dengan V REF = -0.25 V, tegangan masukan 0...2.5 V diubah menjadi arus keluaran 2...22 mA. Biasanya, pengembang memilih rentang dinamis yang sedikit lebih luas untuk memungkinkan kalibrasi perangkat lunak di kemudian hari. Ketergantungan tegangan masukan dan arus keluaran ditunjukkan pada Gambar 4 dan 5.

Beras. 4. Ketergantungan I LOAD pada V IN untuk keluaran ±20 mA

Beras. 5. Ketergantungan I LOAD pada V IN untuk output 4-20mA

MAX15500 dan MAX15501 - Pengkondisi Loop Saat Ini

Rangkaian pada Gambar 3 yang menggunakan op-amp merupakan implementasi loop arus sederhana, yang menyebabkan kesulitan kalibrasi serta kesalahan transmisi sinyal yang besar dalam aplikasi dunia nyata. Dalam praktiknya, untuk mengimplementasikan konverter tegangan-ke-arus, disarankan untuk menggunakan solusi chip tunggal, yang parameter teknisnya dijelaskan secara ketat dalam dokumentasi.

Beras. 6.

Contoh dari solusi tersebut adalah MAKS15500/15501, generator keluaran arus analog atau keluaran tegangan yang dapat diprogram melalui antarmuka SPI. Tegangan masukan untuk konverter ini biasanya diambil dari keluaran DAC eksternal. Untuk MAX15500, rentang tegangan masukan adalah 0...4,096 V, dan untuk MAX15501 - 0...2,5 V. Enam mode pengoperasian tahap keluaran tersedia dalam perangkat lunak: ±10 V; 0…5V; 0…10V; ±20mA; 0…20mA; 4…20mA. Sirkuit mikro memberikan perlindungan hubung singkat; deteksi putusnya saluran transmisi; perlindungan terhadap panas berlebih dan deteksi penurunan tegangan suplai di bawah ambang batas.

MAX5661 - DAC Keluaran Saat Ini

Versi paling terintegrasi dari konverter keluaran saat ini adalah MAKS5661. Ini adalah DAC 16-bit saluran tunggal dengan penguat tegangan tinggi presisi yang memberikan solusi lengkap untuk mengubah sinyal digital dari prosesor menjadi keluaran arus yang dapat diprogram (0...20 mA atau 4...20 mA) atau tegangan standar industri ±10 V.

Beras. 7.

Kontrol dan transmisi data ke DAC dilakukan melalui antarmuka SPI empat kabel. Sirkuit mikro memiliki keluaran #FAULT, yang dapat digunakan untuk mendiagnosis rangkaian terbuka pada loop arus atau korsleting pada keluaran tegangan. Perlu dicatat bahwa MAX5661 memerlukan penggunaan tegangan referensi eksternal 4,096 V. Dokumentasi menyediakan daftar referensi ultra-presisi yang direkomendasikan, misalnya. MAKS6341, MAKS6133 atau MAKS6033. Untuk menguasai semua fungsi MAX5661 dengan cepat, kit pengembangan ditawarkan MAX5661EVCMAXQU+ dengan antarmuka ke PC untuk mengendalikan DAC menggunakan antarmuka grafis (GUI).

MAX1452 - konverter sinyal sensor
menjadi loop saat ini

Sejauh ini kita telah melihat solusi yang cocok untuk mengubah sinyal dari mikrokontroler atau DAC, yaitu. untuk mentransmisikan sinyal kontrol. Untuk menerima sinyal arus dari sensor, Maxim menawarkan sirkuit mikro MAX1452, menggabungkan bagian analog dengan op-amp untuk menghasilkan sinyal informasi dan sirkuit digital yang menyediakan kompensasi penyimpangan suhu, penyesuaian offset nol, dan koefisien transmisi yang dapat diprogram menggunakan PGA. Semua koefisien penyesuaian disimpan dalam memori EEPROM internal dengan kapasitas 768 byte.

Gambar 8 menunjukkan diagram sirkuit untuk MAX1452 dengan keluaran arus dan daya loop 4...20 mA. Transistor digunakan untuk menghasilkan arus dalam loop 2N2222A.

Beras. 8.

Modem HART DS8500

HART ( Protokol Transduser Jarak Jauh Beralamat Jalan Raya) adalah protokol transfer data industri digital yang, biasanya, memungkinkan Anda mengonfigurasi sensor atau memperoleh informasi tentang kondisinya menggunakan saluran tempat loop arus analog diatur. Untuk mengirimkan data digital, sinyal termodulasi FSK (modulasi peralihan frekuensi) digunakan melalui loop arus 4...20 mA (Gambar 9). Metode implementasi ini memungkinkan protokol HART digunakan dalam sistem loop arus analog yang ada.

Beras. 9.

Untuk mengatur lapisan fisik HART (modulasi dan demodulasi), Maxim menawarkan chip modem HART DS8500, yang memungkinkan penerimaan dan transmisi setengah dupleks, dengan “1” dimodulasi pada frekuensi 1,2 kHz, “0” - 2,2 kHz. Secara fungsional DS8500 terdiri dari demodulator, filter digital, ADC, modulator dan DAC (Gambar 10).

Beras. 10.

Arsitektur ini (dengan pemfilteran digital dan DAC yang menghasilkan sinyal sinusoidal murni dengan peralihan fase terus menerus antar frekuensi) memastikan penerimaan sinyal yang andal di lingkungan yang bising.

Kesimpulan

Maxim menawarkan berbagai solusi untuk mengatur transmisi data menggunakan loop arus, baik dari sensor ke unit kendali pusat, dan dari unit ini ke unit eksekutif. Selain itu, untuk memperluas fungsionalitas sistem industri semacam itu, lini Maxim berisi lebih dari 300 chip antarmuka yang berbeda RS-485/RS-232, BISA, LIN.

literatur

1. "Cara menggunakan opamp penggerak tegangan tinggi dan arus tinggi dalam sistem loop arus 4-20 mA", Maurizio Gavardoni, Jurnal Teknik Maxim No.68

2. "Loop arus analog - solusi dari Maxim", Anatoly Andrusevich, “Komponen dan Teknologi” No.8 2009

Saat mengotomatiskan proses teknologi, berbagai sensor dan aktuator digunakan. Keduanya entah bagaimana terhubung ke pengontrol atau modul input/output, yang menerima nilai terukur parameter fisik dari sensor dan aktuator kontrol.

Bayangkan semua perangkat yang terhubung ke pengontrol memiliki antarmuka yang berbeda - maka produsen harus memproduksi modul input/output dalam jumlah besar, dan untuk mengganti, misalnya, sensor yang rusak, mereka harus mencari modul yang sama persis. .

Itulah sebabnya, dalam sistem otomasi industri, merupakan kebiasaan untuk menyatukan antarmuka berbagai perangkat.

Pada artikel ini kita akan membahas tentang sinyal analog terpadu. Pergi!

Sinyal Analog Terpadu

Kita menangani sinyal analog ketika mengukur kuantitas fisik apa pun (suhu, kelembaban, tekanan, dll.), serta selama kontrol aktuator yang berkelanjutan (kontrol kecepatan motor menggunakan konverter frekuensi; kontrol suhu menggunakan pemanas, dll.). ).

Dalam semua kasus di atas dan kasus serupa, sinyal analog (kontinu) digunakan.

Dalam peralatan pengontrol, dalam sebagian besar kasus, dua jenis sinyal analog digunakan: sinyal arus 4-20 mA dan sinyal tegangan 0-10 V.

Sinyal tegangan terpadu 0-10 V

Saat menggunakan jenis sinyal ini untuk memperoleh informasi dari suatu sensor, seluruh rentang (sensor) dibagi menjadi rentang tegangan 0-10 V. Misalnya, sensor suhu memiliki rentang -10...+70 °C. Kemudian pada -10 °C keluaran sensor akan menjadi 0 V, dan pada +70 °C - 10 V. Semua nilai antara ditemukan dari proporsi.

Hal yang sama berlaku untuk perangkat lainnya. Misalnya, jika output analog dari konverter frekuensi dikonfigurasi untuk mengirimkan kecepatan putaran mesin saat ini, maka 0 V pada outputnya berarti mesin mati, dan 10 V berarti mesin berputar pada frekuensi maksimum.

Kontrol sinyal 0-10V

Dengan menggunakan sinyal tegangan terpadu, Anda tidak hanya dapat memperoleh data besaran fisis, tetapi juga perangkat kontrol. Misalnya, Anda dapat membawanya ke posisi yang diinginkan, mengubah kecepatan putaran motor listrik melalui konverter frekuensi atau daya pemanas.

Mari kita ambil contoh, sebuah motor listrik yang kecepatan putarannya dikendalikan oleh konverter frekuensi.

Kecepatan putaran mesin diatur oleh pengontrol dengan sinyal 0-10 V yang masuk ke input analog konverter frekuensi Frekuensi putaran mesin dapat dari 0 hingga 50 Hz. Kemudian, jika sesuai dengan algoritma, pengontrol akan memutar motor pada 25 Hz, pengontrol harus menyuplai 5V ke input konverter frekuensi.

"Loop arus": sinyal analog terpadu 4-20 mA

Sinyal analog 4-20 mA (juga disebut “loop arus”), serta sinyal tegangan 0-10 V, digunakan dalam otomatisasi untuk menerima informasi dari sensor dan mengontrol berbagai perangkat.

Dibandingkan dengan sinyal 0-10 V, sinyal 4-20 mA memiliki beberapa keunggulan:

• Pertama, sinyal arus dapat ditransmisikan dalam jarak yang lebih jauh dibandingkan dengan sinyal 0-10V, yang mengalami penurunan tegangan pada saluran panjang karena hambatan konduktor.
• Kedua, mudah untuk mendiagnosis garis putus-putus, karena jangkauan operasi sinyal dimulai dari 4 mA. Oleh karena itu, jika inputnya 0 mA berarti ada putusnya saluran.

Kontrol sinyal 4-20 mA

Mengontrol berbagai perangkat menggunakan sinyal arus tidak berbeda dengan mengontrolnya menggunakan sinyal tegangan. Hanya dalam hal ini, Anda memerlukan sumber bukan tegangan, tetapi arus.

Jika suatu perangkat memiliki input kontrol 4-20 mA, maka perangkat tersebut dapat dikontrol oleh pengontrol atau perangkat cerdas lainnya yang memiliki output yang sesuai.

Misalnya kita ingin membuka katup yang digerakkan secara elektrik dengan input 4-20 mA dengan lancar. Jika Anda menerapkan sinyal arus 4 mA ke input, maka katup akan tertutup sepenuhnya, dan jika Anda menerapkan 20 mA, maka akan terbuka penuh.

Output analog aktif dan pasif 4-20 mA

Seringkali, keluaran analog dari suatu sensor, pengontrol, atau perangkat lain bersifat pasif, artinya tidak dapat menjadi sumber arus tanpa daya eksternal. Oleh karena itu, ketika merancang rangkaian otomasi, Anda perlu mempelajari dengan cermat karakteristik keluaran analog dari perangkat yang digunakan, dan jika bersifat pasif, tambahkan sumber daya eksternal ke rangkaian untuk menghamili loop arus.

Gambar tersebut menunjukkan diagram menghubungkan sensor dengan keluaran 4-20 mA ke pengatur meter dengan masukan yang sesuai. Karena keluaran sensor bersifat pasif, maka memerlukan impregnasi dengan catu daya eksternal.

Saat mengukur besaran fisik (suhu, kelembapan, kontaminasi gas, pH, dll.), sensor mengubah nilainya menjadi arus, tegangan, hambatan, kapasitansi, dll. (tergantung pada prinsip pengoperasian sensor). Untuk membawa sinyal keluaran sensor menjadi sinyal terpadu, digunakan konverter normalisasi.

Konverter normalisasi adalah perangkat yang mengubah sinyal konverter utama menjadi sinyal arus atau tegangan terpadu.

Seperti inilah tampilan sensor suhu dengan konverter normalisasi:

Kembali