4

Возможности ввода-вывода, встроенные в большинство микроконтроллеров, упрощают измерение аналогового мира. Допустим, вы хотите создать регистратор данных о температуре. Все, что вам нужно сделать, это получить какой-то датчик с линейным выходным напряжением, который представляет диапазон температур, который вам нужно контролировать — возможно, от 0 до 5 вольт, что соответствует от 0 ° до 100 ° C. Подключите датчик к аналоговому входу, напишите небольшой код, и все готово. Легкая штука.

Теперь внесем изюминку: датчик нужно расположить подальше от микроконтроллера. Чем длиннее ваши провода, тем больше будет падение напряжения, пока в конечном итоге ваше колебание в пять вольт, представляющее диапазон 100 °, не станет больше похоже на колебание в один вольт. Кроме того, ваши длинные провода датчика будут действовать как хорошая антенна, улавливая всевозможные шумы, из-за которых отловить полезный сигнал напряжения от линии будет еще сложнее.

К счастью, инженеры-технологи давно поняли, как справиться с этими проблемами, используя токовые петли для измерения и управления. Наиболее распространенным стандартом является токовая петля от 4 мА до 20 мА, и здесь мы рассмотрим, как она возникла, как она работает и как вы можете использовать эту базовую технику управления процессом для вашего микроконтроллера. проекты.

Стандартная токовая петля 4–20 мА для управления технологическими процессами возникла непосредственно из одной из первых инноваций в области промышленной автоматизации — пневматического управления технологическими процессами. До того, как электрическое управление получило широкое распространение, по заводам протянулись километры пневматических линий, обеспечивающих не только мощность для перемещения приводов, но и возможность определять условия. Инженеры-технологи использовали пневматическую систему сигнализации на основе давления — 3 фунта на квадратный дюйм на одном конце диапазона измерения и 15 фунтов на квадратный дюйм на другом. Такой датчик будет изменять давление в линии в зависимости от переменной процесса и может использоваться в качестве входа для самописца, для непосредственного управления клапаном или даже действовать совместно с другими пневматическими датчиками и приводами через сложные пневматические логические контроллеры.

Хотя пневматические системы все еще используются сегодня, особенно в отраслях, где наблюдается бум вокруг электричества, системы с токовой петлей 4–20 мА стали де-факто стандартом в 1940-х и 1950-х годах. В системах с токовой петлей датчик, контролирующий некоторую переменную процесса — температуру, давление, расход и т. д. — подключается к датчику. Передатчик подключается последовательно с источником питания постоянного тока — обычно в промышленных условиях напряжением 24 В. Передатчик отвечает за преобразование выходного сигнала преобразователя в ток от 4 до 20 мА.

Закон Кирхгофа говорит нам, что ток будет одинаковым в каждой точке цепи независимо от напряжения. Таким образом, если напряжение существенно падает из-за того, что провода к передатчику имеют длину полмили, или если напряжение контура меняется из-за того, что где-то на заводе запустился огромный двигатель, это не имеет значения — передатчик поддерживает постоянный ток. для данной переменной процесса.

Конечно, токовые петли не ограничиваются датчиками. Широкий спектр приводов, от клапанов до электроприводов, может управляться с помощью контура 4–20 мА. Также возможен сбор и отображение данных, при этом для цикла доступны самописцы, датчики и индикаторы.

Но почему 4 мА (или 3 фунта на квадратный дюйм, если уж на то пошло) является нижним пределом контура, а не нулем? Легко: потому что он обеспечивает обнаружение внутренних ошибок. Если бы нижнее значение тока контура было установлено равным нулю, было бы невозможно отличить допустимое значение нижнего предела на датчике от обрыва провода контура.

Так как же включить устройство 4–20 мА в свой последний проект Arduino? Преобразование тока обратно в напряжение путем включения резистора в контур и измерения падения напряжения на нем — это действительно все, что нужно. [AvE] проделал математические расчеты, чтобы показать нам, что резистор сопротивлением 250 Ом дает нам размах от одного до пяти вольт, что идеально подходит для аналогового входа Arduino в видео ниже (предупреждение — немного языка NSFW впереди).

У вас может не быть такого же легкого доступа к датчикам и исполнительным механизмам токовой петли, как у человека, работающего в сфере промышленной автоматизации, и ваш проект может не использовать все преимущества стандарта 4–20 мА. Но приятно знать, что он будет рядом, когда и если он вам понадобится.