چرا از سیگنال 4 تا 20mA استفاده می شود؟

سیگنال استاندارد 4 تا 20mA 

در این مقاله قصد داریم به معرفی حلقه جریان 4 تا 20 mA بپردازیم، دلایل استفاده از این حلقه جریان را توضیح دهیم و مزایا و معایب آن را بررسی کنیم. به این ترتیب با معرفی این سیگنال استاندارد شروع می کنیم.

حلقه جریان 4 تا 20mA 

در فرایند کنترل، ورودی های بسیار متنوع و مختلفی وجود دارد. برخی سنسورها مانند ترموکوپل ها و RTD ها دما را به صورت مستقیم اندازه گیری می کنند در حالیکه سیگنال های دیجیتال مثل مدباس (Modbus) وظیفه کنترل دقیق متغیرهای فرایندی را بر عهده دارند و نمایش میدهند. در جاهایی که اطلاعات به شکل مقادیر مختلفی از ولتاژ و یا جریان منتقل می شوند، سیگنال های آنالوگ پرکاربردترین نوع سیگنال مورد نیاز در فرایندهای کنترلی هستند. در میان تمام سیگنال های آنالوگ که برای انتقال اطلاعات استفاده می شود، حلقه جریان 4 تا 20mA تاکنون پرکاربردترین استاندارد صنعتی است.

ندانستن مباحث پایه ای در مورد این حلقه جریان ممکن است هزینه های اضافی برای کنترل و نمایش در فرایند، تحمیل کند. درک مزایا و معایب این استاندارد و اصول کاری آن کمک شایانی به اتخاذ تصمیمات مناسب در فرایندهای کنترلی می کند.

تاریخچه

پیش از توسعه و پیشرفت الکترونیک، فرایندهای کنترلی کاملا مکانیکی بود و تجهیزات صنعتی توسط سیگنال های نیوماتیکی با فشارهای متغیر کنترل می شدند. در نهایت سیگنال 3 تا 15 psi به دلایل زیر به پرکاربردترین سیگنال موجود در صنعت تبدیل شد.

1. اندازه گیری فشار زیر 3 psi بسیار پر هزینه بود.
2. تشخیص سیگنال زیر 3 psi بسیار سخت بود.
3. تشخیص مخدوش شدن عملکرد سیستم در هنگام وقوع سیگنال های زیر 3psi بدلیل مقدار کمی که داشت بسیار راحت بود.

در دهه 90 میلادی که تجهیزات الکترونیکی ارزان تر شدند، ورودی جریان تبدیل به سیگنال ارجح و موثر در فرایند کنترل گردید. در همان هنگام سیگنال 4 تا 20mA  به دلایل مشابه موارد گفته شده برای 3 تا 15 psi به استاندارد پرکاربرد برای فرایند کنترل تبدیل گشت.

نحوه عملکرد حلقه جریان 4 تا 20mA 

در این قسمت به توضیح عملکرد سیگنال جریانی 4 تا 20mA می پردازیم. درک عملکرد این سیگنال نیازمند محاسبات پیچیده ای نیست و در واقع تنها رابطه ای که در این حوزه مورد بررسی قرار میگیرد، قانون اهم (V=IR) است. براساس این قانون هرچه در یک مدار کنترلی تعداد مقاومت های بیشتری سری شود، افت ولتاژ در آن مدار بیشتر خواهد بود. همچنین با بالا رفتن تعداد مقاومت های مدار، ثبات جریان موجب افزایش توان مصرفی در مدار می شود. به همین دلیل ملاحظات مربوط به توان مصرفی یکی از مهمترین مسائل مربوط به فرایندها و مدارات کنترلی است.

کابل هایی که برای مدار کنترل بکار می روند نیز دارای مقاومت هستند و متناسب با آن، توان مصرفی آن ها  محاسبه می شود. استانداردهای مختلفی برای محاسبه قطر سیم و متعاقبا اهم بر متر سیم وجود دارند که متناسب با تعداد گیج ها تعیین می شوند.

به عنوان مثال فرض کنید یک حلقه کنترلی به طول 3000 ft کابل 24AWG داریم. اگر بخواهیم مقاومت کل این حلقه را محاسبه کنیم، خواهیم داشت:

3000ft*26.2Ω/1000ft =78.6Ω

در این صورت افت ولتاژ مدار در ماکزیمم جریان 22mA برابر 0.022*78.6=1.73 (V) است. این مقدار 1.73 V در ملاحظات افت ولتاژ و توان مصرفی باید در نظر گرفته شود.

موارد گفته شده را می توان با مکانیک سیالات و پایپینگ مقایسه و معادل سازی کرد. به این ترتیب که اگر جریان الکتریکی (current) را معادل جریان سیال (flow) و فشار را معادل ولتاژ در نظر بگیریم، افت فشار به وجود آمده در فرایند در اثر استفاده از شیرالات و تجهیزات پایپینگ معادل افت ولتاژ به وجود آمده در مدارات الکتریکی است. جریان سیال و جریان الکتریکی در سیستم پایپینگ و مدار الکتریکی بر خلاف فشار و ولتاژ، ثابت هستند. این امر یکی از دلایل قابل اعتماد بودن سیگنال جریان نسبت به سیگنال های دیگر است.

مولفه های حلقه های جریان 4 تا 20mA

اکنون که با نحوه عملکرد و دلایل استفاده از سیگنال جریانی آشنا شدیم، لازم است مولفه های موجود در مدارات کنترلی بررسی شوند که شناخت بهتری نسبت به این مدارات ایجاد شود.

الف- سنسور (Sensor):

مدارات کنترلی به مولفه هایی نیاز دارند که متغیرهای مختلف را در فرایند اندازه گیری کند. سنسورها وظیفه اندازه گیری متغیرهای فرایندی مانند دما، رطوبت، فشار، جریان و سطح را برعهده دارند. این تجهیزات، مباحث گسترده ای از زمینه ابزار دقیق را به خود اختصاص داده است و هدف این مقاله توضیح سنسورها نیست.

ب- ترانسمیتر (Transmitter):

متناسب با هر متغیری که سنسور اندازه گیری می کند، سیگنال ضعیفی در خروجی آن ایجاد می شود که باید تبدیل به سیگنال استاندارد 4 تا 20mA شود. این کار توسط دستگاهی به نام ترانسمیتر انجام می شود. به عنوان مثال زمانی که قرار است سطح مخزنی در بازه 0 تا 10 متر اندازه گیری شود، یک ترانسمیتر سطح مقدار 0 متر را با مقدار 4mA منتقل می کند و مقدار 10 متر را با مقدار 20mA به اتاق کنترل میفرستد.

ج- منبع تغذیه (Power Supply):

درست مثل سیستم های سیالاتی که برای ایجاد جریان در لوله به یک فشار اولیه احتیاج دارند، برای تولید هرگونه سیگنال الکتریکی نیز به یک منبع تغذیه احتیاج است. این منبع تغذیه باید DC یعنی دارای جریان مستقیم باشد و جریان را در یک جهت تولید کند. ولتاژهای مختلفی (9، 12، 24 و ...) وجود دار که به صورت رایج برای تولید جریان 4 تا 20 mA به کار می روند. زمان انتخاب منبع تغذیه مناسب برای مدار (ترانسمیتر، گیرنده و حتی کابلها) باید به این موضوع توجه شود که ولتاژ منبع تغذیه حتما باید حداقل 10% بیشتر از مقدار کل افت ولتاژ به وجود آمده در حضور مولفه های مدار  است.

د- حلقه (Loop):

برقراری جریان در هر مداری نیازمند تکمیل شدن حلقه جریان است که باید به ترانسمیترها سیم کشی شود و از آن به دستگاه گیرنده جریان 4 تا 20mA برگردد. جریان موجود در حلقه توسط ترانسمیتر متناسب با میزان اندازه گیری شده توسط سنسور تنظیم میگردد. همانطور که در قسمت های قبلی اشاره شد مقاومت سیم نیز باید در مدارات در نظر گرفته شود. هرچند افت ولتاژ ناشی از مقاومت سیم در کابل کشی ها ناچیز است، اما در فواصل طولانی ممکن است موجب مخدوش شدن عملکرد سیستم کنترل شود.

ه- گیرنده (Receiver):

آخرین مولفه ای که در یک حلقه جریان بررسی می شود گیرنده است. این سیگنال جریانی به واحدی باید تبدیل گردد که برای اپراتور قابل خواندن باشد. مثلا باید به متر برای سطح مخزن و یا درجه سانتی گراد برای دمای مایعات تبدیل شود. همچنین این دستگاه یا باید قادر باشد که مقدار متناسب با سیگنال دریافتی را برای اهداف مانیتورینگ نشان دهد و یا دستگاهی باشد که به صورت اتوماتیک کاری متناسب با سیگنال دریافتی انجام دهد. نمایشگرهای دیجیتال، کنترلرها و محرک ها دستگاه هایی هستند که در حلقه کنترلی در نقش گیرنده قرار می گیرند.

به طور خلاصه می توان گفت که در یک حلقه کنترلی منابع تغذیه ولتاژ مورد نیاز را تولید می کنند، سیگنال 4 تا 20mA توسط ترانسمیترها تنظیم میشود و در حلقه کنترلی در اختیار گیرنده ها قرار می گیرد و اکشن مورد نیاز توسط برخی از این دستگاه های گیرنده انجام میشود.

مزایا و معایب حلقه جریان 4 تا 20mA

یکی از مهمترین مسائل مربوط به کنترل، شناخت صحیح مزایا و معایب سیستم ها، تجهیزات و استانداردهای مورد استفاده است. انتخاب صحیح این موارد در کاربردهای مختلف میتواند از هدر رفتن زمان و هزینه ها تا حد چشمگیری جلوگیری کند.

مزایای استفاده از سیگنال 4 تا 20mA

• سیگنال 4 تا 20mA یک استاندارد غالب و پرکاربردترین سیگنال مورد استفاده در صنعت است.
• راحت ترین انتخاب برای اتصال و پیکربندی است.
• نسبت به سیگنال های دیگر اتصال و سیم کشی های کمتری نیاز دارد که هزینه های اولیه را تا حد زیادی کاهش می دهد.
• برای فواصل طولانی بهترین سیگنال است چراکه مانند ولتاژ کاهش پیدا نمیکند.
• نسبت به میزان نویز پیش زمینه حساسیت کمتری دارد.
• به این دلیل که 4mA معادل خروجی صفر است، تشخیص اختلال در سیگنال بسیار راحت است.

معایب استفاده از سیگنال استاندارد 4 تا 20mA

• فقط یک سیگنال فرایند را می توانند در یک حلقه منتقل کنند.
• در فرایندهای پیچیده که متغیرهای زیادی باید اندازه گیری شوند، احتیاج به حلقه های متعددی است که چنانچه به خوبی عایق بندی نشوند، ممکن است حلقه زمین (Ground Loop) ایجاد کنند.
• شرایط عایق بندی متناسب با افزایش تعداد حلقه های مدار بسیار پیچیده می شود.

جمع بندی

به طور خلاصه می توان گفت که سیگنال 4 تا 20mA یک سیگنال استاندارد و پرکاربرد در صنعت و فرایندهای کنترلی و مانیتورینگ است. استفاده از این استاندارد بسیار مقرون به صرفه و دارای پیاده سازی راحتی است. این استاندارد دارای جریان ثابت است، اما در فواصل طولانی دچار کاهش ولتاژ کمی میشود که باید در محاسبات در نظر گرفته شوند.