Токовая петля 4-20 mA. Подключение, применение.

Стандартный сигнал постоянного тока 4..20mA - один из наиболее распространенных способов подключения измерительных преобразователей и выдачи управляющих воздействий на регуляторы и исполнительные устройства в измерительной технике и промышленной автоматизации. Величина аналогового сигнала передаётся в виде постоянного тока в диапазоне от 4mA (минимальное значение сигнала) до 20мА (максимальное значение сигнала).

Наличие начального тока позволяет питать внутреннюю схему измерительного преобразователя по сигнальной линии при 2-х проводном подключении. Если 4mA недостаточно - применяют трехпроводную схему подключения, с отдельным проводом питания.

Дополнительное преимущество в наличии минимального тока - простой контроль целостности линии. Некоторые типы датчиков используют значение тока выше максимальных 20mA (обычно 22mA) для сигнализации о ненормальном режиме работы – например, отсутствие отраженного сигнала для ультразвуковых датчиков. Благодаря низкому входному сопротивлению приемника сигнала токовая петля характеризуется высокой степенью помехозащищенности. Причем двухпроводная схема обеспечивает большую помехоустойчивость ввиду симметричности линии. Для получения максимальной защиты от помех для передачи сигнала следует применять экранированную витую пару. Экран следует заземлять только с одной стороны линии, как правило - со стороны приемника.

В зависимости от используемого приемника сигнала возможны различные реализации двухпроводной схемы включения. Наиболее общая схема изображена на рисунке. Токоизмерительный шунт изображен встроенным в приемник, но достаточно много приборов требуют установки внешнего резистора. Внутренний шунт упрощает электрический монтаж, а внешний шунт безопаснее при коротком замыкании в линии - замена внешнего шунта несоизмеримо проще и дешевле ремонта вышедшего из строя прибора. Величина сопротивления шунта индивидуальна для каждого прибора и варьируется в широких пределах. Так приборы фирмы ОВЕН рассчитаны на установку внешнего резистора 50 Ом или 100 Ом, а приборы Autonics имеют встроенное сопротивление 500 Ом.

Изображенное на схеме балластное сопротивление является опциональным и призвано ограничить ток приемника при коротком замыкании в линии. Также этот резистор позволяет, при необходимости, понизить напряжение на датчике при минимальном токе.

Номинальный ток источника питания должен быть рассчитан исходя из расчета 24mA на каждый датчик. Напряжение источника питания Uип выбирают исходя из паспортных данных Umin и Umax применяемого датчика. Должны соблюдаться условия Rц*24mA+Umin <= Uип <= Rц*4mA+Umax. Где Rц=Rл+Rш+Rб - суммарное сопротивление токовой петли, состоящее из сопротивления линии, токоизмерительного и балластного сопротивлений. Типичный диапазон напряжений питания датчика 12В - 30В, а наиболее часто применяемое напряжение источника питания - 24В.

Более удобны в применении приборы с активным аналоговым входом. Такие приемники имеют встроенные источник питания и токоизмерительный шунт. Поскольку встроенный источник питания, как правило, имеет функцию ограничения тока при коротком замыкании, то отпадает необходимость устанавливать балластный резистор.