4–20mA Akım Döngüsü : Volume-1

Merhaba sevgili okurlar ve araştırmayı sevenler. Bu yazımda endüstriyel proses kontrolünde sıkça adını duyduğumuz 4–20mA akım döngüsü standardından bahsedeceğim. Yazımızın ilerleyen kısımlarında ise 4–20mA akım döngüsü oluşturmak için nasıl bir yol izlemeliyiz, hangi komponent ve araçları kullanabiliriz biraz onu irdeleyeceğiz.

Tanım :

Akım döngüsü (current loop), verici (transmitter) ile alıcı veya kontrolör (controller) arasında, ölçülen bir büyüklüğün (endüstride genelde basınç, sıcaklık, voltaj vb.) elektrik akımına çevrilerek iletilmesi yöntemidir.

Hikayesi :

Elektriğin henüz keşfedilmediği ya da endüstride günümüzdeki kadar yaygın olmadığı zamanlarda ölçüm ve proses kontrolü için pnömatik sistemler kullanılırmış. Pnömatik iletim hattındaki bu basınç da 3–15 PSI (Pounds Per Square Inch) aralığında imiş. Yani 3 PSI basıncın anlamı %0 ve 15 PSI basıncın anlamı da %100 imiş. 1950'lere gelindiğinde ise pnömatik vericiler yerini 4–20mA elektronik analog vericilere bırakmaya başlar. Günümüze gelindiğinde ise bir endüstri standardı formunu alır.

Bir örnek vermek gerekirse : diyelim bizim bir sensörümüz var ve bu sensör 0 -50 °C aralığında(range) sıcaklık ölçüyor olsun (değerler tamamen uydurmadır). Eğer sensör 4–20mA bir çıkışa sahipse vereceği akım değerleri kontrolör tarafından aşağıdaki gibi değerlendirilir değil mi?

Görüldüğü gibi her ölçülen sıcaklığın elektriksel olarak bir akım karşılığı var. Bunu formüle edecek olursak :

Iout = (Imax — Imin) / (Tmax — Tmin) x ölçülen sıcaklık + Imin

Burada Imin = 4mA ve Imax = 20mA olduğundan daha özelleştirilmiş bir formül yazabiliriz.

Iout = (20–4) / (50–0) x ölçülen sıcaklık + 4

Iout = 0,32 x ölçülen sıcaklık + 4

Aslında yaptığımız şey 0–50 C’yi 4–20mA aralığına haritalamak oldu.

Neden 4mA ve 20mA?

Peki hiç düşündünüz mü neden 4 ve 20mA standart olarak kabul edilmiş? Yani 0–100mA olamaz mıydı? Minimum 0mA kabul edilseydi ne olurdu?

Diyelim ki döngüdeki en düşük akım değeri 0mA ve şu an ölçülen sıcaklık değeri 0 °C. Bir kaza meydana geldi ve akım döngüsü hattı hasar aldı veya koptu. Kontrolör hiçbir akım alamayacağı için için bu durum kendisi için hâlâ 0mA’dir değil mi? Yani ister verici 0mA göndersin ister hiç gönderemesin kontrolör her halükârda 0mA olarak değerlendirecektir. Bu problem dead zero problemi olarak isimlendirilir. Dead zero problemi prosesin kontrolünde ciddi sıkıntılar doğurur. Ama 4mA gibi sıfırdan farklı bir değeri minimum seçersek, kontrolöre en az 4mA iletilmediği durumlarda kontrolör bunu algılar ve hata/uyarı durumları oluşturulabilir. Peki… Aklınıza ikinci bir soru daha gelebilir: neden 1mA, 2mA veya 3mA değil de 4mA? Yine eski zamanlarda analog komponentler minimum 3mA harcama eğiliminde olduklarından 3mA’in bir tık üstü olan 4mA seçilmiş.

Gelgelelim 20mA’e. Neden 20mA üst sınır? Aslında bu durum insan biyolojisi ile alakalı. 30mA ve üstü akım değerlerinin insan hayatı için tehlikeli olabileceği biliniyor. O yüzden ki 30mA değerine yaklaşan bir değer seçilmemiş.

Son olarak pnömatikteki 3–15 PSI aralığına bakacak olursak oran 1 : 5'tir. Hesaplama kolaylığı açısından analog tarafta da bu oran korunmuş ve aralık 4–20mA olarak belirlenmiştir.

Avantajları :

• 4–20mA akım döngüsü iletim hattında oluşabilecek gürültülerden daha az etkilenir.
• Voltaj yerine akım kullanıldığından uzak mesafelere veri kaybı olmadan iletilebilir (yaklaşık 1000 feet kadar olduğu söyleniyor).
• İnsan hayatı için tehlikeli olabilecek bir akım ihtiva etmez.
• Hat kopması gibi durumlar anında tespit edilebilir.

4–20mA Döngüsü Kurulum Çeşitleri :

Genel olarak dört tip kurulum karşımıza çıkar:

1. 3-Kablo, İzole Olmayan ve Verici Kaynak (Source) Akım Yönlü Kurulum :

Türkçesi biraz absürt oldu farkındayım. Bu kurulumda kaynağın + ucu vericiyi besler ve — ucu (ground) akım döngüsü ile ortaktır. 4–20mA akım yönü vericiden kontrolöre doğrudur.

2. 3-Kablo, İzole Olmayan ve Verici Gider (Sink) Akım Yönlü Kurulum :

Bu kurulumda da yine kaynağın + ucu vericiyi besler fakat akım döngüsü ile ortak uç + olan uçtur. Akım kontrolörden vericiye doğrudur.

3. 2-Kablo Döngü Beslemeli (Loop Powered)

Akım döngü hattı aynı zamanda vericinin besleme hattıdır. O yüzden döngü beslemeli (loop powered) kurulum da denmektedir. Doğal olarak izole değildir.

4. 4-Kablo, Tam İzolasyonlu Kurulum

Kontrolör ve vericinin güç kaynakları ayrıdır. Aralarındaki tek bağlantı akım döngüsüdür.

Şimdi biz asıl konumuza dönelim. Diyelim ki bir kontrolörümüz var ve bu kontrolöre herhangi bir sensörden okuduğumuz veriyi 4–20mA akım döngüsü ile iletmemiz gerekiyor. Nasıl bir yol izlemeliyiz? Sizi Texas Instrument (TI)’in XTR111 çipi ile tanıştırayım. Kendisinin farklı kurulumlar için birkaç türdaşı bulunur fakat XTR111 çipi 1. maddede değindiğimiz akım kaynak (current source) destekli voltaj/akım konvertörü ve transmitter çipidir. Şimdi gelin hep birlikte biraz özelliklerini inceleyelim:

• 0–36mA’e kadar akım verebilir (ki bu da 4–20mA aralığını rahatlıkla içine alır).
• Doğruluktan sapması çevre faktörlerine bağlı olarak 0.015% kadardır.
• 7V’tan 44V’a kadar geniş bir besleme aralığına sahiptir.
• Hat kopması vb. durumlarda EF pininden hata sinyali üretebilir.

Şekildeki formülden de görüldüğü üzere çıkış akımının (IOUT) ne olacağı VIN giriş voltajına ve RSET direncine bağlıdır. Hemen bir örnek verelim :

Diyelim ki RSET 2K Ohm değerinde bir direnç ve VIN = 5V olsun.

Bu durumda IOUT = 10 x 5V / 2K = 25mA hesaplanır. Bu da XTR111 çipinin verebileceği akım aralığındadır.

Uygulamalarda ise XTR111 tek başına yeterli olmayabilir. Çünkü yukarıda da bahsettiğimiz gibi çıkış akımını belirleyen argümanlardan biri de giriş voltajıdır. Giriş voltajının nasıl şekilleneceğine de biz karar vermeliyiz ve sınırları gözeterek RSET direncini seçmeliyiz. Tabii ki aklımıza ilk gelenlerden biri belki de yazılımsal olarak voltajı değiştirmek. Bunun için de sizi Microchip firmasının MCP4921 dijital-analog konvertör (DAC)’ü ile tanıştırayım.

Efendim kendisi SPI arayüzlü olup 12-bit çevrim çözünürlüğüne sahiptir. Bazı türdeşleri dahili 2.048V referansa gerilimine sahiptir fakat MCP4921 harici bir referansa ihtiyaç duyar.

Yukarıda görülen şekil MCP4921'in blok diyagramı. Çok basit bir yapıda. İnanın kullanması çok basit. Beslemesi, referans voltajı, SPI pinleri ve tabii ki out pini.

İhtiyacımız olan son bir şey kaldı. O da eğer dahili referans voltajlı bir DAC modelini kullanmayacak isek harici bir referans voltaj kaynağı. Yine Microchip firmasının MCP1501 serisi gayet güzel. Bu ailenin de çeşitli voltaj referans seviyeleri verebilen modelleri mevcut aşağıdaki listeden görebilirsiniz:

Ben 4.096V çıkış vermesi maksadı ile devremde MCP1501T-40E modelini kullanmıştım.

O halde bizim aşağıdaki gibi bir sistem kurmamız gerek değil mi?

Burada datanın ne olduğu önemli değil. Önemli olan mikrodenetleyici gibi bir kontrol biriminin sensör datasını doğru bir şekilde yorumlayıp SPI arayüzü ile MCP4921 DAC’a ne göndereceğini hesaplayabilmesidir.

Son olarak sizinle daha önce gerçeklemiş olduğum bu devrenin görüntüsünü paylaşıyorum.

Şimdilik bu kadar sevgili okurlar. Sonraki yazımda ya da aşağıdaki linkte vermiş olduğum youtube kanalımda uygulama biçiminde paylaşım düşünüyorum. Sağlıcakla kalın…

Linkler :

https://www.youtube.com/c/Ellid%C3%B6rtBit

Kaynaklar :

https://www.youtube.com/watch?v=Qyl_dvbgG2Y&ab_channel=InstrumentationTools

https://www.elcosh.org/document/1624/888/d000543/section2.html

https://instrumentationtools.com/4-20-ma-transmitter-wiring/

https://engineerscommunity.com/t/4-20ma-current-loop-transmitter-principle/6599