Унифицированные аналоговые сигналы 4...20 мА: токовые сигналы и сигналы напряжения. Основные типы.

   В промышленности применяется огромное разнообразие первичных датчиков физических величин, каждый из которых имеет свой выходной сигнал. Чтобы избежать такого же разнообразия вторичных измерительных и регулирующих приборов, датчики оснащаются нормирующими преобразователями.

Задача нормирующих преобразователей состоит в том, чтобы преобразовать различные сигналы первичных преобразователей (термопар, термопреобразователей сопротивления, влажности, давления, веса, рН и проч.) в унифицированные аналоговые сигналы постоянного тока или сигналы напряжения. В целом  унифицированные аналоговые сигналы применяются для связи не только датчиков, но и любых других устройств промышленной автоматики.

 

Сигнал напряжения, В	Нагрузочное сопротивление, Ом, не более	Входное сопротивление приемника Oм, не менее
От 0 до 0, 01 включит	–	10000
От 0 до 1 включит.	–	10000
От 0 до 10 включит. 2000	2000	–

 

Сигнал тока, мА	Выходное сопротивление источника, Ом, не менее	Входное сопротивление приемника Oм, не более
От 0 до 5 включит	2500 (2000)	500
От 0 до 20 включит.	1000 (500)	250
От 4 до 20 включит.	1000 (500)	250

 

   Среди стандартных сигналов наиболее удобным и популярным является токовый сигнал 4-20 мА. Причины этого в следующем.

Сигналы первичных преобразователей, как правило, очень малы. Например, сигналы термопар обычно меньше 50 мВ. В промышленных условиях  сильные электромагнитные помехи могут создавать паразитные сигналы, в сотни и тысячи раз превышающие полезные. Сильные токовые сигналы уровня 4-20 мА работают в низкоомных цепях, которые меньше подвержены такому влиянию.  Для передачи токовых сигналов можно использовать соединительные провода, более дешевые по сравнению, например, с компенсационными. Требования к величине их сопротивления также могут быть снижены. При работе с токовым сигналом 4-20 мА легко обнаружить обрыв линии связи – ток будет равен  нулю (т.е. выходить за пределы диапазона).

Обрыв в цепи с сигналом 0 5 мА обнаружить нельзя, так как ток, равный нулю, считается допустимым. Для обнаружения обрыва в цепях с унифицированными сигналами напряжения (0 1В или 0 10В) приходится применять специальные схемотехнические решения, на пример, «подтяжку» более высоким напряжением через
высокоомный резистор.

   Поясним сказанное. Нормирующий преобразователь, который формирует токовый сигнал 4 20 мА, является так называемым генератором тока – источником стабильного тока с очень большим выходным сопротивлением: r>>R_ш, R_пр, где r – дифференциальное выходное сопротивления нормирующего преобразователя, R_ш, R_пр – соответственно сопротивления шунта в измерительном приборе и соединительных проводов.

 

   НПФ КонтрАвт выпускает ряд модификаций измерительных регуляторов, рассчитанных на работу со стандартизированными унифицированными аналоговыми сигналами тока и напряжения. Следует учитывать, что в этих приборах измеряемый ток должен втекать в прибор, а измеряемое напряжение должно быть положительным относительно общей точки. В многоканальных приборах все входы имеют одну общую точку, поэтому неизолированы друг от друга. В регуляторах Т-424 при работе с токовыми сигналами используются внешние шунты, в регуляторах МЕТАКОН шунты встроены.

Поскольку величина тока I не зависит от сопротивления нагрузки, а V_изм = I • R_ш, то сопротивление проводов не влияет на результат измерения. Для оценки можно принять, что дополнительная относительная погрешность, связанная с влиянием сопротивления нагрузки (R_пр + R_ш), равна

δ= (R_пр + R_ш)/ (r + R_пр + R_ш) (R_пр + R_ш)/ r.

Для характерных значений r=1МОм, R_пр=500 Ом, R_ш=50 Ом, имеем δ<0,06%.

С другой стороны, в такой высокоомной цепи источник электромагнитных помех E_эм не в состоянии создать сколько-нибудь заметное по сравнению с полезным сигналом V_изм напряжение на низкоомном шунте R_ш. Напряжение помехи, измеренное прибором, будет равно:

V_п = E_эм • (R_ш / r).

При E_эм = 1 В, напряжение помехи будет составлять V_п = 50мкВ. Полезный сигнал при I = 20 мА имеет величину 1В. Таким образом, отношение помехи к полезному сигналу имеет порядок 10 4, а величина (r/R_ш) показывает степень подавления электромагнитных помех.

Нетрудно показать, что при работе с сигналами напряжения сигнал помехи V_п практически равен E_эм. Это демонстрирует преимущество токовых сигналов при работе в условиях сильных электромагнитных помех по сравнению с сигналами напряжения.