Il loop di corrente 4-20 mA è un circuito di misura basato sul segnale analogico 4-20 mA, in grado di alimentare i sensori e i trasmettitori che ne fanno parte.
Lo standard 4-20 mA nacque negli anni ‘50 del ventesimo secolo, con la diffusione della strumentazione e dei controlli elettronici, in sostituzione dello standard pneumatico 3-15 psi. Negli anni ’80 sulla spinta del costruttore Emerson vide la luce HART (Highway Addressable Remote Transducer), un protocollo di comunicazione utilizzato per trasmettere informazioni digitali sovrapposte al segnale 4-20 mA senza interferire con esso.
Oggi la comunicazione 4-20 mA rappresenta il tipico intervallo di acquisizione di segnali analogici da parte di un sistema di controllo, tanto diffuso da diventare uno standard in ambito industriale. Lo standard 4-20 mA nasce principalmente:
- dall’esigenza di trasportare segnali analogici da sensori verso PLC e da questi ultimi verso attuatori;
- dalla diversità dei segnali analogici generati dai sensori e da inviare agli attuatori;
- dalla necessità di una standardizzazione dei segnali.
Lo standard 4-20 mA si basa sulla codifica in corrente, sfruttando il fatto che un segnale analogico rappresentato da corrente elettrica è meno sensibile ai rumori rispetto a un segnale rappresentato in tensione.
Il funzionamento del loop prevede che la tensione di uscita di un sensore venga prima convertita in una corrente proporzionale, dove 4 mA rappresentano l’uscita di livello zero del sensore e 20 mA rappresentano l’uscita di fondo scala del sensore. Misure comprese tra i valori massimo e minimo indicano che il circuito sta controllando il sensore o l’attuatore. La verifica di un loop 4-20 mA include il test dell’uscita del trasmettitore, il cablaggio, la ricerca guasti l’ingresso del sistema di controllo e il cablaggio di ritorno al trasmettitore.
In uno schema comune di collegamento fra il trasmettitore e il ricevitore di tipo “two-wire 4-20 mA transmitter”, l’alimentazione DC (tipicamente 24-30 V) non è quasi mai disponibile nel trasmettitore.
Dallo schema di collegamento si evidenzia il vantaggio della codifica del minimo valore di corrente (4 mA). In caso di guasto (malfunzionamento del trasmettitore o interruzione di linea) il valore di 0 mA viene convertito in 0 V, consentendone l’individuazione.
Rappresentazione loop di corrente 4-20 mA
Gli utilizzi industriali
Il loop di corrente da 4 mA a 20 mA è un metodo comune per trasmettere le informazioni del sensore in molte applicazioni di monitoraggio del processo industriale, tipicamente nei sistemi che monitorano pressione, temperatura, pH, flusso o altri fattori fisici.
Nella strumentazione industriale i loop di corrente presentano vantaggi in termini di precisione del segnale che non è influenzata dalla caduta di tensione nei conduttori. Tipicamente, un anello di corrente comprende un sensore, un trasmettitore, un ricevitore, un ADC o un microcontrollore. I trasmettitori di cui si parla in genere sono i cosiddetti trasmettitori a 2 fili alimentati sul loop, da cui deriva l’espressione “loop powered”. Nei trasmettitori a 2 fili il circuito non richiede cavi di alimentazione separati, l’installazione è possibile in prossimità del sensore, costi e consumi sono ridotti.
Un anello di corrente può anche essere utilizzato per controllare un posizionatore, un attuatore o un dispositivo intrinsecamente più immune al rumore.
I segnali in corrente hanno intrinsecamente un'immunità alle EMI (interferenze elettromagnetiche assai diffuse negli ambienti industriali) superiore rispetto ai segnali in tensione, soprattutto sulle lunghe distanze. Altro motivo di successo dello standard 4-20 mA è il fatto che il flusso di corrente regolato dal trasmettitore lo stesso in qualsiasi punto del loop di corrente. Inoltre, i guasti dei cavi hanno un impatto minore dal momento che un filo interrotto in un loop di corrente genera una corrente di 0 mA. Non ultimo, è possibile programmare la maggior parte dei trasmettitori di corrente in modo da regolare la corrente anche fuori range, in caso di malfunzionamento del sensore. Per tutte queste ragioni i loop 4-20 mA sono ideali per l’impiego in ambienti industriali rumorosi, dove il segnale può essere trasmesso su lunghe distanze e le informazioni inviate in postazioni remote.
