Sensor

4–20 mA 루프 송신기

산업용 센서 송신기의 4~20mA 전류 루프 전압 예산, 전류로부터 센서 값 및 최대 루프 저항을 계산합니다.

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공식

I = 4 + 16 × (X − X_min)/(X_max − X_min) mA

I— 루프 전류 (mA)

X— 프로세스 변수 (eng units)

작동 방식

이 계산기는 공정 제어 엔지니어, 산업 자동화 통합자 및 계측 기술자에게 필수적인 4-20mA 전류 루프 송신기 및 수신기 회로를 설계합니다.4-20mA 전류 루프는 ISA-50.00.01 및 IEC 60381-1에 따른 산업 환경의 아날로그 센서 전송을 위한 주요 표준입니다.트랜스미터는 프로세스 변수 (압력, 온도, 유량, 레벨) 를 비례 전류로 변환합니다: I = 4 + 16 * (X - Xmin)/(Xmax - Xmin) mA.라이브 제로 (0 mA 입력 시 4mA, 0mA 아님) 를 통해 단선 감지 (0-1 mA = 고장) 가 가능하고 2선식 트랜스미터에 전원을 공급합니다.직렬 루프 전체에서 전류가 일정하며, 24V 전원 공급 시 최대 3000m의 케이블을 통한 전압 강하에도 영향을 받지 않습니다.수신기는 부하 저항 (일반적으로 1~5V 출력의 경우 250옴) 을 통해 전류를 전압으로 변환합니다.최대 루프 저항 = (V공급 - VTx_min) /20mA, 24V 전원 공급 및 12V 최소 송신기 전압의 경우 R_max는 600옴입니다.HART 프로토콜 (IEC 62591) 은 아날로그 신호를 방해하지 않는 디지털 통신을 위해 1200bps의 속도로 +/-0.5mA FSK를 중첩합니다.

계산 예제

문제: 정유 공장의 하니웰 STD800 압력 트랜스미터 (0-1000kPa, 출력 4-20mA) 의 신호 컨디셔닝을 설계하십시오.전원 공급 장치는 24V DC이고, 케이블은 500m의 18AWG이며, PLC 입력의 부담은 250옴입니다.

해결 방법: 1.케이블 저항: 18 AWG = 20.9 옴/km* 0.5 킬로미터* 2 (왕복) = 20.9 옴 2.총 루프 저항: R_루프 = 250 (버든) + 20.9 (케이블) = 270.9 옴 3.20mA에서의 전압: V_루프 = 0.020* 270.9 = 5.42V 4.송신기 전압: v_tX = 24 - 5.42 = 18.58V (최소 12V 이상, OK) 5.600kPa에서: I = 4 + 16* (600/1000) = 13.6mA 6.ADC 입력: V_ADC = 13.6 mA* 250 옴 = 3.40V 7.PLC 스케일링: 4mA = 0kPa = 1.0V, 20mA = 1000kPa = 5.0V 8.12비트 ADC (0-5V) 사용 시 해상도: 5V/4096/ 4V * 1000kPa = 0.31kPa/lSB

결과: 600kPa에서 13.6mA는 PLC 입력에서 3.40V를 생성합니다.시스템에서 송신기에 사용할 수 있는 전압은 18.58V로 최소 12V보다 훨씬 높습니다.

실용적인 팁

✓4-20mA 실행의 경우 전체 쉴드가 있는 18-24AWG 트위스트 페어 케이블을 사용하십시오. ISA-RP12.06.01 설치 관행에 따라 접지 루프 전류가 발생하지 않도록 제어실 끝에만 실드를 접지하십시오.
✓긴 케이블의 양쪽 끝에 과도 보호 기능 (TVS 다이오드 또는 가스 방전관) 을 추가합니다. 낙뢰로 인한 서지는 1000V를 초과하여 IEC 61643-21에 따라 송신기와 PLC 입력을 손상시킬 수 있습니다.
✓HART 지원 송신기의 경우 통신을 위해 최소 230옴 부하를 확보하십시오. 부하가 230옴 미만인 경우 HART 파운데이션 사양에 따라 HART 모뎀과 병렬로 외부 250옴 저항을 추가하십시오.

흔한 실수

✗부하 저항을 합하지 않고 여러 수신기를 직렬로 연결: 직렬로 연결된 250옴 입력 2개 = 500옴 부담, 최대 케이블 저항 허용치를 절반으로 줄임, 총 루프 저항이 (Vsupply - VTx_min) /20mA 미만으로 유지되는지 확인
✗4mA를 '0'이 아닌 '결함'으로 해석: 4mA는 ISA-50.00.01당 프로세스 입력이 0임을 나타내며, 고장 조건은 3.6mA 미만입니다 (NAMUR NE43은 3.6-3.8mA를 범위 미달로 정의하고, 3.6mA 미만은 센서 고장으로 정의합니다)
✗오픈 루프에서 전압계로 4~20mA 측정: 고임피던스 전압계를 삽입하면 전류 경로가 차단됩니다. 알려진 부하 저항 (V = I* R_burden) 의 전압을 측정하거나 클램프온 mA 미터를 사용하십시오.

자주 묻는 질문

라이브 0mA가 0mA가 아닌 4mA인 이유는 무엇입니까?

4mA 라이브 제로는 ISA-50.00.01에 따른 세 가지 중요한 기능을 제공합니다. (1) 2선식 송신기에 전력을 공급합니다. - 송신기는 조절하는 루프 전류에서 작동하므로 작동하려면 최소 3.5-4mA가 필요합니다. (2) 단선 감지를 지원합니다. - 0-3.6mA의 판독값은 송신기가 개방 회로 또는 고장난 것을 나타내며, (3) 별도의 전원 배선 없이 단일 24V 전원으로 송신기를 사용할 수 있습니다.나무르 NE43은 :21 <3.6 mA = sensor failure, 3.6-3.8 mA = under-range, 20.5-21 mA = over-range, > mA = 출력 포화를 정의합니다.

4-20mA 루프의 최대 케이블 길이는 얼마입니까?

최대 길이는 케이블 저항과 송신기 전압 요구 사항에 따라 달라집니다.24V 전원 공급, 250옴 부하 시 12V 최소 송신기 전압: R_Cable_max = (24 - 12 - 250*0.020) /0.020 = 350옴.18AWG (20.9옴/km) 의 경우 최대 길이는 350/20.9/2 = 왕복 8.4km = 편도 4.2km입니다.커넥터 및 온도 변화에 대한 실제 한계는 일반적으로 2-3km입니다.더 오래 사용할 경우 ISA-50.00.01에 따라 필드 엔드에서 4-20mA 디지털 컨버터 (HART, Modbus) 를 사용하십시오.

HART는 4-20mA 신호와 어떻게 공존할까요?

HART (IEC 62591에 따른 고속도로 주소 지정이 가능한 원격 트랜스듀서) 는 1200bps의 속도로 벨 202 주파수 (1200Hz = '1', 2200Hz = '0') 를 사용하여 +/-0.5mA 피크 FSK 신호를 DC 전류로 변조합니다.AC 성분은 각 비트의 평균 값이 0이므로 4-20mA 프로세스 판독값에는 영향을 주지 않습니다.부하 저항 (HART 사양당 최소 230옴) 은 전류 변조를 HART 모뎀이 감지할 수 있는 전압으로 변환합니다.HART를 사용하면 원격 구성, 진단 및 보조 변수를 지원하는 동시에 아날로그 전용 수신기와의 하위 호환성을 유지할 수 있습니다.