نحوه کار ترانسمیتر 4-20 میلی آمپر

یک سنسور تجهیز ورودی است. که یک خروجی قابل استفاده را در پاسخ به ورودی اندازه گیری شده تهیه می کند. یک سنسور (حسگر) را عموما با عنوان عنصر حسگر، سنسور ابتدایی و یا آشکارساز(detector) اولیه نیز می شناسند. کمیت مورد اندازه گیری یک پارامتر فیزیکی است که اندازه گیری می شود.

یک ترانسدیوسر ورودی، خروجی الکتریکی تولید می کند که بیانگر کمیت ورودی تحت اندازه گیری است. این خروجی پردازش و آماده سازی می شود تا توسط تجهیزات الکترونیکی دریافت کننده نظیر PLC یا DCS مورد استفاده قرار گیرد.

دریافت کننده های الکترونیکی می توانند یک نشانگر، کنترل کننده، کامپیوتر، PLC ، DCS و غیره باشند. واژه ترانسمیتر (transmitter) عموما در ابزار دقیق کنترل فرآیندهای صنعتی استفاده می شود، تعریف باریکتری از سنسور و ترانسدیوسر دارند.

ترانسمیتر 4-20 میلی آمپر

ترانسمترها می توانند ترکیبات متعددی از اتصالات الکتریکی را داشته باشند. متداول ترین و آسان ترین آنها استفاده از پیکر بندی دو-سیمه (loop-powered) است. این پیکربندی عموما برای سیستمهای کنترل فرآیند در هنگامی که ارتباط دیجیتال نیاز نیست، کاربرد دارد.همان گونه که در شکل زیر نشان داده شده است، تنها دو سیم برای تامین تغذیه به ترانسمیتر و دریافت سیگنال خروجی از ترانسمیتر استفاده می شود.

 جهت اجرای یک سیستم کنترل حلقه بسته، بایستی اطلاعات لازم از فرآیند تامین شود. پیش از اینکه کنترل کننده تعیین کند چه اقدامی ممکن است توسط اجزای کنترل نیاز باشد. برخی از نامهای متداول برای تجهیزات حسگر که اطلاعات را فراهم می کنند سنسورها، ترانسدیوسرها و ترانسمیترها هستند.

جریان حلقه استاندارد معمولا 4 تا 20 میلی آمپر است. پارامترهای کالیبراسیون در یک حلقه جریان شامل: صفر، مقیاس کامل و محدوده است. با رنج 4 تا 20 میلی آمپر، جریان حلقه معمولا مقدار 4 میلی آمپر در هنگامی اندازه گیری متغیرهای فرآیند یا کمیت مورد انداز ه گیری صفر است و 20 میلی آمپر هنگامی که کمیت مورد انداز ه گیری یا متغیر فرآیند در مقدار کامل خود است. اختلاف بین صفر و مقیاس کامل، یعنی 16 میلی آمپر، محدوده (span) نامیده می شود. بدین ترتیب، محدوده مطابق با دامنه نشانگر کمیت مورد اندازه گیری یا متغیر فرآیند است.

یک ترانسمیتر جریان سیال را در نظر بگیرید. برای مثال، محدوده تغییر کمیت اندازه گیری یا متغیر فرآیند 0.0 تا 100 مترمکعب بر ساعت است. متناظر با جریان حلقه 4 تا 20 میلی آمپر (محدوده تغییر جریان خروجی آنگاه 16 میلی آمپر می شود). ضریب مقیاس خروجی 0.16 mA/(m3/hr) است. که از تقسیم 100 (متر مکعب بر ساعت)  بر 16mA بدست آمده است.

کارکرد ترانسمیتر 4-20 میلی آمپر

فرضیات: تغذیه استاندارد 24Vdc+ با جریان 20mA

به طور معمول کانال کارت ورودی آنالوگ PLC / DCS بیشتر از 20mA جریان را برای تغذیه حلقه تامین می کند.

حالت 1: متغیر فرآیند در 0%

یک کابل یک جفت برای تغذیه ترانسمیتر و همان کابل برای دریافت اطلاعات در دامنه جریان 4-20 میلی آمپر استفاده می شود.

ترانسمیتر +24V DC و بیش از 20mA سیگنال را در حلقه دریافت می کند. یک حداقل سیگنال +5V DC, 20mA برای کارکرد صحیح ترانسمیتر مورد نیاز است. در عمل مقداری افت ولتاژ در حلقه خواهیم داشت.

ترانسمیتر یک رگولاتور ولتاژ در داخل خود دارد که برای تنظیم کردن جریان حلقه استفاده می شود. ترانسمیتر با LRV، URV و بقیه متغیرهای فرآیند پیکربندی خواهند شد. جریان حلقه با هر تغییر در متغیر فرآیند اندازه گیری شده، تغییر خواهد کرد.

جریان 4-20 میلی آمپر با استفاده از یک مقاومت دقیق 250 اهمی به ولتاژ استاندارد 1 – 5 V DC تبدیل خواهد شد. یک مبدل آنالوگ به دیجیتال برای تبدیل ولتاژ به سیگنال دیجیتال استفاده می شود. که برای نشان دادن مقدار متغیرهای فرآیند در DCS / PLC HMI استفاده می شوند.

مثال: یک ترانسمیتر جریان سیال با محدوده اندازه گیری 0 تا 100 (مترمکعبساعت) می باشد. ترانسمیتر در حالیکه هیچ جریان سیالی در خط وجود ندارد 0 (مترمکعبساعت) را نشان می دهد. DCS / PLC ترانسمیتر را با +24V DC, 20mA تغذیه می کنند. چونکه متغیر فرآیند 0  (مترمکعبساعت) است، ترانسمیتر جریان حلقه را در 4mA تنظیم می کند که ولتاژ معادل آن که اندازه گیری می شود 1VDC  است. و با مبدل آنالوگ به دیجیتال تبدیل می شود که بیانگر 0% از متغیر فرآیند است.

توجه: جریان حلقه در هر نقطه از شروع یا انتهای حلقه ثابت خواهد بود. فقط برای درک آسان تر، هر دوی سیگنالهای 20mA & 4mA در انیمیشن فوق نشان داده شده اند.

در عمل، هنگامی که ما جریان را در هر نقطه از حلقه اندازه گیری کنیم، جریان خروجی ترانسمیتر را مشاهده می کنیم. مثلا 4 میلی آمپر مطابق شکل بالا، از اینرو فقط باید برای سیستم DCS/PLC منظور کنید که حلقه را با 24V DC, 20mA تغذیه کنند. (معمولا این سیستم ها بیشتر از 20mA را نیز تامین می کنند) در حالیکه ترانسمیتر جریان حلقه را در محدوده 4mA تا 20mA مطابق پیکربندی و مقدار بلادرنگ (real time) متغیر فرآیند، تنظیم می کند.

اگر شما می خواهید که سیگنال تغذیه حلقه PLC/DCS را اندازه گیری کنید. مثلا 20mA (هماند شکل فوق) ترانسمیتر را حلقه جدا کرده و مولتی متر را بصورت سری با PLC/DCS به منظور اندازه گیری جریان حلقه متصل کنید. و کابل یک زوج یک کابل زوج تابیده شده است.

حالت 2 : متغیر فرآیند در 50%

همان اصول اعمال می شود. ترانسمیتر جریان حلقه را مطابق با تغییرات متغیر فرآیند تنظیم می کند.

تنها تفاوت تغییر در خروجی عنصر حسگر ترانسمیتر است که متغیر فرآیند در آن از 0% به 50% تغییر کرده است. ترانسمیتر جریان حلقه را بر اساس عنصر حسگر خود تنظیم می کند.

مثال: متغیر فرآیند در 50 m3/hr قرار دارد. ترانسمیتر خروجی را میزان 12mA در حلقه تنظیم می کند. مطابق با پیکربندی و متغیر فرآیند تحت اندازه گیری ولتاژ معادل آن 3 V DC است که که با استفاده از مبدل A/D اندازه گیری می شود و بیانگر 50% از کل جریان سیال فرآیند است.

حالت 3: متغیر فرآیند در 100%

همان روند را در اینجا هم اعمال می کنیم. ترانسمیتر مقدار جریان را بر اساس متغیر فرآیند تحت اندازه گیری، تنظیم می کند.

تنها تفاوت در عنصر حسگر ترانسمیتر است که متغیر فرآیند در آن از 50%به 100% تغییر یافته است. ترانسمیتر جریان حلقه را مطابق عنصر حسگر تنظیم می کند.

مثال: متغیر فرآیند در100 m3/hr قرار دارد. ترانسمیتر خروجی را به میزان 20mA در حلقه تنظیم می کند. مطابق با پیکربندی و متغییر فرآیند تحت اندازه گیری ولتاژ معادل آن 5 V DC است که که با استفاده از مبدل A/D اندازه گیری می شود و بیانگر 100% از کل جریان سیال فرآیند است.

متغیر فرآیند یا مقدار اندازه گیری شده

اگر چه تقریبا هر نوع ترانسدیوسر می تواند بعنوان ترانسمیتر پیکربندی گردد. رایج ترین نوع های کنترل فرآیند صنعتی شامل کمیت های مورد اندازه گیری یا متغیرهای فرآیند نظیر دما، فشار، جریان سیال، سطح و غیره هستند.

ترانسمیترها برای اندازه گیری بقیه پارامترها نیز روشی مشابه در اتصال و ارتباط را دارند. تفاوت اصلی آنها طراحی عنصر حسگر ترانسمیتر خواهد بود تجهیزات الکترونیک مشابه بوده و فقط در نرم افزار آن تغییرات جزیی خواهیم داشت.

حلقه های دو سیمه

مزیت اصلی حلقه دو سیمه حداقل کردن تعداد سیمهای مورد نیاز برای راه اندازی تغذیه و سیگنال است. استفاده از حلقه جریان همچنین این مزیت را دارد که میزان حساسیت را نسبت به نویز الکتریکی و اثرات بارگذاری کاهش می دهد.

نویز الکتریکی بدلیل اینکه دو سیم بصورت زوج بهم تابیده هستند، کاهش می یابد. مطمئن شوید که هر کدام از دو سیم مسیر مشابهی برای دریافت انرژی از منبع نویز داشته باشند، منابع نویز نظیر میدانهای الکترومغناطیس ناشی از تغییر جریان در مجاورت سیمها یا موتور الکتریکی هستند. از آنجاییکه تجهیز الکترونیکی دریافت کننده متصل به ترانسمیتر به گونه ای طراحی شده است که سیگنالهای مد مشترک را در نظر نگیرد نویز الکتریکی مد مشترک ایجاد شده رد می شود.

حساسیت ناشی از اثرات بارگذاری نیز کاهش می یابد بدین دلیل که جریان در زوج بهم بافته تحت تاثیر افزایش مقاومت در کابل بلند مورد استفاده قرار نمی گیرد. کابل بلند یا بقیه مقاومت های سری باعث افت ولتاژ بیشتر خواهد شد اما بر سطح جریان تاثیر نخواهد گذاشت چون برای تطبیق جریان برای تغذیه جریان سیگنال به مقدار کافی ولتاژ ذخیره اضافی وجود دارد.

 انطباق مدار برای جبران افت ولتاژ مفروض از تجهیزات حلقه اضافی بستگی به مدار خروجی ترانسمیتر و ولتاژ منبع تغذیه دارد. منبع تغذیه معمول برای ترانسمیترهای صنعتی +24 VDC است. اگر 6 ولت برای مثال، برای تغذیه ترانسمیتر و توان خروجی نیاز باشد آنگاه 18 ولت باقیمانده برای تطبیق و نگهداشتن افت ناشی از مقاومت سیم، مقاومت بار، افت ولتاژ دو سر ایمنی ذاتی (intrinsic safety) ، حائلها و نمایشگرهای دور از محل و غیره وجود دارد.

جاییکه سیگنال حلقه کنترل به تجهیزات اصلی دریافت کننده نظیر (PLC/DCS) یا سیستم جمع آوری داده متصل می شود، معمولا یک مقاومت بار دقیق با مقدار 250 اهم متصل می شود. این مقاومت جریان 4 تا 20 میلی آمپر را به سیگنال 1 تا 5 ولت تبدیل می کند. چونکه در عمل و بصورت استاندارد مبدل دیجیتال به آنالوگ تجهیزات دریافت کننده نظیر (PLC/DCS) برای دریافت و حس کردن ولتاژ ورودی پیکربندی شده است.

 

برای مشاهده خدمات موسسه موتور درایو در زمینه اجرای پروژه اتوماسیون صنعتی بر روی بنر زیر کلیک کنید.

حلقه های سه و چهار سیمه

در مقابل پیکربندی حلقه جریان دو سیمه، برخی تجهیزات حلقه جریان به اتصالات سه یا چهار سیمه نیاز دارند. آنها تغذیه را از طریق حلقه یکسان با سیگنال انجام نمی دهند لذا به مسیری جداگانه برای تامین تغذیه با افزودن یک یا دو سیم بیشتر نیاز دارند.

در یک پیکر بندی چهار سیمه، سیمهای حلقه-جریان می توانند یک زوج بهم بافته باشند و سیمهای منبع تغذیه یک زوج بهم بافته جداگانه باشند. این کار باعث نگهداشت توانایی برای رد کردن تداخل مد مشترک مغناطیسی و الکتریکی می شود. این برای پیکر بندی سه سیمه خیلی موثر نیست. چونکه برای مسیر برگشت جریان یک اتصال مشترک دارند.

نوعا، هر چند، هنگامی که یک مهندس ابزار دقیق یک ترانسمیتر حلقه جریان را برای کنترل فرآیند صنعتی تعیین می کند. فرض بر این است تجهیز 4 تا 20 میلی آمپر دو سیمه با تغذیه جداگانه منظور بوده است. بقیه سیگنالهای اطلاعات نیز ممکن است بر روی همان جفت سیم قرار گیرد. یا متناوبا، در صورت نیاز تکنیکهای ارتباطات دیجیتال متنوعی می تواند به جای حلقه جریان استفاده شود.

 

 

 مرجع

How a 4-20mA Transmitter Works - www.instrumentationtools.com

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

پیشنهاد موتور درایو برای یادگیری مباحث مربوط به ابزار دقیق مطالعه مقالات زیر است

1- سنسور القایی چیست؟ انواع و کاربردهای مختلف

2- گیج فشار ایندومارت INDUMART

3- ترمومتر ایندومارت INDUMART

4- نحوه کار گیج فشار

5- نحوه کار ترانسمیتر 4-20 میلی آمپر

6- اصول کار ترموستات

7- سیم بندی ترانسمیتر

8- دلیل استفاده از سیگنال جریان 4-20 mA به جای سیگنال ولتاژ

9- تفاوت بین دقت، تلرانس، عدم قطعیت و خطا

10- معنی اطلاعات روی صفحه گیج فشار

11- چرا دقت اندازه گیری RTD چهار سیمه از بقیه بیشتر است؟

12- لوله مویین چیست؟ مزیت ها و معایب

13- تفاوت ترانسمیتر و ترانسدیوسر چیست؟

14- دماسنج بی متال (ترمومتر)

15- ترموول چیست؟

16- مقایسه RTD و ترموکوپل : کدام یک برای نیاز شما مناسب تر است؟