Датчик температуры 4–20 мА: как работает и как подключить

Датчик температуры с выходом 4–20 мА — это преобразователь, который переводит показания термосопротивления или термопары в стандартный токовый сигнал: 4 мА соответствуют нижней границе диапазона, 20 мА — верхней. Такой сигнал не боится помех и длинных линий до 1000 м и более, поэтому 4–20 мА — базовый стандарт для АСУ ТП. Ниже — как это работает, схемы подключения и как пересчитать ток в температуру.

Почему 4–20 мА, а не напряжение

Ток в замкнутой петле одинаков в любой точке провода, поэтому падение напряжения на длинной линии не искажает сигнал — в отличие от выхода по напряжению (0–10 В), который «проседает» уже на десятках метров. Нижняя граница в 4 мА даёт «живой ноль»: если ток упал до 0 мА, значит обрыв линии или отказ датчика, а не реальные 0 °C. Это встроенная диагностика, которой нет у сигнала 0–20 мА.

Питается петля постоянным напряжением, чаще всего 24 В (рабочий диапазон обычно 12–36 В). Стандарт нормирован документом ГОСТ 26.011-80 на сигналы тока и напряжения в системах автоматизации.

Схемы подключения: 2-, 3- и 4-проводные

Схему выбирают по типу датчика и длине линии. Для токового выхода 4–20 мА главные варианты — 2-проводной (петля питает датчик и несёт сигнал по тем же двум жилам) и 4-проводной (питание и сигнал раздельно). Отдельно 3-проводная схема применяется для подключения самого чувствительного элемента Pt100 к преобразователю — она компенсирует сопротивление проводов.

Полярность в 2-проводной петле важна: «+» источника — на клемму питания преобразователя, «−» — через вход контроллера. Для датчиков с интерфейсом HART в петлю ставят сопротивление не менее 250 Ом — иначе цифровой сигнал не пройдёт. Подробнее про наладку — в материале о полевых HART-коммуникаторах.

Как пересчитать ток в температуру

Зависимость линейная. Ток считают по формуле: I = 4 + 16 × (T − Tмин) / (Tмакс − Tмин), где Tмин и Tмакс — границы настроенного диапазона. Обратный пересчёт из тока в температуру: T = Tмин + (I − 4) / 16 × (Tмакс − Tмин).

Пример для диапазона 0…100 °C:

Максимальное сопротивление петли: Rмакс = (Uпит − Uмин) / 0,02 А. При 24 В питания и 12 В на преобразователе — до 600 Ом на провода и вход контроллера.

Как выбрать датчик 4–20 мА

Смотрят на диапазон (с запасом 20–30 %), тип чувствительного элемента (Pt100 по ГОСТ 6651-2009 для точности до +600 °C, термопара — выше) и защиту корпуса IP65 и выше для улицы и влажных помещений. Для взрывоопасных зон нужен датчик с маркировкой Ex и искробезопасной цепью. Встроенный преобразователь удобнее «голого» сигнала: милливольты и омы идут без потерь только на короткие линии, а 4–20 мА — до 1000 м и дальше. Ассортимент — в разделе промышленные датчики температуры, про выбор под трубу — в статье как выбрать датчик температуры для трубопровода.

Частые ошибки при подключении

• Перепутана полярность петли — датчик молчит или показывает 0 мА.
• Сопротивление петли выше допустимого — ток не доходит до 20 мА, «зависает» на 18–19 мА.
• Нет 250 Ом в петле — HART-коммуникатор не видит датчик.

Часто задаваемые вопросы

Что означают 4 мА и 20 мА?

4 мА — нижняя граница настроенного диапазона температур, 20 мА — верхняя. Ток 4 мА при минимуме даёт «живой ноль»: обрыв линии виден как 0 мА и отличается от реального нуля шкалы.

Какое напряжение нужно для петли 4–20 мА?

Постоянное 24 В — типовое значение, рабочий диапазон обычно 12–36 В. Напряжения должно хватать на преобразователь и на сопротивление петли: Rмакс = (Uпит − 12) / 0,02 А.

Сколько температуре соответствует 12 мА?

12 мА — середина диапазона, 50 %. Для шкалы 0…100 °C это 50 °C, для −50…+150 °C это +50 °C. Пересчёт: T = Tмин + (I − 4) / 16 × (Tмакс − Tмин).

Чем 2-проводная схема отличается от 4-проводной?

В 2-проводной петле по двум жилам идут и питание, и сигнал 4–20 мА — это стандарт для датчиков с преобразователем. В 4-проводной питание и измерение разделены, её применяют для точных Pt100.

Можно ли передать сигнал 4–20 мА на 500 метров?

Да. Токовая петля устойчива к длине линии — 500–1000 м штатно, если хватает напряжения питания на сопротивление проводов. Проверяют по формуле Rмакс = (Uпит − Uмин) / 0,02 А.

Нужен ли датчику 4–20 мА барьер искрозащиты?

Только для взрывоопасных зон. Там ставят датчик с маркировкой Ex и искробезопасный барьер в петлю. Для обычных производственных линий барьер не требуется.

Читайте также: клеммная головка датчика температуры: виды и как выбрать.

Подбор датчика 4–20 мА — Алматы

NODE Company подберёт датчик температуры с выходом 4–20 мА под ваш диапазон, среду и длину линии, настроит границы шкалы и отправит со склада в Алматы и по Казахстану. Заявка — в разделе датчики температуры или через контакты.