İki Telli Seviye Transmitteri: Çevrim Gerilimi ve HART Bütçesi

Montajdan önce iki telli seviye transmitteri çevrim bütçesini hazırlamak, tezgahta çalışıp uzun kablonun uzak ucunda devreden çıkan seviye çevrimi sorununu önler. Transmitter bütün gücünü, sinyalini taşıyan aynı 4–20 mA çevriminden alır. Cihazda kullanılabilir gerilim; kablonun, varsa güvenlik bariyerinin ve alıcı yükünün payı çıkarıldıktan sonra kalan besleme gerilimidir. 24 V beslemeyi “her zaman yeterli” saymak, tezgahta çalışıp sahada arızalanan çevrimlerin yaygın nedenidir.

İki Telli Çevrim Gerçekte Neyi Besler?

Çevrim bütçesinin başlangıç noktası, cihazın akım çevriminde değişken bir direnç gibi davranmasıdır. Kontrol sistemi genellikle 24 V DC sabit çevrim gerilimi sağlar; transmitter seviyeyi temsil etmek için akımını 4 mA ile 20 mA arasında düzenler. Aynı iki iletken güç ve sinyal taşıdığından, yoldaki her ohm cihazın akımı düzenlemeyi sürdürmesi için gereken gerilimi azaltır. Cihazın çoğunlukla yaklaşık 11 V olan asgari çalışma gerilimi vardır; bunun altında ölçüm aralığının dışına çıkar veya iletişimi keser.

Çevrim HART sinyalleşme koşulunu da karşılamalıdır. HART, analog akımın üzerine düşük genlikli dijital sinyal bindirir. Okunabilir bir gerilim salınımı oluşması için çevrimde genellikle 230–250 Ω asgari yük direnci gerekir. Düşük giriş empedanslı alıcıda veya çoklanmış giriş kartında HART’ın çalışması için kontrolör tarafına harici 250 Ω direnç eklenmesi gerekebilir.

Çevrim Gerilim Bütçesini Hazırlama

İki telli transmitterin çevrim bütçesi basit bir çıkarma işlemidir: besleme gerilimi, transmitterin asgari gerilimi ile 20 mA’deki kablo, bariyer ve yük gerilim düşümlerinin toplamından büyük olmalıdır. Tablo tipik bir 24 V DC örneğidir. Bütün değerler açıklayıcı mühendislik referanslarıdır; kullanılmadan önce sipariş edilen cihazın etiketi ve bariyer sertifikasıyla kontrol edilmelidir.

Bunlar hesap örneği için varsayılan değerlerdir, METRAVON saha verileri değildir. Sonucu uygulamadan önce teslim edilen belgelerden transmitter asgari gerilimini, bariyer düşümünü ve alıcı empedansını doğrulayın.

İlk Çalışma Akımını Kararlı Durum Akımından Ayırma

Çevrim bütçesi çoğu kez yalnızca 20 mA kararlı durum için yapılır. Oysa transmitter ilk enerjilendiğinde, mikroişlemci kararlı duruma geçmeden önce daha yüksek ilk akım çekebilir. Kablo 20 mA’de zaten gerilim sınırına yakınsa ilk çalışma akımı transmitter gerilimini asgarinin altına çekebilir. Cihaz, ancak seviye sinyali yeniden uygulandığında düzelen bir sıfırlama döngüsünde kalabilir. Çözüm, yalnızca düzenlenmiş 20 mA için değil ilk akım için de marj ayırmaktır.

Güvenli uygulama, kabloyu cihazın ilk çalışma özelliklerinde belirtilen en kötü akıma göre seçip sonra 20 mA durumunu yeniden kontrol etmektir. İlk akım değeri yayımlanmıyorsa son voltu da kablo uzunluğuna harcamak yerine bütçede en az 2 V ayrılmamış pay bırakın. Bu tek rezerv, “kısa elektrik kesintisinden sonra çalışıyor, ardından takılıyor” türü birçok saha şikâyetini önler.

Bütçeden Kablo Uzunluğu Hesaplama Örneği

Çevrim bütçesi kalan gerilimi doğrudan azami kablo uzunluğuna dönüştürür. Kalan 6 V’nin 2 V’si ilk çalışma akımı için ayrılır; kablonun 20 mA’de düşürebileceği gerilim 4 V’dir. Bu değerle hat uzunluğu doğrudan hesaplanabilir. Örnek, varsayılan değerlere dayalı bir hesap yöntemidir; ölçülmüş METRAVON sonucu değildir.

Açıklayıcı hesap, varsayılan saha değerleri:

• Sabit düşümlerden sonra kalan gerilim: 6 V

• Ayrılan ilk çalışma rezervi: 2 V

• Kablo için kullanılabilir gerilim: 4 V

• Çevrim akımı: 20 mA = 0.020 A

• İzin verilen kablo direnci: 4 V / 0.020 A = 200 Ω

• Kablo: 1.5 mm² bakır, iletken başına ≈ 12.1 Ω/km

• Çevrim iki iletken kullanır: ≈ 24.2 Ω/km

Azami çevrim hat uzunluğu = 200 Ω / 24.2 Ω/km ≈ 8.3 km

Sonuç: bu varsayımlarla 1.5 mm² çift yaklaşık 8 km uzanabilir ve ilk akım rezervi korunarak 20 mA sürdürülebilir. Bütün 6 V kabloya ayrılırsa 300 Ω ve 12.4 km bulunur, fakat ilk çalışma için hiç pay kalmaz. Bu rakam kullanılabilir hat uzunluğu olarak verilmemelidir.

Sınır koşulu: bu uzunluğa varmadan çok önce gerilim belirleyici sınır olmaktan çıkar. HART toplam çevrim kapasitansının yaklaşık 0.2 µF altında kalmasını ister; 1.5 mm² kablo buna 2 km civarında ulaşır. Dolayısıyla pratik HART sınırı yalnızca gerilimden bulunan değerin yaklaşık dörtte biridir. Daha kalın kablo, 2.5 mm² ve çevrimde ≈ 14.5 Ω/km, kapasitans sınırını değiştirmeden gerilim sınırını yükseltir. 1.0 mm² çift, çevrimde ≈ 36 Ω/km, gerilim sınırını yaklaşık 5.5 km’ye indirir. Kabloyu iki sınıra göre seçin; uzunluk sınırı vermeden önce varsayılan direnç ve gerilimi doğrulanmış saha değerleriyle değiştirin.

HART Yükü ve Çok Noktalı Bağlantı Sınırları

Çevrim bütçesi yalnızca analog düşüm için değil HART yükü için de marj ayırmalıdır. HART iletişimi sessizce arızalanabildiğinden ayrı bir kalem olmalıdır. Toplam çevrim direnci yaklaşık 230 Ω altına inerse transmitterdeki HART modem sinyalini oluşturamaz. 4–20 mA okuması normal görünse bile el terminali veya varlık yönetim sistemi cihaz bulunamadığını bildirir. Yaygın çözüm alıcıya 250 Ω direnç eklemektir. Ancak bu direnç 20 mA’de 5 V de tüketir; bu, yukarıdaki bütçede zaten sayılan kalemdir.

Birkaç transmitterin aynı çifti paylaştığı çok noktalı HART’ta koşullar yine değişir. Adreslenebilir her cihazın gerilimi asgarinin üzerinde kalmalıdır ve toplam kablo uzunluğu artık segmentteki bütün cihazlara hizmet eder. Bütçeyi beslemeden en uzaktaki cihaz için hesaplayın. Sonra en yakındaki cihazın kendi azami çevrim gerilimini aşmadığını doğrulayın; bu değer genellikle 30 V veya 36 V’dir ve etiketten okunmalıdır.

Çevrim Bütçesi Yetersizse

Çevrim bütçesi, cihazın belirtilen biçimde ne zaman kullanılamayacağını gösterir. Gereken hat bütçenin izin verdiği uzunluğu aşıyorsa marj kazanmak için beslemeyi cihazın azami geriliminin üzerine çıkarmayın veya güvenlik bariyerini kaldırmayın; ikisi de başka koşulları ihlal eder. Uygun seçenekler daha büyük kablo kesiti, daha yakına taşınan besleme veya asgari çalışma gerilimi daha düşük transmitterdir.

Bazı iki telli transmitterler beyan edilen güç bütçeleri içinde yerel ekran destekler. Isıtma, anahtarlama veya diğer yardımcı işlevler için sipariş edilen cihazın belgelenmiş güç ve çıkış kapasitesi gerekir. Bu işlevlere yalnızca tel sayısına bakılarak izin verilemez veya yasak konamaz. Gereken işlev kapasiteyi aşıyorsa ayrı beslemeli ya da üç/dört telli düzeni değerlendirin.

Sık Sorulan Sorular

S1. 24 V besleme neden transmitterde 24 V sağlamaz?

Çevrim bütçesi, besleme geriliminin neden transmitterin gördüğü gerilim olmadığını açıklar. Kablo, varsa kendinden emniyet bariyeri ve alıcı yükü gerilim düşürür; cihazın da akımı düzenlemek için asgari gerilime ihtiyacı vardır. Uzun hatta yalnızca kablo bile 20 mA’de birkaç volt tüketebilir. Cihazın besleme geriliminin tamamını gördüğünü varsaymadan önce bütçeyi kurun.

S2. 250 Ω direnç gerçekte ne yapar?

HART dijital sinyalinin çevrimde bir gerilim oluşturmasını sağlar. En az yaklaşık 230 Ω olmadan HART modem iletişim sinyalini oluşturamaz. 20 mA’de 5 V de düşürür; bu bütçeye katılmazsa HART çalışırken çevrim marjı tükenebilir.

S3. Daha uzun kablo için beslemeyi 36 V’ye çıkarabilir miyim?

Yalnızca varsa bariyer ve tehlikeli alan düzeni dahil bütün bileşenler önerilen besleme koşullarını kabul ediyorsa. Sabit çevrim akımında pasif direncin I × R gerilim düşümü besleme yükseltilince aynı kalır. Yük düşümünün kendisinin arttığını varsaymak yerine terminal gerilimini, bileşen anma değerlerini ve bariyer sınırlarını yeniden hesaplayın.

S4. Transmitter kısa elektrik kesintisinden sonra neden sıfırlanıyor?

Kablo 20 mA’de sınırına yakınsa ilk çalışma akımı çevrim gerilimini transmitter asgarisinin altına çekebilir. Yalnızca kararlı durum için değil ilk akım için de marj ayırın; aksi halde koşullar düzelene kadar cihaz sürekli sıfırlanır.

S5. RS485 Modbus güç açısından 4–20 mA’den kolay mıdır?

Daha kolay değil, farklıdır. İki telli 4–20 mA cihazını çevrimden besler. RS485 Modbus seviye transmitteri genellikle ayrı yerel besleme ister, fakat analog yük düşümlerini önler. Kontrolör girişi ve sahadaki güç dağıtımının desteklediği düzene göre seçin.

S6. İki telliyi bırakıp başka kablolamayı ne zaman seçmeliyim?

Gereken kablo doğrulanmış çevrim bütçesini veya gereken yardımcı işlevler cihazın beyan edilmiş güç kapasitesini aşıyorsa düzeni yeniden değerlendirin. Yerel ekran tek başına iki telli transmitteri elemez. Bütün gerekli korumaları sürdürerek uygun kabloyu, besleme yerini veya ayrı beslemeli cihazı değerlendirin.

ÖZET

Çevrim bütçesi kullanılabilir kabloyu belirler. 24 V DC beslemeden cihazın 11 V asgarisi, HART yükünün 5 V’si ve bariyerin 2 V’si çıkarılınca 6 V kalır. İlk çalışma için 2 V ayrıldığında kabloya 4 V kalır. Varsayılan 1.5 mm² değerleriyle 20 mA’de yaklaşık 8 km bulunur; ancak HART kapasitans sınırı 2 km’ye yakın devreye girer. Teslim edilen etiket değerlerini doğrulayın; bütçe yetmiyorsa kabloyu yeniden seçin veya kablolama yöntemini değiştirin.