ЖУРНАЛ СТА №4/2025

нённость реализации искробезопасных решений и дополнительные расходы на кабельную инфраструктуру. Тем не ме- нее в отдельных случаях, например при работе с энергоёмкими датчиками и си- стемами анализа, четырёхпроводная си- стема остаётся единственным возмож- ным вариантом. Трёхпроводные контуры занимают промежуточное положение между че- тырьмя и двумя проводами, предлагая некоторую свободу выбора, характер- ную для четырёхпроводных цепей, при одновременном снижении расходов на монтаж за счёт сокращения числа про- водов. Основным недостатком данной конфигурации является совмещение земляного и сигнального проводников, что влечёт за собой риск возникнове- ния значительных потерь напряжения (IRDROP) на общем заземляющем про- воде при высоком токе потребления или увеличенной длине линии. Этот фактор отрицательно сказывается на точности передачи сигнала в режиме напряжения. Проблему удаётся обойти при работе в режиме токового или ча- стотного сигнала (рис. 12). При упоминании двухпроводных контуров многие сразу вспоминают схему с сигналом 4…20 мА, однако сюда входят и другие типы измерений, та- кие как работа с термопарами, датчи- ками рН и окислительно-восстанови- тельного потенциала (ОВП). Эти устройства вырабатывают собствен- ные сигналы, обычно имеющие не- большой размах (от 0 до 500 мВ), и силь- но зависят от влияния электромагнит- ных помех. Дополнительно их функ- ционирование ограничено факторами, связанными с сопротивлением изоля- ции и параметрами входных каскадов усилителей. Двухпроводная конфигу- рация с токовым сигналом решает мно- гие из перечисленных проблем. Ло- кальная обработка сигнала позволяет минимизировать негативное воздей- ствие посторонних помех, сделав её стандартом для большинства жизнен- но важных измерений в автоматизи- рованных системах управления про- изводством. Экономичность обуслов- лена снижением расходов на проводку и лёгким внедрением методов взрыво- защиты. Ограниченность подхода свя- зана с необходимостью соблюдения строгих лимитов по энергоснабжению. Передатчик обязан выполнять все операции в рамках ограниченного ре- сурса питания. Источник возбуждения, усиление и преобразование сигнала обязаны укладываться в рамки 4 мА то- ка и 12–36 В напряжения. Получатель сигнала обычно вынужден сначала преобразовывать ток в напряжение и сдвигать уровень сигнала в нулевую точку, чтобы полноценно задейство- вать весь диапазон аналого-цифровых преобразований. Неправильно спроек- тированная схема способна вносить до- полнительные ошибки как в нулевой отметке, так и в диапазоне измерений. Контуры напряжения передают си- стеме сбора данных величину напря- жения, пропорциональную измеряе- мым физическим параметрам. Факто- ры, определяющие качество сигнала, включают природу источника напря- жения, внутренний импеданс, длину линии и характеристики приёмного оборудования. Принцип построения та- кой цепи представлен на рис. 13, где изображены важные моменты, подле- жащие учёту при проектировании кон- тура напряжения. Схема универсальна и применима ко всем видам контуров (двух-, трёх- и четырёхпроводным). Источником напряжения может вы- ступать как самостоятельный генератор сигнала (термопара), так и внешний усилитель-кондиционер. Любой источ- ник напряжения обладает внутренним сопротивлением, подключённым после- довательно с самим сигналом. Провода линии также вносят своё сопротивле- ние, а приёмник воспринимает сигнал как нагрузку. Совместно эти элементы формируют делитель напряжения, влияющий на точность измерения. По этой причине импеданс приёмника ста- раются сделать максимальным. Для сиг- налов от термопар, терморезисторов (RTD) или тензодатчиков (примерно 10…300 мВ) рекомендуемый импеданс достигает 100 МОм. Для измерения значений рН, ОВП, акселерометров или фотодиодов импеданс должен превы- шать 200 МОм. Значительное влияние оказывают влажность воздуха и целост- ность изоляции кабеля, из-за чего целе- сообразно размещать средства обработ- ки сигнала вблизи места измерения. Высокий импеданс повышает вос- приимчивость контуров напряжения к внешним электромагнитным помехам и межземельным потенциалам. Элек- тромагнитные поля создаются близко расположенными энергетическими установками или импульсными источ- никами питания. Повышение уровня подавления синфазных сигналов и пра- вильное экранирование кабельных трасс помогают справиться с этими проблемами. Трансформаторная галь- ваническая развязка считается наи- лучшим способом преодоления послед- ствий разности потенциалов земли. Главным достоинством контуров на- пряжения является возможность их простого объединения в единые муль- типлексируемые системы. Одно доро- гостоящее устройство обработки сигна- ла способно обслуживать несколько контуров, снижая совокупные расходы на единицу измерения. В большинстве случаев подобные контуры не требуют отдельного смещения нуля и точного подбора резисторов для преобразова- ния тока в напряжение. Петли с передачей тока известны своей повышенной устойчивостью к электростатическим помехам, однако СТА 4/2025 52 www.cta.ru ОБ ЗОРЫ Датчик и усилитель сигнала Датчик и усилитель сигнала Сигнал (ток или напряжение) Сигнал (ток или напряжение) + источник питания (АС или DC-) Источник питания (АС или DC+) Сигнал и источник питания 4–20 mA Сопротивление линии (R RETURN ) Сигнал и источник питания I POWER I = I SIGNAL + I POWER I = I SIGNAL + I POWER + + + – – R линии R внутреннее R нагрузки Приёмник Измерение напряжения Датчик или преобразователь Рис. 12. Схемы трёх- и двухпроводного контура Рис. 13. Петля напряжения