Por que os dispositivos analógicos preferem usar sinais de transmissão de 4~20mA?

Thread Content

4-20mA. O padrão de sinal DC (1-5V.DC) é o padrão de transmissão de sinais analógicos adotado pelos sistemas de controle de processos da Comissão Eletricista Internacional (IEC). Nosso país também adota este padrão internacional de sinais. Os sinais transmitidos pelos instrumentos são de tipo 4-20mA.DC, enquanto os sinais recebidos são de tipo 1-5V.DC. Ou seja, é utilizado um sistema de transmissão por corrente e recepção por tensão. A corrente de sinal dos instrumentos em geral é de 4-20 mA, ou seja, a corrente mínima é de 4 mA e a corrente máxima é de 20 mA. Ao transmitir sinais, como também existe resistência nos fios, se for utilizada tensão para a transmissão, ocorrerá uma certa queda de tensão dentro dos fios. Isso faz com que o sinal recebido apresente erros. Por isso, geralmente se utiliza um sinal de corrente como método padrão de transmissão pelos transmissores. I. O que é o sistema de sinal 4~20mA.DC (1~5V.DC)? Sinal de 4~20mA.DC (1~5V.DC) é o padrão de sinais analógicos para sistemas de controle de processos estabelecido pela Comissão Eletricista Internacional (IEC). Nosso país começou a adotar esse padrão de sinal internacional a partir dos instrumentos elétricos do tipo DDZ-Ⅲ. Os instrumentos transmitem sinais na faixa de 4~20mA.DC, enquanto os sinais de comunicação são transmitidos na faixa de 1~5V.DC. Ou seja, é utilizado um sistema de transmissão por corrente e recepção de sinais por tensão. Princípio de funcionamento do circuito de corrente 4~20mA: Em ambientes industriais, o uso de um amplificador de sinal para processar o sinal e permitir sua transmissão por longas distâncias gera os seguintes problemas: primeiro, como o sinal transmitido é um sinal de tensão, as linhas de transmissão são afetadas por ruídos ； Em segundo lugar, a resistência distribuída da linha de transmissão gera uma queda de tensão ； Em terceiro lugar, como fornecer a tensão de operação do amplificador de instrumentos no local também é um problema. Para resolver os problemas mencionados e evitar a influência do ruído, utilizamos corrente elétrica para transmitir sinais, pois a corrente não é sensível ao ruído. O circuito de corrente de 4～20mA utiliza 4mA para representar o sinal zero, e 20mA para representar a escala máxima do sinal. Já os sinais com valores abaixo de 4mA ou acima de 20mA são utilizados para alertar sobre diversos tipos de falhas. II. Quais são as vantagens do sistema de sinal 4~20mA.DC (1~5V.DC)? Os instrumentos de campo podem operar no sistema de duas linhas; nesse sistema, a fonte de alimentação e a carga estão conectadas em série, tendo um ponto comum. A comunicação de sinais e o fornecimento de energia entre o transmissor de campo e os instrumentos na sala de controle são feitos por meio de apenas dois fios. Como a corrente de partida do sinal é de 4 mA.DC, isso fornece uma corrente de funcionamento estática ao transmissor. Além disso, o ponto zero elétrico do instrumento também é de 4 mA.DC, o que não coincide com o ponto zero mecânico. Esse “ponto zero dinâmico” ajuda a identificar falhas como interrupções de energia e cortes de conexão. Além disso, o sistema de duas linhas também facilita o uso de barreiras de segurança, o que contribui para a proteção contra explosões. Os instrumentos da sala de controle utilizam transmissão de sinais em paralelo de tensão; os instrumentos que fazem parte do mesmo sistema de controle possuem um ponto comum, o que facilita a detecção dos instrumentos, seu ajuste, além do uso de computadores e dispositivos de alarme, e também simplifica o processo de conexão dos fios. A razão pela qual são utilizados sinais de 4~20mA.DC para a comunicação entre os instrumentos localizados no campo e os instrumentos localizados na sala de controle é que, como a distância entre esses locais é grande, a resistência dos fios de conexão é elevada. Se forem utilizados sinais de tensão para transmissão à distância, ocorrerá uma divisão da tensão devido à resistência dos fios e à resistência de entrada dos instrumentos receptores, o que gera erros significativos. Já ao utilizar sinais de corrente constante para a transmissão, desde que não haja ramificações no circuito de transmissão, a corrente no circuito não mudará dependendo do comprimento dos fios, garantindo assim a precisão da transmissão. Os sinais de comunicação entre os instrumentos na sala de controle utilizam tensão DC de 1 a 5 V. Isso se deve ao fato de que essa faixa de tensão facilita o recebimento do mesmo sinal por vários instrumentos, além de facilitar a conexão dos cabos e a criação de sistemas de controle complexos. Se uma fonte de corrente for utilizada como sinal de comunicação, quando vários instrumentos recebem o mesmo sinal, suas resistências de entrada devem ser conectadas em série. Isso faz com que a resistência de carga máxima exceda a capacidade de carga do instrumento transmissor. Além disso, os potenciais negativos dos sinais nos diferentes instrumentos receptores são diferentes, o que gera interferências. Por fim, não é possível fornecer energia de forma centralizada. É utilizada uma comunicação por meio de sinais de tensão. Para se comunicar com os instrumentos locais, os sinais de corrente precisam ser convertidos em sinais de tensão. A maneira mais simples de fazer isso é conectar uma resistência padrão de 250Ω em série no circuito de transmissão da corrente, de modo a converter 4–20 mA.DC em 1–5 V.DC. Geralmente, esse processo é realizado pelo distribuidor de energia. III. Por que o transmissor utiliza 4~20mA.DC como sinal de transmissão? 1. Primeiramente, há as considerações de segurança relacionadas à aplicação no campo. A segurança é garantida por meio de instrumentos resistentes a faíscas explosivas, e, com base no controle da energia dos instrumentos, procura-se reduzir ao mínimo o consumo de energia, tanto em condições estáticas quanto dinâmicas, para que os instrumentos possam funcionar normalmente. Transmissor que gera um sinal padrão de 4~20mA.DC; a tensão de alimentação utilizada é, geralmente, de 24V.DC. A razão principal para se usar tensão contínua é a possibilidade de não ser necessário utilizar capacitores e indutores de grande capacidade. Nesse caso, basta levar em consideração a capacidade distribuída e a indutância dos cabos que conectam o transmissor aos instrumentos na sala de controle. Por exemplo, um cabo de 2mm2 possui uma capacidade distribuída de aproximadamente 0,05μ/km ； Para uma linha simples, a indutância é de aproximadamente 0,4 mH/km ； **Um valor inferior ao necessário para detonar o hidrogênio é, obviamente, muito vantajoso para a prevenção de explosões. 2. Uma fonte de corrente é superior a uma fonte de tensão para a transmissão de sinais. Isso se deve ao fato de que, quando a distância entre o local onde o sinal é gerado e a sala de controle é grande, e a resistência dos fios de conexão é alta, o uso de uma fonte de tensão para a transmissão de sinais causa grandes erros, devido à divisão da tensão entre a resistência dos fios e a resistência de entrada do instrumento receptor. Já com a utilização de uma fonte de corrente, desde que não haja ramificações no circuito de transmissão, a corrente no circuito não muda dependendo do comprimento dos fios, o que garante maior precisão na transmissão do sinal. 3. Razão para a escolha de 20mA como corrente máxima do sinal: A escolha da corrente máxima de 20mA se baseia em considerações de segurança, praticidade, consumo de energia e custo. Os instrumentos de faísca segura devem utilizar apenas tensões e correntes baixas: corrente de 4 a 20 mA e tensão de 24 V DC. Isso também é seguro para o hidrogênio inflamável. Para o hidrogênio a 24 V DC, a corrente necessária para causar uma explosão é de 200 mA, o que é muito acima dos 20 mA. Além disso, é preciso levar em consideração fatores como a distância entre os instrumentos no local de produção e a carga que eles precisam suportar ； Há também questões de consumo de energia e custo, requisitos para os componentes eletrônicos, exigências em relação à potência de alimentação, entre outros fatores. 4. A razão para escolher uma corrente de partida de 4 mA é que os transmissores com saída de 4~20 mA são, em sua maioria, do tipo de dois fios. Nesse sistema, a fonte de alimentação e a carga estão conectadas em série, tendo um ponto comum. A comunicação de sinais e o fornecimento de energia entre o transmissor local e os instrumentos na sala de controle são feitos por meio de apenas dois fios. Por que o sinal de partida não é 0mA? Isso se baseia em dois pontos: primeiro, o circuito do transmissor não consegue funcionar sem uma corrente de operação estática; a corrente de partida do sinal é de 4 mA.DC, o que não coincide com o ponto zero mecânico. Esse “ponto zero dinâmico” ajuda a identificar falhas como interrupções de energia e rompimentos de fios. IV. Qual é a origem dos sensores de 4~20mA? A razão para se utilizar sinais de corrente é que eles não são facilmente afetados por interferências. Além disso, a resistência interna da fonte de corrente é infinita, e a resistência dos fios conectados em série no circuito não afeta a precisão. É possível transmitir sinais por centenas de metros por meio de cabos trançados comuns. A razão para se utilizar sinais de corrente é que eles não são facilmente afetados por interferências. Isso porque a amplitude da tensão de ruído em ambientes industriais pode chegar a vários volts, mas a potência do ruído é muito baixa. Portanto, a corrente de ruído costuma estar abaixo de nA. Assim, o erro causado pela transmissão em 4–20 mA é extremamente pequeno ； A resistência interna da fonte de corrente tende a ser infinita; portanto, a resistência dos fios conectados em série no circuito não afeta a precisão. Assim, é possível transmitir sinais por centenas de metros por meio de cabos trançados comuns ； Devido à alta resistência interna da fonte de corrente e à saída de corrente constante, basta colocar uma resistência de 250 ohms entre o terminal de entrada e a terra para obter uma tensão de 0–5V. A vantagem de um receptor com baixa impedância de entrada é que o ruído de corrente de ordem nA gera apenas um ruído de tensão muito pequeno. O limite de 20mA é estabelecido devido às exigências de segurança contra explosões: a energia das faíscas geradas pela interrupção do fluxo de corrente de 20mA não é suficiente para inflamar o gás. O limite inferior não é definido como 0 mA para que seja possível detectar interrupções na conexão: em condições normais de funcionamento, o valor não fica abaixo de 4 mA. Quando a linha de transmissão se rompe devido a algum defeito, a corrente no circuito reduz-se a 0. Geralmente, 2 mA é utilizado como valor de alarme para interrupção da conexão. Um transmissor de tipo corrente converte grandezas físicas em uma saída de corrente de 4 a 20 mA; portanto, é necessário que haja uma fonte de energia externa para alimentá-lo. O mais típico é que o transmissor precisa de dois fios de alimentação, além de dois fios para a saída de corrente; no total, são necessários 4 fios, sendo esse o caso dos transmissores de sistema de quatro fios. Claro, a saída de corrente pode compartilhar o mesmo fio que a fonte de alimentação para VCC ou GND, o que permite economizar um fio; esse tipo de transmissor é chamado de transmissor de três fios. Na verdade, todos devem ter notado que a corrente de 4-20mA já é suficiente para alimentar o transmissor. O transmissor funciona, no circuito, como uma carga especial. A particularidade é que a corrente de consumo do transmissor varia entre 4 e 20 mA, dependendo da saída do sensor. Para exibir os indicadores, basta conectá-los em série no circuito. Esse tipo de transmissor precisa apenas de 2 fios de conexão, por isso é chamado de transmissor de dois fios. O limite inferior para a corrente de circuito industrial é de 4 mA; portanto, desde que esteja dentro da faixa de medição, o transmissor recebe pelo menos 4 mA de alimentação. Portanto, a saída de sinal de 4-20mA geralmente não é facilmente afetada por interferências e é segura e confiável. Por isso, na indústria, é amplamente utilizado o sinal de alimentação de 4-20mA em sistema de dois fios. Mas, para poder processar melhor os sinais dos sensores, existem atualmente outras formas de sinais de saída: 3,33 MV/V ； 2MV/V ； 0-5V; 0-10V, etc.