محاسبه مقاومت بار و سیم‌بندی صحیح حلقه ۴ تا ۲۰ میلیآمپر
بیشتر مشکلات حلقه‌های ۴ تا ۲۰ میلیآمپر در راه‌اندازی، از خود ترانسمیتر یا کارت PLC نیست؛ از سیم‌کشی و کمبود ولتاژ در حلقه است. سیگنالی که در ۱۸ میلیآمپر متوقف میشود، عددی که با روشن شدن موتور مجاور نوسان می‌کند یا کانالی که فقط در بعضی ساعات خطا می‌دهد، معمولاً نتیجهٔ محاسبه نکردن مقاومت بار و رعایت نکردن اصول سیم‌بندی است. در این مقاله محاسبهٔ حلقه را با مثال عددی و اصول سیم‌کشی را به‌صورت عملی مرور می‌کنیم.
بودجهٔ ولتاژ حلقه چیست؟
در هر حلقهٔ ۴ تا ۲۰ میلیآمپر یک منبع ولتاژ وجود دارد و این ولتاژ میان همهٔ اجزای سری حلقه تقسیم میشود. اگر جمع ولتاژ لازم برای اجزا از ولتاژ منبع بیشتر شود، جریان نمی‌تواند به ۲۰ میلیآمپر برسد و سیگنال پیش از رسیدن به انتهای بازه متوقف میشود. اجزای مصرف‌کنندهٔ ولتاژ در حلقه این‌ها هستند:
- حداقل ولتاژ کاری ترانسمیتر دو سیمه (از دیتاشیت ترانسمیتر)
- افت ولتاژ روی ورودی گیرنده (کارت PLC، ایزولاتور یا ماژول)
- افت ولتاژ روی مقاومت رفت و برگشت کابل
- افت ولتاژ روی هر تجهیز سری دیگر، مانند نمایشگر یا Barrier
Usupply ≥ Utx,min + Imax × (Rcable + Rload)
در این رابطه Imax را حداقل ۲۰ میلیآمپر بگیرید. اگر سیستم شما جریان‌های خطای NAMUR NE43 (۲۱ میلیآمپر و بیشتر) را تشخیص می‌دهد، محاسبه را با ۲۲ میلیآمپر انجام دهید تا حلقه بتواند جریان خطا را هم برساند.
محاسبهٔ مقاومت کابل
مقاومت هر رشته سیم مسی از رابطهٔ R = ρ × L ÷ A به دست می‌آید که در آن ρ برای مس در ۲۰ درجه حدود ۰٫۰۱۷۵ اهم·میلی‌متر مربع بر متر است. چون جریان از یک رشته می‌رود و از رشتهٔ دیگر برمی‌گردد، طول L دو برابر فاصلهٔ ترانسمیتر تا تابلوست.
| سطح مقطع هر رشته | مقاومت حلقه برای ۱۰۰ متر فاصله | مقاومت حلقه برای ۵۰۰ متر فاصله | افت ولتاژ در ۲۰ mA برای ۵۰۰ متر |
|---|---|---|---|
| ۰٫۵ mm² | حدود ۷ Ω | حدود ۳۵ Ω | حدود ۰٫۷ V |
| ۰٫۷۵ mm² | حدود ۴٫۷ Ω | حدود ۲۳ Ω | حدود ۰٫۴۷ V |
| ۱ mm² | حدود ۳٫۵ Ω | حدود ۱۷٫۵ Ω | حدود ۰٫۳۵ V |
| ۱٫۵ mm² | حدود ۲٫۳ Ω | حدود ۱۱٫۷ Ω | حدود ۰٫۲۳ V |
همان‌طور که جدول نشان می‌دهد، در بیشتر کاربردهای ابزار دقیق مقاومت کابل سهم کوچکی از بودجهٔ ولتاژ دارد. مشکل معمولاً وقتی پیش می‌آید که چند گیرنده به‌صورت سری در حلقه قرار بگیرند یا ولتاژ منبع تغذیه کمتر از مقدار نامی باشد. مقاومت سیم در دماهای بالا هم بیشتر میشود، پس برای مسیرهای طولانی در محیط گرم کمی حاشیه در نظر بگیرید.
مثال ۱: خروجی ایزولاتور به کارت ورودی PLC
خروجی ایزولاتور DEP-1I-1IS در حالت Active به یک کارت ورودی آنالوگ PLC با مقاومت ورودی ۲۵۰ اهم وصل شده است. فاصلهٔ تابلو تا PLC ۵۰ متر است و کابل ۰٫۷۵ میلی‌متر مربع دارد.
- مقاومت کابل: ۱۰۰ متر × ۰٫۰۱۷۵ ÷ ۰٫۷۵ ≈ ۲٫۳ اهم
- مقاومت کل بار: ۲۵۰ + ۲٫۳ ≈ ۲۵۲ اهم
- حداکثر بار مجاز خروجی: ۸۰۰ اهم
- نتیجه: ۲۵۲ اهم بسیار کمتر از ۸۰۰ اهم است و حلقه بدون مشکل کار می‌کند.
اگر بخواهید یک نمایشگر با مقاومت ورودی ۲۵۰ اهم را هم به‌صورت سری اضافه کنید، مقاومت کل حدود ۵۰۲ اهم میشود که هنوز در محدوده است. اما همان‌طور که در مقالهٔ تفاوت ایزولاتور و داپلیکیتور سیگنال توضیح داده‌ایم، سری کردن دو گیرنده دو سیستم را به هم وابسته می‌کند و راه‌حل بهتر استفاده از داپلیکیتور است.
مثال ۲: تغذیهٔ ترانسمیتر دو سیمه از ایزولاتور
یک ترانسمیتر فشار دو سیمه با حداقل ولتاژ کاری ۱۲ ولت (این عدد را از دیتاشیت ترانسمیتر خود بردارید) در فاصلهٔ ۵۰۰ متری تابلو نصب شده و ورودی ایزولاتور در حالت Active است؛ یعنی ایزولاتور با منبع ۲۴ ولت ایزولهٔ داخلی خودش ترانسمیتر را تغذیه می‌کند.
- ولتاژ منبع تغذیهٔ سنسور: ۲۴ ولت
- افت ولتاژ ورودی ایزولاتور در ۲۰ میلیآمپر: کمتر از ۳٫۵ ولت
- افت ولتاژ کابل ۰٫۷۵ میلی‌متر مربع برای ۵۰۰ متر در ۲۰ میلیآمپر: حدود ۰٫۴۷ ولت
- ولتاژ باقی‌مانده روی ترانسمیتر: ۲۴ − ۳٫۵ − ۰٫۴۷ ≈ ۲۰ ولت
- نتیجه: ۲۰ ولت از حداقل ۱۲ ولت ترانسمیتر بیشتر است و حدود ۸ ولت حاشیه باقی می‌ماند.
این حاشیه مهم است؛ اگر بعدها یک نمایشگر حلقه‌ای یا Barrier ایمنی ذاتی به حلقه اضافه شود، افت ولتاژ آن باید از همین حاشیه تأمین شود.
سیم‌بندی ترانسمیتر ۲، ۳ و ۴ سیمه
ترانسمیتر دو سیمه (Loop-Powered)
تغذیه و سیگنال از همان دو سیم عبور میکنند. ترانسمیتر جریان مصرفی خودش را بین ۴ و ۲۰ میلیآمپر تنظیم می‌کند. این ترانسمیتر Passive است و یک منبع ولتاژ در حلقه لازم دارد؛ یا ورودی Active گیرنده یا یک منبع ۲۴ ولت خارجی.
ترانسمیتر سه سیمه
یک سیم مثبت تغذیه، یک سیم خروجی جریان و یک سیم مشترک برای منفی تغذیه و برگشت سیگنال دارد. چون مرجع تغذیه و سیگنال یکی است، اختلاف پتانسیل زمین بین دو سر مسیر مستقیم روی سیگنال اثر می‌گذارد و استفاده از ایزولاتور در این نوع اتصال اهمیت بیشتری دارد.
ترانسمیتر چهار سیمه
تغذیهٔ ترانسمیتر (اغلب ۲۲۰ ولت AC یا ۲۴ ولت DC) از مسیر سیگنال جداست و خروجی جریان معمولاً Active است. در این حالت گیرنده باید Passive باشد تا دو منبع ولتاژ در حلقه با هم درگیر نشوند.
قاعدهٔ اصلی در همهٔ این حالت‌ها یکی است: در هر حلقه دقیقاً یک منبع ولتاژ. برای جزئیات بیشتر مقالهٔ تفاوت ورودی Active و Passive را ببینید.
اصول سیم‌کشی صحیح سیگنال ۴ تا ۲۰ میلیآمپر
- کابل زوج به‌هم‌تابیده و شیلددار: تابیدگی سیم‌ها نویز القایی را در دو رشته یکسان می‌کند و اثر آن خنثی میشود. شیلد هم میدان الکتریکی را از هادی‌ها دور نگه می‌دارد.
- زمین کردن شیلد در یک سر: شیلد را فقط در سمت تابلو به شینهٔ زمین ابزار دقیق وصل کنید و سر دیگر را عایق کنید. زمین کردن شیلد در دو سر، خودش یک حلقهٔ زمین می‌سازد.
- جدا کردن مسیر سیگنال از قدرت: کابل‌های سیگنال را در سینی یا داکت جداگانه از کابل‌های قدرت، به‌خصوص کابل خروجی اینورترها، عبور دهید و در صورت ناچاری، آن‌ها را با زاویهٔ ۹۰ درجه از هم عبور دهید.
- سرسیم مناسب: در ترمینال‌های پیچی و پلاگین از سرسیم وارو (Ferrule) استفاده کنید تا رشته‌های سیم پخش نشوند و اتصال در اثر لرزش سست نشود.
- رعایت پلاریته و برچسب‌گذاری: رنگ‌بندی و شماره‌گذاری یکسان سیم‌ها در کل پروژه، اشتباه در جابه‌جایی مثبت و منفی را کم می‌کند.
- کمترین تعداد اتصال میانی: هر ترمینال میانی یک نقطهٔ احتمالی خرابی است. جعبه‌تقسیم‌ها را به حداقل برسانید و ترمینال‌ها را دوره‌ای بازدید کنید.
خطاهای رایج و نشانه‌های آن‌ها
| نشانه | علت محتمل | بررسی پیشنهادی |
|---|---|---|
| سیگنال پیش از ۲۰ mA متوقف میشود | بار حلقه بیش از حد یا ولتاژ منبع کم است | بودجهٔ ولتاژ را دوباره حساب و ولتاژ ترمینال ترانسمیتر را در جریان بالا اندازه بگیرید |
| جریان صفر است | حلقه منبع ولتاژ ندارد (Passive به Passive) یا سیم قطع است | ولتاژ دو سر ترانسمیتر را اندازه بگیرید |
| جریان بیشتر از ۲۰ mA یا کارت آسیب دیده | دو منبع ولتاژ در حلقه (Active به Active) | حالت ورودی و خروجی هر دو طرف را بررسی کنید |
| نوسان با روشن شدن موتور یا اینورتر | نویز القایی، شیلد ناقص یا هم‌مسیری با کابل قدرت | مسیر کابل و اتصال شیلد را بررسی کنید |
| آفست ثابت در عدد خوانده‌شده | حلقهٔ زمین یا نشت جریان به بدنه | از ایزولاتور سیگنال استفاده کنید و عایق کابل را تست کنید |
برای اندازه‌گیری جریان بدون باز کردن حلقه، می‌توانید ولتاژ دو سر مقاومت ورودی گیرنده را اندازه بگیرید. روی مقاومت ۲۵۰ اهم، ۱ ولت یعنی ۴ میلیآمپر و ۵ ولت یعنی ۲۰ میلیآمپر.
محصولات مرتبط دلیجه ارتباط پویا
DEP-1I-1IS
ایزولاتور جریان ۴–۲۰ mA
- بار خروجی تا ۸۰۰ Ω
- افت ورودی کمتر از ۳٫۵ V
- تغذیه سنسور ۲۴ VDC
DEP-1I-2IS
داپلیکیتور جریان ۱ به ۲ ایزوله
- ۲ خروجی مستقل
- بار هر خروجی تا ۸۰۰ Ω
- ایزولاسیون ۴ طرفه
DEP-8I24-MB
ماژول ۸ کاناله ۴–۲۰ mA به Modbus RTU
- امپدانس ورودی کمتر از ۱۶۵ Ω
- رزولوشن ۲۴ بیتی
- RS-485 ایزوله
پرسش‌های متداول
حداکثر مقاومت بار در خروجی ۴ تا ۲۰ میلیآمپر یعنی چه؟
یعنی بیشترین مجموع مقاومتی که خروجی میتواند جریان ۲۰ میلیآمپر را از آن عبور دهد. این مجموع شامل مقاومت ورودی گیرندهها (مثلاً کارت PLC) و مقاومت رفت و برگشت کابل است. اگر بار از این حد بیشتر شود، خروجی در بالای بازه اشباع میشود و مقدار واقعی را نشان نمیدهد.
حداکثر مقاومت بار خروجی DEP-1I-1IS و DEP-1I-2IS چقدر است؟
حداکثر مقاومت بار هر خروجی ۸۰۰ اهم است. یعنی مجموع مقاومت ورودی گیرنده و مقاومت کابل در هر خروجی نباید از ۸۰۰ اهم بیشتر شود.
مقاومت کابل در حلقه ۴ تا ۲۰ میلیآمپر را چگونه حساب کنیم؟
مقاومت هر رشته مسی برابر ۰٫۰۱۷۵ ضرب در طول بر حسب متر تقسیم بر سطح مقطع بر حسب میلی‌متر مربع است. چون جریان رفت و برگشت دارد، طول را دو برابر فاصلهٔ ترانسمیتر تا تابلو در نظر بگیرید. برای مثال ۵۰۰ متر فاصله با کابل ۰٫۷۵ میلی‌متر مربع حدود ۲۳ اهم مقاومت حلقه دارد.
شیلد کابل سیگنال ۴ تا ۲۰ میلیآمپر را کجا زمین کنیم؟
در بیشتر کاربردها شیلد فقط در یک سر، معمولاً سمت تابلو یا اتاق کنترل، به شینهٔ زمین ابزار دقیق وصل میشود و در سمت ترانسمیتر آزاد و عایق می‌ماند تا شیلد خودش به مسیر حلقهٔ زمین تبدیل نشود.
آیا ماژولهای DEP-8I12-MB و DEP-8I24-MB ترانسمیتر را تغذیه میکنند؟
خیر. این ماژولها ترانسمیتر را تغذیه نمیکنند و برای ترانسمیترهای دو سیمه باید منبع تغذیه خارجی در حلقه قرار گیرد.
چطور جریان حلقه را بدون باز کردن مدار اندازه بگیریم؟
اگر گیرنده یک مقاومت ورودی مشخص دارد، ولتاژ دو سر آن را اندازه بگیرید و بر مقاومت تقسیم کنید. برای مثال روی مقاومت ۲۵۰ اهم، ۱ ولت معادل ۴ میلیآمپر و ۵ ولت معادل ۲۰ میلیآمپر است. روش دیگر استفاده از آمپرمتر کلمپی میلی‌آمپری است.
جمع‌بندی
پیش از اجرای هر حلقهٔ ۴ تا ۲۰ میلیآمپر، بودجهٔ ولتاژ آن را روی کاغذ حساب کنید: ولتاژ منبع، حداقل ولتاژ ترانسمیتر، مقاومت گیرندهها و مقاومت کابل. مقاومت کل بار را با حداکثر بار خروجی (در محصولات DEP برابر ۸۰۰ اهم) مقایسه کنید و حاشیه‌ای برای تجهیزات آینده نگه دارید. در اجرا هم کابل زوج به‌هم‌تابیدهٔ شیلددار، زمین کردن شیلد در یک سر و جداسازی از کابل قدرت را رعایت کنید. حلقه‌ای که درست محاسبه و درست سیم‌کشی شده باشد، سال‌ها بدون نیاز به عیب‌یابی کار می‌کند.