Широкое распространение токового унифицированного сигнала 4…20 мА объясняется следующими причинами:
- На передачу токовых сигналов не оказывает влияние сопротивление соединительных проводов, поэтому требования к диаметру и длине соединительных проводов (а значит, и к стоимости) снижаются.
- Токовый сигнал работает на низкоомную (по сравнению с сопротивлением источника сигнала) нагрузку, поэтому наведенные электромагнитные помехи в токовых цепях малы по сравнению с аналогичными цепями, в которых используются сигналы напряжения.
- Обрыв линии передачи токового сигнала 4…20 мА однозначно и легко определяется измерительными системами по нулевому уровню тока в цепи (в нормальных условиях он должен быть не меньше 4 мА).
- Токовый сигнал 4…20 мА позволяет не только передавать полезный информационный сигнал, но и обеспечивать электропитание современных электронных устройств (нормирующих измерительных преобразователей, барьеров искрозащиты и др).
В современной промышленности применяется огромное разнообразие первичных датчиков физических величин, каждый из которых имеет свой выходной сигнал.
Чтобы избежать такого же разнообразия вторичных измерительных и регулирующих приборов, датчики оснащаются специальными устройствами - нормирующими измерительными преобразователями.
Основная задача нормирующих преобразователей состоит в том, чтобы преобразовать различные сигналы первичных преобразователей (термопар, термопреобразователей сопротивления, влажности, давления, веса, рН и проч.) в унифицированные аналоговые сигналы постоянного тока или сигналы напряжения.
Сигналы первичных преобразователей, как правило, очень малы. Например, сигналы термопар обычно меньше 50 мВ.
В промышленных условиях сильные электромагнитные помехи могут создавать паразитные сигналы, в сотни и тысячи раз превышающие полезные. Сильные токовые сигналы уровня 4...20 мА работают в низкоомных цепях, которые меньше подвержены такому влиянию.
Для передачи токовых сигналов можно использовать соединительные провода, более дешевые по сравнению, например, с компенсационными. Требования к величине их сопротивления также могут быть снижены. При работе с токовым сигналом 4...20 мА легко обнаружить обрыв линии связи – ток будет равен нулю (т.е. выходить за пределы диапазона).
Обрыв в цепи с сигналом 0...5 мА обнаружить нельзя, так как ток, равный нулю, считается допустимым. Для обнаружения обрыва в цепях с унифицированными сигналами напряжения (0...1В или 0...10 В) приходится применять специальные схемотехнические решения, на пример, «подтяжку» более высоким напряжением через высокоомный резистор.
Поясним сказанное. Нормирующий преобразователь, который формирует токовый сигнал 4...20 мА, является так называемым генератором тока – источником стабильного тока с очень большим выходным сопротивлением: r>>Rш, Rпр, где r – дифференциальное выходное сопротивления нормирующего преобразователя, Rш, Rпр – соответственно сопротивления шунта в измерительном приборе и соединительных проводов.
Следует учитывать, что в приборах, рассчитанных на работу со стандартизированными унифицированными аналоговыми сигналами тока и напряжения, измеряемый ток должен втекать в прибор, а измеряемое напряжение должно быть положительным относительно общей точки.
В многоканальных приборах все входы имеют одну общую точку, поэтому неизолированы друг от друга. При работе с токовыми сигналами могут использоваться как внешние так и встроенные шунты.
Поскольку величина тока I не зависит от сопротивления нагрузки, а Vизм = I • Rш, то сопротивление проводов не влияет на результат измерения. Для оценки можно принять, что дополнительная относительная погрешность, связанная с влиянием сопротивления нагрузки (Rпр + Rш), равна
δ= (Rпр + Rш)/ (r + Rпр + Rш) = (Rпр + Rш)/ r.
Для характерных значений r=1 МОм, Rпр=500 Ом, Rш=50 Ом, имеем δ<0,06%.
С другой стороны, в такой высокоомной цепи источник электромагнитных помех Eэм не в состоянии создать сколько-нибудь заметное по сравнению с полезным сигналом Vизм напряжение на низкоомном шунте Rш. Напряжение помехи, измеренное прибором, будет равно:
Vп = Eэм • (Rш / r).
При Eэм = 1 В, напряжение помехи будет составлять Vп = 50 мкВ. Полезный сигнал при I = 20 мА имеет величину 1В. Таким образом, отношение помехи к полезному сигналу имеет порядок 10 -4, а величина (r/Rш) показывает степень подавления электромагнитных помех.
Нетрудно показать, что при работе с сигналами напряжения сигнал помехи Vп практически равен Eэм. Это демонстрирует преимущество токовых сигналов при работе в условиях сильных электромагнитных помех по сравнению с сигналами напряжения.
Прочитать про другие типы унифицированных аналоговых сигналов можно в нашей статье