Dit document beschrijft hoe de spanningsverliezen in een 4 tot 20 mA stroomlus moeten worden beheerd, en hoe de juiste voedingsspanning voor de lus moet worden bepaald.
4 tot 20 mA stroomlus overzicht
De 4 tot 20 mA stroomlus is een zeer robuuste standaard voor sensorsignalering. Stroomlussen zijn ideaal voor datatransmissie vanwege hun inherente ongevoeligheid voor elektrische ruis. Het ontwerpen van 4 tot 20 mA stroomlussen is gewoon het beheren van de spanningsverliezen rond de lus. De spanningsverliezen treden op in de draad, de zender en de belastingsweerstand.
Draad
Het spanningsverlies in draad is recht evenredig met de stroom die erdoor vloeit volgens de wet van Ohms, stroom x weerstand is gelijk aan spanning. Tabel 1 toont de weerstand van gewone draad.
Zender
De zender verbruikt 7 tot 15 VDC lusspanning, afhankelijk van het model, om zichzelf van stroom te voorzien.
Belastingsweerstand
Tenslotte zet de belastingsweerstand van de regelaar de lusstroom om in een spanning voor eenvoudige signaalverwerking. Meestal wordt een weerstand van 250 ohm gebruikt om de lusstroom terug te zetten naar een spanning. Bij 4 mA zakt een 250Ω-weerstand 1 volt; bij 12 mA zakt een 250-Ohm-weerstand 3 volt en bij 20 mA zakt een 250-Ohm-weerstand 5 volt. De belastingsweerstand kan intern in de regelaar of extern zijn.
Hoewel ANSI/ISA-50.1-1982 (R1992) Compatibiliteit van Analoge Signalen voor Elektronische Industriële Procesinstrumenten zegt dat de belastingsweerstand 250Ω moet zijn, mogen weerstandswaarden van 50 tot 1.000Ω worden gebruikt. Om een stroomlus goed te ontwerpen moet u de waarde van de weerstand van de regelaar kennen.
2-draads zender met externe voeding en externe weerstand
Veel goedkope HVAC/R-regelaars zijn niet voorzien van een speciale voeding of een in de fabriek geconfigureerde ingang voor een 4 tot 20 mA-signaal. Tegelijkertijd zijn veel van de beste sensoren in de industrie alleen beschikbaar als een 4 tot 20 mA uitgang. Figuur 2 op de volgende pagina laat zien hoe een 4 tot 20 mA stroomluscircuit kan worden gemaakt voor een regelaar zonder een specifieke voeding of een ingang voor een 4 tot 20 mA signaal.
Een 24 VAC transformator voorziet de regelaar en de BAPI VC350A stroomkringvoeding van stroom (De primaire hoogspanningsbedrading naar de transformator is niet afgebeeld). De VC350A moet zo dicht mogelijk bij de regelaar worden gemonteerd. De positieve uitgang van de VC350A wordt via een kabel verbonden met de rode of positieve pool van de zender. De zwarte of signaalklem van de zender wordt verbonden met de analoge ingang van de regelaar. Een belastingsweerstand wordt van de analoge ingang naar massa geschakeld. Als de analoge ingang van de regelaar is geconfigureerd voor 0-5 VDC, dan moet de belastingsweerstand 250Ω zijn. De signaalspanning zal 1 volt bij 4 mA en 5 volt bij 20 mA zijn. Als de analoge ingang van de regelaar is geconfigureerd voor 0-10 VDC, dan moet de belastingsweerstand 500Ω zijn. De signaalspanning zal 2 volt bij 4 mA en 10 volt bij 20 mA zijn.
In het schema hierboven meet een BAPI-sensor de vochtigheid van de buitenlucht. De DDC regelaar bevindt zich in de kelder, terwijl de vochtigheidssensor zich op het dak bevindt. De twee zijn met elkaar verbonden door een 22-gauge twisted pair draad.
De regelaar heeft geen perifere voeding of een speciale 4 tot 20 mA ingang. Een externe voeding en belastingsweerstand zijn dus noodzakelijk. De 4 tot 20 mA-zender is de BAPI-sensor waarnaar hierboven wordt verwezen, terwijl de stroomkringvoeding een BAPI VC350A spanningsomzetter is die op 24 VDC is ingesteld.
Draad Weerstand
1.600 voet 22-gauge twisted pair draad is in feite 3.200 voet lang - 1.600 voet naar buiten en 1.600 voet terug. De weerstandstabel op de vorige pagina laat zien dat koperdraad een weerstand heeft van 16,14Ω per 1.000 voet bij 20°C. De weerstand van de 3.200 voet draad bij 20°C is dus:
3,200 ft x 16.14 Ω/1,000 ft = 51.65Ω.
De kabel loopt in materiaalschachten die niet van airconditioning zijn voorzien. De schachten van de uitrusting worden nooit lager dan 0°C (32°F), maar kunnen in de zomer wel 60°C (140°F) worden. De temperatuurcoëfficiënt van koper is +0,393% per graad C. Dit betekent dat als de temperatuur 1°C stijgt, de weerstand met 0,393% zal toenemen. De draad in het schema hierboven heeft een totale weerstand van 51,65Ω bij 20°C, dus de toename van de weerstand bij 60°C zou gelijk zijn aan:
(60°C-20°C) x 0,00393 per °C x 51,65Ω = 8,12Ω
Als je deze toename bij de oorspronkelijke weerstand optelt:
8.12Ω + 51.65Ω = 59.77Ω
De weerstand van de 1200 meter draad bij 140°F steeg met 16% van 51,65Ω tot 59,77Ω.
Spanningsdalingen rond de lus
Om een stroomlus van 4 tot 20 mA correct te ontwerpen, moeten de spanningsverliezen rond de lus worden berekend bij de maximale weerstand en de maximale signaalstroom van 20 mA, en opnieuw worden berekend bij de minimale weerstand en de minimale signaalstroom van 4 mA.
De maximale weerstand van de draad (60°C) is 59,77Ω. Vermenigvuldig dit met de maximale signaalstroom van 20 mA en de spanningsval van de draad is gelijk aan:
59.77Ω x 0.02A = 1.195 volt
De BAPI vochtigheidszender laat minimaal 15 volt vallen, terwijl de 250Ω regelweerstand 5 volt laat vallen bij 20 mA. Als alle spanningsverliezen bij elkaar worden opgeteld is dat gelijk aan:
1,195 + 15 + 5 = 21,195 volt
De stroomvoorziening is ingesteld op 24 volt. Waar is de extra 2,805 volt gebleven? Die valt over de zender. Alle spanning die niet over de draden of de regelweerstand valt, valt over de zender zelf. Bij een maximale signaalstroom van 20 mA is de totale spanningsval over de zender dus 17,802 volt (24 volt - 1,195 volt - 5 volt = 17,802 volt). Dat de zender een paar volt meer laat vallen dan de minimumwaarde (15 volt) is een goed technisch gebruik. Het beschermt de integriteit van de stroomkring wanneer de verbindingen oxideren en verouderen.
De spanningsverliezen moeten ook worden berekend bij de minimale weerstand en minimale signaalstroom van 4 mA om er zeker van te zijn dat de zender niet wordt gevraagd meer spanning te laten vallen dan zijn maximale nominale spanning.
De apparatuurschachten waar de koperdraad doorheen loopt kunnen zo laag worden als 0°C. De temperatuurcoëfficiënt van koper is +0,393% per graad C, dus een daling van 1°C zal de weerstand met 0,393% doen dalen. De draad in het schema van figuur 2 heeft een totale weerstand van 51,65Ω bij 20°C, dus de afname van de weerstand bij 0°C zou gelijk zijn aan:
(0°C-20°C) x 0,00393 per °C x 51,65Ω = -4,06Ω
Dit aftrekken van de oorspronkelijke weerstand is gelijk aan;
51.65Ω - 4.06Ω = 47.59Ω
De minimale weerstand van de draad (0°C) is 47,59Ω. Vermenigvuldig dit met de minimale signaalstroom van 4 mA en de spanningsval van de draad is gelijk aan:
47.59Ω x 0.004A = 0.19 volt
De BAPI vochtigheidszender laat minimaal 15 volt vallen, terwijl de 250 Ω regelweerstand 1 volt laat vallen bij 4 mA. Als alle spanningsverliezen bij elkaar worden opgeteld, komt men op:
0,19 + 15 + 1 = 16,19 volt
Met de voeding ingesteld op 24 volt, valt de zender 22,81 volt af (24 volt - 0,19 volt - 1 volt = 22,81 volt). De BAPI vochtigheidszender heeft een maximale spanningsval van 24 volt. Daarom ligt de spanning die over de zender valt dicht bij de maximum specificatie, maar nog steeds binnen de tolerantie bij de minimum weerstand en minimum signaalstroom.
Sommige Programmable Logic Controllers hebben voedingen tot 36VDC, waardoor zeer lange stroomlussen mogelijk zijn. Een 36VDC voeding in het bovenstaande voorbeeld zou een spanningsval over de transmitter veroorzaken die groter is dan de maximale nominale spanning. De enige manier om de 36VDC voeding te gebruiken is om een weerstand of twee in de lus te plaatsen om de extra spanning op te eten. Zorg ervoor dat u niet te laag gaat, anders zult u het 20 mA-signaalpunt niet kunnen bereiken. Een weerstand van 50Ω laat 1 volt vallen bij 20 mA en 0,2 volt bij 4 mA.
3-draads zender stroomlus
Sommige van de huidige zenders van de BAPI zijn driedraads in plaats van tweedraads. Een driedraads zender verschilt aanzienlijk van een tweedraads zender. Een driedraadszender verbruikt meer stroom van de systeemvoeding dan de 20 mA signaleringsstroom, omdat de zender zelf enige stroom nodig heeft om te werken.
In het bovenstaande schema meet een BAPI-Stat ruimtesensor de temperatuur van een kamer. De BAPI-Stat zelf heeft 10 mA stroom nodig om te werken. Wanneer de signaalstroom (de witte draad) 4 mA is, is de totale stroom van de voeding dus 14 mA. Wanneer de signaalstroom 20 mA is, is de totale stroom van de voeding 30 mA.
De berekening van de spanningsverliezen voor deze driedraads zendlus is anders dan bij een tweedraadslus. In de driedraadslus vloeit door de positieve (+) draad van de voeding de totale stroom, terwijl door de signaaldraad van 4 tot 20 mA alleen de signaleringsstroom vloeit. Daarom zijn er twee eenrichtings spanningsverliezen te berekenen; één is de spanningsval van de voedingsdraad en de tweede is de spanningsval van de signaleringsdraad. Omdat er verschillende stromen zijn in elke draad, worden de spanningsverliezen afzonderlijk bepaald en vervolgens bij elkaar opgeteld.
Aangezien BAPI-Stats bezette ruimten meet, is het niet nodig om de bedradingsweerstand te berekenen in verband met grote temperatuurschommelingen. Het gebruik van de 20°C (68°F) weerstand is alles wat nodig is. Als de BAPI-Stat zich op 250 voet van de controller bevindt met 22 gauge draad, en de signaalstroom is 20 mA, is de spanningsval van de voedingsdraad naar de BAPI-Stat:
16.14Ω x (250Ft/1000Ft) x 30mA = 0.12 volt
Het spanningsverlies op de signaaldraad bij 20 mA is:
16.14Ω x (250Ft/1000Ft) x 20mA = 0.08 volt
De 250-Ohm ontvangerweerstand laat 5 volt vallen bij 20 mA en de minimumspanning van de BAPI-Stat is 15 VDC, dus de spanning rond de lus is:
0.12 + 0.08 + 5 + 15 = 20.2 VDC
Bij een systeemvoeding van meer dan 20,2 VDC is volledige signalering mogelijk.
Aangezien de spanning op de voedingspen van een 3-draads zender in wezen constant is en niet wordt beïnvloed door het niveau van de signaalstroom, behoeft men de spanningsverliezen bij een signaalstroom van 4 mA niet te berekenen. Zolang de spanning van de voeding groter is dan de spanningsverliezen rond de lus bij 20 mA signaalstroom, en lager dan de maximale spanningswaarde van de zender zelf, is de voedingsspanning correct ontworpen.
3-draads zender met twee onafhankelijke 4 tot 20 mA-signalen
De BAPI-Stat is ook in staat om twee onafhankelijke 4 tot 20 mA signalen te leveren. Het berekenen van de spanningsverliezen en de juiste dimensionering van de voeding is in dit geval vrijwel gelijk aan het vorige voorbeeld. De BAPI-Stat zelf heeft 10 mA stroom nodig om te werken. Wanneer elk signaal een output van 4 mA heeft, verbruikt de BAPI-Stat dus 18 mA van de systeemvoeding. Wanneer elk signaal een uitgang van 20 mA heeft, verbruikt de BAPI-Stat 50 mA uit de systeemvoeding.
In het bovenstaande voorbeeld vloeit door de positieve (+) draad van de voeding de totale stroom, terwijl door de signaaldraden van 4 tot 20 mA alleen de signaleringsstroom vloeit. Evenals in het voorgaande voorbeeld moeten er twee spanningsverliezen in één richting worden berekend; het ene is het spanningsverlies van de voedingsdraad en het tweede is het spanningsverlies van de signaleringsdraad. Omdat er verschillende stromen zijn in elke draad, worden de spanningsverliezen afzonderlijk bepaald en vervolgens bij elkaar opgeteld.
Als de BAPI-Stat zich op 250 voet van de controller bevindt en 22 gauge draad gebruikt, en beide signaalstromen op 20 mA staan, is het spanningsverlies van de voedingsdraad naar de BAPI-Stat:
16.14Ω x (250Ft/1000Ft) x 50mA = 0.20 volt
Het spanningsverlies als gevolg van de 20 mA signaalstroom van één kanaal is:
16.14Ω x (250Ft/1000Ft) x 20mA = 0.08 volt
Het tweede signaalkanaal staat parallel met het eerste kanaal, zodat het niet bij de spanningsverliezen rond de lus behoeft te worden opgeteld. De 250-Ohm ontvangerweerstand laat 5 volt vallen bij 20 mA en de minimumspanning van de BAPI-Stat is 15 VDC, dus de spanning rond de lus is:
0.20 + 0.08 + 5 + 15 = 20.28 VDC
Bij een systeemvoeding van meer dan 22,28 VDC is volledige signalering mogelijk.
Omdat de spanning op de voedingspen van een 3-draads zender in wezen constant is en niet wordt beïnvloed door de signaalstroomniveaus, behoeft men de spanningsverliezen bij een signaalstroom van 4 mA niet te berekenen. Zolang de spanning van de voeding groter is dan de spanningsverliezen rond de lus bij signaalstromen van 20 mA, en lager dan de maximale spanningswaarde van de zender zelf, is de voedingsspanning correct ontworpen.
Als u meer informatie wenst over 4 tot 20 mA stroomlussen, bel dan uw BAPI vertegenwoordiger of raadpleeg de BAPI Application Notes: 4 to 20 mA Current Loop Configurations of Designing 4 to 20 mA Current Loops op deze website.
Referentie
ANSI/ISA-50.1-1982 (R1992) Compatibiliteit van analoge signalen voor elektronische industriële procesinstrumenten. (Dit document is de industriespecificatie voor 4 tot 20mA current loop signaling).
