Grundlæggende om 4…20 mA strømloops

 

I denne artikel kigger vi nærmere på principperne bag 4…20 mA strøm-loops, som har udviklet sig til en branchestandard.

 

Hvorfor bruge strøm i stedet for spænding?

Hvis man vil forstå dette, er man først nødt til at have en grundlæggende forståelse af strømstyrke, spænding og modstand:

 

• Strømstyrke: Strømstyrke er flowet af elektroner igennem et kredsløb. En strømstyrke på 1 ampere svarer til et flow på 6,24 x 10¹⁸ elektroner i sekundet. Strømstyrken måles ved at sætte et mA-meter ind i serie med kredsløbet. På denne måde vil alle elektroner drives igennem mA-meteret, hvorved en nøjagtig måling af strømstyrken sikres.  

  Måleenhed: Amp, symbol: A.

• Modstand: Modstand er begrænsningen af et strømflow. Når modstanden stiger, falder strømmen. Mål modstand ved at afbryde komponenten, som yder modstand, fra kredsløbet og brug herefter et ohm-meter til at måle komponentens modstand.  

  Måleenhed: Ohm, symbol: Ω.

• Spænding: Spænding er forskellen i den elektriske ladning mellem to punkter i et kredsløb. Der opstår en forskel i den elektriske ladning, hvis elektronerne i det ene punkt har et andet energiniveau end elektronerne i det andet punkt, eller hvis der er flere elektroner med samme energiniveau i det ene punkt i forhold til det andet punkt. En forskel i elektrisk ladning på 1 V er tilstrækkelig energi til at drive 1 A strømstyrke igennem en modstand på 1 Ω. Mål spændingen ved at forbinde et volt-meter parallelt mellem to punkter i et kredsløb.

  Måleenhed: Spænding, symbol: V.

 

Ohms lov definerer, hvordan strøm, spænding og modstand forholder sig til hinanden i et kredsløb:

 

• Strøm = Spænding/Modstand
• Spænding = Strøm x Modstand
• Modstand = Spænding/Strøm

 

Et typisk AA-batteri er brugt for at illustrere Ohms lov:

 

 

Ladningen ved den venstre pol (punkt A) er negativ i forhold til ladningen ved højre pol (punkt B). I dette batteri er forskellen i ladningen (spændingen) 1,5 V.

 

Når et kredsløb forbindes med batteriet, skaber det en vej, som strømmen kan gå igennem fra den positive pol til den negative pol. Lampen i nedenstående kredsløb har en modstand på 5 Ω. Denne modstand regulerer størrelsen på strømmen, der kan gå igennem kredsløbet.

 

 

Strøm = Spænding/Modstand, så strømstyrken, der går igennem kredsen, er 1,5 V /5 Ω = 0,3 A.

 

Strømmens størrelse kan ændres ved tilpasning af kredsens modstand eller kredsens spænding. De fleste kredse, som man finder i industrielle applikationer, spændingsforsynes med 24 V, og strømmen i en kreds reguleres ved at variere begrænsningen af strømmens bevægelse i kredsen.

 

Loop-transmitteren

En loop-transmitter måler en procesvariabel og regulerer loop-strømmen mellem 0,004 og 0,02 A (4 mA…20 mA) ved at variere modstanden mod strømmens bevægelse i kredsen. Loop-transmittere kan måle stort set enhver procesvariabel, f.eks. temperatur, tryk, niveau eller flow.

 

I nedenstående eksempel måler en loop-transmitter på en temperaturføler. Transmitteren er programmeret til at regulere loop-strømmen mellem 4…20 mA, som temperaturen ændrer sig fra 0…100°C.

 

 

 

En proceskontroller er også tilsluttet kredsen for at måle loop-strømmen. Modstandssymbolet i denne tegning symboliserer kontrolleren; de fleste har en fast modstand på 250 Ω. Selve loop-ledningen har også en vis modstand, som skal tages i betragtning ved den endelige loop beregning (mere om det senere).

 

Strømstyrken er den samme i et seriekredsløb, så loop-strømmen, der reguleres af transmitteren, og strømstyrken, der måles af kontrolleren, er den samme.

 

Elektromagnetisk interferens

For at sikre nøjagtige procesmålinger er det vigtigt at minimere fejl som følge af elektromagnetisk interferens (EMI). EMI forekommer ofte i industrimiljøer, og blandt årsagerne til fænomenet er: Frekvensomformere, softstartere, kontaktorer, mobile radioer, 50/60 Hz støj fra netforsyningen, generatorslæberinge, DC-motor kommutatorer og elektrostatisk udladning forårsaget af selve processen eller tordenvejr (vi har samlet flere informationer om emnet her).

 

Strømsignaler er i sig selv mere modstandsdygtige over for EMI end spændingssignaler, især over længere afstande. Dette er en af de store fordele ved at bruge en strøm i stedet for en spænding til at levere procesmålinger til et styresystem. Andre grunde til at 4…20 mA er en velkendt standard til brug inden for proceskontrol er:

 

• Spændingssignaler dæmpes en smule over lange afstande på grund af kabelmodstand. Dette er særligt problematisk, hvis signalniveauet i forvejen er lavt (f.eks. mV-udgangssignaler fra vejeceller). I modsætning til spændingssignaler dæmpes 4… 20 mA strømsignaler ikke over lange afstande (inden for visse grænser). Det er uden betydning, om procesføleren er 5 m, 100 m eller endnu længere fra kontrolleren. Strømmen, som reguleres af transmitteren, er den samme i hele strømkredsen.
• En knækket ledning i en strømkreds resulterer i, at der går en strøm på 0 mA. En kontroller kan nemt detektere denne atypisk lave strøm som en kabelfejl. Hvis der bruges spændingssignaler, kan knækkede ledninger komme til at fungere som en antenne, hvorved lokal EMI kan inducere en spænding i signalledningerne. Det gør det vanskeligere at detektere et kabelbrud, hvis kontrolleren måler spænding.
• De fleste transmittere med strømudgang kan programmeres til at give en høj eller lav strøm ud i tilfælde af en følerfejl. Transmitteren kan eksempelvis regulere loop-strømmen til 3,5 eller 23 mA, hvis en termoelementføler afbryder.

 

Loop-beregning

I ovenstående eksempel regulerer transmitteren strømmen i et kreds, der forsynes med 24 V, og som har én anden enhed, en kontroller, sluttet til kredsløbet.

 

Hvis vi nu føjer en elektronisk skriver ind i kredsen, skal vi finde ud af, om kredsen fortsat fungerer korrekt med modstanden forøget med 350 Ω. Dette gøres ved at lave en loop beregning.

 

 

Sådan laves en loopberegning:

Først bestemmes vi den maksimale strøm i kredsen. I dette eksempel er transmitteren konfigureret til at give 23 mA ud, i tilfælde af en følerfejl. Derfor er den maksimale strøm i kredsen 0,023 A.

Ohms lov giver os: Spænding = Strøm x Modstand. Derfor:

 

• Er kontrollerens loop-spændingskrav: 0,023 A x 250 Ω = 5,75 V.
• Diagramskriverensloop-spændingskrav er 0,023 A x 350 Ω = 8,05 V.

 

Transmitterens datablad viser, at den kræver mindst 8 V for at fungere.

 

Endelig skal ledningens længde tages i betragtning. I eksemplet er afstanden mellem transmitteren og kontrolleren/den elektroniske skriver 40 meter. Dermed er den samlede længde på loop-ledningen 80 meter. Hvis vi tager udgangspunkt i, at der benyttes ledninger med et tværsnitsareal på 0,445 mm², vil loop-ledningens samlede modstand være 10,7 Ω. Ved hjælp af Ohms lov får vi: 0,023 A x 10,7 Ω = 0,25 V.

 

Træk nu alle spændingsfaldene fra loop-spændingskilden:

 

 

Loop-spænding	24 V
Kontrollerens krævede spænding	-5,75 V
Den digitale skrivers krævede spænding	-8,05 V
Nødvendig spænding til forsyning af transmitteren	-8 V
Spændingsfald som følge af modstand i loop-ledningen	-0,25
Resterende spænding til forsyning af andre loop-belastninger	1,95 V

 

Efter at have lavet en loop spændingsberegning kan man se, at kredsen har mere end nok spænding til at drive 23 mA igennem samtlige loop-belastninger i tilfælde af, at der skulle opstå en følerfejl.

 

Sikringsbeskyttelse

Kredsen skal altid beskyttes mod kortslutning ved tilføjelse af en loop-sikring. Sikringen beskytter loop imod for en høj strøm, hvis der sker en kortslutning, som blokerer transmitterens strømregulering på 4…20 mA. Loop-strømmen vil falde til 0 mA, hvis sikringen brænder over, og det betyder, at kontrolleren og den digitale skriver vil detekterer denne atypiske lave strøm som værende en fejl.

 

 

2-tråds transmittere i forhold til 4-tråds transmittere

De transmittere, der er omtalt hidtil, er såkaldte "2-tråds" transmittere. En 2-tråds transmitter forsynes via loop-strømforsyningen, og derfor kaldes den også en "loop-forsynet" transmitter.

 

Fordele ved 2-tråds transmittere:

 

• Installationen kræver ikke en separat spændingsforsyning
• Lavere kostpris
• De kan placeres i et følerhoved (dvs. meget tæt på selve føleren)
• De har et meget lavt strømforbrug

 

4-tråds transmittere kan afhængigt af dine behov imidlertid være en bedre løsning.

 

 

I dette eksempel er 24 V-kilden forbundet med transmitteren. En del af dens forsyning bruges til at forsyne transmitteren direkte, mens yderligere forsyning bruges til 4…20 mA strømkredsen.

 

Fordele ved 4-tråds transmittere:

 

• Der er tilstrækkelig forsyning til rådighed for ekstra transmitterfunktioner som f.eks. kontaktudgange og et integreret display
• Der er tilstrækkelig forsyning til rådighed til følerhjælpeforsyninger; næsten alle vejecelle-transmittere er eksempelvis 4-tråds transmittere, fordi hver vejecelle typisk kræver en 10 V / 29 mA hjælpespænding
• 4-tråds transmittere kan forsynes med AC- eller DC-spænding, mens loop-forsynede transmittere kun forsynes med DC-spænding.

 

 

PR temperaturtransmittere

 

 

Aktiv versus passiv strøm

Enheder i et strøm-loop er enten aktive eller passive. "Aktiv" betyder i denne sammenhæng, at enheden har en spændingforsyning, som forsyner kredsen. Der kan kun være én aktiv enhed i et strømloop. En "passiv" enhed derimod har ikke en separat forsyningsspænding og er derfor afhængig af en ekstern forsyning. Du kan finde flere oplysninger om aktive/passive signaler her (engelsk).

 

 

Tilbage til PR Vidensbibliotek