خروجی حلقه جریان 4-20mA نوعی از سیگنال الکتریکی است که در یک مدار سری استفاده می‌شود تا سیگنال اندازه‌گیری بادوامی ایجاد کند.
سنسور یا ابزاری که سیگنال را تولید می‌کند، مثل یک منبع جریان عمل می‌کند، سیگنال خروجی جریان ثابت را برای یک اندازه‌گیری ارائه می‌کند، مستقل از ولتاژ تغذیه یا امپدانس مدار.
برخلاف خروجی‌های ولتاژ، خروجی جریان در هر نقطه از مدار یکسان است و خروجی آنالوگ نسبتا توان بالایی دارد که می‌توان از آن در مدارهای اندازه‌گیری در فواصل طولانی استفاده کرد.
یک خروجی جریان رایج 4-20mA در یک پیکربندی دو سیمه است، اما پیکربندی‌های سه سیمه هم وجود دارد که می‌تواند سیگنال خروجی حلقه جریان 0-20mA یا 4-20mA را با یک تغذیه مثبت و اتصال خروجی جداگانه ارائه کند.
برای اهداف اندازه‌گیری، این جریان می‌تواند در هر نقطه در مدار، با اضافه کردن یک مقاومت بار، به شکل سری، به خروجی ولتاژ تبدیل شود. افت ولتاژ در دو طرف مقاومت، متناسب با فشار و جریان، تغییر می‌کند. به طور مثال، یک مقاومت 250 اهمی یک سیگنال خروجی 1-5 ولتی با سیگنال حلقه جریان 4-20mA ایجاد می‌کند.
موقع اتصال یک ترانسمیتر 4-20mA با یک مقاومت بار اندازه‌گیری، مهم است که اطمینان حاصل کنید که ولتاژ تغذیه کافی در دو طرف کنتاکت‌های تغذیه مبثت و منفی ترانسمیتر در خروجی فول‌اسکیل وجود دارد.
سیگنال 4-20mA به شکل گسترده در صنعت کنترل فرآیند مورد استفاده قرار می‌گیرد و همچنین استفاده از آن در کاربردهای تولید، هوافضا و خودروسازی هر روز رایج‌تر می‌شود که دلیل این مساله، راحتی استفاده از اتصالات دو سیمه، دوام و مقاومت در برابر RFI و ابعاد مشابه دیگر انواع دستگاه‌های خروجی است.
پیکربندی سیم‌کشی ترانسمیتر فشار 4-20mA دو سیمه
شکل زیر یک پیکربندی ساده سیم‌کشی را برای ترانسمیتر فشار حلقه جریان نشان می‌دهد. فرض می‌شود که دستگاه اندازه‌گیری شامل یک مقاومت بار کافی برای اندازه‌گیری حلقه جریان است. اگر دستگاه اندازه‌گیری یک مولتی‌متر است، احتمال اینکه شامل مقاومت بار کافی باشد کم است، بنابراین در این مورد، لازم است که مقاومت بار جداگانه در نظر بگیرید، مثال 250Ω که به شکل سری در حلقه جریان قرار بگیرد.
مقاومت 250 اهمی سری یا موازی، برای ایجاد 1-5Vdc از 4-20mA
اگر یک سیگنال 4-20mA به یک مدار DCS وصل باشد که یک ورودی 1-5 Vdc را قبول می‌کند، کدام یک از دو جمله زیر درست است؟
- اتصال مقاومت 250 اهمی به شکل موازی
- اتصال مقاومت 250 اهمی به شکل سری
هر دو جمله درست هستند چون بستگی به این دارد که در مورد چه بخشی از مدار صحبت می‌کنیم.
جمله 1 درست است اگر در مورد اتصال مقاومت به ورودی سیگنال 1-5Vdc صحبت می‌کنیم – مقاومت 250 اهمی را به شکل موازی با سیم‌های ورودی 1-5Vdc متصل کنید.
جمله 2 درست است اگر در مورد اتصال مقاومت به مدار حلقه جریان صحبت می‌کنیم – مقاومت 250 اهمی را به شکل سری با مدار حلقه جریان 4-20mA متصل کنید.
اگر سوال این باشد که کدام یک، رایج‌ترین روش برای توصیف این است که چطور یک سیگنال حلقه جریان 4-20mA به یک سیگنال خروجی 1-5Vdc تبدیل می‌شود، جمله دوم، روشی است که اکثر افراد از آن استفاده می‌کنند.
تفاوت بین ترانسمیتر دو سیمه و چهار سیمه 4-20mA چیست؟
ترانسمیتر دو سیمه 4-20mA یک مدار حلقه جریان تکی با ترانسمیتر [+/-]، منبع تغذیه [+/-] و واحد پردازش سیگنال (SCU) [+/-] دارد، که همه به شکل سری به یکدیگر متصل شده‌اند.
ترانسمیتر 4-20mA چهار سیمه یک مدار تغذیه و خروجی جداگانه دارد. خروجی این ترانسمیتر +/- به SCU +/- متصل می‌شود. تغذیه ترانسمیتر +/- به منبع تغذیه +/- وصل می‌شود.
تبدیل خروجی 4-20mA به 1-5 volt
من یک ترانسمیتر فشار با خروجی 4-20mA دو سیمه دارم. چطور می‌توانم این خروجی جریان را به خروجی ولتاژ تبدیل کنم؟
یک مقاومت بار را به شکل سری با حلقه جریان وصل کنید و سپس افت ولتاژ را در دو طرف مقاومت بار اندازه بگیرید.
به طور مثال یک مقاومت 250 اهمی، یک سیگنال 4-20mA را به 1-5 Vdc تبدیل می‌کند.
همچنین در نظر داشته باشید که لازم است برق یا توان اضافه مورد نیاز برای تغذیه 5 volt بیشتر از ولتاژ تغذیه کمینه سنسور 9 Vdc را فراهم کنید، برای مقاومت بار اضافه شده.
چرا از 4mA شروع کنیم و نه کمتر؟
چرا ترانسمیترهای حلقه جریان سیگنالی را ارائه می‌کنند که از 4mA شروع می‌شود و نه کمتر؟
4-20mA معمولا یک حلقه جریان دو سیمه است و برای اینکه دستگاه کار کند، نیاز دارد بخشی از جریان را مصرف کند تا به فعالیت خود ادامه دهد و این مقدار، توسط حداقل جریان 4mA تامین می‌شود.
همچنین بد نیست بدانیم که چه دستگاه خروجی کار کند، چه نکند، برخلاف مثلا یک سیگنال 0-10Vdc، یک سیگنال 0 mA به این معنی است که در یک جایی از مدار حلقه جریان، یک خرابی یا ایرادی وجود دارد.
4mA یا 0mA
چرا ترانسمیترهای حلقه جریان سیگنالی را فراهم می‌کنند که از 4mA شروع می‌شود و نه از 0mA؟
دلیل اصلی این است که 4-20mA معمولا یک حلقه جریان دو سیمه است و برای اینکه دستگاه کار کند، لازم است بخشی از جریان را مصرف کند و حداقل جریان 4mA این مساله را تامین می‌کند.