Grundläggande om 4...20 mA strömslingor

 

I denna artikel tittar vi närmare på principerna bakom industristandarden 4...20 mA strömslingor.

 

Hvorfor bruge strøm i stedet for spænding?

För att förstå detta, måste vi först ha en grundläggande förståelse om ström, spänning och resistans:

 

• Ström: Ström är flödet av elektroner genom en krets. Ström på 1 ampere motsvarar ett flöde på 6,24 x 10¹⁸ elektroner per sekund. För att mäta ström bör du bryta upp en krets och tillföra en amperemätare i kretsen. På detta sätt måste alla elektroner strömma igenom mätaren, vilket säkerställer en noggrann strömmätning.

  Måttenhet: Ampere, symbol: A.

• Resistans: Resistansen är motståndet till strömflöde. Om resistansen ökar, minskar strömflödet. För att mäta resistans, frånkoppla komponenten som har resistans från en krets och använd sedan en ohmmätare för att mäta resistansen i komponenten.

  Måttenhet: Ohm, symbol: Ω.

• Spänning: Spänning är skillnaden i elektrisk laddning mellan två punkter i en krets. Det finns en skillnad i elektrisk laddning om elektronerna vid en punkt är på en annan energinivå jämfört med elektronerna vid den andra punkten, eller om det finns flera elektroner med samma energinivå på en punkt jämfört med den andra punkten. En skillnad i elektrisk laddning på 1 V är tillräckligt för att driva 1 A ström genom en resistans på 1 Ω. För att mäta spänning, anslut voltmätaren parallellt med två punkter i en krets.

  Måttenhet: Spänning, symbol: V.

 

Ohms lag definierar förhållandet mellan ström, spänning och resistans i en krets:

 

• Ström = spänning / resistans
• Spänning = ström x resistans
• Resistans= spänning / ström

 

För att illustrera Ohms lag kan vi ta en titt på ett vanligt AA-batteri:

 

 

Laddningen vid vänster terminal, (punkt A) är negativ jämfört med laddningen vid höger terminal, (punkt B). I det här batteriet är skillnaden i laddning (spänningen) 1,5 V.

 

När en krets är ansluten till batteriet så skapas en väg för strömmen från den positiva terminalen till den negativa terminalen. Lampan i följande krets har en resistans på 5 Ω. Denna resistans reglerar mängden ström som flödar genom kretsen.

 

 

Ström = spänning / resistans, så strömmen som flödar runt slingan är 1,5 V / 5 Ω = 0,3 A.

 

Mängden strömflöde kan ändras genom att man alternerar slingans resistans eller slingans spänning. De flesta strömslingor inom industriella applikationer är strömsatta av en fast 24 V-källa. Slingans ström ändras genom att man varierar motsatsen till strömflödet på slingan.

 

Slingans transmitter

En transmitter på slingan mäter en processvariabel och reglerar slingans ström mellan 0,004 och 0,02 A, (4...20 mA) genom att variera motsatsen till strömflödet på slingan. Transmittrar på slingan kan mäta näst intill alla processvariabler, t.ex. temperatur, tryck, nivå eller flöde.

 

I exemplet nedanför mäter en transmitter på slingan en temperaturmätare. Transmittern är programmerad att reglera slingans strömflöde mellan 4...20 mA när temperaturen ändras från 0...100°C.

 

 

 

En processtyrenhet kopplas även till slingan för att mäta slingans ström. Resistanssymbolen i denna ritning symboliserar styrenheten; de flesta har en fast resistans på 250 Ω. Slingans kablage har även en viss resistans som bör tas i beaktande när man beräknar en slingas andel (mer om det senare).

 

Ström är vanligt i en seriekrets, så slingans ström som regleras av transmittern och strömmen som mäts av styrenheten är identiska.

 

Elektromagnetiska störningar

För att säkerställa korrekta processmätningar är det viktigt att minimera fel på grund av elektromagnetiska störningar (EMI). EMI är vanligt inom industriella miljöer och vissa av källorna är: Drivsystem med variabel frekvens, mjukstartare, kontaktorer över linjerna, mobilradioapparater, 50 / 60 Hz brus från elnätet, glidringar på generatorer, DC-motorkommutatorer och elektrostatisk urladdning som skapas inom processen eller av blixtar (vi har samlat mer information om ämnet här).

 

Strömsignaler är i sig själva mer immuna mot EMI än spänningssignaler, i synnerhet över långa avstånd. Detta är en av de stora fördelarna med att använda ström istället för spänning för att få processmätningar till ett kontrollsystem. Andra orsaker varför 4...20 mA är en allmänt etablerad standard för användning inom processtyrning:

 

• Spänningssignaler dämpas något över långa avstånd i och med trådmotstånd. Detta är särskilt problematiskt om signalnivån är låg (t.ex. mV-utgångar från lastceller). Till skillnad från spänningssignaler avtar inte strömsignaler på 4...20 mA över långa sträckor (inom rimliga gränser). Det har ingen betydelse om processgivaren är separerad från styrenheten med 5 meter, 100 meter eller mer. Strömflödet som regleras av transmittern är korrekt och identiskt överallt på strömslingan.
• En trasig kabel resulterar i ett strömflöde på 0 mA. En styrenhet kan enkelt detektera denna ovanligt låga strömnivå som en trasig kabel. Om spänningssignaler används kan den trasiga kabeln fungera som en antenn, vilket i sin tur gör att EMI kan bilda en spänning på signalkablarna. Detta gör att det är svårt att identifiera kabelfel om styrenheten mäter spänning.
• Du kan programmera de flesta strömtransmittrar så att de reglerar strömmen till en ovanligt hög eller låg nivå om givaren slutar fungera. Till exempel kan transmittern reglera slingans ström till 3,5 eller 23 mA om termoelementgivaren går sönder.

 

Slingans budget

I det tidigare exemplet reglerar transmittern strömflödet på en slinga som strömsätts av 24 V och har en annan enhet, styrenheten, ansluten till slingan.

 

Om vi lägger till en diagramskrivare till slingan så kan vi ta reda på om slingan fortfarande fungerar med den extra resistansen på 350 Ω. För att göra detta måste vi beräkna en budget för slingan.

 

 

Hur bestämmer man en budget för slingan:

Först bestämmer vi max. ström i slingan. I detta exempel är transmittern konfigurerad att öka slingans ström till 23 mA om ett givarfel inträffar. Den maximala strömmen genom slingan är därför 0,023 A.

Ohms lag anger att: Spänning = ström x resistans. Därmed:

 

• Är styrenhetens krav på slingans spänning: 0,023 A x 250 Ω = 5,75 V.
• Diagramskrivarens krav på slingans spänning är 0,023 A x 350 Ω = 8,05 V.

 

Transmitterns datablad visar att det krävs minst 8 V för att strömsätta den.

 

Slutligen måste längden på tråden tas i beaktande. I detta exempel är avståndet mellan transmittern och styrenheten / diagramskrivaren 40 meter. Detta innebär att den totala längden på slingans tråd är 80 meter. Om vi antar att trådar med en tvärsnittsarea på 0,445 mm² används, så är det totala trådmotståndet på slingan 10,7 Ω. Med hjälp av Ohms lag: 0,023 A x 10,7 Ω = 0,25 V.

 

Subtrahera nu alla spänningsfall från slingans spänningskälla:

 

 

Slingans spänning	24 V
Spänning som krävs av styrenheten	-5,75 V
Spänning som krävs av diagramskrivaren	-8,05 V
Spänning som krävs för att strömsätta transmittern	-8 V
Spänning som krävs av slingans trådmotstånd	-0,25
Spänning kvar för att strömsätta andra slingbelastningar	1,95 V

 

Efter att vi har beräknat vår budget så vet vi att slingan har mer än tillräckligt med spänning för att driva 23 mA genom alla slingbelastningar i händelse av att ett givarfel inträffar.

 

Säkringsskydd

Slingan bör alltid skyddas från kortslutningsström genom ett tillägg av en säkring i slingan. Denna säkring skyddar slingan från överström om en kortslutning inträffar som kringgår strömregleringen 4...20 mA från transmittern. Slingans ström faller till 0 mA om en säkring går och som ett resultat detekterar styrenheten och diagramskrivaren detta ovanligt låga värde som ett fel.

 

 

2-tråds transmittrar kontra 4-tråds transmittrar

De transmittrar som vi har diskuterat hittills är så kallade “2-tråds” transmittrar. En 2-tråds transmitter strömsätts av slingans strömförsörjning och av denna orsak kallas den ibland för en ”loop-matad” transmitter.

 

Några av fördelarna med 2-tråds transmittrar:

 

• Separata strömkablar krävs inte i installationen
• Lägre kostnader
• De kan placeras i givarhuvudet (d.v.s. väldigt nära givaren)
• De har en väldigt låg strömförbrukning

 

Beroende på dina behov kan en 4-tråds transmitter dock vara det bättre alternativet.

 

 

I detta exempel är källan på 24 V ansluten till transmittern. En del av strömmen används för att direkt strömsätta transmittern, samtidigt som ytterligare ström används för att strömsätta strömslingan på 4...20 mA.

 

Några av fördelarna med 4-tråds transmittrar:

 

• Det finns tillräckligt med ström för att möjliggöra användningen av extra transmitterfunktioner, såsom kontaktutgångar och en inbyggd display
• Det finns tillräckligt med ström för att möjliggöra en högre nivå av givarexcitation; t.ex. är nästan alla lastcellstransmittrar 4-tråds transmittrar eftersom att varje lastcell vanligtvis kräver 10 V vid en excitation på 29 mA
• 4-tråds transmittrar kan strömsättas av AC- eller DC-spänning, samtidigt som slingmatade transmittrar endast strömsätts av DC-spänning.

 

PR Temperaturtransmittrar

 

Aktiv kontra passiv ström

Enheter på en strömslinga är antingen aktiva eller passiva. “Aktiv” i detta sammanhang innebär att en enhet har en spänningskälla som strömsätter slingan. Det kan endast finnas en aktiv enhet på en strömslinga. “Passiva” enheter är den exakta motsatsen – de har inte en egen spänningskälla och är därmed beroende av en extern källa. Du hittar mer information om aktiva / passiva signaler här (engelska).

 

 

Tillbaka till PR kunskapsbibliotek