A 4–20 mA áramhurok az irányítás- és vezérléstechnikában használatos egyik legelemibb és legdominánsabb ipari szabvány a szenzorok folyamatszabályzási körökbe való integrálására. Működése rendkívül egyszerű, elemzésére mindössze az Ohm- és a Kirchoff-törvények ismerete szükséges. A Kirchoff-féle huroktörvény szerint egy áramhurokban az egyes fogyasztókon eső feszültségek és a tápfeszültségek előjeles összege nulla, míg minden elemen azonos erősségű áram folyik keresztül.

Az U tápfeszültség így kifejezhető az egyes áramköri fogyasztókon eső feszültségek (U₁, U₂, U₃) összegeként, melyek egyenként az alábbi módon számíthatók:

U = U₁ + U₂ + U₃ = I * (R₁+R₂+R₃)

1. ábra | Áramhurok

Az egyes áramköri elemeknek megfeleltethető a 4–20 mA áramhurok egy-egy egysége, ahogy az a 2. ábrán is látható. A szenzor valamely fizikai mennyiséget érzékel, ez a mennyiség lesz a folyamat egyik változója. Ezt az értéket egy jelátalakító (transzmitter) áramkör kell, hogy 4–20 mA DC áramerősség-értékké alakítsa, és arányosan kell, hogy betáplálja a hurokba. Ahhoz, hogy a vezetéken áram folyjék, szükség van egy tápegységre, melynek feszültsége általában DC 9 V, 12 V, 24 V, attól függően, hogy az egyes áramköri elemek feszültségesése mekkora (huroktörvény). Az egyes elemeket vezeték köti össze, ennek ellenállásán eső feszültség is beleszámít(hat) a teljes hurok összes feszültségesésébe, melyet a tápegység feszültsége kell, hogy képes legyen kompenzálni.

Ennek elsősorban hagyományos 4–20 mA-es nagy kiterjedésű (hosszú vezetékezést igénylő) hurok esetén van jelentősége. A fent említett jelátalakító feladata, hogy a hurokban futó áramerősséget a szenzor által mért adatokkal arányosan szabályozza 4 és 20 mA közötti értéken. A 4 mA indulóérték jelentősége, hogy a szenzor alsó mérési határához (akár fizikai 0 érték) tartozó áramérték jól megkülönböztethető legyen a meghibásodást jellemző áramerősségtől. A hurok szakadása esetén ez az érték 0 mA, ha a szenzor alsó mérési határához is ezt az áramértéket párosítanánk, akkor nem tudnánk felismerni a vezetékszakadást, így logikusabb a jelátalakítónak egy nullánál nagyobb értéket szolgáltatnia alsó méréshatáron is. Végül a hurok egy pontján szükséges beiktatni egy olyan vevőegységet, ami a 4–20 mA detektálásával képes visszaszámolni a szenzor által mért fizikai jellemző értékét, és kijelezni, továbbítani, vagy máshogy felhasználni azt.

2. ábra | A 4–20 mA áramhurok részei: a szenzor méri a folyamatjellemzőt, a jelátalakító arányosan 4–20 mA DC elektronikus jellé fordítja le ezt, és szabályozza a hurok áramerősségét; a vevőegység pedig kijelzi, feldolgozza vagy továbbítja az adatot

A 4–20 mA áramhurok számos előnnyel rendelkezik a folyamatszabályozásban használt más szabványokkal szemben, hiszen egyszerű a felépítése, az áramjel nem csökken a távolság függvényében (ellentétben a feszültséggel), kevés vezetékezés szükséges hozzá, valamint nem különösebben érzékeny az elektromágneses interferenciára sem. Mivel 4 mA áramerősség-érték tartozik a 0%-os szenzorkimenethez, könnyű a hurok szakadásából eredő hibát detektálni.

Hátránya ennek a rendszernek, hogy egyetlen processz-változó mérésére van lehetőség hurkonként, azaz több párhuzamos mennyiség detektálásánál nő a vezetékezési igény, ami esetleges földhurkok kialakulásához vezethet nem kielégítő izoláció esetén. A kereskedelemben számos 4–20 mA szabványos interfésszel rendelkező szenzor kapható, ezekben az eszközökben általában a szenzor és a jelátalakító áramkör is rendelkezésre áll. Csak az általunk képviselt egyik szenzorgyártónál, a Microsensor cégnél 23 különféle 4–20 mA-es kimenetű nyomásszenzor kapható.

3. ábra | A Microsensor 4–20 mA áramhurokhoz illeszthető nyomásszenzorainak választéka

Már láttuk, hogy a jeladó és a tápegység mellett kulcseleme az áramhuroknak a vevőegység, mely az adatok értelmezéséről kell, hogy gondoskodjon. A feladat viszonylag egyszerű, a szenzor 0%-os értékéhez 4 mA, 100%-os értékéhez 40 mA konstans DC áramerősség tartozik, melyet a jelvevőnek szükséges mérnie. A legegyszerűbb módszer erre egy pontos, kis ismert OHM értékű söntellenállás felhasználásával feszültséget mérni. Ez esetben az 1. ábrán szereplő hurok egyik ellenállása lesz a söntellenállás, melyen eső feszültséget egy mikrovezérlő ADC bemenetével mérve – az ellenállás ismeretében – kalkulálható a hurok áramerőssége, amiből a mikrokontroller vissza tudja számítani a szenzor által mért (pl. nyomás) értéket.

Ezzel meg is valósult a folyamat kitüntetett változójának meghatározása, ami a beavatkozáshoz, a szabályzókör működtetéséhez szükséges. Ezt a beavatkozást a mikrovezérlő illesztő áramkörökön (például relé, FET vagy egyéb teljesítményillesztő elemeken) keresztül elvégezheti. Manapság azonban egyre gyakrabban van szükség az adatok központi tárolására és feldolgozására, ilyenkor a szabályzókör kibővül egy – akár távoli – adathalmazon végzett műveletsorral és az ezt lehetővé tévő hálózati infrastruktúrával. Az áramhurok fizikai kiterjesztése természetesen véges, azonban a vevőegység kibővíthető kommunikációs modullal, ami korszerű GSM-technológia, mint például az NB-IoT, LTE-M, vagy hagyományos 2G hálózat segítségével a mért adatokat egy felhőalapú adatbázisba képes továbbítani. Ilyen megoldás látható a 4. ábrán.

4. ábra |  A Stars’Bridge 4–20 mA nyomásszenzor fogadására alkalmas vevő és kommunikációs áramköre

Az áramkör USB portról táplálható, vagy egy Li-SoCl2 (góliát) lítium eldobható elemről is nagyon hosszú ideig üzemeltethető. Az áramkör elsődleges felhasználása egy nyomásszenzor-alapú talajvízszintmérő alkalmazás. A szenzor 4–20 mA áramhurkos illesztéséhez 24 V-os tápfeszültséget kellett biztosítani, ezt a feszültségemelést egy DC/DC konverterrel kellett megoldani. A Boost áramkör csak a mérés idejére van bekapcsolva, hogy ne terhelje az elemet. Mivel az alkalmazott olcsó mikrokontroller belső A/D átalakítójának felbontása az alkalmazáshoz nem elegendő, egy külső 16 bites ADC került beépítésre, ami I²C buszon keresztül kapcsolódik az MCU-hoz, és egy 4–20 mA hurokba helyezett söntellenálláson eső feszültséget méri. További környezeti paraméterek a 4–20 mA áramhurkon kívüli mérését beépített I²C buszos légköri nyomás, páratartalom és hőmérsékletszenzor biztosítja.

Az adatok gyűjtéséről és a GSM modemen való továbbításáról a mikrokontroller soros buszon keresztül gondoskodik. Az alkalmazott kommunikációs eszköz a FiboCom MA510 modemje, ami az Endrich IoT-infrastruktúra központi kommunikációs eleme. Ez a modem alkalmas az NB-IoT, az LTE-M sávokon is adatokat továbbítani az APN felé, de az LPWA szolgáltatások hiányában alkalmas 2G kommunikációra is. A hosszú működési időt biztosító telepes táplálás kis fogyasztású komponensek használatát igényli, ilyen az alkalmazott mikrokontroller és a GSM modem is. A kártya sziget üzemben erdős, mezős területen akár több tíz méteres mélységben elhelyezett szondával is sokáig működőképes kell, hogy maradjon. A mérési eredményeket napi rendszerességgel kell eljuttatni egy felhőalapú adatbázisba, amihez jelen esetben az Endrich Cloud Database szolgáltatását használjuk. A megjelenítésről az Endrich Visual Gateway gondoskodik.

5. ábra | Az Endrich Visual Gateway a Stars’Bridge 4–20 mA nyomásszenzor adatainak kijelzésére

A teljes koncepció blokkvázlata:

6. ábra | 4–20 mA áramhurkos szenzor kiterjesztése WAN hálózatra