Сигнал 4…20 мА является, пожалуй, самым распространенным аналоговым сигналом, применяемым в системах измерения и управления технологическими процессами, в системах телемеханики и т. п. Причины широкого распространения токового унифицированного сигнала 4…20 мА хорошо известны:
- на передачу токовых сигналов не оказывает влияния сопротивление соединительных проводов, поэтому требования к диаметру и длине соединительных проводов, а значит, и к стоимости снижаются;
- токовый сигнал работает на низкоомную (по сравнению с сопротивлением источника сигнала) нагрузку, поэтому наведенные электромагнитные помехи в токовых цепях малы по сравнению с аналогичными цепями, в которых используются сигналы напряжения;
- обрыв линии передачи токового сигнала 4…20 мА однозначно и легко определяется измерительными системами по нулевому уровню тока в цепи (в нормальных условиях он должен быть не меньше 4 мА);
- токовый сигнал 4…20 мА позволяет не только передавать полезный информационный сигнал, но и обеспечивать электропитание самого нормирующего преобразователя – минимально допустимого уровня 4 мА достаточно для питания современных электронных устройств.
В настоящее время большинство датчиков, измеряющих физические и химические технологические параметры (температура, давление, уровень, влажность и т. п.), выдают в качестве выходного сигнала унифицированный токовый сигнал 4…20 мА (если вообще используется аналоговый сигнал, а не сигнал в цифровой форме).
Такой сигнал формируют либо уже встроенные в датчик, либо подключаемые к датчику внешние нормирующие преобразователи. Чаще всего внешние нормирующие преобразователи используют для подключения датчиков температуры – термопар и термометров сопротивления, поскольку они обычно изготавливаются и применяются как самостоятельный измерительный первичный преобразователь.
Сигнальные линии бывают весьма протяженными. В промышленных условиях на них наводятся значительные наводки как частотой 50 Гц, так и импульсные. Сами первичные датчики могут находиться под разными потенциалами. При этом для измерения большого числа аналоговых сигналов 4…20 мА целесообразно использовать многоканальные модули ввода с групповой изоляцией. Все эти обстоятельства приводят к необходимости применять индивидуальную гальваническую развязку в каждой сигнальной цепи. Эту задачу решают с помощью модулей (блоков) гальванической развязки.
НПФ «КонтрАвт» предлагает несколько групп преобразователей, специально предназначенных для гальванического разделения сигналов 4…20 мА, причем как в общепромышленном, так взрывозащищенном исполнении.
В первую группу входят одно-, двух- и четырехканальные модули гальванического разделения токовой петли НПСИ-200-ГРТПх (рис. 1), которые преобразуют и гальванически развязывают активный сигнал на входе в активный сигнал на выходе. Эта группа приборов характеризуется тем, что сами модули запитываются от входного сигнала и дополнительный источник питания не требуется (см. схему подключения на рис. 2). Поэтому решение на базе разделителей токовой петли НПСИ-200-ГРТПх является весьма экономичным. На рис. 2 приведен и вариант подключения пассивного источника сигнала с внешним блоком питания.
Рис. 1. Внешний вид преобразователей с гальваническим разделением 1, 2, 4 каналов токовой петли НПСИ‑200‑ГРТПх
Рис. 2. Подключение одного канала НПСИ-200-ГРТПх к активному источнику
Обратим внимание, что в многоканальных модификациях НПСИ-200-ГРПТ2 и НПСИ-200-ГРТП4 все каналы полностью не связаны между собой. С этой точки зрения работоспособность одного из каналов никак не влияет на работу других каналов.
У следующей группы преобразователей – НПСИ-200-ГР1 (1 канал) и НПСИ-200-ГР2 (2 канала) с гальванической развязкой сигнала 4…20 мА – имеется встроенный блок питания в каждом канале, который позволяет работать не только с активными, но и с пассивными источниками сигнала без применения дополнительных блоков питания. При этом одноканальный преобразователь НПСИ‑200‑ГР1 на выходе формирует либо активный сигнал, либо пассивный, а НПСИ‑200 ГР2 – только активный. Эти возможности подключения входных и выходных сигналов иллюстрирует схема подключения на рис. 3.
Рис. 3. Схемы подключения модуля гальванической развязки сигнала 4…20 мА НПСИ-200-ГР1 по двух- и трехпроводным схемам для активных и пассивных источников: 2 ПИ – источник сигнала с пассивным выходом с двухпроводной схемой подключения; 2 АИ – источник сигнала с активным выходом с двухпроводной схемой подключения; 3 АИ – источник сигнала с активным выходом с трехпроводной схемой подключения
Для решения задачи разветвления и, конечно, гальванического разделения цепей НПФ «КонтрАвт» предлагает отдельный вид преобразователя – разветвитель токового сигнала 4…20 мА НПСИ-200-ГР1.2 (рис. 4).
Рис. 4. Внешний вид разветвителя токового сигнала 4…20 мА НПСИ-200-ГР1.2
Прибор имеет один вход для приема сигнала и два выхода, которые гальванически изолированы от входа, питания и между собой. Напряжение гальванической изоляции между всеми цепями составляет 1500 В. Источники сигнала могут быть как активными, так и пассивными.
Так же как и одноканальный прибор НПСИ-200-ГР1, разветвитель НПСИ-200-ГР1.2 формирует на выходе и активные, и пассивные сигналы 4…20 мА. Если выход используется как активный, то дополнительный источник питания выходной цепи не требуется. При необходимости источник сигнала может быть запитан от встроенного в преобразователь источника напряжения 24 В (25 мА). Варианты подключения источника сигнала по двух- и трехпроводным схемам для активных и пассивных источников приведены на рис. 5.
Рис. 5. Схемы подключения разветвителя токового сигнала 4…20 мА НПСИ‑200‑ГР1.2 по двух- и трехпроводным схемам для активных и пассивных источников
В табл. 1 приведены основные характеристики описанных модулей гальванической развязки сигнала 4…20 мА в общепромышленном исполнении.
Таблица 1. Таблица общепромышленных модулей гальванической развязки сигнала 4…20 мА
Помимо модулей гальванической развязки в общепромышленном исполнении НПФ «КонтрАвт» предлагает целый ряд активных барьеров искробезопасности с гальванической развязкой как для приема сигналов 4…20 мА из взрывоопасной зоны (приемники сигналов), так и для передачи во взрывоопасную зону (передатчики сигналов). Для примера на рис. 6 приведены фотографии одноканального и двухканального барьеров.
Рис. 6. Барьеры искрозащиты КА5011Ex и КА5022Ex
Если говорить в целом о данной группе барьеров искрозащиты, то для нее следует отметить следующие важные особенности.
Во‑первых, все они являются активными барьерами искрозащиты с гальванической изоляцией. Активные барьеры имеют более надежный принцип искрозащиты, базирующийся на гальванической развязке, исключают требования по заземлению. Последнее обстоятельство сильно упрощает проектирование и реализацию системы. Все барьеры обеспечивают искрозащиту в соответствии с маркировками [Ex ia Ga] IIC и 2Ex nA [ia Ga] IIC Т4 Gc X. Второй вид взрывозащиты позволяет размещать сами барьеры в потенциально взрывоопасной зоне 2 по ГОСТ 31610.10-2012.
Во‑вторых, они имеют малую ширину канала (табл. 2).
Таблица 2. Таблица барьеров искрозащиты с гальванической развязкой сигнала 4…20 мА
В‑третьих, в качестве дополнительных функций (помимо искрозащиты и гальванической развязки) данная группа барьеров обеспечивает (там, где это необходимо) передачу сигналов по протоколу HART, производит обработку и формирование сигналов в соответствии с требованиями NAMUR. Конструкция барьеров позволяет подключать питание к ним как через клеммы, так и через общую шину питания. В последнем случае значительно упрощается монтаж целых групп барьеров.
Наконец, барьеры искрозащиты НПФ «КонтрАвт» обеспечивают высокий уровень метрологических характеристик (класс точности – 0,1), широкий диапазон температур эксплуатации –40…+70 °C, отличную температурную стабильность, высокую степень устойчивости к воздействию электромагнитных помех.
В табл. 2 приведены барьеры искробезопасности, входящие в рассматриваемую группу, указаны основные характеристики.
Барьер искрозащиты КА5013Ex является разветвителем сигнала 4…20 мА в два идентичных активных сигнала 4…20 мА. Выходы гальванически разделены между собой и остальными частями схемы.