Pętla prądowa 4–20 mA — jak działa i jak przeliczyć sygnał
Dlaczego w automatyce przemysłowej sygnał zaczyna się od 4 mA, a nie od zera, jak przeliczyć prąd na ciśnienie lub temperaturę i jak rozpoznać przerwę w obwodzie.
Standard 4–20 mA to najpopularniejszy sposób przesyłania pomiarów analogowych w przemyśle. Przetwornik ciśnienia, temperatury czy poziomu zamienia wartość mierzoną na prąd płynący w pętli, a sterownik PLC odczytuje ten prąd i przelicza go z powrotem na jednostki procesowe.
Dlaczego prąd, a nie napięcie
W szeregowym obwodzie płynie ten sam prąd w każdym miejscu. Spadki napięcia na długich przewodach nie zmieniają więc wyniku, dopóki zasilacz ma zapas napięcia. Sygnał prądowy jest też mniej podatny na zakłócenia niż napięciowy 0–10 V, dlatego sprawdza się na odległościach rzędu setek metrów.
Dlaczego 4 mA, a nie 0
- Wykrywanie awarii: 0 mA oznacza przerwę w przewodzie lub brak zasilania, a nie „zero na skali”. Sterownik odróżnia awarię od minimalnego pomiaru.
- Zasilanie z pętli: przetworniki dwuprzewodowe pobierają do pracy energię z tej samej pętli — 4 mA wystarcza, żeby elektronika działała także przy dolnym końcu zakresu.
Wzór na przeliczenie
Zależność jest liniowa. Dla zakresu pomiarowego od Wmin do Wmax:
wartość = Wmin + (I − 4) / 16 × (Wmax − Wmin) I = 4 + (wartość − Wmin) / (Wmax − Wmin) × 16
Przykład: przetwornik ciśnienia 0–10 bar, sterownik mierzy 13,6 mA. Ciśnienie = 0 + (13,6 − 4) / 16 × 10 = 6 bar.
Przykład z zakresem ujemnym: czujnik temperatury −50…+150 °C podaje 8 mA. T = −50 + (8 − 4) / 16 × 200 = 0 °C.
Punkty kontrolne
| % zakresu | Prąd | 0–10 bar |
|---|---|---|
| 0% | 4 mA | 0 bar |
| 25% | 8 mA | 2,5 bar |
| 50% | 12 mA | 5 bar |
| 75% | 16 mA | 7,5 bar |
| 100% | 20 mA | 10 bar |
Sygnały awarii według NAMUR NE 43
Zalecenie NAMUR NE 43 porządkuje znaczenie prądów spoza zakresu. Pomiar prawidłowy mieści się między 3,8 a 20,5 mA (lekkie przekroczenie skali). Prąd ≤ 3,6 mA lub ≥ 21 mA oznacza awarię przetwornika — urządzenie celowo wystawia taki sygnał po wykryciu usterki.
Budżet napięcia pętli
Zasilacz musi pokryć spadki napięcia na wszystkich elementach przy prądzie 20 mA: minimalne napięcie pracy przetwornika, rezystor pomiarowy wejścia (np. 250 Ω daje 5 V) i rezystancję przewodów. Przykład: przetwornik potrzebuje 12 V, wejście 250 Ω to 5 V, przewody 2 × 20 Ω to 0,8 V — razem 17,8 V. Zasilacz 24 V ma zapas.
Odczyt cyfrowy
Karta wejść analogowych zamienia prąd na liczbę, np. 0–27 648 w sterownikach Siemens S7 albo 4000–20 000 w wielu innych modułach. Wartość procesową liczy się wtedy tym samym wzorem liniowym, podstawiając zakres liczb zamiast miliamperów. Gdy dane trafiają dalej przez Modbus, przydaje się konwerter rejestrów Modbus.
Przeliczenia w obie strony, tabelę punktów kontrolnych i ocenę stanu pętli dostaniesz w kalkulatorze sygnału 4–20 mA.
Narzędzia do tego poradnika
4-20 mAautomatykaprzetwornikPLCskalowanieNAMUR