Перейти к содержанию

Живой ноль (live zero)

Шкала токовой петли начинается с 4 мА, хотя, казалось бы, проще с нуля. Смещённый ноль — «живой»: он отличает нулевое значение величины от оборванного провода и оставляет датчику ток на собственное питание.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Живой ноль (live zero) — начало шкалы аналогового сигнала не с нуля, а со смещённого значения. В токовой петле 4–20 мА нулю измеряемой величины соответствует 4 мА, верхнему краю шкалы — 20 мА. Смещение даёт две вещи: ток 0 мА перестаёт быть допустимым значением и однозначно говорит о неисправности, а двухпроводный датчик получает ток на собственное питание. Подробно устройство петли разобрано в статье «Токовая петля 4–20 мА».

Диагностика обрыва

При шкале с нуля обрыв провода, отключённое питание и нулевое значение величины выглядят одинаково — как отсутствие тока. С живым нулём нормальный ток не опускается ниже 4 мА, и приёмник может считать неисправностью всё, что заметно меньше. Рекомендация NAMUR NE43 развивает эту идею: ток от 3,8 до 20,5 мА — ещё измерение с небольшим выходом за шкалу, а ниже 3,6 мА и выше 21 мА — сигнал отказа датчика (в изложении TI, DAC161S997, разд. 9.2.2). Передатчики вроде AD5421 умеют сами выставить аварийный ток: 3,2 мА вниз или 22,8 либо 24 мА вверх.

Питание датчика от петли

Двухпроводный передатчик включён последовательно с источником питания и резистором приёмника и живёт на том же токе, который передаёт. Значит, вся его электроника должна обходиться током меньше 4 мА, и ещё нужно оставить возможность опустить выход ниже 4 мА для аварийного сигнала. У XTR115 внешним цепям датчика доступно больше 3,7 мА, у AD5421 — 3,15 мА при токе петли 4 мА. Сколько напряжения при этом нужно передатчику, задаёт его напряжение соответствия.

Пересчёт в величину

Связь тока и измеряемой величины линейная, но начинается с 4 мА:

X=Xмин+I−4 мА16 мА⋅(Xмакс−Xмин).X = X_\text{мин} + \frac{I - 4\ \text{мА}}{16\ \text{мА}} \cdot \left( X_\text{макс} - X_\text{мин} \right).

Если ток измеряют резистором, напряжение на нём тоже начинается не с нуля: по закону Ома на 250 Ом шкала 4–20 мА превращается в 1–5 В (наш расчёт, см. калькулятор закона Ома). Приёмник, который видит заметно меньше 1 В, должен считать это обрывом, а не нулём величины.

Не путать

С ошибкой смещения АЦП или прибора: живой ноль — намеренное смещение шкалы, заложенное в сам сигнал, а не погрешность, которую нужно калибровать.

Частые вопросы

Почему не 0–20 мА?

Со шкалой 0–20 мА ток 0 мА означал бы и нулевое значение величины, и обрыв провода, и отключённое питание — различить их нельзя. С живым нулём 0 мА заведомо означает неисправность. Кроме того, двухпроводный датчик питается от тока петли и при нуле тока работать не смог бы.

Как пересчитать ток в значение величины?

Линейно от 4 мА: X = Xмин + (I − 4 мА) / 16 мА · (Xмакс − Xмин). Например, для датчика давления 0–10 бар ток 12 мА — это (12 − 4) / 16 = 50 % шкалы, то есть 5 бар (наш расчёт).

Ток 3,7 мА — это ошибка или ещё измерение?

По рекомендации NAMUR NE43, как её приводит TI, ток от 3,8 до 4 мА — допустимый выход за нижний край шкалы, ниже 3,6 мА — сигнал отказа, а промежуток 3,6–3,8 мА отдельного смысла не имеет. Значение 3,7 мА попадает в этот промежуток; как его трактовать, решает разработчик системы.

Источники

  1. Texas Instruments. XTR115, XTR116 4-20mA Current-Loop Transmitters, SBOS124C — разд. 1 — двухпроводный передатчик 4–20 мА со стабилизатором 5 В для внешних цепей; разд. 8.1.2 — внешним цепям доступно больше 3,7 мА при сохранении возможности опустить выходной ток ниже 4 мА
  2. Texas Instruments. DAC161S997 16-Bit SPI-Programmable DAC for 4-20 mA Loops, SNAS621A — разд. 9.2.2 и рис. 26 — рекомендация NAMUR NE43 в изложении TI: 3,8–20,5 мА — расширенный диапазон измерения, ниже 3,6 мА и выше 21 мА — информация об отказе
  3. Analog Devices. AD5421 16-Bit, Serial Input, Loop-Powered, 4 mA to 20 mA DAC, Rev. I — диапазоны 4–20, 3,8–21 и 3,2–24 мА; аварийные токи 3,2 мА вниз и 22,8 или 24 мА вверх; внешним цепям доступно 3,15 мА при токе петли 4 мА

Нашли ошибку?

Смотрите также