Signál 4–20 mA srozumitelně: jak funguje a proč ho používají snímače

Krátce: Signál 4–20 mA přenáší naměřenou hodnotu jako proud: 4 mA odpovídají začátku rozsahu, 20 mA konci. Proud se na dlouhém kabelu neztrácí a je odolný proti rušení. Díky „živé nule“ na 4 mA řídicí systém pozná přerušený vodič. Proto je 4–20 mA nejrozšířenějším analogovým výstupem snímačů tlaku, teploty a hladiny.

1. Proč proud, a ne napětí

Napěťový signál (například 0–10 V) klesá s odporem vedení, takže na dlouhém kabelu řídicí systém „vidí“ nižší hodnotu. Proud je ve smyčce všude stejný. Vysílač ho udrží bez ohledu na délku kabelu, pokud zdroj stačí (viz kapitola 4). Proudová smyčka je také méně citlivá na elektromagnetické rušení.

Snímače tlaku se vyrábějí v obou analogových variantách i s digitálním výstupem, viz snímače IO-Link.

2. Živá nula: proč začínat na 4 mA

• Detekce poruchy: hodnota 0 mA znamená přerušený kabel nebo vadný snímač, ne nulový tlak. Při výstupu 0–20 mA nebo 0–10 V byste to nerozlišili.
• Napájení po signálu: 4 mA stačí k napájení elektroniky dvouvodičového snímače, takže nepotřebuje samostatné napájecí vodiče.
• Poruchové stavy: mnoho přístrojů hlásí poruchu proudem pod 3,6 mA nebo nad 21 mA podle doporučení NAMUR NE 43. Konkrétní chování je uvedené v technickém listu snímače.

3. Přepočet proudu na naměřenou hodnotu

Vztah je lineární: hodnota = (I − 4) / 16 × rozsah + začátek rozsahu.

Tip: Chcete hodnotu vidět přímo na místě? Zobrazovací jednotky LCD a LED se zapojí do smyčky 4–20 mA a zobrazí hodnotu v barech nebo °C.

4. Zapojení: dvouvodičové a třívodičové

• Dvouvodičové: napájení i signál jdou po stejných dvou vodičích. Snímač odebírá ze smyčky 4–20 mA. Nejběžnější provedení u snímačů tlaku.
• Třívodičové: snímač má samostatné napájení a signál má společnou zem. Používá se tam, kde elektronika potřebuje víc energie.

Napájení a zátěž smyčky. Každý snímač potřebuje minimální napájecí napětí (uvádí se například „DC 8…35 V“) a na odporu smyčky (vstup řídicího systému, kabel, zobrazovač) napětí ubývá. Největší přípustná zátěž se orientačně spočítá:

R_max = (U_napájení − U_{min snímače}) / 0,02 A

Příklad: zdroj 24 V, snímač s minimem 8 V → (24 − 8) / 0,02 = 800 Ω. Pokud součet odporů ve smyčce tuto hodnotu překročí, snímač nedokáže dosáhnout 20 mA a horní část rozsahu se „ořízne“.

5. Kde se 4–20 mA používá

• Tlak: snímače tlaku, například řada WIKA A-10, a diferenční snímače.
• Teplota: odporové čidlo s teplotním převodníkem, který signál čidla převede na 4–20 mA. Přehled v kategorii snímače teploty.
• Hladina: ponorné sondy a snímače hladiny.
• Kontrola a kalibrace: kalibrační přístroje.

Nejčastější chyby

• Slabý zdroj nebo příliš velký odpor smyčky: hodnota nedosáhne konce rozsahu.
• Přepólování dvouvodičového snímače.
• Záměna 4–20 mA a 0–20 mA v nastavení vstupu řídicího systému.
• Nestíněný kabel vedený souběžně se silovými kabely.
• Vyhodnocení 0 mA jako nulové hodnoty místo poruchy.