لوپ (حلقه ) جریان 4-20 میلی آمپر چیست؟
جریان 4 تا 20 میلیآمپر معمولاً برای اتصال سیگنالهای فرآیند به یک کنترلر در کاربردهای صنعتی استفاده میشود. اصول استفاده از حلقه ۴-۲۰ میلیآمپر این است که یک محدوده فرآیند مثلاً ۰-۱۰۰ درجه توسط یک محدوده ۴-۲۰ میلیآمپر تبدیل شده و به تجهیزات کنترلی و الکتریکی متصل می شود.
گاهی اوقات، از سیگنال ولتاژ آنالوگ 0 تا 10 ولت یا ارتباطات دیجیتال استفاده میشود، اما استفاده از یک حلقه جریان برای ارسال مقادیر فرآیند به کنترلکننده مزایای زیادی دارد
در این مقاله، نگاهی دقیقتر به اصول حلقههای جریان استاندارد صنعتی 4 تا 20 میلیآمپر خواهیم داشت.
چرا به جای ولتاژ از جریان استفاده کنیم؟
برای درک این موضوع، ابتدا به درک اساسی از جریان ، ولتاژ و مقاومت نیاز داریم :
جریان : جریان، عبور الکترونها از طریق یک مدار است. جریان ۱ آمپر برابر با جریان ۶.۲۴ × ۱۰¹⁸ الکترون در ثانیه است. برای اندازهگیری جریان، یک مدار را باز کنید و یک آمپرمتر را در مدار قرار دهید. به این ترتیب، تمام الکترونها از طریق آمپرمتر جریان می یابند و اندازهگیری جریان دقیقی صورت می گیرد.
واحد اندازهگیری: آمپر، نماد: A
مقاومت : مقاومت، مخالفت با عبور جریان است. اگر مقاومت افزایش یابد، جریان کاهش مییابد. برای اندازهگیری مقاومت، قطعهای را که دارای مقاومت است از مدار جدا کنید، سپس از اهممتر برای اندازهگیری مقاومت قطعه استفاده کنید.
واحد اندازهگیری: اهم، نماد: Ω.
ولتاژ : ولتاژ، اختلاف بار الکتریکی بین دو نقطه از یک مدار است. اگر الکترونهای یک نقطه در سطح انرژی متفاوتی نسبت به الکترونهای نقطه دیگر باشند، یا اگر الکترونهای بیشتری با سطح انرژی یکسان در یک نقطه نسبت به نقطه دیگر وجود داشته باشد، اختلاف بار الکتریکی وجود دارد. اختلاف بار الکتریکی ۱ ولت، انرژی کافی برای عبور جریان ۱ آمپر از طریق مقاومت ۱ اهم است. برای اندازهگیری ولتاژ، ولتمتر را به صورت موازی با دو نقطه از یک مدار وصل کنید.
واحد اندازهگیری: ولتاژ، نماد: V.
قانون اهم نحوه ارتباط جریان، ولتاژ و مقاومت را در یک مدار تعریف میکند:
جریان = ولتاژ/مقاومت
ولتاژ = جریان × مقاومت
مقاومت = ولتاژ/جریان
برای نشان دادن قانون اهم، نگاهی به یک باتری قلمی معمولی میاندازیم:
بار در ترمینال سمت چپ، (نقطه A) در مقایسه با بار در ترمینال سمت راست، (نقطه B) منفی است. در این باتری، اختلاف بار (ولتاژ)، ۱.۵ ولت است.
وقتی یک مدار به باتری متصل میشود، مسیری برای جریان از ترمینال مثبت به ترمینال منفی ایجاد میکند. لامپ در مدار زیر دارای مقاومت ۵ اهم است. این مقاومت میزان جریان عبوری از مدار را تنظیم میکند.
جریان = ولتاژ/مقاومت، بنابراین جریان عبوری از حلقه (مدار) ۱.۵ ولت / ۵ اهم = ۰.۳ آمپر است.
مقدار جریان عبوری را میتوان با تغییر مقاومت حلقه یا ولتاژ حلقه تغییر داد. اکثر حلقههای جریان موجود در کاربردهای صنعتی توسط یک منبع ثابت ۲۴ ولت تغذیه میشوند، بنابراین جریان حلقه با تغییر مقاومت در برابر جریان عبوری از حلقه تغییر میکند.
فرستنده حلقهای چیست؟
یک فرستنده حلقهای (ترانسمیتر لوپ) یک متغیر فرآیند (مثلا دما) را اندازهگیری میکند و جریان حلقه را بین 0.004 تا 0.02 آمپر (4 میلیآمپر تا20 میلیآمپر) با تغییر مقاومت حلقه تنظیم میکند. فرستندههای حلقهای میتوانند تقریباً هر متغیر فرآیندی، مانند دما ، فشار، سطح یا جریان را اندازهگیری کنند.
در مثال زیر، یک فرستنده حلقه، یک سنسور دما را اندازهگیری میکند. فرستنده طوری برنامهریزی شده است که جریان حلقه را بین ۴ تا ۲۰ میلیآمپر تنظیم کند، که مطابق با مقادیر اندازهگیری شده روی یک آمپرمتر ۴ تا ۲۰ میلیآمپر با تغییر دما از ۰ تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد است.
حلقه جریان فرستنده دما
یک کنترلکننده فرآیند نیز به حلقه متصل شده است تا جریان حلقه را اندازهگیری کند. نماد مقاومت در این نقشه، نماد کنترلکننده است؛ اکثر آنها مقاومت ثابت ۲۵۰ اهم دارند. خود سیم حلقه نیز مقداری مقاومت دارد که باید هنگام محاسبه حلقه در نظر گرفته شود (در ادامه بیشتر در مورد آن صحبت خواهیم کرد).
جریان در یک مدار سری مشترک است، بنابراین جریان حلقه تنظیم شده توسط فرستنده و جریانی که توسط کنترل کننده اندازه گیری می شود، یکسان هستند.
تداخل الکترومغناطیسی
برای اطمینان از اندازهگیریهای دقیق فرآیند، به حداقل رساندن خطای ناشی از تداخل الکترومغناطیسی (EMI) مهم است .
تداخل الکترومغناطیسی چیست؟
تداخل الکترومغناطیسی (EMI) تداخلی است که توسط میدانهای الکترومغناطیسی تولید شده توسط دستگاههای الکتریکی یا الکترونیکی در حین کار آنها ایجاد میشود. EMI معمولاً در محیطهای صنعتی یافت میشود و برخی از منابع آن عبارتند از: درایوهای فرکانس متغیر، سافت استارترها، کنتاکتورهای خط، رادیوهای موبایل، نویز ۵۰/۶۰ هرتز از خطوط برق، کموتاتورهای موتور DC و تخلیه الکترواستاتیکی ایجاد شده در فرآیند یا توسط رعد و برق
سیگنالهای جریان ذاتاً در مقایسه با سیگنالهای ولتاژ، به ویژه در فواصل طولانیتر، در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) مقاومتر هستند. این یکی از مزایای بزرگ استفاده از جریان به جای ولتاژ برای رساندن اندازهگیریهای فرآیند به سیستم کنترل است. دلایل دیگر اینکه چرا ۴ تا۲۰ میلیآمپر یک استاندارد گسترده برای استفاده در کنترل فرآیند است عبارتند از:
سیگنالهای ولتاژ به دلیل مقاومت سیم، در فواصل طولانی کمی تضعیف میشوند. این امر به ویژه در صورتی که سطح سیگنال پایین باشد (مثلاً خروجیهای mV از لودسلها) مشکلساز است. برخلاف سیگنالهای ولتاژ، سیگنالهای جریان ۴ تا ۲۰ میلیآمپر در فواصل طولانی (در محدوده مجاز) تضعیف نمیشوند. فرقی نمیکند که سنسور فرآیند ۵ متر، ۱۰۰ متر یا حتی بیشتر از کنترلر فاصله داشته باشد. جریان تنظیمشده توسط فرستنده در همه جای حلقه جریان صحیح و یکسان است.
یک سیم قطع شده در یک حلقه جریان منجر به جریان 0 میلی آمپر میشود. یک کنترلکننده میتواند به راحتی این سطح جریان غیرمعمول پایین را به عنوان خطای کابل تشخیص دهد. اگر از سیگنالهای ولتاژ استفاده شود، قطعی سیم میتواند مانند یک آنتن عمل کند و به EMI محلی اجازه دهد ولتاژی را روی سیمهای سیگنال القا کند. این امر تشخیص پارگی کابل را در صورتی که کنترلکننده در حال اندازهگیری ولتاژ باشد، دشوارتر میکند.
شما میتوانید اکثر فرستندههای جریان را طوری برنامهریزی کنید که در صورت خرابی سنسور، جریان را به طور غیرمعمول بالا یا پایین تنظیم کنند. به عنوان مثال، فرستنده میتواند در صورت خرابی سنسور ترموکوپل، جریان حلقه را روی ۳.۵ یا ۲۳ میلیآمپر تنظیم کند.
ولتاژ حلقه
در مثال قبلی، فرستنده جریان را در حلقهای که با ولتاژ ۲۴ ولت تغذیه میشود تنظیم میکند و یک دستگاه دیگر، یعنی کنترلکننده، به حلقه متصل است.
حال، اگر یک ثبتکننده نمودار به حلقه اضافه کنیم، باید دریابیم که آیا حلقه با مقاومت اضافی ۳۵۰ اهم همچنان به درستی کار خواهد کرد یا خیر. برای انجام این کار، بودجه حلقه را محاسبه میکنیم.
نحوه محاسبه ولتاژ حلقه:
ابتدا، حداکثر جریان در حلقه را تعیین میکنیم. در این مثال، فرستنده طوری پیکربندی شده است که در صورت بروز خطای حسگر، جریان حلقه را به ۲۳ میلیآمپر افزایش دهد. بنابراین، حداکثر جریان در طول حلقه ۰.۰۲۳ آمپر است.
قانون اهم بیان میکند: ولتاژ = جریان × مقاومت. بنابراین:
ولتاژ مورد نیاز حلقه کنترلر : 0.023 آمپر × 250 اهم = 5.75 ولت است .
ولتاژ مورد نیاز حلقه ثبت نمودار ، 0.023 آمپر × 350 اهم = 8.05 ولت است .
برگه اطلاعات فرستنده نشان میدهد که برای روشن شدن به حداقل ۸ ولت نیاز دارد .
در نهایت، طول سیم باید در نظر گرفته شود. در این مثال، فاصله بین فرستنده و کنترلکننده/ثبتکننده نمودار ۴۰ متر است. بنابراین، طول کل سیم حلقه ۸۰ متر است. با فرض اینکه از سیمهایی با سطح مقطع 0.5 میلیمتر مربع استفاده شود، مقاومت کل سیم حلقه ۱۰.۷ اهم است. با استفاده از قانون اهم: ۰.۰۲۳ آمپر × ۱۰.۷ اهم = ۰.۲۵ ولت .
حالا، تمام افت ولتاژها را از منبع ولتاژ حلقه کم کنید:
ولتاژ حلقه ۲۴ ولت
ولتاژ مورد نیاز کنترلر -5.75 ولت
ولتاژ مورد نیاز دستگاه ثبت نمودار -۸.۰۵ ولت
ولتاژ مورد نیاز برای روشن کردن فرستنده -۸ ولت
ولتاژ مورد نیاز برای مقاومت سیم حلقه -0.25
ولتاژ باقی مانده برای تغذیه سایر بارهای حلقه ۱.۹۵ ولت
پس از محاسبه ولتاژ، اکنون میدانیم که این حلقه ولتاژی بیش از حد کافی برای هدایت ۲۳ میلیآمپر از طریق تمام بارهای حلقه در صورت بروز خطای حسگر دارد.
محافظت فیوز
حلقه باید همیشه با اضافه کردن یک فیوز به حلقه، در برابر جریان اتصال کوتاه محافظت شود. این فیوز، حلقه را در برابر جریان بیش از حد محافظت میکند، اگر اتصال کوتاهی رخ دهد که از تنظیم جریان ۴…۲۰ میلیآمپر ارائه شده توسط فرستنده عبور کند. در صورت سوختن فیوز، جریان حلقه به ۰ میلیآمپر کاهش مییابد و در نتیجه، کنترلکننده (متر ۴-۲۰ میلیآمپر) و ثبتکننده نمودار، این مقدار جریان غیرمعمول پایین را به عنوان خطا تشخیص میدهند.
فرستندههای دو سیمه در مقابل فرستندههای چهار سیمه
فرستندههایی که تاکنون مورد بحث قرار گرفتهاند، فرستندههای «دو سیمه» نامیده میشوند. یک فرستنده دو سیمه توسط منبع تغذیه حلقه تغذیه میشود، به همین دلیل است که گاهی اوقات فرستنده «تغذیه شده با حلقه» نامیده میشود.
برخی از مزایای فرستندههای دو سیمه:
سیمهای برق جداگانه در نصب لازم نیست
هزینه کمتر
آنها میتوانند در سر حسگر قرار گیرند (یعنی بسیار نزدیک به حسگر)
مصرف برق بسیار پایینی دارند
با این حال، بسته به نیاز شما، فرستندههای ۴ سیمه میتوانند انتخاب بهتری باشند.
فرستنده دما ۴ سیمه در حلقه جریان
در این مثال، منبع ۲۴ ولت به فرستنده متصل است. مقداری از توان آن مستقیماً برای تأمین انرژی فرستنده استفاده میشود، در حالی که توان اضافی برای تأمین انرژی حلقه جریان ۴…۲۰ میلیآمپر استفاده میشود.
برخی از مزایای فرستندههای ۴ سیمه:
توان کافی برای فراهم کردن ویژگیهای فرستنده اضافی، مانند خروجیهای تماسی و نمایشگر یکپارچه، وجود دارد.
توان کافی برای ایجاد سطح بالاتری از تحریک حسگر در دسترس است؛ به عنوان مثال، تقریباً همه فرستندههای لودسل، فرستندههای ۴ سیمه هستند، زیرا هر لودسل معمولاً به ۱۰ ولت با تحریک ۲۹ میلیآمپر نیاز دارد.
فرستندههای ۴ سیمه میتوانند توسط ولتاژ AC یا DC تغذیه شوند، در حالی که فرستندههای حلقهای فقط توسط ولتاژ DC تغذیه میشوند.
جریان فعال در مقابل جریان غیرفعال
دستگاههای روی یک حلقه جریان یا فعال هستند یا غیرفعال. «فعال» در این زمینه به این معنی است که یک دستگاه دارای منبع ولتاژی است که حلقه را تغذیه میکند. فقط یک دستگاه فعال میتواند روی یک حلقه جریان وجود داشته باشد. دستگاههای «غیرفعال» دقیقاً برعکس هستند - آنها منبع ولتاژ مخصوص به خود را ندارند و بنابراین به یک منبع خارجی وابسته هستند.
