Меню

Как измерить токовый сигнал



Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Как измерить ток с помощью осциллографа

Измерение тока является простой задачей – все, что вам нужно сделать, это подключить мультиметр к цепи, которую вы хотите измерить, и счетчик даст вам чистое значение тока для использования в дальнейшем. Но иногда нет возможности разорвать цепь, чтобы соединить мультиметр с тем, что вы хотите измерить. Это также решается довольно просто – вам просто нужно измерить напряжение на известном сопротивлении в цепи, тогда ток – это просто напряжение, деленное на сопротивление (из закона Ома).

Все становится немного сложнее, когда вы хотите измерить изменяющиеся сигналы. Это зависит от частоты обновления (количества выборок в секунду) мультиметра, и обычный человек может воспринимать только небольшое изменений в отображении в секунду. Измерение переменного тока становится немного проще, если ваш мультиметр измеряет среднеквадратичное напряжение (среднеквадратичное напряжение – это напряжение сигнала переменного тока, который будет передавать то же количество энергии, что и источник постоянного тока этого напряжения). Это измерение строго ограничено периодическими сигналами (прямоугольные волны и тому подобное строго исключены, если только среднеквадратическое значение не является «истинным», даже в этом случае нет никаких гарантий точности измерения). Большинство мультиметров также имеют низкочастотную фильтрацию, что предотвращает измерение переменного тока выше нескольких сотен герц.

Осциллограф заполняет промежуток между человеческим восприятием и устойчивыми значениями мультиметра – он отображает своего рода график напряжения-времени сигнала, который позволяет лучше визуализировать изменяющиеся сигналы по сравнению с набором меняющихся чисел на мультиметре.

Измерение сигналов с частотой до нескольких гигагерц также возможно при наличии правильного оборудования. Однако осциллограф является прибором для измерения напряжения с высоким импедансом – он не может измерять токи как таковые. Использование осциллографа для измерения токов требует преобразования тока в напряжение, и это можно сделать несколькими способами.

Во-первых, это использование шунтового резистора. Это, пожалуй, самый простой способ измерения тока. Преобразователь тока в напряжение здесь представляет собой простой резистор. Базовые знания электротехники говорят нам, что напряжение на резисторе пропорционально току, протекающему через него. Это можно выразить по закону Ома: U = IR. Где U – напряжение на резисторе, I – ток через резистор, а R – сопротивление резистора, все в соответствующих единицах.

Хитрость заключается в том, чтобы использовать значение резистора, которое не влияет на общую измеряемую цепь, поскольку падение напряжения на шунтирующем резисторе приводит к уменьшению напряжения на цепи, в которой он находится. Общее практическое правило заключается в использовании резистора, который намного меньше, чем сопротивление или импеданс измеряемой цепи (в десять раз меньше в хорошей начальной точке), чтобы предотвратить влияние шунта на измеряемый ток в цепи.

Например, трансформатор и полевой МОП-транзистор в преобразователе постоянного тока могут иметь полное (постоянное) сопротивление в несколько десятков миллиом, а установка большого (скажем) резистора 1 Ом приведет к падению большей части напряжения на шунте (помните, что для для последовательных резисторов отношение падения напряжения на резисторах является отношением их сопротивлений) и, следовательно, к большей потере мощности. Резистор просто преобразует ток в напряжение для измерения. В то же время маленький резистор (1 мОм) будет пропускать через себя только небольшое (но измеримое) напряжение, оставляя остальное напряжение для выполнения полезной работы.

Здесь вы можете использовать несколько изящных приемов. Предположим, что ваш шунт имеет сопротивление 100 мОм, тогда ток 1 А приведет к падению напряжения на 100 мВ, что даст нам «чувствительность» 100 мВ на усилитель. Это не должно вызывать проблем, если вы будете осторожны, но часто 100 мВ воспринимается буквально – другими словами, путается с 100 мА.

Эту проблему можно решить, установив настройку входа на 100X – датчик уже ослабляет в 10 раз, поэтому добавление еще 10X к сигналу возвращает его обратно к 1 В на усилитель, т.е. вход «умножается» на 10. Большинство осциллографов поставляются с этой возможностю выбора входной аттенюации. Однако существуют осциллографы, которые поддерживают только 1X и 10X. Еще одна полезная небольшая особенность – возможность установки вертикальных единиц, отображаемых на экране – U можно изменить на A, W и т.п.

Все усложняется, когда вы не можете разместить шунт на нижней стороне. Заземление осциллографа напрямую связано с заземлением, поэтому при условии, что ваш источник питания также заземлен, подключение зажима заземления датчика к любой случайной точке в цепи закорачивает эту точку на землю. Этого можно избежать, выполнив то, что называется дифференциальным измерением. Большинство осциллографов имеют математическую функцию, которую можно использовать для выполнения математических операций с отображаемым сигналом (формами). Обратите внимание, что это никак не меняет фактический сигнал!

Здесь мы будем использовать функцию вычитания, которая отображает разницу двух выбранных сигналов. Поскольку напряжение – это просто разность потенциалов в двух точках, мы можем подключить один датчик к каждой точке и подключить зажимы заземления к заземлению цепи, как показано на рисунке.

Получив разницу между двумя сигналами, мы можем определить ток. Та же самая уловка с аттенюацией, использованная выше, применима и здесь, просто не забудьте изменить оба канала.

Есть несколько недостатков в использовании шунтирующего резистора. Во-первых, это допуск, который может составлять 5%. Второе – это температурный коэффициент. Сопротивление резисторов увеличивается с ростом температуры, что приводит к большему падению напряжения для данного тока. Это особенно плохо с сильноточными шунтирующими резисторами.

Впрочем, вместо шунтов можно использовать специальные токоизмерительные щупы. Готовые токовые пробники (называемые также «токовые клещи»; они зажимаются на проводах без прерывания цепей) доступны на рынке, но вы не увидите, чтобы многие любители использовали их из-за их непомерной стоимости. Эти щупы используют один из двух методов.

Первый метод – использование катушки, намотанной на полукруглый ферритовый сердечник. Ток в проводе, вокруг которого зажат щуп, генерирует магнитное поле в феррите. Это в свою очередь вызывает напряжение в катушке. Напряжение пропорционально скорости изменения тока. Интегратор «интегрирует» форму сигнала и выдает выходной сигнал, пропорциональный току. Выходная шкала обычно составляет от 1 мВ до 1 В на усилитель.

Второй метод использует датчик Холла, зажатый между двумя ферритовыми полукругами. Датчик Холла выдает напряжение, пропорциональное току.

Впрочем, есть еще один быстрый и «грязный» метод. Этот метод не требует никаких дополнительных компонентов, кроме осциллографа и щупа.

Этот метод очень похож на использование токового датчика. Обмотайте провод заземления датчика вокруг провода, несущего измеряемый ток, а затем подключите зажим заземления к наконечнику датчика. Произведенное напряжение также будет пропорционально скорости изменения тока, и вам необходимо выполнить некоторую математическую функцию для формы сигнала (а именно, интеграцию; большинство осциллографов имеют эту функцию в меню «математика»), чтобы интерпретировать сигнал как ток.

Говоря языком электриков, закороченный щуп образует проволочную петлю, которая действует как трансформатор тока, как показано на рисунке.

Вот такие несколько методов измерения изменения формы тока с помощью осциллографа. Самый простой из них – использование токового шунта и измерение напряжения на нем.

Источник

Измерение сигнала в токовом контуре 4–20 мА

Токовый контур 4–20 мА является распространенным способом передачи данных во многих системах мониторинга промышленных процессов — как правило, в системах, контролирующих давление, температуру, pH, расход и другие физические характеристики. В этих системах используется двухпроводной токовый контур 4–20 мА, в котором один кабель с витой парой подает питание на датчик, а также передает выходной сигнал.

Принцип работы контура очень прост: сначала выходное напряжение датчика преобразуется в пропорциональный ток, где 4 мА обычно соответствуют выходу нулевого уровня датчика, а 20 мА — полномасштабному выходу датчика. Например, значение 20 мА означает, что клапан прямого действия полностью открыт, в то время как значение 4 мА означает, что клапан закрыт. (Для клапана обратного действия верно противоположное утверждение). Показания между максимальным и минимальным значениями означают, что контур управляет клапаном.

Читайте также:  Как измерить вероятность ошибки

Проверка контура 4–20 мА — это важный этап в поиске и устранении неисправностей и калибровке технологических систем. Полная проверка включает в себя проверку выходного сигнала датчика, проверку проводки, входного сигнала системы управления и платы входящих сигналов системы управления, а также проверку проводки, идущей к датчику.

Дополнительные функции калибратора токового контура позволяют техническим специалистам выполнять поиск и устранение неисправностей на месте, не отсоединяя провода и не разрывая контур. Многофункциональные калибраторы процессов используются для тестирования как токовых контуров 4–20 мА, так и цифровых органов управления.

Источник

Аналоговые полевые интерфейсы: токовая петля 4-20 мА – от простого к сложному

27 февраля 2019

Интерфейс токовая петля 4-20 мА – один из самых старых, и в то же время самых надежных и помехоустойчивых стандартов передачи информации на большие расстояния. Основным его применением являются промышленные системы автоматики. В последнее время, в связи с распространением цифровых методов управления, для систем на основе токовой петли 4-20 мА разработан набор коммуникационных стандартов для промышленных сетей HART (Highway Addressable Remote Transducer). О физических основах токовой петли, особенностях ее реализации и разновидностях интерфейса призвана напомнить эта статья.

Любая система управления помимо электроники и исполнительных устройств включает в себя набор интерфейсов, с помощью которых происходит сопряжение всех ее элементов в единое целое. Именно интерфейсы обеспечивают надежное функционирование оборудования в реальных, порой весьма жестких условиях. Анализ наиболее популярных аналоговых и цифровых способов обмена информацией с удаленными элементами показывает, что многие из них основаны на использовании токовой петли (Current Loop). Благодаря простоте, высокой помехозащищенности и ряду других положительных качеств, токовая петля, особенно интерфейс 4-20 мА, заслуженно стала одной из самых распространенных основ для передачи информации на большие расстояния.

Однако сегодня, во многом благодаря почтенному возрасту данного метода, истоки которого следует искать в технической литературе середины ХХ века, некоторые разработчики, особенно начинающие, не до конца понимают всех его особенностей, что приводит к появлению досадных ошибок при проектировании. Поэтому базовую информацию о данном методе передачи данных необходимо периодически обновлять, что и является целью этой статьи.

Почему ток, а не напряжение?

Как известно из школьного курса физики, режим работы участка электрической цепи (двухполюсника) определяется двумя основными параметрами: напряжением U – разностью потенциалов на его концах, и током I, протекающим через него (рисунок 1). В общем случае связь между значениями U и I может быть достаточно сложной, ведь она зависит от внутренней начинки двухполюсника, который может содержать все что угодно, в том числе и источники электрической энергии. Однако в простейшем случае, – для резистора с сопротивлением R, – эти два параметра связаны законом Ома: U = I × R.

Рис. 1. Основные соотношения для резистивного двухполюсника

Таким образом, при использовании на приемной стороне резистора в качестве датчика входного сигнала, теоретически нет никакой разницы между способами передачи сигнала – с помощью напряжения или с помощью тока, ведь эти два параметра взаимосвязаны. Более того, с технической точки зрения передавать информацию с помощью напряжения проще, чем с помощью тока, ведь большинство существующих источников электрической энергии является источниками напряжения, да и приборов, в том числе и полупроводниковых, способных контролировать или регулировать напряжение, намного больше. Кроме этого, система, передающая информацию с помощью напряжения при бесконечно большом сопротивлении измерительного элемента (R ⇒ ∞) практически не потребляет тока (I ⇒ 0). Это означает, что теоретически она может быть намного экономичней, ведь в этом случае мощность сигнала P, а следовательно, и затраты энергии на его передачу могут быть сколь угодно малыми (P = U × I ⇒ 0).

И действительно, вряд ли кто-то будет использовать токовую петлю для связи, например, двух микроконтроллеров, расположенных на одной плате в нескольких сантиметрах друг от друга. Однако когда речь заходит о расстояниях больше десяти метров или о передаче информации в сложной электромагнитной обстановке, основные недостатки токовой петли при работе на малых расстояниях превращаются в ее достоинства, и она становится одним из самых надежных и эффективных способов передачи информации.

Основным преимуществом токовой петли является высокая точность передачи информации. В реальной системе связи на величину напряжения сигнала на приемной стороне влияют физические параметры линии, в первую очередь – активное сопротивление ее проводников RЛ1 и RЛ2 (рисунок 2). Действительно, согласно второму закону Кирхгофа, сумма напряжений в замкнутом контуре должна быть равна нулю, поэтому напряжение UВЫХ, генерируемое передатчиком, равно сумме падений напряжений на сопротивлениях проводов линии связи UЛ1, UЛ2 и входном сопротивлении приемника UВХ. Это означает, что для точной передачи сигнала, особенно аналогового, с помощью напряжения необходимо каждый раз подстраивать систему под конкретную линию связи. Учитывая, что активные сопротивления проводников RЛ1 и RЛ2 физической линии зависят от многих факторов, в первую очередь от температуры, такую настройку необходимо проводить регулярно, в зависимости от времени суток и погодных условий.

Рис. 2. Системы связи на основе передачи напряжения и тока

В отличие от напряжения, величина которого отличается для каждого участка, ток во всех элементах неразветвленной электрической цепи одинаков. Это означает, что качество передаваемой информации (силу тока) можно контролировать не только на приемной, но и на передающей стороне, тем самым подстраиваясь под все изменения параметров линии. Таким образом, система передачи данных на основе токовой петли не требует каких либо дополнительных инструментов калибровки или автоподстройки под конкретную линию связи – эту функцию автоматически выполняет передатчик.

Влияние параметров линии связи в системе, передающей информацию с помощью напряжения, теоретически можно уменьшить, увеличив внутреннее сопротивление приемника (в идеальном случае R ⇒ ∞). В этом случае произойдет уменьшение тока в линии, а следовательно, и падение напряжения на сопротивлениях RЛ1 и RЛ2. Однако при работе с длинными линиями это приведет к ухудшению качества связи, поскольку кроме сигнала в системе существуют еще и помехи.

Помеха является такой же неотъемлемой частью систем передачи данных как передатчик, приемник и линия связи. В аналоговых системах наличие помех приводит к уменьшению соотношения «сигнал/шум», а в цифровых – к увеличению вероятности ошибки. В системе на основе передачи напряжения напряжение, создаваемое помехой UПОМ, суммируется с выходным напряжением передатчика UВЫХ (рисунок 3), поэтому на приемной стороне их разделение весьма затруднительно. А вот в системе на основе передачи тока любые отклонения выходного сигнала, в том числе и вызванные помехой, могут быть скомпенсированы на передающей стороне. Воздействие помехи в этом случае проявится в виде изменения напряжения на выходе передатчика на величину -UПОМ, но ток в линии останется неизменным.

Рис. 3. Влияние помехи на различные системы связи

Это также можно объяснить иначе: в системе на основе передачи напряжения энергия помехи выделится на входе приемника, где она причинит максимальный вред, а в системе на основе передачи тока – на выходе передатчика, где эффект от ее воздействия будет минимальным. Действительно, поскольку падение напряжения на участке резистивной цепи пропорционально ее сопротивлению, энергия помехи должна выделиться на участке, имеющем максимальное сопротивление. В системе на основе передачи напряжения внутреннее сопротивление передатчика RПЕР (источника напряжения) должно быть как можно меньше, а приемника (вольтметра) – максимально большим (рисунок 3). В системе на основе передачи тока все наоборот: внутреннее сопротивление передатчика (источника тока) должно быть максимально большим, а приемника (амперметра) – минимальным. Таким образом, теоретически (и практически) системы связи на основе токовой петли имеют больший уровень помехозащищенности, чем системы связи на основе передачи напряжения.

Читайте также:  Приложение для айфона для измерения артериального давления

Интерфейс 4-20 мА

В основе интерфейса 4-20 мА лежит токовая петля с рабочими значениями токов в диапазоне 4…20 мА. Изменение значения тока до значения менее 3,8 мА свидетельствует об обрыве линии, а выше 20,5 мА – о коротком замыкании. Таким образом, этот интерфейс позволяет контролировать целостность физических соединений в системе.

В общем случае логическое соответствие уровней тока может быть любым, однако традиционно малый уровень соответствует низкому уровню контролируемой величины, а большой – высокому. Так, например, выходной сигнал аналогового датчика, контролирующего уровень заполнения бака, равный 4 мА, будет соответствовать пустому баку, а 20 мА – полному. Если же бак будет заполнен наполовину, то датчик сформирует ток 12 мА (4 + (20 – 4)/2 = 12 мА). В цифровых двоичных системах ток, равный 4 мА, обычно соответствует уровню логического нуля, а 20 мА – логической единице.

Прототипом электрического интерфейса 4-20 мА является его пневматический аналог с уровнями давлений 3…15 фунтов на квадратный дюйм (0,2…1 бар). До широкого распространения электроники именно этот стандарт был доминирующим в промышленности. Именно в нем появился «смещенный ноль», когда низкий уровень сигнала отличался от нулевого значения. В свое время это было связано с тем, что, во-первых, давление меньше 0,2 бар было технически сложно обнаружить, а во-вторых – уменьшение давления ниже этой величины свидетельствовало о наличии повреждений.

По мере развития электроники, особенно в области микроконтроллеров, пневматические системы управления постепенно вытеснялись электронной автоматикой. Однако до сих пор выпускается множество устройств с пневматическими интерфейсами управления, например, регулирующая арматура для трубопроводов. Это связано с тем, что использование в них электрических приводов технически сложно или дорого. В этом случае используются специализированные преобразователи интерфейсов «токовая петля 4-20 мА» в «давление 3-15 фунтов на квадратный дюйм» (и наоборот), предназначенные для сопряжения электронной и пневматической частей системы управления (рисунок 4).

Рис. 4. Преобразователи электрического интерфейса «токовая петля 4-20 мА» в пневматический «3-15 фунтов на квадратный дюйм»

Основными преимуществами интерфейса 4-20 мА являются:

  • простота – в самом простейшем случае удаленное устройство можно подключить с помощью всего двух проводов;
  • высокая точность передачи сигнала – поскольку ток одинаков во всех элементах системы передачи, передатчик всегда знает, какой уровень сигнала получит приемник;
  • высокая помехозащищенность за счет двойного контроля тока (и на стороне передачи, и на стороне приема), позволяющая подключать удаленные (порой до десятков километров) объекты, например, с помощью стандартных телефонных линий;
  • независимость качества связи от длины линии, которая влияет только на максимальную скорость передачи данных;
  • возможность самодиагностики как обрыва, так и короткого замыкания линии;
  • теоретически неограниченная дальность связи – фактически максимальная длина соединительного кабеля ограничена лишь электрической прочностью его изоляции и скоростью передачи данных.

Все это привело к широкому распространению данного интерфейса на практике, особенно в промышленных системах, и поддержке большим количеством производителей, что является еще одним, пожалуй, самым главным его преимуществом.

Однако, как и любой другой интерфейс, токовая петля имеет ряд недостатков и ограничений, на которые следует обратить внимание при разработке. Основным из них является возможность передачи по одному кабелю только одного сигнала. При большом количестве устройств это может стать проблемой, поскольку кроме увеличения количества кабелей могут возникнуть нежелательные паразитные контуры в цепи заземления, что негативно скажется на помехоустойчивости системы. Также при большом количестве одновременно используемых интерфейсов необходимо уделять особое внимание качеству и состоянию кабелей, поскольку все преимущества токовой петли исчезают при нарушении изоляции передающих линий.

Еще одним недостатком токовой петли является относительно низкая (по сегодняшним меркам) скорость передачи информации, напрямую зависящая от длины линии. В отличие от систем на основе передачи напряжения, для которых скорость перезаряда паразитной емкости кабеля можно повысить, например, увеличением мощности передатчика (ведь его кратковременный максимальный выходной ток теоретически ничем не ограничен), выходной ток передатчика для токовой петли не должен превышать 20 мА. Пусть в системе связи используется типовой кабель с погонной емкостью, равной 75 пФ/м. В этом случае отрезок линии длиной 1 км будет иметь емкость 75 нФ. Пусть входное сопротивление приемника равно 250 Ом, что при выходном токе 20 мА обеспечивает напряжение на входе приемника 5 B. В этом случае для заряда паразитной емкости линии до такого напряжения потребуется около 18,5 мкс. Нетрудно подсчитать, что максимальная скорость передачи в этом случае не может превышать 54 кбит/с, и она будет пропорционально уменьшаться по мере увеличения длины кабеля. В реальных системах скорость передачи данных по интерфейсу 4-20 мА обычно не превышает 9600 кбит/с. Тем не менее, для большинства систем управления этого оказывается вполне достаточно.

Основные узлы интерфейса 4-20 мА

В идеальном случае для создания информационного сигнала следовало бы использовать специализированный управляемый генератор тока. Однако технически оказалось проще разделить функции электропитания и формирования сигнала и использовать в системе два отдельных узла: источник питания, обеспечивающий систему электрической энергией, и управляемый стабилизатор тока, выполняющий функцию генератора (передатчика) сигнала. Это позволило:

  • подключить приемопередающую часть системы к стандартным шинам питания (9 В, 12 В, 24 В и так далее);
  • гибко выбирать необходимый уровень рабочего напряжения;
  • избавиться от привязки источника электрической энергии к передающему узлу.

При таком подходе источник питания для приемопередающей части в общем случае может находиться в любой части системы: как в локальном, так и в удаленном оборудовании, а также подключаться в виде отдельного устройства непосредственно в разрыв кабеля линии связи (рисунок 5).

Рис. 5. Варианты построения системы связи на основе интерфейса 4-20 мА

Напряжение питания приемопередающей части зависит от падения напряжения в линии связи. Чем длиннее линия связи и чем тоньше провод, тем выше должен быть этот параметр. Для объектов, расположенных на значительном расстоянии, напряжение питания может достигать 120 В и более.

В целом напряжение источника питания должно быть приблизительно на 10% больше общего падения напряжения на всех элементах приемопередающего тракта при максимальном токе (20 мА). Если напряжение питания будет ниже, то из-за высокого сопротивления контура управляемый стабилизатор тока просто не сможет обеспечить нужный ток. Повышенное же значение этого параметра в худшем случае, например, при обрыве кабеля, может привести к выходу оборудования из строя.

Дистанционное питание удаленного оборудования

Поскольку падение напряжения в линии не влияет на качество передачи информации, то возникает вопрос: а можно ли его дополнительно увеличить, отобрав часть энергии сигнала для питания удаленного оборудования? Оказывается, в некоторых случаях это вполне возможно. Например, если на приемной стороне добавить в линию дополнительное сопротивление 500 Ом (рисунок 6), то при протекании тока на нем будет формироваться падение напряжения от 2 В (при токе 4 мА) до 10 В (при токе 20 мА), что вполне достаточно для питания маломощных измерительных узлов (в данном случае мощность при токе 4 мА будет равна 8 мВт). Очевидно, что введение дополнительного падения напряжения в линии должно быть скомпенсировано соответствующим увеличением напряжения источника питания.

Рис. 6. Дистанционное питание удаленного датчика с помощью токовой петли

В большинстве случаев мощности сигнала, снимаемого с токовой петли интерфейса 4-20 мА, достаточно для питания большинства датчиков, например, датчиков температуры или влажности, положения ротора электродвигателя и других малопотребляющих устройств. Однако если разработчику необходимо удаленно питать устройства, содержащие более мощные приборы, например, реле или жидкокристаллический экран с LED-подсветкой, тогда необходимо использовать иные варианты: либо отдельный источник питания, либо другие разновидности интерфейса 4-20 мА.

Читайте также:  Измерение мощности тока реферат

Разновидности интерфейсов 4-20 мА

Все рассмотренные выше варианты использования интерфейса 4-20 мА относились к его двухпроводной версии, которая является самой простой и бюджетной. Как было сказано выше, единственным недостатком двухпроводного соединения является ограниченная мощность питания удаленного оборудования, связанная с конечным значением как максимального тока в линии (20 мА), так и максимального падения напряжения на приемной стороне.

Этот недостаток полностью устранен в четырехпроводной версии рассматриваемого интерфейса, в которой для питания удаленного оборудования используется отдельный узел, подключаемый с помощью отдельного электрического кабеля (рисунок 7). При таком подходе информационная часть системы оказывается полностью изолированной от всех остальных цепей (при условии, что передатчик и приемник интерфейса 4-20 мА тоже содержат соответствующие изолирующие компоненты), что обеспечивает наивысший уровень защиты от электромагнитных помех. Напряжение питания удаленного оборудования в общем случае может быть любым. Чаще всего используются постоянные (12, 24 или 48 В) или переменное (220 В, 50 Гц) напряжения, что позволяет использовать для этой цели стандартные шины и источники питания.

Рис. 7. Четырехпроводная версия интерфейса 4-20 мА

Очевидно, что такой вариант подключения является самым сложным и дорогим, однако он позволяет дистанционно питать оборудование теоретически любой мощности и передавать информацию с наивысшим уровнем помехозащищенности. Конечно, на практике реальная мощность подключаемого оборудования ограничена пропускной способностью электрического кабеля, да и к интерфейсу 4-20 мА, откровенно говоря, такой способ соединения относится лишь формально, ведь в данном случае речь идет фактически о двух параллельно работающих независимых системах: системе питания и системе передачи информации.

Незначительно упростить систему можно путем замены двух двухпроводных кабелей одним четырехпроводным. Однако этот вариант в большинстве случаев будет компромиссным, поскольку жилы проводников электрической части кабеля чаще всего должны иметь большее сечение, а при высоких питающих напряжениях – и большую прочность изоляции, по сравнению с проводами его информационной части. Да и вероятность ошибочного подключения оборудования при использовании четырехпроводного кабеля значительно возрастает.

Если позволяют технические условия, то можно использовать промежуточный – трехпроводный вариант интерфейса. Его потенциальные возможности (высокая мощность дистанционного подключаемого оборудования и уровень помехозащищенности) за счет отдельных линий питания и передачи информации аналогичны четырехпроводной версии, но, за счет исключения электрической изоляции между разными частями системы, эта версия интерфейса оказывается проще и бюджетней. Например, в трехпроводной версии интерфейса 4-20 мА приемопередающие узлы и все остальное оборудование можно питать от одного источника (рисунок 8).

Рис. 8. Трехпроводная версия интерфейса 4-20 мА

Таким образом, трех- и четырехпроводные версии 4-20 мА позволяют увеличить мощность дистанционно подключаемого оборудования, однако при этом возрастает как сложность, так и стоимость системы. Кроме этого, при использовании систем на опасных объектах увеличение уровня мощности, подаваемой к удаленному узлу, может вызвать проблемы с обеспечением требуемого уровня искро-, взрыво- и пожарной безопасности. Следует также отметить, что при использовании двухпроводной версии интерфейса 4-20 мА проблем с сертификацией оборудования для работы во взрывоопасных средах практически не возникает, то есть, на удаленное оборудование подается настолько мало энергии, что там даже нет условий для возникновения искры.

Стандарты и примеры применения токовой петли

За все время существования токовой петли было разработано несколько вариантов ее практического применения, которые получили достаточно широкое распространение. Изначально (в 50-х годах ХХ века) токовая петля с уровнями сигналов 0-60 мА использовалась в телеграфии, однако из-за недопустимо высокого (даже в то время) энергопотребления уже с начала 60-х годов максимальный уровень тока был уменьшен до 20 мА. На сегодняшний день 20 мА является предельным значением тока для большинства интерфейсов, хотя, в соответствии с ГОСТ 26.011-80, значение этой величины, по согласованию с заказчиком, может достигать 100 мА.

Токовая петля упоминается в ряде отечественных стандартов, например, ИРПС/IFSS (ОСТ 11 305.916-84), ГОСТ 27696-88 или ГОСТ 28854-90 и зарубежных, например, IEC 62056-21/DIN 66258. Однако ни один из них не является спецификацией непосредственно токовой петли. Например, IEC 62056-21 стандартизирует протокол связи с электросчетчиками, ГОСТ 27696-88 – интерфейсы, применяемые в промышленных роботах, а ИРПС – интерфейс соединения компьютеров с периферийными устройствами (принтерами, телетайпами и прочим). Таким образом, большинство производителей использует уровни сигналов токовой петли, ставшие традиционными, хотя, уровни сигналов 4-20 мА (впрочем, как и 0-5 мА и 0-20 мА) непосредственно указаны в ГОСТ 26.011-80 «Средства измерений и автоматизации. Сигналы тока и напряжения электрические непрерывные входные и выходные».

В целом современные интерфейсы, использующие токовую петлю для передачи данных, отличаются лишь минимальным уровнем допустимого сигнала, который может быть равен либо 0, либо 4 мА. В ряде случаев для передачи информации может использоваться переменный ток в диапазоне -5…+5 мА (при небольших расстояниях) или -20…+20 мА. Все попытки уменьшить максимальное значение тока для снижения энергопотребления увенчались успехом лишь на коротких линиях, поскольку при малом токе и большой длине кабеля катастрофически падает скорость передачи данных.

Пик популярности токовой петли пришелся на эпоху аналоговой телефонии, ведь именно этот способ связи использовался для соединения проводных телефонов с АТС. В телефонных системах необходимая дальность связи, достигающая нескольких десятков километров, обеспечивается использованием повышенного напряжения питания (24…125 В). Стандартная полоса частот при этом составляет 0,3…3,4 кГц, а максимальный ток в линии обычно не превышает 20 мА.

Токовая петля с уровнями 0-5 мА является физическим уровнем стандарта MIDI (Musical Instrument Digital Interface), широко используемого для обмена данными между электронными музыкальными инструментами. Это формат обеспечивает передачу данных со скоростью 31,25 кбит/с на небольшие расстояния (в пределах студии или концертной площадки).

Основным применением токовой петли с уровнями сигнала 4-20 мА являются промышленные системы автоматики, для которых необходима высокая надежность, поэтому в них и используется «смещенный ноль», чтобы своевременно обнаружить неисправность системы управления и принять надлежащие меры для предотвращения возникновения аварийной ситуации.

В последнее время, в связи с повсеместным распространением цифровых методов управления, для систем на основе токовой петли 4-20 мА разработан набор коммуникационных стандартов для промышленных сетей HART (Highway Addressable Remote Transducer). Проводная версия данного протокола фактически является надстройкой над аналоговым интерфейсом 4-20 мА и позволяет использовать одну и ту же линию связи для одновременной передачи и аналогового (при ограничении полосы до 25 Гц) и цифрового сигналов. Передача цифровых данных обеспечивается путем подмешивания в аналоговый сигнал высокочастотных несущих с амплитудой ±0,5 мА, модулированных по частоте (1200/2200 Гц) или фазе (3200 Гц). При использовании частотной модуляции пропускная способность цифрового канала равна 1200 бит/с, а фазовая модуляция, за счет использования 8-позиционной манипуляции, позволяет увеличить этот параметр до 9600 бит/с. На момент написания статьи последней является 7-я версия протокола (HART 7), описанная в документе HCF-SPEC-13. Некоторые фрагменты проводной версии данного интерфейса вошли в стандарт IEC 61158-CPF9, а беспроводной – в IEC 62591:2010.

Заключение

Почтенный возраст токовой петли вовсе не является причиной для ее забвения. Несмотря на то, что некоторые разработчики считают этот интерфейс отжившим свое, он, тем не менее, продолжает активно развиваться. А еще необходимо понимать, что принципы работы любой, даже самой современной системы связи остаются неизменными, поскольку они базируются на фундаментальных физических законах, корректировать которые человек пока еще не научился. Это означает, что каждый разработчик должен знать основы – физику явлений в системах передачи данных, поскольку в противном случае даже самое современное оборудование будет вести себя совершенно непредсказуемым образом. И наоборот – глубокое понимание тонкостей всех процессов, происходящих в системе, позволит принять правильное решение в любой, даже самой сложной ситуации.

Источник