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ほとんどのマイクロコントローラーに組み込まれた I/O 機能により、アナログ世界の測定が簡単になります。 温度のデータロガーを構築したいとします。 必要なのは、監視する必要がある温度範囲 (おそらく 0° ～ 100°C を表す 0 ～ 5 ボルト) を表す線形電圧出力を持つ何らかのセンサーを入手することだけです。 センサーをアナログ入力に接続し、少しコードを作成すれば完了です。 簡単なこと。

ここで、少し工夫を加えます。センサーをマイクロコントローラーから遠くに取り付ける必要があります。 ワイヤが長くなるほど電圧降下は大きくなり、最終的には 100° の範囲を表す 5 ボルトの振幅が 1 ボルトの振幅に近くなります。 さらに、長いセンサーのリード線があらゆる種類のノイズを拾う優れたアンテナのように機能するため、使用可能な電圧信号を回線から掘り出すことがさらに困難になります。

幸いなことに、産業プロセス エンジニアは、検出と制御に電流ループを使用することで、これらの問題に対処する方法をずっと前に発見していました。 最も一般的な標準は 4 mA ～ 20 mA の電流ループです。ここでは、それがどのようにして誕生し、どのように機能するか、そしてこの基本的なプロセス制御技術をマイクロコントローラーにどのように活用できるかを見ていきます。プロジェクト。

プロセス制御用の現在標準的な 4 ～ 20 mA 電流ループは、産業オートメーションにおける初期の革新である空気圧プロセス制御から直接受け継がれています。 電気制御が普及する前は、何マイルにもわたる空気圧ラインが工場内を蛇行しており、アクチュエーターを動かすための動力だけでなく、状態を感知する機能も提供していました。 プロセス エンジニアは、圧力 (感知範囲の一方の端で 3 PSI、もう一方の端で 15 PSI) に基づく空気圧信号システムを使用しました。 このようなセンサーは、プロセス変数に基づいてライン内の圧力を変化させ、チャートレコーダーの入力として使用してバルブを直接制御したり、高度な空気圧ロジックコントローラーを介して他の空気圧センサーやアクチュエーターと連携して動作したりすることもできます。

空気圧システムは現在でも、特に電気を中心に物事が進む傾向にある業界で非常に多く使用されていますが、4 ～ 20 mA 電流ループ システムは 1940 年代と 1950 年代に事実上の標準になりました。 電流ループ システムでは、温度、圧力、流量などのプロセス変数を監視するトランスデューサがトランスミッタに接続されます。 トランスミッタは、DC 電源 (工業用環境では通常 24 ボルト) と直列に配線されています。 トランスミッタは、トランスデューサの出力を 4 mA ～ 20 mA の電流に変換する役割を果たします。

キルヒホッフの電流の法則は、電圧に関係なく、回路のどの点でも電流は同じであることを示しています。 したがって、送信機への配線が 0.5 マイルの長さであるために電圧が大幅に低下したとしても、または工場内の別の場所で巨大なモーターが起動したためにループ電圧が変化したとしても、それは問題ではありません。送信機は電流を一定に保ちます。特定のプロセス変数に対して。

もちろん、電流ループはセンサーに限定されません。 バルブからモータードライブまで、幅広いアクチュエーターを 4 ～ 20 mA ループで制御できます。 データの取得と表示も可能で、チャートレコーダー、ゲージ、インジケーターをすべてループで使用できます。

しかし、なぜループの下限がゼロではなく 4 mA (さらに言えば 3 PSI) なのでしょうか? 簡単: 固有のエラー検出が提供されるためです。 ループ電流の底値がゼロに設定されていた場合、センサーの正当な下限読み取り値と破損したループ ワイヤの違いを見分けることは不可能になります。

では、4 ～ 20 mA のデバイスを最新の Arduino プロジェクトに組み込むにはどうすればよいでしょうか? 実際に必要なのは、ループに抵抗を入れてその両端の電圧降下を測定することによって、電流を電圧に戻すだけです。 [AvE] は、250 オームの抵抗が 1 ボルトから 5 ボルトの振幅を与えることを計算で示しています。これは、下のビデオの Arduino のアナログ入力に最適です (警告 - 若干 NSFW の表現が先になります)。

産業オートメーションで働く人ほど電流ループ センサーやアクチュエータに簡単にアクセスできない可能性があり、プロジェクトでは 4 ～ 20 mA 規格が提供するすべてを実際に活用していない可能性があります。 しかし、必要なときに必要なときにすぐに利用できるのは便利です。