Токовая петля

Калибраторы токовой петли

Токовая петля

В наборе инструментов специалиста по КИПиА, занимающегося наладкой и эксплуатацией систем автоматизации и контроля, обязательно должен быть калибратор токовой петли. Калибраторы токовой петли служат, в первую очередь, для проверки работы оборудования с унифицированным токовым сигналом 0-5, 0-20 и 4-20 мА, калибровки и поверки приборов и измерительных устройств.

Даже самые простые и недорогие калибраторы токовой петли могут выполнять следующие функции:

  • Измерение унифицированных сигналов тока в диапазоне от 0 до 24 мА;
  • Формирование унифицированным сигналов тока в диапазоне от 1 до 24 мА;
  • Измерение постоянного напряжения от 1 до 30 В.

В режиме измерения тока калибраторы токовой петли обычно применяются для настройки, калибровки и поверки различного рода датчиков, имеющих токовый выход. Если датчик имеет активный токовый выход, то калибратор выполняет функции миллиамперметра – измеряет ток в цепи (режим измерения тока с внешним источником питания).

Если датчик имеет пассивный токовый выход, то калибратор может осуществлять не только измерение тока в цепи, но и питание токового контура (режим измерения тока с внутренним источником питания).

В этом случае калибратор выполняет функции миллиамперметра и блока питания одновременно, что особенно удобно для настройки, калибровки и поверки стандартных двухпроводных датчиков 4-20 мА.

В режиме формирования тока калибраторы обычно применяются для настройки различного рода вторичных приборов (аналоговые каналы контроллеров, регистраторов, измерителей и регуляторов), позиционеров клапанов и задвижек и т.п.

С помощью калибраторов удобно производить функциональную проверку работы схем сигнализации (проверку аварийных порогов), проверку корректности работы схем управления при выходе сигнала из диапазона 4-20 мА (отказ датчика, перегрузка датчика) и т.п.

Обратите внимание

В режиме формирования токов калибратор также может работать с приборами, имеющими как активный вход, так и пассивный вход.

В случае если калибратор подключен к активному входу вторичного прибора (режим формирования тока с внешним источником питания), то калибратор фактически выполняет роль регулируемого сопротивления – переменного резистора – управляя величиной тока, протекающего в токовой петле. Если калибратор подключен к пассивному входу вторичного прибора (режим формирования тока с внутренним источником питания), то калибратор представляет собой последовательно включенные блок питания и все тот же переменный резистор.

Калибраторы токовой петли выпускаются как иностранными, так и отечественными производителями – функциональные возможности у всех них примерно одинаковые:

  • Овен РЗУ-420
  • Fluke 705/707
  • ЧТП КИСС-микро
  • Meriam M334R
  • Mastech MS7221
  • WIKA CEP1000
  • Актаком АМ-7070
  • Druck UPS II/UPS III
  • Ametek mAcal-R
  • НивЭл ГСТП-04
  • Элметро-Вольта
  • Martel LC-110/LC-110h

Все указанные выше типы калибраторов могут быть использованы для проверки функционирования измерительных устройств с унифицированными токовыми входами-выходами. Для калибровки и поверки оборудования КИП могут применяться только внесенные в ГРСИ поверенные калибраторы, имеющие необходимую в каждом конкретном случае точность измерения.

Существуют и более функциональные модели калибраторов, позволяющие кроме измерения/формирования сигналов тока и напряжения измерять/формировать сигналы термосопротивления (Pt100, Pt50, 100П, 50П, 100М и т.д.), термоЭДС (ТХА, ТХК, ППР, K, L, B и т.д.), частоты, давления и других величин.

Current Loop/Arc Detection Circuitry In HV Power Supplies

Токовая петля

Обратная связь по току / Токовая петля
Способ обнаружения дугового разряда источниками питания Spellman никак не связан с обратной связью по току и управляющей токовой петлей.

Перегрузка по току – это длительное состояние отказа в цепи с низким сопротивлением, которое может сохраняться в течение продолжительного периода времени.

Источники питания обнаруживают его за счет обратной связи по току и переключаются из режима постоянного напряжения в режим постоянного тока для приведения непрерывного постоянного тока к уровню, заданному токовым входящим управляющим сигналом.

Константы времени, связанные с цепью обратной связи по току и усилителю ошибок по силе тока, обычно равны нескольким миллисекундам или десяткам миллисекунд, поэтому мы не используем обратную связь по току для обнаружения дугового разряда. Обратная связь по току используется только для регулирования долговременного постоянного тока в соответствии с токовой петлей.

Характеристики дуговых разрядов

Дуговые разряды характеризуются очень низким сопротивлением, которое может возникнуть очень быстро и существовать всего лишь несколько микросекунд, десятков или сотен микросекунд. При возникновении такой ситуации, если рассматривать ее в отношении источника питания, то в принципе происходит ёмкостный разряд. У нас есть заряженный конденсатор (собственная емкость умножителя источника питания), к выходу которого подключен элемент с очень низким сопротивлением. Единственным фактором, ограничивающим силу тока, при этом будет внутренняя последовательная ограничительная схема (обычно состоящая из резисторов и (или) индукторов). При отсутствии каких-либо технических мер по ее ограничению, сила тока дугового разряда была бы бесконечно велика, но внутренние ограничивающие резисторы в наших устройствах удерживают силу тока на уровне безопасного разряда. Высоковольтный источник питания, номинальная сила тока которого исчисляется миллиамперами, в момент дугового разряда может выдавать амперы или даже десятки ампер. Это НЕ обычный номинальный ток, а ток накопленного дугового разряда, и разница между этими явлениями очень велика.

Токочувствительный трансформатор
Из-за коротких промежутков времени и большой силы тока, возникающей в момент дугового разряда, Spellman использует другое средство для обнаружения дуговых разрядов – токочувствительный трансформатор.

Токочувствительный трансформатор подключается к выходу схемы умножителя. Он не обнаруживает обычный постоянный ток малой силы, являющийся номинальным для источника питания, но обнаруживает дуговой разряд, сила тока которого очень велика, а продолжительность измеряется микросекундами.

Таким образом мы обнаруживаем дуговой разряд.

Процесс гашения дугового разряда

Процесс гашения дугового разряда необходим, потому что любая накопленная в умножителе энергия излучается в виде тепла в блоке выходных ограничителей. Отдельные дуговые разряды не приводят к повреждению источника питания, однако повторяющиеся продолжительные дуговые разряды могут привести к перегреву схемы выходных ограничителей. После некоторого количества дуговых разрядов в течение определенного времени произойдет повреждение источника питания вследствие перегрева. Процесс гашения дугового разряда в наших устройствах предотвращает какие-либо повреждения. Изменить характер явления, которое мы называем дуговым разрядом, невозможно; Spellman определяет уровень чувствительности, достаточный для защиты источника питания, который в то же время не мешает нормальной эксплуатации устройства.

Для чего не предназначена схема защиты от дугового разряда

Процесс обнаружения и прерывания дугового разряда в устройствах Spellman служит для защиты источника питания от чрезмерного долговременного воздействия дуговых разрядов; он не предназначен для высокоточной работы и непрерывной регулировки схемы пользователем. Если заказчику требуется высокоточное регулируемое обнаружение дуговых разрядов, Spellman рекомендует реализовать его самостоятельно при помощи внешнего токочувствительного трансформатора. Таким образом будет сохранена необходимая источнику питания защита от дуговых разрядов, а заказчик получит возможность настроить внешний трансформатор для обнаружения дугового разряда в соответствии со своими потребностями.

Р�нтерфейс “токовая петля”

Токовая петля

Р�нтерфейс “токовая петля”

Р�нтерфейс “токовая петля” используется для передачи информации СЃ 1950-С… РіРѕРґРѕРІ.

Первоначально в нем использовался ток 60 мА [Current]; позже, с 1962 года, получил распространение интерфейс с током 20 мА, преимущественно в телетайпных аппаратах.

Р’ 1980-С… годах начала широко применяться “токовая петля” 4…20 РјРђ РІ разнообразном технологическом оборудовании, датчиках Рё исполнительных устройствах средств автоматики.

Популярность “токовой петли” начала падать после появления стандарта РЅР° интерфейс RS-485 (1983 Рі.) Рё РІ настоящее время РІ РЅРѕРІРѕРј оборудовании РѕРЅР° практически РЅРµ применяется.

Р’ передатчике “токовой петли” используется РЅРµ источник напряжения, как РІ интерфейсе RS-485, Р° источник тока.

По определению, ток, вытекающий из источника тока, не зависит от параметров нагрузки.

Поэтому РІ “токовой петле” протекает ток, РЅРµ зависящий РѕС‚ сопротивления кабеля , сопротивления нагрузки Рё СЌ. Рґ. СЃ. индуктивной помехи (СЂРёСЃ. 2.

Важно

10), а также от напряжения питания источника тока (см рис. 2.11). Ток в петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые очень малы.

Это свойство токовой петли является основным и определяет все варианты ее применения. Емкостная наводка , э. д. с.

которой приложена РЅРµ последовательно СЃ источником тока, Р° параллельно ему, РЅРµ может быть ослаблена РІ “токовой петле” Рё для ее подавления следует использовать экранирование (подробнее Рѕ Р±РѕСЂСЊР±Рµ СЃ помехами СЃРј. раздел 3).

Р РёСЃ. 2.10. Принцип действия “токовой петли”

В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая пара, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индуктивную и синфазную помеху.

На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью калиброванного сопротивления .

При токе 20 мА для получения стандартного напряжения 2,5 В, 5 В или 10 В используют резистор сопротивлением 125 Ом, 250 Ом или 500 Ом соответственно.

Основным недостатком “токовой петли” является ее принципиально РЅРёР·РєРѕРµ быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля РѕС‚ источника тока.

Например, при типовой погонной емкости кабеля 75 пФ/м и длине 1 км емкость кабеля составит 75 нФ.

Для заряда такой емкости от источника тока 20 мА до напряжения 5 В необходимо время 19 мкс, что соответствует скорости передачи около 9 кбит/с. На рис. 2.

12 приведены зависимости максимальной скорости передачи от длины кабеля при разных уровнях искажений (дрожания), который оценивался также, как и для интерфейса RS-485 [Optically].

Совет

Вторым недостатком “токовой петли”, ограничивающим ее практическое применение, является отсутствие стандарта РЅР° конструктивное исполнение разъемов Рё электрические параметры, хотя фактически стали общепринятыми диапазоны токовых сигналов 0…20 РјРђ Рё 4…20 РјРђ; гораздо реже используют 0…60 РјРђ. Р’ перспективных разработках рекомендуется использовать только диапазон 4…20 РјРђ, как обеспечивающий возможность диагностики обрыва линии (СЃРј. раздел “Аппаратное резервирование”).

Р�нтерфейс “токовая петля” распространен РІ РґРІСѓС… версиях: цифровой Рё аналоговой.

Аналоговая “токовая петля”

Р°)

Р±)

Р РёСЃ. 2.11. Два варианта построения аналоговой “токовой петли”: СЃРѕ встроенным РІ передатчик источником питания (Р°) Рё выносным (Р±)

Аналоговая версия “токовой петли” используется, как правило, для передачи сигналов РѕС‚ разнообразных датчиков Рє контроллеру или РѕС‚ контроллера Рє исполнительным устройствам. Применение “токовой петли” РІ данном случае дает РґРІР° преимущества. Р’Рѕ-первых, приведение диапазона изменения измеряемой величины Рє стандартному диапазону обеспечивает взаимозаменяемость компонентов. Р’Рѕ-вторых, становится возможным передать сигнал РЅР° большое расстояние СЃ высокой точностью (погрешность “токовой петли” может быть снижена РґРѕ В±0,05%). РљСЂРѕРјРµ того, стандарт “токовая петля” поддерживается подавляющим большинством производителей средств промышленной автоматизации.

Р’ варианте “4…20 РјРђ” РІ качестве начала отсчета РїСЂРёРЅСЏС‚ ток 4 РјРђ. Это позволяет производить диагностику целостности кабеля (кабель имеет разрыв, если ток равен нулю) РІ отличие РѕС‚ варианта “0…

20 РјРђ”, РіРґРµ величина “0 РјРђ” может означать РЅРµ только нулевую величину сигнала, РЅРѕ Рё обрыв кабеля.

Вторым преимуществом уровня отсчета 4 мА является возможность подачи энергии датчику для его питания.

РќР° СЂРёСЃ. 2.11 показаны РґРІР° варианта построения аналоговой “токовой петли”.

Р’ варианте Р°) используется встроенный незаземленный источник питания , РІ варианте Р±) источник питания – внешний.

Встроенный источник удобен при монтаже системы, а внешний удобен тем, что его можно выбрать с любыми параметрами в зависимости от поставленной задачи.

Обратите внимание

Принцип действия обоих вариантов состоит в том, что при бесконечно большом коэффициенте усиления операционного усилителя (ОУ) напряжение между его входами равно нулю и поэтому ток через резистор равен , а поскольку у идеального ОУ ток входов равен нулю, то ток через резистор строго равен току в петле и, как следует из этой формулы, не зависит от сопротивления нагрузки. Поэтому напряжение на выходе приемника определяется как .

Достоинством схемы с операционным усилителем является возможность калибровки передатчика без подключенного к нему кабеля и приемника, поскольку вносимая ими погрешность пренебрежимо мала.

Р РёСЃ. 2.12. Зависимость максимальной скорости передачи “токовой петли” РѕС‚ длины неэкранированной витой пары 22 AWG РїСЂРё токе петли 20 РјРђ

Напряжение источника выбирается такой, чтобы обеспечить работу транзистора передатчика РІ активном (ненасыщенном) режиме Рё скомпенсировать падение напряжения РЅР° проводах кабеля Рё сопротивлениях , . Для этого выбирают , РіРґРµ – напряжение насыщения транзистора (1…2 Р’). Например, РїСЂРё типовых значениях 500 РћРј Рё сопротивлении кабеля 100 РћРј (РїСЂРё длине 1 РєРј) получим напряжение источника питания петли 22 Р’; ближайшее стандартное значение равно 24 Р’. Отметим, что мощность, связанная СЃ избыточным напряжением источника питания РїРѕ сравнению СЃ рассчитанным значением, будет рассеиваться РЅР° транзисторе, что особенно существенно для интегральных передатчиков, РЅРµ имеющих теплоотвода.

В схемах на рис. 2.11 используется гальваническая развязка между входом передатчика и передающим каскадом.

Она необходима для исключения паразитных связей между передатчиком и приемником, подробнее см.

раздел “Защита РѕС‚ помех”.

Примером передатчика для аналоговой токовой петли является модуль NL-4AO фирмы РќР�Р› РђРџ, имеющий 4 канала вывода аналоговых сигналов, гальваническую развязку Рё предназначенный для вывода РёР· компьютера Рё передачи РЅР° исполнительные устройства тока РІ стандарте 0…20 РјРђ или 4…20 РјРђ. Структура модуля приведена РІ разделе “Контроллеры для систем автоматизации”. Модуль содержит микроконтроллер, который осуществляет СЃРІСЏР·СЊ СЃ компьютером РїРѕ интерфейсу RS-485, исполняет команды компьютера Рё выполняет компенсацию погрешностей преобразования СЃ помощью коэффициентов, полученных РїСЂРё калибровке источников тока Рё хранимых РІ запоминающем устройстве Р­РџРџР—РЈ(электрически программируемое постоянное запоминающее устройство). Преобразование цифровых данных РІ аналоговый сигнал выполняется СЃ помощью 4-канального цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Для расширения функциональных возможностей модуль имеет также выходы напряжения (которые РЅРµ имеют отношения Рє рассматриваемой теме).

Цифровая “токовая тепля”

Цифровая “токовая петля” используется обычно РІ версии “0…20 РјРђ”, поскольку РѕРЅР° реализуется гораздо проще, чем “4…20 РјРђ” (СЂРёСЃ. 2.13).

Поскольку при цифровой передаче данных точность передачи логических уровней роли не играет, можно использовать источник тока с не очень большим внутренним сопротивлением и низкой точностью. Так, на рис. 2.13 при стандартном значении напряжения питания =24 В и падении напряжения на входе приемника 0,8 В для получения тока 20 мА сопротивление должно быть равно примерно 1,2 кОм. Сопротивление кабеля сечением 0,35 кв. мм и длиной 1 км равно 97 Ом, что составит всего 10% от общего сопротивления петли и им можно пренебречь. Падение напряжения на диоде оптрона составляет 3,3% от напряжения источника питания, и его влиянием на ток в петле также можно пренебречь. Поэтому с достаточной для практики точностью можно считать, что передатчик в этой схеме является источником тока.

Р РёСЃ. 2.13. Принцип реализации цифровой “токовой петли”

Как аналоговая, так Рё цифровая “токовая петля” может использоваться для передачи информации нескольким приемникам одновременно (СЂРёСЃ. 2.14).

Вследствие РЅРёР·РєРѕР№ скорости передачи информации РїРѕ “токовой петле” согласование длинной линии СЃ передатчиком Рё приемником РЅРµ требуется.

“Токовая петля” нашла СЃРІРѕРµ “второе рождение” РІ протоколе HART.

Рис. 2.14. Токовая петля может быть использована для передачи информации нескольким приемникам

Дата добавления: 2015-08-29; просмотров: 95 | Нарушение авторских прав

mybiblioteka.su – 2015-2019 РіРѕРґ. (0.011 сек.)

Alex_EXE

Токовая петля

Один из интерфейсов промышленной автоматики — токовая петля 4-20мА, используется для передачи данных от измерительных преобразователей контроллерам.

В интерфейсе идёт представление аналогового сигнала: 0мА — обрыв, 4мА — минимальный уровень сигнала, 20мА — максимальный уровень сигнала.

Выпускается множество промышленных датчиков с интерфейсом токовой петли 4-20мА.

Преобразователь 0-5В в 4-20мА на xtr115u

В статье предлагаю ознакомиться с преобразователем аналогового сигнала 0-5В (можно пересчитать и на другие диапазоны) в аналоговый сигнал 4-20мА — микросхемой xtr115.

Микросхема универсальная: к ней можно подключать резистивную нагрузку, источники напряжения 0-5В, с пересчётом и другие диапазоны, с добавлением одного операционного усилителя измерительный мост, выход микроконтроллера с аналоговым сигналом (ЦАП) или ШИМ сигналом пропущенным через фильтр.

Внутреннее устройство преобразователя.

Устройство преобразователя xtr115/xtr116

Важно

Входной сигнал подаваемый на Iin (вывод 2) контролирует выходной ток управля транзистором Q1. Вход питания (+) линии 4-20 подключается к V+ (вывод 7), выход Io (вывод 4).

Схема имеет встроенные стабилизаторы на 5В Vreg (вывод 8) и 2,5В(xtr115) или 4,096В (xtr116) Vref (вывод 1), которые можно использовать для питания внешних схем, при его использовании нужно учесть: что максимальный ток, который можно снять со стабилизатора не должен превышать 3,7мА (микросхема потребляет около 200мкА, а минимальный уровень интерфейса 4-20 — 4мА), так же весь отдаваемый ток микросхемой со всех её выводов должен вернуться на вывод Iret. Напряжение с вывода Vref можно использовать для смещения входного сигнала, поступаемого на вход Iin, для получения минимального уровня тока 4мА на интерфейсе 4-20. Ток протекающий через Iin (вывод 2) 100 кратно увеличивается протекает через Io (вывод 4), Io=100*Iin.

Рассмотрим схему включения преобразователя xtr115u с аналоговым входом 0-5В.

Схема

Основой преобразователя выступает микросхема xtr115. Транзистор Q1 должен быть мощностью не менее 0,8Вт, напряжением 40В и током 20мА, например MMBT2222A, BC817, но лучше взять что-нибудь по мощнее.

Конденсатор C2 сглаживает пульсации на линии 4-20, резистор R3 ограничивает максимальный протекаемый ток: при напряжении в 24В — 100мА. По входу конденсатор C1 выступает в роли входного фильтра.

Резистор R1 ограничивает протекание входного тока на вход Iin для 5В на 160мкА, что соответствует 16мА на выходе Io, расчётное значение R1 31,25кОм.

Резистор R2 номиналом в 62,5кОм устанавливает смещение 4мА на выходе Io (вывод 4), для этого с вывода источника опорного напряжения Vref на вход сигнала Iin должен протекать ток 40мкА. Протекание тока через резистор смещения R2 в 40мкА и протекание тока через резистор R1 ограниченного на 160мкА даёт на входе Iin диапазон от 40 до 200мкА, микросхема умножает это значение на 100 и на выходе Iout диапазон протекаемого тока 4-20мА.

Внутреннее устройство преобразователя.

Протекание тока на входе Iin

Для облегчения подбора резисторов R1 и R2 и для добавления установки/калибровки минимального и максимального значения номиналы резисторов были снижены до более распространенного номинала из таблицы E и к ним были добавлены подстроечные многооборотные резисторы.

Схема с подстроечными резисторами

R3 — установка нуля, подстройка 4мА на выходе схемы, когда вход Vin подключен к общему проводу. R1 — установка максимального значения, подстройка 20мА на выходе схемы, когда вход Vin подключен к VDD 5V.

Печатная плата имеет следующий вид:

Схема с подстроечными резисторами

Микросхема преобразователя xtr115 в корпусе SO8, транзистор в корпусе sot-23 (транзистор подобран без запаса по мощности, лучше выбрать в более большом корпусе с лучшим рассеиванием тепла).

Совет

Все резисторы и конденсаторы в корпусе 0805. Резистор R2 номиналом в 30К разбит на 2: 10К и 20К. Подстроечные резисторы R1 и R3 многооборотные в корпусе 3296W.

Разъём X1 выполнен в виде PLS-3R, квадратный вывод — GND, клеммник X2 — 350-021-14 имеет шаг 3,5мм.

Примеры использования интерфейса токовой петли 4-20мА xtr115:

Примеры подключения датчиков к XTR115

Самое простое, что можно подключить к преобразователю — это переменный резистор (R1, на схеме с примерами выше) сопротивлением от 3,3кОм или датчик с изменяемым выходным сопротивлением.

Так же к xtr115 можно подключить выход микроконтроллера ЦАП или ШИМ через фильтр (П-образный фильтр на C1, R2, C2, на схеме выше), который выровняет ШИМ сигнал контроллера в аналоговый сигнал, что бы его можно будет подать на вход Vin преобразователя.

Не стоит забывать про уровни: выходной сигнал микроконтроллера должен перекрывать весь рабочий диапазон преобразователя (4-20мА), для этого напряжение питания микроконтроллера должно быть то же 5В, как и у преобразователя, или придётся ставить дополнительные согласующие элементы.

К преобразователю так же можно подключить готовые датчики с изменяемым на выходе напряжением. Например: линейный датчик температуры LM35 (U1, см.

на схеме выше), для работы которого понадобиться только резистор подтяжки R3 номиналом в 2кОм, которым можно подтянутся к встроенному в xtr115 стабилизатору напряжения 5В.

Такое решение будет допустимо только для датчиков с небольшим потребляемым током, до 3,7мА, если больше они своим потреблением внесут искажения в работу интерфейса 4-20мА, для таких задач придётся использовать внешний источник питания.

Пример расчёта температуры для датчика температуры LM35 подключенного к XTR115.

Датчик LM35 работает в диапазоне от -40 до 100грС на выходе имеет линейную зависимость в 10мВ на каждый градус С. Формула расчёта напряжения выглядит следующим образом:

Vout — напряжение с выхода датчика, В
t — измеренная температура, грС

Для подключенного датчика температуры к преобразователю формула будет иметь следующий вид:

Value — ток 4-20мА полученный с датчика, А
t — температура в грС

Преобразуем:

Value — ток 4-20мА полученный с датчика, мА
t — температура в грС

Преобразователь 0-5В в 4-20мА на xtr115u

Скачать печатку (*.lay, Sprint-Layout 6.0)

Интерфейс «токовая петля»

Токовая петля

Интерфейс «токовая петля» первоначально использовался для передачи информации преимущественно в телетайпных аппаратах. В 1980-х годах «токовая петля» 4…20 мА начинает широко применяться в разнообразном технологическом оборудовании, датчиках и исполнительных устройствах средств автоматики.

В передатчике «токовой петли» используется источник тока, а не источник напряжения. По определению, ток, вытекающий из источника тока, не зависит от параметров нагрузки.

Поэтому, в «токовой петле» протекает ток, не зависящий от сопротивления кабеля, сопротивления нагрузки и э.д.с. индуктивной помехи (рис. 14.1), а также от напряжения питания источника тока (см. рис. 14.2).

Ток в петле может измениться только вследствие утечек кабеля, которые очень малы.

Это свойство токовой петли является основным и определяет все варианты ее применения. Емкостная наводка, э.д.с. которой приложена не последовательно с источником тока, а параллельно ему, не может быть ослаблена в «токовой петле» и для ее подавления следует использовать экранирование.

Рисунок 14.1 – Принцип действия «токовой петли»

В качестве линии передачи обычно используется экранированная витая пара, которая совместно с дифференциальным приемником позволяет ослабить индуктивную и синфазную помеху.

На приемном конце ток петли преобразуется в напряжение с помощью калиброванного сопротивления. При токе 20 mА для получения стандартного напряжения 2,5 V, 5 V или 10 V используют резистор сопротивлением 125 W, 250 W или 500 W соответственно.

Основным недостатком «токовой петли» является ее принципиально низкое быстродействие, которое ограничивается скоростью заряда емкости кабеля от источника тока. Например, при типовой погонной емкости кабеля 75 pF/m и длине 1 km емкость кабеля составит 75 nF.

Для заряда такой емкости от источника тока 20 mА до напряжения 5 V необходимо время 19 μs, что соответствует скорости передачи около 9 kbit/s. На рис. 10.

Обратите внимание

3 приведены зависимости максимальной скорости передачи от длины кабеля при разных уровнях искажений (дрожания).

Вторым недостатком «токовой петли», ограничивающим ее практическое применение, является отсутствие стандарта на конструктивное исполнение разъемов и электрические параметры, хотя фактически стали общепринятыми диапазоны токовых сигналов 0…20 mА и 4…20 mА; гораздо реже используют 0…60 mА и 0…5 mА. В перспективных разработках рекомендуется использовать только диапазон 4…20 mА, как обеспечивающий возможность диагностики обрыва линии.

Интерфейс «токовая петля» распространен в двух версиях: цифровой и аналоговой.

Кроме токовой петли в некоторых ситуациях для передачи информации могут быть использованы унифицированные диапазоны напряжения: 0 – 10 V; 0 – 1 V.

Дата добавления: 2016-12-16; просмотров: 1153; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Простой адаптер RS-232 – “Токовая петля”

Токовая петля

Адаптер для соединения компьютера РС и контроллеров с интерфейсом “Токовая петля”. Не требует дефицитных деталей, доступен для изготовления даже в домашних условиях.

В 1969 году американская Ассоциация электронной промышленности (Electronic Industries Association) разработала коммуникационный интерфейс RS-232C. Изначальное его назначение – обеспечение связи между удаленными на большое расстояние компьютерами.

Аналог этого интерфейса у нас в России называется «Стык С2». Связь между компьютерами осуществляется при помощи модемов, но вместе с тем по интерфейсу RS-232C к компьютерам подключались такие устройства, как «мышь», которую так и называли «комовской», а также сканеры и принтеры. Конечно же, все они должны были иметь возможность присоединения через интерфейс RS-232C.

В настоящее время такие устройства совсем вышли из употребления, хотя RS-232C до сих пор остается востребованным: даже некоторые новые модели ноутбуков имеют этот интерфейс. Примером такого ноутбука может служить промышленный ноутбук модели TS Strong@Master 7020T серия Core2Duo. Такой ноутбук в магазинах «Домашний компьютер», конечно, не продают.

Некоторые промышленные контроллеры, имеют интерфейс «токовая петля». Чтобы связать между собой компьютер, имеющий интерфейс RS-232C и подобный контроллер, применяются различные адаптеры. В этой статье приводится описание одного из них.

Адаптер RS-232 – “Токовая петля” был разработан специалистами нашего предприятия и в процессе эксплуатации показал высокую надежность. Его отличительная особенность в том, что он обеспечивает полную гальваническую развязку компьютера и контроллера.

Такое схемное решение намного снижает вероятность выхода из строя обоих устройств. К тому же его легко изготовить самостоятельно в условиях производства: схема не велика по объему, не содержит дефицитных деталей и в налаживании, как правило, не нуждается.

Для того чтобы пояснить работу данной схемы, необходимо вспомнить хотя бы в общих чертах работу интерфейсов RS-232C и «Токовая петля». Единственное, что их объединяет, это последовательная передача данных.

Важно

Различие состоит в том, что сигналы имеют различные физические уровни. Кроме того, интерфейс RS-232C кроме собственно линий передачи данных, имеет еще несколько дополнительных управляющих сигналов, предназначенных для работы с модемом.

Процесс передачи данных по линии TxD показан на рисунке 1. (TxD это линия передатчика. По ней данные в последовательном виде выводятся ИЗ компьютера).

Прежде всего, следует заметить, что данные передаются с помощью двухполярного напряжения: уровню логического нуля в линии соответствует напряжение +3…+12В, а уровню логической единицы -3…12В. По терминологии, пришедшей из телеграфной техники, состояние логического нуля иногда называется SPASE или «отжатие», в то же время логическая единица именуется MARK – «нажатие».

Рисунок 1.

Для УПРАВЛЯЮЩИХ цепей положительное напряжение соответствует логической единице (включено), а логическому нулю (выключено) отрицательное напряжение. Все измерения проводятся относительно контакта SG (информационная земля).

Собственно передача данных производится в старт – стопном режиме последовательным асинхронным методом. Применение такого метода не требует передачи каких-либо дополнительных сигналов синхронизации, а, следовательно, и дополнительных линий для их передачи.

Информация передается байтами (восьми разрядное двоичное число), которые дополняются служебной информацией.

Во-первых, это стартовый бит (бит – один двоичный разряд), после которого идут восемь бит данных. Непосредственно за ними идет бит контроля четности и после всего этого стоповый бит.

Стоповых битов может быть несколько. (Бит это сокращение от английского binary digit – двоичная цифра).

Совет

В отсутствии передачи данных линия находится в состоянии логической единицы (напряжение в линии -3…12В). Стартовый бит начинает передачу, устанавливая на линии уровень логического нуля.

Приемник, присоединенный к этой линии, приняв стартовый бит, запускает счетчик, подсчитывающий временные интервалы предназначенные для передачи каждого бита.

В нужный момент, как правило, в середине интервала, приемник стробирует состояние линии и запоминает ее состояние. Таким методом происходит считывание информации с линии.

Для того, чтобы проверить достоверность принятой информации используется разряд контроля четности: если количество содержащихся в передаваемом байте единиц нечетное, то к ним добавляется еще одна единичка – разряд контроля четности. (Впрочем, эта единичка может добавлять байт наоборот до нечетности. Все зависит от принятого протокола передачи данных).

На стороне приемника четность проверяется и если обнаруживается нечетное количество единиц, то программа зафиксирует ошибку, и примет меры по ее устранению. Например, может запросить повторную передачу сбойного байта. Правда, контроль на четность задействуется не всегда, этот режим попросту может быть отключен и контрольный разряд в этом случае не передается.

Передача каждого байта заканчивается стоповыми битами. Их назначение сводится к останову работы приемника, который по первому из них переходит к ожиданию приема следующего байта, точнее, его стартового бита.

Уровень стоповых битов всегда логическая 1, в точности также, как уровень в паузах между передачей слов.

Поэтому, изменяя количество стоповых битов можно регулировать длительность этих пауз, что дает возможность при минимальной их длительности добиться надежной связи.

Обратите внимание

Весь алгоритм последовательного интерфейса в компьютере выполняется специальными контроллерами без участия центрального процессора. Последний лишь настраивает эти контроллеры на определенный режим, и загружает в него данные для передачи, или принимает полученные данные.

При работе с модемом интерфейс RS-232C предусматривает наличие не только линий передачи данных, но и дополнительных управляющих сигналов. В данной статье рассматривать их подробно просто нет смысла, так как в предлагаемой схеме адаптера используются только два из них. Об этом будет сказано ниже при описании принципиальной схемы.

Кроме RS-232C весьма широкое распространение имеет последовательный интерфейс ИРПС (Интерфейс Радиальный с Последовательной Связью). Второе его название «Токовая петля». Этот интерфейс логически соответствует RS-232C: тот же последовательный принцип передачи данных и такой же формат: стартовый бит, байт данных, бит контроля четности и стоповый бит.

Отличие от RS-232C лишь в физической реализации канала связи. Логические уровни передаются не напряжениями, а токами. Подобная схема позволяет организовать связь между устройствами находящимися на расстоянии до полутора километров.

Кроме того, «токовая петля» в отличие от RS-232C не имеет никаких управляющих сигналов: по умолчанию считается, что все они находятся в активном состоянии.

Чтобы сопротивление длинных линий связи не влияло на уровни сигналов, питание линий производится через стабилизаторы тока.

На рисунке ниже показана очень упрощенная схема интерфейса «токовая петля». Как уже упоминалось, питание линии производится от источника тока, который может быть установлен либо в передатчике, либо в приемнике, что принципиального значения не имеет.

Рисунок 2

Логической единице в линии соответствует ток величиной 12…20 мА, а логическому нулю отсутствие тока, точнее не более 2мА. Поэтому выходной каскада передатчика «токовой петли» представляет собой простой транзисторный ключ.

В качестве приемника используется транзисторный оптрон, который обеспечивает гальваническую развязку от линии связи. Для того, чтобы связь была двусторонней необходима еще одна такая же петля (две линии связи), хотя известны способы передачи в двух направлениях и по одной витой паре.

Важно

Исправность канала связи проверить весьма просто, если в разрыв любого из двух проводов включить миллиамперметр, лучше стрелочный. При отсутствии передачи данных он должен показать ток близкий к 20 мА, а если передача данных идет, то можно заметить легкие подергивания стрелки. (Если скорость передачи не велика, а сама передача идет пакетами).

Принципиальная схема адаптера RS-232C – «Токовая петля» показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Принципиальная схема адаптера RS-232C – «Токовая петля» (при нажатии на картинку откроется схема в большем формате)

В исходном состоянии сигнал Rxd находится в состоянии логической единицы (смотри рисунок 1), то есть напряжение на нем -12В, что приводит к открытию транзисторного оптрона DA2, а вместе с ним транзистора VT1, через который ток 20мА протекает через стабилизатор тока и светодиод оптрона приемника контроллера, как показано на рисунке 4. Для «токовой петли» это состояние логической единицы.

Когда сигнал Rxd принимает значение логического нуля (напряжение +12В) оптрон DA2 закрывается и вместе с ним транзистор VT1, поэтому ток становится равным нулю, что полностью соответствует требованиям интерфейса «Токовая петля». Таким образом, последовательные данные будут переданы от компьютера к контроллеру.

Данные от контроллера к компьютеру передаются через оптрон DA1 и транзистор VT2: когда линия токовой петли находится в состоянии логической единицы (ток 20 мА) оптрон открывает транзистор VT2 и на входе приемника RS-232C появляется напряжение -12В, что согласно рисунку 1 есть уровень логической единицы. Это соответствует паузе между передачей данных.

Когда на линии связи токовой петли ток равен нулю (логический нуль) оптрон DA1 и транзистор VT2 закрыты на входе RxD будет напряжение +12В – соответствует уровню логического нуля.

Для того чтобы на входе RxD получить двухполярное напряжение, используются сигналы DTR Data Terminal Ready (Готовность терминала) и RTS Request to Send (Запрос на отправку).

Эти сигналы предназначены для работы с модемом, но в данном случае используются как источник питания для линии RxD, поэтому дополнительного источника не требуется. Программно эти сигналы устанавливаются таким образом: DTR=+12В, RTS=-12В. Эти напряжения развязаны друг от друга диодами VD1 и VD2.

Для самостоятельного изготовления адаптера понадобятся следующие детали.

Список элементов.

DA, DA =2xАОТ128

R1 =1×4,7K

R2, R4 =2x100K

R3 =1×200

R6, R7 =2×680

R8, R9, R10 =3x1M

VD1, VD2, VD3, VD4, VD5 =5xKD522

VT1, VT2 =2xKT814G

В случае, если вместо отечественных оптронов АОТ128 применить импортные 4N35, что наиболее вероятно в условиях нынешнего радиорынка, резисторы R2,R4 следует установить номиналом 820К…1М.

Совет

Соединение контроллера с компьютером показано на рисунке 4. (Стабилизаторы тока находятся в контроллере).

Рисунок 4.

На рисунке 5 показана готовая плата адаптера.

Рисунок 5. Готовая плата адаптера

Подсоединение к компьютеру производится с помощью стандартного разъема типа DB-9, (гнездная часть) с помощью стандартного кабеля для последовательного порта.

Иногда в наличии остаются похожие по виду кабели от ИБП (бесперебойников). Они имеют специфическую распайку и для подключения адаптера не подходят.

Линии интерфейса «токовая петля» подключаются с помощью клеммных зажимов.

Борис Аладышкин

Фундаментальные основы работы токовой петли 4..20 мА

Токовая петля

Фундаментальные основы работы токовой петли 4..20 мАlevel_meterSeptember 29th, 2011Фундаментальные основы работы токовой петли 4..20 мАС 1950-х годов токовая петля используется  для передачи  данных от измерительных преобразователей  в процессе мониторинга и контроля.

При  низкой стоимости реализации, высокой помехоустойчивости и возможности передачи сигналов на большие расстояния, токовая  петля оказалась особенно удобной для работы в промышленных условиях. Этот  материал  посвящен описанию базовых принципов    работы  токовой петли, основам  проектирования , настройке .

  

Использование тока для передачи данных от преобразователя

 Датчики промышленного исполнения  часто  используют токовый сигнал для передачи данных в  отличие , от большинства других преобразователей , таких ,например, как термопары или   тензорезистивные   датчики , которые используют напряжение сигнала. Несмотря на то , что  преобразователи ,использующие напряжение в качестве параметра передачи информации ,действительно  эффективно применяются  во многих производственных задачах, существует круг приложений , где использование характеристик тока предпочтительнее. Существенным недостатком при использования напряжения для передачи сигналов в промышленных условиях является ослабление сигнала   при   его передаче на значительные расстояния вследствие  наличия сопротивления  проводных линий связи. Можно,конечно,  использовать высокий входной импеданс устройств, чтобы обойти потери сигнала. Однако, такие устройства будут весьма  чувствительны к шуму, которые индуцируют находящиеся  поблизости моторы, приводные ремни или  радиовещательные передатчики. Согласно первому  закону Кирхгофа  сумма токов, втекающих в узел ,равна  сумме токов, вытекающих из узла. В теории, ток ,протекающий в начале контура ,должен достичь его конца в полном объеме,как показано на рис.1. 1.Рис.1. В соответствии с первым законом Кирхгофа ток в начале контура равен току в его конце.   Это основной принцип, на котором работает контур измерения.. Измерение тока в любом месте токовой петли  (измерительного контура)  дает один и  тот же результат. Используя токовые сигналы и приемные устройства для сбора данных с низким входным сопротивлением , в  промышленных  приложениях возможно получить  значительный выигрыш  от улучшения помехоустойчивости и увеличения длины линии связи. 

Компоненты токовой петли

В состав основных компонентов   токовой петли  входят   источник постоянного тока , первичный преобразователь, устройство сбора данных , и провода, соединяющие их в ряд, как показано на рисунке 2. Рис.2. Функциональная схема токовой петли.      Источник  постоянного тока обеспечивает питание системы.

Преобразователь регулирует ток  в проводах в диапазоне  от 4 до 20 мА, где 4 мА представляет собой «живой» ноль , а 20 мА представляет максимальный сигнал.0 mA (отсутствие тока ) означает разрыв в цепи. Устройство сбора данных измеряет величину  регулируемого тока.

Эффективным и точным методом измерения тока является установка  прецизионного резистора- шунта на входе  измерительного усилителя устройства сбора данных  (на рис.2) для преобразования тока в напряжение измерения, чтобы в конечном итоге  получить результат ,однозначно отражающий сигнал на выходе преобразователя.

  Чтобы помочь лучше понять принцип работы токовой петли , рассмотрим для примера конструкцию  системы с  преобразователем , имеющую  следующие технические характеристики : 

Преобразователь  используется для измерения давления

Преобразователь  расположен в 2000 футов  от устройства измерения
Ток ,измеряемый устройством сбора данных,  обеспечивает оператора  информацией о величине давления, приложенного к преобразователю   Рассмотрение примера начнем с подбора  подходящего преобразователя. 

Проектирование токовой системы

 

Выбор преобразователя

 Первым шаг в проектировании токовой системы  является выбор преобразователя. Независимо от типа  измеряемой величины  (расход, давление, температура, и т.д.) важным фактором в выборе преобразователя является  его  рабочее напряжение. Только  подключение   источника питания к  преобразователю позволяет  регулировать величину тока в линии связи. Значение напряжения источника питания должно находиться в допустимых пределах :   больше , чем минимально необходимое ,меньше , чем максимальное значение, которое  может привести к повреждению преобразователя. Для токовой системы, рассматриваемой в примере , выбранный  преобразователь измеряет давление и имеет рабочее напряжение от 12 до 30 В. Когда  преобразователь  выбран, требуется правильно  измерить  токовый  сигнал, чтобы обеспечить точное представление о  давлении, подаваемом  на датчик. 

Выбор устройства сбора данных для измерения тока

 Важным аспектом, на который следует обратить внимание  при построении токовой системы, является предотвращение появления токового  контура в цепи  заземления. Общим приемом   в таких случаях  является изоляция. Использовав изоляцию, вы можете избежать влияния  контура заземления ,  возникновение которого  поясняет рис.3.Рис.3. Контур заземления Заземляющие контуры образуются  при двух подключенных терминалов в цепи в разных местах потенциалов. Эта разница приводит к появлению дополнительного тока  в линии  связи, что может привести к появлению ошибок при измерениях.Под изоляцией устройства сбора данных понимается электрическое отделение земли источника сигнала от земли входного усилителя измерительного устройства, как показано на рисунке 4.Поскольку ток не может течь через барьер изоляции, точки заземления усилителя и  источника сигнала имеют один и тот же потенциал. Таким образом исключается возможность непреднамеренно создать контур заземления. Рис.4. Синфазное напряжение и напряжение сигнала в схеме с  изоляцией Изоляция также предотвращает от повреждения устройство сбора данных при наличии больших  синфазных напряжений. Синфазным называют напряжение одинаковой полярности ,которое присутствует на обоих входах инструментального усилителя. Например, на рис.4. и положительный (+) ,и отрицательный (-)  входы усилителя имеют  +14 V синфазного напряжения. Многие устройства сбора данных имеют максимальный входной диапазон ±10 В. Если устройство сбора данных не имеет изоляции и синфазное напряжение выходит за максимальный входной диапазон, вы можете повредить устройство. Хотя нормальное  (сигнальное )   напряжение на входе усилителя на рис.4  составляет только +2 В,  добавка  +14 в  может дать в результате  напряжение +16 В (Сигнальное  напряжение – это напряжение между « + »  и « –  »   усилителя,  рабочее напряжение есть  сумма нормального и  синфазного напряжения ),что представляет  опасный уровень напряжения для устройств сбора  с меньшим рабочим напряжением. При  изоляции общая точка усилителя  электрически отделена от  нуля заземления. В схеме на рисунке 4 потенциал в общей точке усилителя «приподнят»  на уровень  +14 V. Такой прием приводит к тому, величина входного напряжения падает с 16 до 2 В.Теперь сбора данных, устройства больше не на риск перенапряжения ущерб. (Обратите внимание, что изоляторы имеют максимальную синфазного напряжения они могут отвергнуть.) После того как устройство сбора данных изолировано  и защищено, последним шагом  при комплектовании токовой петли является выбор соответствующего источника  питания . 

Выбор источника питания

 Определить, какой источник  питания наилучшим образом отвечает вашим требованиям, весьма просто. При работе в токовой петле , блок питания должен выдавать напряжение, равное или большее, чем сумма падений  напряжений на всех элементах системы. Устройство сбора данных в нашем  примере  использует прецизионной  шунт для измерения тока.Необходимо рассчитать падение напряжения на этом  резисторе. Типовой   шунтирующий резистор имеет сопротивление  249 Ω. Основные расчеты при диапазоне тока в токовой петле   4 .. 20 мА показывают следующее: 

I*R=U0,004A*249Ω= 0,996 V

0,02A*249Ω= 4,98 V

 С  шунта сопротивлением 249 Ω мы можем снять напряжение  в диапазоне от 1 до 5 В, увязав величину напряжения на входе устройства сбора данных   с величиной  выходного  сигнала преобразователя давления.Как уже упоминалось ,преобразователь  давления требует минимального рабочего напряжения 12 В при максимальным 30 В. Добавив  падение напряжения на прецизионном шунтирующем резисторе  к рабочему напряжению преобразователя , получаем следующее:

12 В+ 5 В=17 В     

  На первый взгляд , хватит напряжения 17В.Необходимо ,однако, учесть дополнительную нагрузку на блок питания , которую создают   провода , имеющее электрическое сопротивление. В случаях , когда  датчик находится далеко от измерительных приборов, вы должны  учитывать  фактор сопротивления  проводов при расчетах токовой петли. Медные провода имеют сопротивление постоянному  току, , которое прямо пропорционально их длине. С датчиком давления из рассматриваемого примера  вам необходимо учесть 2000 футов длины линии связи  при определении рабочего напряжения источника питания.  Погонное сопротивление одножильного медного кабеля 2.62 Ω/100 футов . Учет этого сопротивления дает следующее : Сопротивление одной жилы длиной 2000 футов составит 2000*2,62/100= 52,4 м.Падение напряжения на одной жиле составит0,02* 52,4=  1,048 В.Чтобы замкнуть цепь ,необходимы два провода ,тогда  длина  линии связи удваивается , иполное падение напряжения составит 2,096 В. В итоге около 2.1 В благодаря тому ,что расстояние от преобразователя до вторичного прибора составляет 2000 футов. Просуммировав падения напряжения на всех элементах контура , получим :     2,096 В +  12 В+ 5 В=19,096  В  Если вы использовали 17 V для питания рассматриваемой схемы , то напряжение, подаваемое на преобразователь давления   будет ниже минимального  рабочего напряжения  за счет падения на сопротивлении   проводов  и шунтирующем резисторе  . Выбор типового   источник питания 24 В  удовлетворит требованиям по питанию для преобразователя. Дополнительно имеется запас  напряжения для того, чтобы разместить датчик давления на большем расстоянии. С выбором  правильно подобранных преобразователя , устройства  сбора данных, длины  кабелей и источника питания разработка простой токовой петли  завершена. Для  более сложных  приложений  вы можете включить дополнительные каналы  измерений в систему. 

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector