נושא : לולאת מדידה 4-20 מילי אמפר

בס"ד‏ ,‏‏יום שישי 09 אוגוסט 2022

הקדמה

בכל מפעל ישנם שבו קיים בקרת תהליך, ישנם מספר עצום של סוגים שונים של חיישנים תומכי תהליכים. צמדים תרמיים ו-RTD מספקים קריאת טמפרטורה ישירה בעוד שאותות דיגיטליים מספקים שליטה מדויקת על משתני התהליך. באותות אנלוגיים, שבהם מידע על התהליך מועבר באמצעות יחוס של אות המדידה באמצעות מתח או זרם. מכל האותות האנלוגיים האפשריים שניתן להשתמש בהם להעברת מידע תהליך, לולאת 4-20 mA היא הסטנדרט הדומיננטי בתעשייה.

אך עדיין למרות שהוא נפוץ רבים אינם מבינים את היסודות של ההגדרה והשימוש בו

תמונה 1: שרטוט עקרוני של מסלול לולאת מדידה

איך עובדת לולאה של 4-20mA  

לפני שנתחיל כמה נקודות חשובות

1. מתח עבודה של 24VDC
2. לולאת מדידה של 4-20mA הינה לולאת טורית
3. ערך נמוך מ4mA מעיד כי ישנה תקלה במעגל
4. ערך גבוה מ20mA מעיד כי ישנה תקלה במעגל

עיקרון המפתח בלולאה טורית הינה שערך הזרם בכל נקודה במעגל שווה ולה מספר אלמנטים חשובים

          1.חיישן

מודד משתנה פיזיקלי כלשהו הרצוי לתהליך הנפוצים ביותר יהיו טמפרטורה, לחות, זרימה, לחץ, גובה, קרינה ועוד הטכנולוגיה המרכיבה את חיישן יכולה להיות מגוונת בהתאם למורכבות המדידה אבל לנו זה לא רלוונטי לדיון הזה.

          2.משדר

נדרש להמיר את מדידת החיישן לאות זרם , בין ארבעה לעשרים מילי אמפר . כאן ייכנס לתמונה משדר , לדוגמה אם נרצה למדוד לחץ של מיכל בתחום של 0 עד 10 בר , המשדר ימיר את האות הפיזיקלי של 0 בר לזרם טורי של 4mA ואילו את הערך של 10 בר לערך של 20 מילי אמפר , ואם נמדוד 17.1 מילי אמפר נוכל לתרגם באופן הבא

ערך פיזיקלי=(ערך מדידה פיזיקלי מינימלי – ערך מדידה פיזיקלי מקסימלי)/( ערך זרם מינימלי-ערך זרם מקסימלי)*((ערך מינימלי-ערך נמדד

לצורך הדוגמה מדדנו זרם של 17.1 מילי אמפר ברגש לחץ בתחום של 0 עד 10 בר חיישן 4 עד 20 מילי אמפר

חישוב דוגמה

= (10-0)/(20-4)*(17.1-4)= 8.1875bar

          3.מקור מתח

על מנת שיתקיים מעגל זרם נדרש מקור מתח dc ישנם מתחים נפוצים של רגשי לולאת מדידה הנפוצים ביותר יהיו 12 ו 24 וולט .

כשאתה בוחרים ספק כוח יש לקחת בחשבון שמתח אספקת החשמל חייב להיות לפחות ב-10% יותר מסך מפל המתח של הרכיבים המחוברים (המשדר, המקלט ואפילו המוליכים). השימוש בספק כוח לא מתאים עלול להוביל לשגיאות מדידה או במקרה החמור יותר כשל בציוד.

          4.לולאת מדידה

בנוסף לאספקת מתח תקינה ,צריכה להתקיים גם לולאה המתייחסת ברובה למוליכי המדידה המחברים את החיישן למכשיר שמקבל את האות של mA4-20 ואז בחזרה למשדר. אות הזרם בלולאה מווסת באמצעות המשדר לפי מדידת החיישן. בדרך כלל מתעלמים ממולכי המדידה מכיוון שמוליכי המדידה אינם משהו מיוחד מפני שהם חלק שיגרתי שפוגשים בכל מקום, אך יש לקחת בחשבון שמוליכי המדידה הינם מקור להתנגדות הגורם למפל מתח במערכת אך בדרך כלל זה לא חריג שכן נפילת המתח של קטע חוט היא זעירה. אך לאורך מרחקים ארוכים 200 עד 500 מטר התנגדות המוליך תהיה משמעותית, בהתאם לעובי המוליך.

          5.מתמר

לבסוף, במקום כלשהו בלולאה יהיה מכשיר שיכול לקלוט ולפרש את אות הזרם לערכים פיזיקליים , כגון טמפרטורה, לחץ, גובה, מהירות ועוד.

רכיבים אלה הם כל מה שצריך כדי להשלים את התהליך של לולאת הזרם של 4-20 mA.

מסלול הלולאה הינו

1. החיישן מודד ערך פיזיקלי
2. המשדר ממיר את ההערך הפיזיקלי לזרם
3. הזרם של לולאת המדידה עובר דרך המוליכים למתמר.
4. והמתמר מציג או מבצע פעולה עם האות הזה.

• תמונה 2 : רגשים מסוגים שונים

יתרונות לולאת מדידה על פני שיטות אחרות

1. עלות התקנה זולה היות והוא משתמש בפחות חיווט
2. לולאת זרם עדיפה במרחקים ארוכים היות והזרם הינו קבוע בכל הלולאה ומפל מתח לא כל כך משפיע על תוצאות המדידה לעומת שיטת המתח שרגישה למפלי מתח כי מפל מתח משפיע על תוצאות המדידה.
3. לולאת המדידה פחות רגישה לרעשים חשמלים או הפרעות חשמליות מכיוון ש mA 4 שווה ל-0% זיהוי התקלות אמור להיות מהיר.

יתרונות לולאת מדידה 4-20mA על פני לולאת מדידה של 0-20mA.

1. בשיטת לולאת מדידה 0-20 mA אם נמדוד 0mA אז אנחנו לא נדע באמת אם יש לנו נתק או שיש לנו בכלל זרם, לעומת זאת אם נמדוד 0mA בלולאת מדידה 4-20 בוודאות יש תקלה.
2. הרבה יותר נוח לבצע המרות לאחוזים.
3. 4-20mA זהו בעצם המקבילי לעקרון מדידת הלחץ של 3-15, אז יצרו מדד דומה.
4. זרמי מערבולת עלולים לגרום למדידה שגוייה בשל העובדה כי רעשים יכולים לגרום ליצירת זרם של עד 3 מילי אמפר למרות שאין מתח ממקור מתח.

לצורך המחשה ניתן להשתמש בסימולטור שהכנתי על מנת לבצע הדגמות למעבר לחץ כאן

בהצלחה