Bilans napięć - minimalne wymagane napięcie zasilania pętli 4...20 mA

Dobierając urządzenia w obwodzie 4...20mA należy zwrócić uwagę na napięcie jakie jest do dyspozycji w danej pętli prądowej. Zasada jest prosta i wynika z prawa Ohma. Należy pomnożyć maksymalny prąd płynący w obwodzie (20mA) pomnożony przez sumę wszystkich rezystancji w obwodzie. Do tego wyniku dodać inne spadki napięć w pętli. Ta suma ma być mniejszy niż dostępne napięcie zasilania pętli prądowej.

Czujniki i przetworniki dwuprzewodowe 4...20 mA (czyli mające wyjście pasywne, wymagają zasilania pętli prądowej z zewnątrz) najczęściej mają podany zakres dopuszczalnego napięcia pętli prądowej. Wartość minimalna określa napięcie potrzebne do poprawnej pracy przy maksymalnym prądzie 20 mA. Wartość maksymalna określa napięcie jakiego nie należy przekraczać ze względu na możliwość uszkodzenia urządzenia.

Przykład:

Na obiekcie zainstalowany jest przetwornik ciśnienia typu PC-28 SAFETY firmy Aplisens w wykonaniu Ex. Według karty katalogowej ma on wyjście prądowe dwuprzewodowe (czyli pasywne) 4...20 mA i wymaga napięcia pętli prądowej z zakresu 12...28Vdc. Włączenie podświetlania wyświetlacza powoduje dodatkowy spadek napięcia 3V.

Oznacza to, że potrzebne jest napięcie >15Vdc (12V+3V) aby przetwornik działał prawidłowo w pełnym zakresie swoich możliwości. Aby poprawnie zmierzyć ten sygnał wejście separatora powinno być aktywne (wystawiać zasilanie pętli prądowej) i zapewniać przynajmniej 15Vdc przy 20mA (najtrudniejsze warunki). 

W tym przypadku należy zastosować separator typu S2Ex-Z w wykonaniu S2Ex-Z-22/92 (wybór tego wykonania spowodowany jest wymaganiami ATEX, które nie są omawiane w tym artykule). Wg karty katalogowej to wykonanie zapewnia napięcie pętli prądowej wynoszące przynajmniej 19,7 Vdc przy prądzie 20mA, więc wymagane  minimalne napięcie pętli prądowej 4...20 mA jest spełnione.

Wyjścia aktywne 4...20 mA są źródłami napięcia zasilania pętli prądowej. Najczęściej nie podaje się jednak wartości napięcia jakie jest do dyspozycji dla innych urządzeń wpiętych szeregowo w pętlę prądową. Informacja ta podana jest jako obciążalność wyrażona w jednostkach rezystancji max Robc [Ohm]/[Ω]. Można to przeliczyć na  dostępne napięcie mnożąc Robc przez Imax = 20mA.

Przykład:

Przetwornik temperatury typu TP-S2 w wykonaniu TP-S2-R (wejście np. czujnik temperatury Pt100; wyjście aktywne 4...20mA) ma w karcie katalogowej podaną obciążalność wyjścia jako 0...550Ω. Oznacza to, że do tego wyjścia można podłączyć maksymalnie sumę rezystancji w pętli wynoszącą 550Ω (wystawia napięcie pętli 550Ω ⋅ 20mA = 11Vdc). Większa wartość rezystancji spowoduje niepoprawną prace przy górnym zakresie prądu.

Mając taką informację należy sprawdzić jaka jest rezystancja wejściowa urządzenia, na które chcemy wprowadzić ten aktywny sygnał prądowy 4...20mA. Typowo rezystancja wejściowa (np. w sterowniku PLC) nie przekracza 250Ω.

Pozostał zapas 550Ω-250Ω=300Ω, więc można jeszcze np. podłączyć szeregowo wskaźnik typu ML1-PROG, który zaprezentuje na swoim wyświetlaczu wartość mierzonej temperatury (temperatura czujnika Pt100 została przetworzona na prąd 4...20mA płynący przez wejście ML1-PROG). W swojej karcie katalogowej podany spadek napięcia na wejściu wynosi 4,5V co odpowiada rezystancji 4,5V / 20mA = 225Ω, czyli bilans rezystancji wciąż jest w dopuszczalnym zakresie.

Pozostał zapas 550Ω-250Ω-225Ω=75Ω, można się więc pokusić o włączenie w szereg jeszcze wejścia konwertera S2-MOD (ponieważ jest rezystancja wejścia prądowego wynosi 50Ω) co umożliwi odczytanie mierzonej temperatury za pomocą transmisji RS485 Modbus.

3. Sygnał 4...20 mA z transmisją protokołem HART

Ostatnie na co należy zwrócić uwagę przy dobieraniu separatora sygnału 4...20 mA to czy w pętli prądowej używany będzie protokół transmisji HART. 

Transmisja HART (Highway Addressable Remote Transducer) to protokół komunikacyjny używany w automatyce przemysłowej, który umożliwia dwukierunkową komunikację między urządzeniami pomiarowymi a systemami sterującymi. Protokół HART łączy w sobie zarówno sygnał analogowy 4...20 mA, jak i cyfrowy, co pozwala na przesyłanie dodatkowych informacji diagnostycznych i konfiguracyjnych bez zakłócania podstawowego sygnału pomiarowego.

Jeśli tak, to separator powinien mieć w swoim opisie wyraźnie napisane, że jest transparentny dla protokołu HART lub że obsługuje sygnał 4...20mA + HART.

Separatory 4...20 mA + HART produkcji LABOR-ASTER można zobaczyć tutaj:

a) wykonanie nie-Ex

Link: Separatory analogowe nie Ex z transmisją HART

b) wykonanie Ex

Link: Separatory analogowe Ex z transmisją HART