Подключение датчика 4 20 через блок питания
Иногда возникает необходимость убедиться в адекватности показаний токового датчика и определить, исправен ли токовый вход или датчик. Это можно сделать при помощи обычного амперметра или мультиметра.
Я покажу на примере датчика температуры, но это не имеет значение. Таким методом можно проверить любую токовую петлю, с любым датчиком или расходомером.
В этой статье не будет схем и описания различных способов подключения токовых датчиков, так как на эту тему есть тоже отдельная статья «Подключение токового датчика 4–20 мА «Токовая петля». Подробное описание для новичков».
В общем, берём самый обычный мультиметр и переставляем красный щуп в положение мА, а переключатель в положение измерения постоянного тока. Я установил предел измерений до 200 мА. Как на следующем фото.
В качестве примера я подключил разноцветными проводами токовый датчик температуры не через специальный фитинг, а сверху прямо к гайкам для наглядности.
Для того, чтобы замерить ток в цепи токовой петли нужно просто разорвать эту цепь и включить последовательно в неё наш мультиметор. Цепь может быть разорвана абсолютно в любом месте. В этом примере мы просто отключим жёлтый провод датчика от клеммы «5» входа 4 – 20 мА.
После этого берём два обычных клеммника ваго и цепляем их на щупы мультиметра.
Далее в один из клеммников зажимаем жёлтый провод. Который был отключен от токового входа. Полярность соблюдать необязательно. При неправильной полярности показания будут абсолютно аналогичными, но со знаком «-».
На второй щуп с клеммником зажимаем любой кусочек провода. В моём случае белого цвета.
Теперь осталось последнее действие это подключить второй конец белого провода к измерительному прибору. Именно туда, откуда был отключен жёлтый провод. То есть на вход 4 – 20 мА клемма «5» в нашем случае.
На следующем фото видно всю схему.
Далее включаем мультиметр и подаём питание на всю цепь.
Как видно мультиметр показывает 6,2 мА, а измеритель 25 градусов. Но что это значит? Верны ли показания измерителя при этом токе? С этим разобраться нам поможет любое приложение для КИП на смартфоне. Я использую на ios приложение «Instrumentation and Automation », но есть другие и все они работают примерно одинаково. Это приложение уже было подробно описано в статье «Проверка токового входа 4–20 мА. Прибором ГСТП – 04». Можете ознакомиться с ним более подробно.
В общем, открываем приложение, заходим в раздел «шкала-сигнал» и устанавливаем пределы нашего датчика. Его приделы измерения 0-180 градусов. Далее указываем либо ток, либо показания, которые выдаёт измеритель. Давайте поставим 25 градусов, и приложение нам показывает, что показания амперметра должны быть 6,2222 мА. Округлим до 6,2 мА.
На предыдущем фото мы это и наблюдали на нашем мультеметре. Значит измеритель выдаёт верные показания.
Нагреем феном наш датчик.
На следующем фото видно, что при изменении температуры меняется и ток.
Введём теперь в приложение 53 градуса.
Как видим на мультиметре должно быть 8,7 мА. Наш мультиметр показывает 8,6 мА, но эту погрешность в одну десятую в нашем случае можно не учитывать, так как температура от фена не статичная, а изменяется в зависимости от расстояния фена до датчика, а измеритель имеет фильтр от резких изменений и округляет резкоизменяющиеся показания.
Из этого можно сделать вывод, что токовый вход прибора исправен и измеритель выдаёт верные показания. Ну а в показаниях датчика можно убедиться, поместив его в место с определённой температурой или совместно с точным датчиком для сравнения показаний. Датчик давления можно установить в пресс с манометром, а расходомер дублировать, например накладным.
Получившие наибольшее распространение в сфере автоматизации производства датчики с унифицированным токовым выходом 4-20, 0-50 или 0-20 мА могут иметь различные схемы подключения к вторичным приборам. Современные датчики, имеющие низкое энергопотребление и токовый выход 4-20 мА, чаще всего подключают по двухпроводной схеме. То есть к такому датчику подключается всего один кабель с двумя жилами, по которым этот датчик запитывается, и по этим же двум жилам осуществляется передача выходного сигнала 4-20 мА.
Как правило, датчики с выходом 4-20 мА и двухпроводной схемой подключения имеют пассивный выход и им для работы необходим внешний источник питания. Этот источник питания может быть встроен непосредственно во вторичный прибор (в его вход) и при подключении датчика к такому прибору в сигнальной цепи сразу появляется ток. О приборах, которые имеют встроенный во вход источник питания для датчика, говорят, что это приборы с активным входом.
Большинство современных вторичных приборов и контроллеров имеет встроенные источники питания для работы с датчиками с пассивными выходами.
Если же вторичный прибор имеет пассивный вход - по сути, просто резистор, с которого измерительная схема прибора "считывает" падение напряжения, пропорциональное протекающему в цепи току, то для работы датчика необходим дополнительный внешний блок питания. Внешний блок питания в этом случае включается последовательно с датчиком и вторичным прибором в разрыв токовой петли.
Вторичные приборы обычно проектируются и выпускаются с таким расчетом, чтобы к ним можно было подключить как двухпроводные датчики 4-20 мА, так и датчики 0-5, 0-20 или 4-20 мА, подключаемые по трехпроводной схеме. Для подключения двухпроводного датчика к входу вторичного прибора с тремя входными клеммами (+U, вход и общий) задействуют клеммы "+U" и "вход", клемма "общий" остается свободной.
Так как датчики, как уже было сказано выше, могут иметь не только выход 4-20 мА, а, например, 0-5 или 0-20 мА или их невозможно подключить по двухпроводной схеме из-за большого собственного энергопотребления (более 3 мА), то применяют трехпроводную схему подключения. В этом случае цепи питания датчика и цепи выходного сигнала разделены. Датчики имеющие трехпроводную схему подключения обычно имеют активный выход. То есть, если подать на датчик с активным выходом напряжение питания и между его выходными клеммами "выход" и "общий" подключить нагрузочное сопротивление, то в выходной цепи побежит ток, пропорциональный величине измеряемого параметра.
Вторичные приборы обычно имеют достаточно маломощный встроенный блок питания для запитки датчиков. Максимальный выходной ток встроенных блоков питания обычно находиться в пределах 22-50 мА, чего не всегда достаточно для питания датчиков имеющих большое энергопотребление: электромагнитных расходомеров, инфракрасных газоанализаторов и т.п. В этом случае для питания трехпроводного датчика приходиться использовать внешний, более мощный блок питания, обеспечивающий необходимую мощность. Встроенный во вторичный прибор источник питания при этом не используется.
Подобная схема включения трехпроводных датчиков обычно используется и в том случае, когда напряжение встроенного в прибор источника питания не соответствует тому напряжению питания, которое допускается подавать на этот датчик. Например, встроенный источник питания имеет выходное напряжение 24В, а датчик разрешается питать напряжением от 10 до 16В.
Некоторые вторичные приборы могут иметь несколько входных каналов и достаточно мощный блок питания для запитки внешних датчиков. Необходимо помнить, что суммарная потребляемая мощность всех подключенных к такому многоканальному прибору датчиков должна быть меньше мощности встроенного источника питания, предназначенного для их питания. Кроме того, изучая технические характеристики прибора необходимо четко различать назначение встроенных в него блоков (источников) питания. Один встроенный источник используется для питания непосредственно самого вторичного прибора - для работы дисплея и индикаторов, выходных реле, электронной схемы прибора и т.п. Этот источник питания может иметь достаточно большую мощность. Второй встроенный источник используется для запитки исключительно входных цепей - подключенных к входам датчиков.
Перед подключением датчика к вторичному прибору следует внимательно изучить руководства по эксплуатации на данное оборудование, определить типы входов и выходов (активный/пассивный), проверить соответствие потребляемой датчиком мощности и мощности источника питания (встроенного или внешнего) и только после этого производить подключение. Реальные обозначения входных и выходных клемм датчиков и приборов могут отличаться от тех, что приведены выше. Так клеммы "Вх (+)" и "Вх (-)" могут иметь обозначение +J и -J, +4-20 и -4-20, +In и -In и т.п. Клемма "+U пит" может быть обозначена как +V, Supply, +24V и т.п., клемма "Выход" - Out, Sign, Jout, 4-20 mA и т.п., клемма "общий" - GND, -24V, 0V и т.п., но смысла это не меняет.
Датчики с токовым выходом имеющие четырехпроводную схему подключения имеют аналогичную схему подключения, что и двухпроводные датчики с той лишь разницей, что питание четырепроводных датчиков осуществляется по отдельной паре проводов. Кроме того, четырехпроводные датчики могут иметь как активный, так и пассивный выход, что необходимо учитывать при выборе схемы подключения.
При обслуживании оборудования КИП систем автоматики часто возникает необходимость имитировать выходной сигнал датчика с токовым выходом, датчика термосопротивления или датчика с выходным сигналом напряжения. Такая необходимость возникает, например, при пуско-наладочных работах, при выходе из строя датчика и отсутствии резерва, проверке срабатывания схем сигнализации и т.п. Разберем способы имитации наличия сигналов от датчиков с токовыми выходами 0-5, 0-20 или 4-20 мА (с пассивным или активным выходом), датчиков с выходным сигналом напряжения 0-1, 0-5 или 0-10В и датчиков термосопротивления (с двух-, трех- и четырехпроводной схемой подключения).
Имитировать выходной сигнал датчиков с токовым выходом проще всего с помощью специальных калибраторов токовой петли - они позволяют установить любое значение тока с высокой точностью. Если калибратора токовой петли под рукой нет, то задать нужный ток можно либо с помощью переменного резистора (для имитации датчика с пассивным токовым выходом), либо с помощью батареи и переменного резистора (для имитации датчика с активным токовым выходом).
С помощью переменного резистора проще всего имитировать выходной сигнал датчика 4-20 мА. При этом номинал переменного резистора (значение его максимального сопротивления) подбирается исходя из величины напряжения питания (+U пит) на входных клеммах вторичного прибора и минимальной величины тока, которую мы планируем имитировать. Например, при напряжении +U пит равном 24В (величину этого напряжения можно узнать в руководстве по эксплуатации вашего вторичного прибора) и минимальном имитируемом токе 4 мА, нужен резистор сопротивлением не ниже 24В/4мА=6 кОм. Обычно резисторы с номиналом ровно 6 кОм не выпускаются, поэтому берем резисторы на 6,2 кОм из стандартного ряда номиналов или несколько больше. Не будет большой проблемой если вы возьмете резистор и на 10, 22, 51 и т.д. кОм, но в этом случае тяжелее будет установить требуемый ток, так как даже небольшой поворот оси резистора будет приводить к значительному изменению сопротивления и, следовательно, выходного тока.
Необходимо учитывать, что с помощью переменного резистора не очень удобно имитировать датчики с выходом 0-5 и 0-20 мА (но в принципе можно). Особенно значения выходного тока, близкие к 0, в том случае, когда требуется высокая точность задания тока. В этом случае все же лучше применять калибраторы токовой петли.
При использовании резистора в качестве задатчика тока необходимо помнить о том, что при одном из его крайних положений, когда сопротивление резистора равно нулю, ток в измерительной цепи может существенно превышать допустимые 5 или 20 мА. И в некоторых случаях это может привести к выходу из строя или входного канала вторичного прибора (если в нем нет ограничения величины входного сигнала) или другого оборудования, находящегося перед входом вторичного прибора (например, барьеры искро- или взрывозащиты). Для исключения эффекта перегрузки входа рекомендуется последовательно с переменным резистором подключить постоянный резистор. Номинал этого резистора зависит от напряжения +U пит вторичного прибора и величины максимального тока, например, 24 мА. По закону Ома номинал такого резистора будет равен 24В/24мА=1 кОм.
Для имитации токового сигнала датчика с активным выходом кроме переменного резистора потребуется еще и внешний источник питания (батарейка, аккумулятор, блок питания). Величина напряжения данного источника питания не должна быть меньше чем указано в руководстве по эксплуатации на вторичный прибор (возможно ограничение максимальной величины входного тока) и уж тем более величина напряжения источника питания не должна быть больше чем указано в инструкции - иначе можно выжечь вход вторичного прибора.
Полярность включения внешнего источника питания также зависит от схемотехники входного канала вторичного прибора. Поэтому перед подключением прочтите инструкцию на вторичный прибор. Для ограничения максимального тока в цепи также рекомендуется использовать ограничительный постоянный резистор, включенный последовательно с переменным.
Для имитации выходного сигнала датчика с выходным сигналом напряжения 0-1, 0-5 или 0-10В также понадобиться переменный резистор и источник питания (батарейка или АКБ). Но в данном случае резистор подключается параллельно батарейке и выполняет не функцию шунта, а функцию делителя напряжения. Номинал резистора может быть любым, но желательно достаточно большим, чтобы, во-первых, уменьшить величину потребляемого от источника питания тока и, во-вторых, не шунтировать высокое входное сопротивление вторичного прибора. Рекомендуемый номинал переменного резистора от 10 кОм до 200 кОм и более.
Напряжение источника питания (батарейки, АКБ) по возможности должно быть чуть больше чем максимальное значение имитируемого сигнала. При имитации сигнала 0-1В в качестве источника питания рекомендуется использовать одну пальчиковую батарейку или аккумулятор формата АА напряжением 1,5 или 1,2В соответственно. Для сигнала 0-5В - четыре пальчиковых батарейки по 1,5В или аккумулятор на 6В, для сигнала 0-10В - один аккумулятор на 12В.
В качестве задатчика напряжения также можно использовать лабораторный блок питания постоянного тока с регулируемым выходным напряжением в пределах 0-10В.
Имитация подключения датчика термосопротивления для измерения температуры осуществляется с помощью одного переменного резистора. В зависимости от схемы подключения (двух-, трех-, или четырехпроводная) схема подключения будет несколько отличаться. Для имитации работы основных градуировок датчиков термосопротивления 100П, 50П, Pt100, Pt50, Cu100, Cu50, 50М, 100М в диапазоне температур от минус 50 до плюс 300 градусов будет достаточно номинала резистора 220 Ом.
Конкретную схему подключения переменного резистора к входным клеммам вторичного прибора уточняйте в инструкции по эксплуатации вторичного прибора, учитывая, что перемычки, изображенные на рисунке расположенном выше, выполняют роль компенсационной жилы.
В качестве переменных резисторов во всех приведенных выше схемах лучше применять многооборотистые переменные или подстроечные резисторы - в этом случае выставить нужное значение тока или сопротивления будет намного проще. Но как уже говорилось ранее для имитации сигналов от датчиков луччше использовать специальные калибраторы токовой петли, стоимость которых начинается от 6000 руб (Овен РЗУ-420).
Как известно современная автоматика включает в себя токовые датчики. Здесь могут быть датчики давления, разряжения, температуры, расхода и т.д. Все они подключаются по одному принципу. Отклонения бывают только в нюансах.
Объясню простым языком как всё устроено, и как подключить любой датчик без сложных обозначений и схем, используя простые наглядные рисунки. Не станем называть приборы как: «первичный», «вторичный» и т.д. Всё без умных терминов где:
Измерительный прибор – это прибор, на котором отображаются измерения.
Блок питания – это стандартный блок питания 24 вольта.
Датчик – это любой токовый датчик, который нужно подключить.
«+» «-» прибора – это клеммы «+» «-» токового входа прибора
Для начала давайте определимся, почему же это токовая петля.
Посмотрим на первое изображение.
Мы будим рассматривать как стандартное движение тока от потенциала со знаком «+» к потенциалу со знаком «-» источника питания.
Таким образом, ток начинает своё движение от блока питания клеммы «+» по красному проводу (2) и приходит к клемме «+» датчика. Далее от клеммы «-» приходит в прибор по жёлтому проводу (3) на клемму «+». После этого, от прибора с клеммы «-» по синему проводу (1) приходит обратно к источнику питания на клемму «-».
Как видно ток от источника питания прошел все цепи, и вернулся к блоку питания. То есть сделал петлю. Эта основа подключения токовых датчиков, которую нужно знать. О нюансах поговорим ниже.
А теперь объясню, как всё запомнить просто, раз и навсегда.
В первую очередь подключаем клемму «-» блока питания к клемме «-» измерительного прибора. На изображении это синий провод (1). В измерительном приборе обозначение «-» может быть разным: «-», «общий», «GND ». По этому, чтобы не запутаться сначала находим его по схеме и подключаем.
Ниже будут примеры с разным обозначением.
После того как минуса блока питания и измерительного прибора соединены, подключаем «+» с блока питания к клемме «+» токового датчика. На изображении это красный провод (2). То есть подаём питание на датчик.
Ну и наконец, остался один провод, с которым уже не запутаться. Подключаем оставшуюся клемму «-» датчика к токовому входу прибора «+». На изображении это жёлтый провод (3).
У токового входа могут быть разные обозначения, например: «+», токовый вход или вход 4-20 мА. Это указано на схеме прибора, к которому будет подключение.
При подключении токового датчика в некоторых приборах необходимо установить компенсационный резистор. Он всегда устанавливается как на следующем изображении под цифрой «4». То есть параллельно токовому входу измерительного прибора. Номинал резистора указан в паспорте прибора. С некоторыми приборами эти резисторы поставляются в комплекте.
Несмотря на динамичное развитие проводных и беспроводных цифровых интерфейсов (Modbus, HART, RS485, ZigBee, Wireless и т.п.) самым популярным способом передачи данных от первичных датчиков к вторичным приборам и ПЛК остается аналоговый интерфейс 4-20 мА, потеснивший, в том числе, и другие аналоговые интерфейсы (0-5 мА, 0-20 мА, 0-1В и т.п.). Попробуем разобраться, в чем причина популярности аналогового интерфейса 4-20 мА, который был стандартизирован в далеком 1966 году.
- Выхода 4-20 мА вполне достаточно для подавляющего большинства измерительных задач. При этом схемотехнически интерфейс 4-20 мА прост и дешев в производстве.
- Для подключения датчика с выходом 4-20 мА достаточно всего одного двухжильного кабеля. По двум жилам кабеля осуществляется и передача данных, а также подается питание на датчик. Это существенно снижает затраты на подключение датчиков.
- Выход 4-20 мА имеет так называемый "живой ноль". То есть нулевым значениям измеряемого параметра соответствует 4 мА, а не 0 мА как в распространенных ранее аналоговых интерфейсах 0-5 мА и 0-20 мА. Таким образом, вторичное оборудование может гарантированно отличить нулевые показания датчика и его отказ или обрыв соединительного провода.
- Интерфейс 4-20 мА может дополнительно "нести на себе" цифровые данные HART, которые накладываются поверх основного аналогового сигнала постоянного тока, и служат для дистанционной настройки оборудования или диагностирования его состояния (считывание ошибок, отказов).
- Выход 4-20 мА обеспечивает требуемый уровень искробезопасности для оборудования, применяемого во взрывоопасных зонах, позволяя осуществлять поиск и устранение неисправностей в цепи без отключения питания датчика.
- Значения выходного тока выше или ниже номинальных 4-20 мА могут быть использованы для оповещения об отказах и ошибках в соответствии со стандартом NAMUR NE43.
- Аналоговый сигнал 4-20 мА постоянного тока менее восприимчив к шумам датчика и помехам со стороны других сигналов, чем унифицированные выходные сигналы напряжения 0-1В, 0-5В, 0-10В и др.
- Передача сигнала 4-20 мА накладывает меньше ограничений на максимальную длину и сечение жил кабеля в сравнении с унифицированными выходными сигналами напряжения. Выход 4-20 мА работает при относительно больших расстояниях: более 1 км при номинальном напряжении 24 В постоянного тока. Увеличение напряжения питания (в разумных пределах) и увеличение сечения жил соединительного кабеля позволяет увеличить дальность передачи данных.
- Для передачи сигналов 4-20 мА не требуется применения специальных типов кабеля, как для цифровых интерфейсов RS485, Profibus и т.п. Для промышленных приложений рекомендуется использовать экранированный медный кабель.
- Линии связи аналоговых интерфейсов 4-20 мА при необходимости могут быть сегментированы (иметь несколько клеммных "переходов" на своей длине), нарощены, объединены в магистральный кабель. Аналоговый сигнал может быть разветвлен для одновременной передачи на несколько входов устройств автоматизации.
- Интерфейс 4-20 мА электробезопасен. При прикосновении к его цепям не происходит поражения персонала электрическим током.
- При возникновении неисправностей в цепи передачи аналогового сигнала 4-20 мА (обрыв, замыкание) они легко обнаруживаются с помощью самых простых и дешевых измерительных приборов: амперметров или мультиметров. Кроме того, всегда есть возможность проконтролировать значения тока в цепи, либо подключившись амперметром в разрыв цепи, либо измерив вольтметром падение напряжения на сопротивлении известного номинала (сопротивление шунта, входное сопротивление вторичного прибора) и вычислив ток. Поиск и устранение неисправностей в цепях 4-20 мА под силу даже не сильно квалифицированному персоналу, в отличие от поиска неисправностей в цепях цифровых интерфейсов.
Все эти достоинства обеспечивают аналоговому интерфейсу 4-20 мА лидерские позиции в сфере автоматизации и управления технологическими процессами и его широкое применение.
Читайте также: