Наиболее популярной формой передачи сигналов, используемой в современных промышленных контрольно-измерительных системах, является стандарт постоянного тока 4-20 мА. Это стандарт аналогового сигнала, означающий, что электрический ток используется для пропорционального представления измерений или командных сигналов.
Как правило, значение тока 4 мА представляет 0% от шкалы, значение тока 20 мА представляет 100% от шкалы, а любое значение тока от 4 до 20 мА представляет собой соразмерный процент от 0% до 100%.
В следующей таблице приведены соответствующие значения тока и процента для каждого приращения 25% между 0% и 100%. Каждый специалист, которому поручено обслуживать приборы с сигналом 4-20 мА, фиксирует эти значения в памяти, а именно:
Например, если бы мы откалибровали датчик температуры 4-20 мА для диапазона измерений от 50 до 300 ºС, мы могли бы связать текущие и измеренные значения температуры на графике, подобном этому:
Это мало чем отличается от стандарта пневматического сигнала 20-100 кПа, где изменяющийся сигнал давления воздуха пропорционально представляет некоторую переменную процесса.
Стандарты сигналов 4-20 мА и 20-100 кПа называются «живым» нулем, потому что их диапазоны начинаются с ненулевого значения. «Живой» ноль обеспечивает простое средство диагностики значения сигнала 0% и неисправного сигнала (например, пробитая пневмотрубка или поврежденный кабель).
Важной концепцией всех аналоговых приборов является то, что приборы, посылающие и принимающие аналоговые сигналы, должны быть совместимы друг с другом, чтобы правильно представлять желаемую переменную.
Рассмотрим систему измерения температуры, состоящую из термопары, трансмиттера температуры, резистора 250 Ом (для преобразования аналогового сигнала 4-20 мА в аналоговый сигнал 1-5 вольт) и специального вольтметра, функционирующего в качестве индикатора температуры:
Аналоговые сигналы от 4 до 20 мА
Обратите внимание, что выходной диапазон каждого передающего устройства соответствует входному диапазону соответствующего приемного устройства. Если мы рассмотрим эту систему как путь для потока информации от наконечника термопары к передатчику, резистору и, наконец, к вольтметру/индикатору, мы увидим, что диапазон аналогового выхода каждого устройства должен соответствовать диапазону аналогового входа следующего устройства, иначе реальный смысл аналоговый сигнал будет потерян.
Это соответствие не происходит автоматически и должно быть установлено и подобрано инженером, создающим систему. В этом случае инженер несет ответственность за правильную настройку диапазона датчика температуры, а также за правильную маркировку шкалы индикатора.
Термопара и резистор являются нерегулируемыми устройствами, их входные/выходные характеристики фиксируются физическими законами.
Сигналы постоянного тока 4-20 мА также используются в системах управления для управления позиционированием конечного элемента управления, такого как регулирующий клапан.
В таком случае значение мА непосредственно не представляет собой измерение процесса, а скорее степень влияния конечного элемента управления на процесс.
Как правило 4 мА управляет закрытием клапана, в то время как 20 мА управляет открытием клапана.
Конечные элементы управления часто оснащены регулируемыми диапазонами, так чтобы можно было обеспечить точное соответствие между аналоговым сигналом 4-20 мА и желаемым управляющим действием в диапазоне от 0% до 100%.
Таким образом, большинство промышленных систем управления используют по крайней мере два различных «по назначению» сигнала 4-20 мА: один для представления величины измеряемого параметра и один для передачи управляющего сигнала конечному устройству управления.
Взаимосвязь между этими двумя сигналами полностью зависит от отклика контроллера и управляющей программы.