4...20 mA:n virtapiirien perusteet

 

Tässä artikkelissa tarkastellaan lähemmin teollisuusstandardin 4…20 mA virtaviestin taustalla olevia periaatteita.

 

Miksi käyttää virtaviestiä jänniteviestin sijasta?

Tämän ymmärtämiseksi tarvitsemme ensin perustiedot virrasta, jännitteestä ja resistanssista:

 

• Virta: Virta on elektronien virtausta piirissä. 1 A virta on yhtä suuri kuin 6.24 x 10¹⁸ elektronin virtaus sekunnissa. Mittataessa virtaa, on piiri ensin avattava ja kytkettävä virtamittari virtapiiriin sarjakytkennällä. Tällä tavoin kaikkien elektronien on kuljettava mittarin läpi, mikä varmistaa virran tarkan mittauksen. 

  Mittayksikkö: Ampeeri, symboli: A.

• Resistanssi: Resistenssi vastutaa virran kulkua. Jos piirin vastus kasvaa ja jännite pysyy vakiona, piirin virta laskee. Vastuksen voi mitata irrottamalla mitattava komponentti mittaus piiristä ja mittaamalla sitten ohmi-mittarilla sen vastus.

  Mittayksikkö: Ohm, symboli: Ω.

• Jännite: Jännite on sähkövaraus kahden pisteen välissä. Sähkövaraus syntyy, jos elektronit yhdessä pisteessä ovat eri energian tasolla kuin toisessa pisteessä olevat elektronit. Sähkövaraus syntyy myös, jos toisessa pisteessä on saman energiatason elektroneja enemmän, kuin toisessa pisteessä. 1 V sähkövarauksella on tarpeeksi energiaa 1 A virran ohjaamiseksi 1 Ω vastuksen läpi. Jännitteen mittaamiseksi liitetään jännitemittari rinnan kahden pisteen kanssa.

  Mittayksikkö: Jännite, symboli: V.

 

Ohm:n laki määrittelee kuinka virta, jännite ja vastus vaikuttavat toisiinsa virtapiirissä:

 

• Virta = Jännite / Vastus
• Jännite = Virta x Vastus
• Vastus = Jännite / Virta

 

Ohmin lain havainnollistamiseksi tarkastellaan tyypillistä AA-paristoa:

 

 

Vasemmanpuoleisen liittimen varaus (piste A) on negatiivinen verrattuna oikeanpuoleisen liittimen varaukseen (piste B). Tämän pariston jännite on 1,5 V.

 

Kun piiri on kytketty paristoon, se luo polun virran virtaamiseksi positiivisesta navasta negatiiviseen napaan. Seuraavan piirin lampun resistanssi on 5 Ω. Tämä vastus säätelee piirin läpi virtaavan virran määrää.

 

 

Virta = Jännite / Vastus, joten silmukan ympäri virtaava virta on 1,5 V / 5 Ω = 0,3 A.

 

Virran suuruutta voidaan muuttaa muuttamalla piirin vastusta tai piirin jännitettä. Suurin osa teollisissa sovelluksissa käytettävistä virtapiireistä saa virran kiinteästä 24 V:n virtalähteestä, joten piirin virtaa muutetaan säätämällä piirin vastusta.

 

2-johdinlähetin

2-johdinlähetin mittaa prosessissa olevia muuttujia ja säätää virtapiirin virtaa 0,004 - 0,02 A välillä (4 mA…20 mA) muuttamalla virtapiirin vastustusta. 2-johdinlähettimet voivat mitata melkein mikä tahansa prosessimuuttujia, esimerkiksi lämpötilaa, painetta, pintaa tai virtausta.

 

Seuraavassa esimerkissä 2-johdinlähetin mittaa lämpötila-anturia. Lähetin on ohjelmoitu säätämään 2-johdinpiirin välillä 4…20 mA lämpötilan muuttuessa 0…100 °C:seen.

 

 

 

Prosessiohjausjärjestelmä on myös kytketty virtapiiriin sen virran mittaamiseksi. Tämän piirustuksen vastusmerkki symboloi järjestelmää; useimpien järjestelmien tulovastus on 250 Ω. Kaapeloinnissa on myös jonkin verran vastusta, joka tulee ottaa huomioon laskettaessa piirin budjettia (mitä kauempana, sitä suurempi vastus).

 

Virta on sama kaikkialla virtapiirissä, eli lähettimen säätämä virta ja järjestelmän mittaama virta ovat identtisiä.

 

Sähkömagneettiset häiriöt

Jotta prosessin mittaukset olisivat tarkkoja, on tärkeää minimoida sähkömagneettisista häiriöistä (Electromagnetic Interference, EMI) johtuvat virheet. EMI häiriöitä esiintyy yleisesti teollisuusympäristöissä ja tyypillisiä lähteitä ovat: taajuusmuuttajat, pehmeäkäynnistimet, kontaktorit, radiopuhelimet, sähköverkon 50/60 Hz: n häiriöt, generaattorien liukurenkaat, tasavirtamoottorien virrankääntäjät ja prosesissa tai salamoinnista aiheutuva sähköstaattinen purkaus. (olemme keränneet lisätietoja aiheesta tänne).

 

Virtasignaalit sietävät luonnostaan paremmin EMI härioitä kuin jännitesignaalit, etenkin pidemmillä etäisyyksillä. Tämä on yksi virtaviestien suurimmista eduista jännitviestin verrattuna, kun prosessimittauksia liitetään ohjausjärjestelmään. Muut syyt siihen, miksi 4…20 mA on yleisesti käytetty standardi prosessinohjauksessa ovat:

 

• Jänniteviestit vaimenevat hieman, johtuen pitkistä johdinpituuksista. Tämä on erityisen ongelmallista, jos signaalitaso on alhainen (esim. mV-lähdöt kuormituskennoista). Toisin kuin jänniteviestit, 4…20 mA virtaviestit eivät vaimene pitkällä matkalla (tietyissä rajoissa). Sillä ei ole väliä, onko prosessianturin etäisyys järjestelmästä 5 m, 100 m tai jopa enemmän. Lähettimen säätelemä virta on oikea ja identtinen kaikkialla virtasilmukassa.
• Johtimen katkeaminen virtaviestissä johtaa 0 mA virtaan. Järjestelmä voi helposti tulkita tämän epätavallisen alhaisen virran kaapelivikana. Jos käytetään jännitesignaaleja, katkennut johdin voi toimia kuin antenni, jolloin paikallinen EMI voi aiheuttaa jännitteen signaalijohtoihin. Tämä vaikeuttaa kaapelin katkeamisen havaitsemista, jos järjestelmässä mitataan jännitettä.
• Useimmat nykyaikaiset lähettimet voidaan ohjelmoida säätämään piirin virta epätavallisen korkeaan tai alhaiseen arvoon, jos anturi vikaantuu. Lähetin voi esimerkiksi säätää piirin virran arvoon 3,5 tai 23 mA, jos esim. termoelementti-anturi katkeaa.

 

Virtapiirin jännitebudjetti

Edellisessä esimerkissä lähetin säätää virtapiirin virtaa, joka saa apujännitteen 24 V virtalähteestä ja piiriin on kytketty ohjaus.

 

Jos lisäämme virtapiiriin myös piirturin, meidän on selvitettävä, toimiiko virtapiiri edelleen oikein lisätyllä 350 Ω vastuksella. Laskemme virtapiirin jännitebudjetin tämän selvittämiseksi.

 

 

Kuinka tehdään virtapiirin jännitebudjetti:

Ensin määritetään virtapiirin maksimivirta. Tässä esimerkissä lähetin on konfiguroitu nostamaan virta 23 mA:iin, jos anturivika ilmaantuu. Siksi maksimivirta koko silmukassa on 0,023 A.

Ohmin laki: Jännite = virta x vastus. Siksi:

 

• Järjestelmän jännitevaatimus on: 0,023 A x 250 Ω = 5,75 V.
• Piirturin jännitevaatimus on 0,023 A x 350 Ω = 8,05 V.

 

Lähettimen tekninsessä eritelyssä kerrotaan, että sen syöttäminen vaatii vähintään 8 V.

 

Myös johtimien Myös johtimien pituus on huomioitava. Tässä esimerkissä lähettimen ja järjestelmän/piirturin välinen etäisyys on 40 metriä. Siten johtimien kokonaispituus on 80 metriä. Olettaen, että käytetään johtimia, joiden poikkileikkauspinta-ala on 0,455 mm², johtimien kokonaisvastus on silloin 10,7 Ω. Ohmin lain mukaan: 0,023 A x 10,7 Ω = 0,25 V.

 

Nyt vähennetään kaikki jännitehäviöt piirin syöttöjännitelähteestä:

 

 

Piirin syöttöjännite	24 V
Järjestelmän vaatima jännite	-5,75 V
Piirturin vaatima jännite	-8,05 V
Lähettimelle tarvittava jännite	-8 V
Johdinvastuksen vaatima jännite	-0,25
Virtapiirin jäljellä oleva jännite	1,95 V

 

Budjetin laskemisen jälkeen tiedämme, että tällä virtapiirillä on riittävästi jännitettä 23 mA:n ajamiseen virtapiiriin, jos anturivika ilmaantuu.

 

Sulakesuojaus

Piiri tulee aina suojata oikosulkuvirralta lisäämällä siihen sulake. Sulake suojaa piiriä liialliselta virralta, jos tapahtuu oikosulku, joka ohittaa lähettimen säätämän 4…20 mA: n virran. Jos sulake palaa, virta piirissä laskee arvoon 0 mA. Seurauksena järjestelmä sekä piirturi havaitsevat tämän epätavallisen alhaisen virran piirin vikatilana.

 

 

2-johdinlähettimet vs. 4-johdinlähettimet

Tähän mennessä käsitellyt lähettimet ovat ns. 2-johdinlähettimiä. 2-johdinlähetin saa energian virtapiirin virtalähteeltä, minkä vuoksi sitä kutsutaankin “2-johdinlähettimeksi”.

 

Joitakin 2-johdinlähettimien etuja:

 

• Asennuksessa ei tarvita erillisiä johtimia apujännitettä varten
• Edullisempi laite
• Ne voivat sijaita anturin kotelossa (tai hyvin lähellä anturia)
• Niiden virrankulutus on erittäin pieni

 

4-johtimiset lähettimet voivat kuitenkin olla tarpeistasi riippuen parempi valinta.

 

 

Tässä esimerkissä 24 V: n lähde on kytketty lähettimeen. Osa syötetystä energiasta käytetään lähettimen oman toiminnan tarpeeseen, kun taas osa siitä käytetään 4…20 mA:n virtasilmukan virran tuottamiseen.

 

Joitakin 4-johdinlähettimien etuja:

 

• Tehoa on käytettävissä riittävästi lähettimen lisäominaisuuksien, kuten kosketinlähtöjen ja näytön tarpeisiin.
• Virtaa on saatavilla riittävästi laajemmalle anturivalikoimalle; esim. melkein kaikki kuormitusta mittaavat lähettimet ovat 4-johdinlähettimiä, koska mittauskenno vaatii tyypillisesti 10 V jännitteen ja esim. 29 mA virran.
• 4-johdinlähettimiä voidaan syöttää vaihtovirta- tai tasajännitteellä, kun taas 2-johdinähettimen syöttö tapahtuu ainoastaan tasajännitteellä.

 

PR Lämpötilalähettimet

 

Aktiivinen vs. passiivinen virta

Virtapiirin laitteet ovat, joko aktiivisia, tai passiivisia. ”Aktiivinen” tarkoittaa tässä yhteydessä, sitä että laitteessa on jännitelähde, joka syöttää virtapiiriä. Virtapiirissä voi olla vain yksi aktiivinen laite. ”Passiivisten” laitteiden kohdalla on juuri päinvastoin - niillä ei ole omaa jännitelähdettä, joten ne ovat riippuvaisia ulkoisesta lähteestä. Löydät lisätietoja aktiivisista/passiivisista signaaleista täältä (englanninkielisiä).

 

 

Takaisin PR-tietokirjastoon