Tokovna zanka 4-20 ma

Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko Tokovna zanka 4-20 ma Seminarska naloga pri predmetu merilni pretvorniki Mentor: doc. dr. Peter Zajec Ljubljana, 2011 Avtorja: Klemen Lozinšek Klemen Peterlin

KAZALO 1. Uvod...3 2. Tokovna zanka 4-20 ma.....4 3. Delovanje...5 4. Sestavni elementi tokovne zanke.....6 5. Merilni ojačevalnik MO 4201...10 6. Uporaba v industriji...11 6.1. Temperaturno tipalo EKT 110...11 6.2. Merilnik nivoja PPI 100...12 6.3. Senzor tlaka WIKA A-10...13 7. Viri in literatura...15 ~ 2 ~

1.Uvod 4-2O ma tokovna zanka je bila z nami tako dolgo, da je ta postala bolj samoumevna v industrijskem procesu. Njena popularnost izhaja iz njene enostavne uporabe in njenega delovanja. 4-20 ma tokovna zanka je zelo robusten standard za senzorsko signalizacijo. Tokovne zanke so idealne za prenos podatkov zaradi svoje neobčutljivost do električnih motenj. Tokovna zanka se predvsem uporablja v industriji pri marsikateri napravi in ponavadi sploh ne vemo da je tudi v naši napravi prav tokovna znaka 4-20 ma.. Slika 1.1: Tipične komponente, uporabljene v tokovni zanki ~ 3 ~

2. Tokovna zanka 4-20 ma Tokovna zanka 4-20 ma je široko uporabljena metoda za prenos informacij od ene postaje (oddajnik) do druge postaje (sprejemnik). Torej, ta sistem omogoca le dve postaji. Tipični sistem tokovne zanke je namenjen temperaturnemu obmocju od 0 do 100 stopinj celzija za tokovno obmocje 4 ma do 20 ma. Zanka (dve žici) je narejena med oddajnikom in sprejemnikom. Oddajnik vsili določen tok (regulirani tokovni generator) v zanko. Sprejemnik meri padec napetosti na uporu v zanki. Ta metoda uporablja tokovno signaliziranje namesto napetostnega, zato je relativno neobcutljiva na potencialne razlike med oddajnikom in sprejemnikom. To ima podobni učinek kot diferencialno (uravnoteženo) napetostno signaliziranje pri RS-422 in RS-485, ki prav tako zahteva dve žici. Druga značilnost te metode je, da primarno ni digitalna, kot jih običajno uporablja večina senzorskih mrež. Merjena veličina se lahko zvezno spreminja v obmocju od 4 ma do 20 ma, zato lahko naravno lažje predstavlja analogno kot digitalno veličino. Druga značilnost te metode je, da lahko zaključenost (integriteto) zanke preverjamo. Če je zanka neprekinjena, za dobro delovanje tok ne sme pasti pod 4mA. če se tok približa vrednosti 0 ma, sprejemnik zaključi, da je prišlo do napake oziroma da je zanka morda prekinjena. Ta sistem se veliko uporablja v razlicnih sistemi avtomatizacije industrijskihprocesov (na primer naftnih refenerijah) za povezavo senzorjev (oddajnikov) z nadzornimi računalniki. Ker je ena postaja vedno oddajnik, druga pa vedno sprejemnik, te vrste komunikacij spadajo k enosmernim (unidirectional) ali pa dvosmerernim (half duplex) komunikacijam. Slika 2.1:Tokovna zanka ~ 4 ~

3. Delovanje Najpogostejši način prenosa informacije o merilni veličini v industriji je tokovna merilna zanka. Sestavljena je iz tipala, ojačevalnika, in prikazovalnika ali A/D pretvornika, če želimo merilni signal digitalno obdelovati. Signali iz tipala so običajno zelo šibki, zato jih moramo najprej ojačati z merilnimi ojačevalniki. Povezava med tipalom in merilnim ojačevalnikom mora biti izvedena z oklopljenim kablom, da se izognemo vplivom okolice na merilni signal. Boljša rešitev je merilni ojačevalnik združiti s tipalom ali vgraditi čim bližje tipalu. Senzorji ki delujejo v normalnih klimatskih pogojih, imajo lahko merilni ojačevalnik kar vgrajen, omejitev pa se pojavi, kadar v za elektroniko neugodnih pogojih (visoka temperatura, tresljaji, vlaga itd.) Takrat se raje odločimo za samostojno tipalo, ki ga preko oklopljene povezave priključimo na merilni ojačevalnik. Merilni ojačevalnik pretvori merjeno veličino iz tipala v tokovni signal 4-20mA, ki je mnogo bolj odporen proti motnjam kot napetostni. Ta tokovni signal povežemo na analogne vhode enote pri PC-jih, krmilnikih, regulatorjih ali drugih izvršnih napravah, ki imajo standardiziran tokovni vhod. Merilni sistem, ki sloni na tokovni zanki, je zelo fleksibilen. Sestavljen je modularno, kar pomeni, da lahko med seboj zamenjujemo in dopolnjujemo enote, da le ustrezajo normam, ki jih predpisuje tokovna zanka. Tako lahko vključimo več prikazovalnikov, taki z manjšo porabo (LCD ali na vrtljivo tuljavico) se lahko napajajo direktno iz zanke, ostali pa potrebujejo dodatno napajanje. ~ 5 ~

4. Sestavni elementi tokovne zanke Sestavni elementi tokovne zanke so naslednji: Napajalnik: -za 4-20 ma tokovne zanke z dvo-žičnimi oddajniki se uporabljajo 36V, 24V, 15V in 12V enosmerne napetosti -tokovne zanke s tri-žičnimi oddajniki imajo lahko DC ali AC napajalnike. Za napajanje merilne tokovne zanke se uporablja vrsto napajalnikov. Napajajo lahko od ene do štirih tokovnih zank. Različni tipi napajalnikov: NMZ - 13 (napaja eno tokovno zanko in jo hkrati ščiti) NMZ - 14 (napaja eno tokovno zanko in jo hkrati ščiti) N 1 (napaja eno tokovno zanko) NL 1 (napaja eno tokovno zanko) N 20 (napaja štiri tokovne zanke) Napajalnik tipa NMZ 13 Prednosti: Modularna izvedba (enostaven servis) Prenapetostna zaščita vhoda (varistor) Tokovna zaščita vhoda Zaščita pred motnjami na mreži Prenapetostna zaščita izhoda Tokovno omejen izhod Kratkostično varen NMZ - 13 je sodobno zasnovan napajalnik, ki istočasno napaja in ščiti merilno tokovno zanko. elementi, vgrajeni na vhodnem delu, omejijo napetostne sunke, ki se pojavljajo v električnem omrežju, in omejijo tok, če bi slučajno prišlo do kratkega stika v napajalniku. na izhodni strani vgrajene komponente na podoben način dušijo motnje, ki se pojavijo v tokovni zanki. vzporedni način regulacije izhodne napetosti jamči, da ta ne more preseči vrednosti, ki bi lahko škodovala napravam vključenim v merilni tokokrog. Tokovna omejitev brez klasičnih varovalk dopušča trajne tokove do nazivne vrednosti. Kratkotrajni tokovni sunki lahko znašajo do 100 ma. prednost takšnega načina varovanja opisuje naslednji primer: če monter po nerodnosti zamenja polariteto na transmiterju ali z izvijačem povzroči kratek stik v zanki, po odpravi napake sistem normalno deluje brez kakršnegakoli dodatnega posega. modularna izvedba z uporabo podnožja olajša zamenjavo slučajno poškodovanega napajalnika brez nevarnosti, zamenjave žic pri ponovni montaži. Primarni del ~ 6 ~

transformatorja je lahko prirejen za naslednje napetosti: 24 V, 110 V, 115 V, 220 V, 230 V in 240 V. Dovoljeno odstopanje je +/-10 %. Slika 4.1: Električna vezava napajalnika NMZ - 13 ~ 7 ~

Tehnični podatki: napajanje : 230 V 50 Hz omejitev vhodnega toka: 25 ma izhod: 24 V, 40 ma trajanje kratkega stika na izhodu: neomejeno valovitost: manj kot 50 mv pp pri 24 ma izhodna upornost: manj kot 25 Ω prebojna trdnost vhod-izhod: 2,5 kv Oddajnik: - pretvarja fizikalne vrednosti (vlažnost, temperatura, tlak) v električne signale - tok 4mA predstavlja najšibkejši signal, 20 ma pa predstavlja največji tok pri merjenju -7V je minimalna potrebna napetost za zagotovitev ustreznega delovanja oddajnika, 40V pa je najvišja napetost, pri kateri oddajnik še deluje ~ 8 ~

Slika 4.2: Tipi oddajnikov Uporovni sprejemnik: - veliko lažje je meriti napetost, kot pa tok, zato veliko tokovnih zank uporablja uporovne sprejemnike za pretvorbo toka v napetost - v 4-20 ma zankah se uporabljajo uporovni sprejemniki, katerih upornost znaša 250Ω, za različne aplikacije pa se uporabljajo tudi 100-750 Ω. Žična povezava: - ker se po žicah prenaša tokovni signal, nastopijo padci napetosti zaradi dolžine in preseka žice, po kateri se prenaša - žica ima neko svojo upornost izraženo v ohmih na 1000 metrov - padec napetosti lahko izračunamo po ohmovem zakonu: U=I R. Slika 4.3: Uporovni učinki ožičenja ~ 9 ~

5. Merilni ojačevalnik MO 4201 Predstavlja vezni člen med temperaturnim tipalom PT100 ali KTY in izhodno tokovno zanko. Konstantni merilni tok Im teče skozi uporovno tipalo in na njem povzroči padec napetosti U m, ki je premosorazmerna temperaturi tipala. Tok I 1, ki je po velikosti enak toku Im, pa na uporu R 1 povzroči padec napetosti U 1. Ker je vrednost upora R 1 enaka upornosti tipala na začetku merilnega območja, je razlika napetosti U m -U 1 na vhodu ojačevalnika A posledica spremembe temperature in s tem povezane spremembe upornosti tipala. Izhod ojačevalnika krmili izhodni tokovni generator I izh, ki pri krmilni napetosti 0V daje tok 4 ma. Ojačanje ojačevalnika je nastavljeno tako, da pri koncu merilnega območja dobimo merilni tok 20 ma. Za napajanje ojačevalnika ne rabimo posebnih dovodnih žic, saj se le ta napaja preko tokovne zanke. Pri priključitvi ojačevalnika moramo biti pozorni na pravilno polariteto. Pri nepravilni priključitvi ojačevalnik ne deluje, zato je izhodni tok 0 ma (zaščita!). V primeru kratkega stika tipala pade izhodni tok na 0 ma, v primeru prekinitve pa naraste preko 20 ma. Posebna mehanska izvedba merilnega ojačevalnika, ki je zaprt v ohišje iz samougasljive ultramit plastike, omogoča, da ga direktno vgradimo v standardno priključno glavo tipala. Na ta način se izognemo trožični priključitvi tipala, ki je sicer potrebna zaradi kompenzacije upornosti napajalnih žic. Zaradi direktne priključitve tipala na vhod ojačevalnika pa je bistveno zmanjšan tudi vpliv motenj, ki so prisotne v vsakem industrijskem okolju. Nudijo se tri različne izvedbe merilne glave in sicer T,R in K. Pri izvedbi T je izhodni tok merilnega ojačevalnika temperaturno linearen, saj posebno vezje poskrbi za linearizacijo karakteristike tipala Pt100. Izvedba R je brez linearizacije, namenjena priključitvi na krmilnike, ki linearizacijo lahko izvedejo programsko. Prednost programske linearizacije pred linearizacijo na analognem nivoju je v večji točnosti. K izvedba ojačevalnika pa je namenjena priključitvi cenenega polprevodniškega tipala KTY z območjem merjenja -50 C do +150 C. Poleg standardnih merilnih območij, ki jih predpisuje DIN standard, se lahko na željo naročnika dobavijo tudi merilni ojačevalniki z drugačnimi merilnimi območji Slika 5.1:Merilni ojačevalnik v fizični izvedbi ~ 10 ~

6. Uporaba v industriji Tokovna merilna zanka je v industriji zelo razširjena zaradi svoje cenenosti in velike imunosti na motnje okolice. Čeprav se pojavljajo razna vodila digitaliziranega analognega signala, je pri manjših sistemih npr. do 10 analognih meritev smotrno uporabljati tokovno zanko. Merilni sistem, ki sloni na tokovni zanki, je zelo fleksibilen. Sistem je narejen modularno, kar pomeni, da lahko med seboj zamenjujemo in dopolnjujemo enote, ki nastopajo v tokovni zanki, da le ustrezajo normam, ki jih predpisuje tokovna zanka. Tako lahko v merilno zanko enostavno vključimo razne prikazovalnike, ki nam kažejo vrednost merjene veličine v njej. Prikazovalniki z manjšo porabo energije (LCD prikaz ali merilni instrument z vrtljivo tuljavico) se lahko napajajo direktno iz tokovne merilne zanke. Prikazovalniki z večjo porabo energije (LED prikaz) potrebujejo dodatno napajanje. Senzorji, ki delujejo v normalnih klimatskih pogojih, npr. merilniki pritiska, pretoka, vlage itd., imajo v samem senzorju integriran merilni pretvornik s tokovnim izhodom 4-20 ma v območju, za katerega so grajeni. V industriji poznamo več senzorjev, kot so na primer: 6.1. Temperaturno tipalo EKT 110 LASTNOSTI: Meritev temperature plinov in tekočin Temperaturno območje: -200... +400 C (opcija 600 C) Temperaturni senzor: 1 x Pt100, 1 x Pt1000, 2 x Pt100, 2 x Pt1000 Možnost vgradnje merilnega pretvornika v glavo tipala Robustna izvedba. UPORABA: Meritev temperature v kotlovnicah, cevovodih, bazenski industriji,... Potopna temperaturna tipala uporabljamo za meritev temperature tekočin in plinov v ceveh, rezervoarjih, posodah ali zračnih kanalih. Ohišje (zaščitna cev) je izdelano iz visokokakovostnega CrNi jekla 316 Ti, glava pa iz lahke litine. Merilni vložek s senzorjem je v zaščitni cevi in je zamenljiv. V glavi temperaturnega tipala je keramika; lahko pa vgradimo merilni pretvornik z izhodno tokovno zanko. ~ 11 ~

Robustna izvedba in kvalitetni materiali omogočajo uporabo temperaturnega tipala v težkih delovnih pogojih. Slika 6.1: Temperaturno tipalo EKT 110 6.2. Merilnik nivoja PPI 100 LASTNOSTI: Meritev nivoja korozivnih in agresivnih medijev (tekočin) Izhod: tokovna zanka 4-20mA Ohišje iz nerjavečega jekla Kompaktna in robustna izvedba Kabel z zračno cevko, izolacijo plašča iz polietena in kevlarjevimi vlakni Mala merilna napaka. UPORABA: Meritev nivoja v: Rezervoarjih, cisternah, jaških (vodovodi, kanalizacija, industrija) Vrtinah za pitno vodo Bazenih Rekah, jezerih Industrijskih bazenih. ~ 12 ~

Merilnik nivoja PPI 100 je potopne izvedbe in je namenjen meritvam nivojev tekočin. Pri meritvi nivoja spustimo sondo s priključnim kablom enostavno na dno rezervoarja. Posebna izvedba priključnega kabla omogoča prehod zračnega (atmosferskega) tlaka do vhoda tlačnega senzorja. Na drugi vhod tlačnega senzorja deluje preko vmesne membrane zračni (atmosferski) tlak povečan za tlak, ki ga povzroči višina merjene tekočine. Razlika tlakov povzroči spremembo izhodnega signala. Izhodni signal je tok 4... 20 ma. Z meritvijo toka v tokovni zanki lahko ugotovimo natančno višino medija (tekočine) v posodi. Ohišje in membrana merilnika nivoja sta izdelana iz nerjavečega jekla, ki je odporno na korozivne medije. Senzor in elektronsko vezje sta integrirana, kar povečuje natančnost, časovno stabilnost in odpornost na vibracije. Napajanje merilnika je daljinsko (po tokovni zanki). 6.3. Senzor tlaka WIKA A-10 Slika 6.2: Merilnik nivoja PPI 110 LASTNOSTI: Tlačne vrednosti: od 0 1 bar pa do 0 600 bar Nelinearnost: 0.25 % or 0.5 % Izhod: 4... 20 ma, 0... 10 V, 0... 5 V Električne povezave: DIN 175301-803 A in C, M12x1 Tlačne povezave: G1/4 DIN 3852-E, 1/4 NPT UPORABA: Meritev tlaka v: Mehaniki Strojnih orodjih Kontrolnih in nadzornih sistemih Pnevmatiki/hidravliki Črpalkah/kompresorjih. Enostaven-zanesljiv konkurenčen WIKA A-10 senzorji tlaka se lahko uporabljajo za številne funkcije v številnih različnih ~ 13 ~

aplikacijah. Izjemno preprosta namestitev, vzpostavitev in delovanje z odličnim razmerjem med ceno in zmogljivostjo. Slika 6.3: Senzor tlaka WIKA A-10 ~ 14 ~

7. Viri in literatura Knjižni: Svet elektronike; Slovenska revija za elektroniko, računalništvo in telekomunikacije; številka1; junij 1994; str.13- Merilna tokovna zanka. Medmrežje: http://www.materm.si/ http://www.eltratec.com http://www.sparc.uni-mb.si http://www.pacontrol.com http://www.termomer.com http://www.cpa.si http://www.bapihvac.com http://www.hantekno.fi http://www.sensorland.com ~ 15 ~