4-20 mA Nedir? Akım Döngüsü, Bağlantı ve Hesaplama

4-20 mA nedir, ne demek?

4-20 mA, ölçülen bir değeri 4 ile 20 miliamper (mA) arasında değişen bir doğru akımla ileten analog sinyaldir. Akımın 4 mA olması ölçüm aralığının alt ucunu, 20 mA olması üst ucunu gösterir; aradaki değerler akımın büyüklüğüyle ifade edilir. Hangi mühendislik değerlerinin bu iki uca karşılık geleceğini transmitterin ayarı belirler: 0-5 m’ye ayarlanmış bir seviye transmitterinde 4 mA 0 m’lik, 20 mA 5 m’lik seviyeyi gösterir. Eşleme ters yönde de kurulabilir; o durumda 4 mA en yüksek, 20 mA en düşük değeri temsil eder.

Sinyal bir akım döngüsünde dolaşır: besleme kaynağı, transmitter ve sinyali okuyan alıcı (PLC’nin analog girişi, bir gösterge ya da kayıt cihazı) aynı devreye seri bağlanır. Endüstriyel proses ölçüm ve kontrol sistemlerinde elemanlar arasında bilgi taşıyan analog doğru akım sinyalleri, uluslararası düzeyde IEC 60381-1 standardının konusudur.

Transmitterin yapısı ve diğer çıkış türleri transmitter nedir rehberinde anlatılır; bu rehber 4-20 mA döngüsünün kendisini ele alır.

4-20 mA sinyali neden 0 değil 4 mA’dan başlar?

Sinyal 4 mA’dan başlar, çünkü ölçülen değer en alttayken bile döngüde akım bulunması gerekir: bu akım 2 telli cihazı çalıştırır ve kopan bir kablonun gerçek sıfır değerinden ayırt edilmesini sağlar. Sensörün kendi çalışması için her an yeterli enerji bulunması ve açık devrenin algılanabilmesi, 4 mA alt sınırının iki gerekçesidir. Bu ilkeye canlı sıfır (live zero) denir.

Ölçüm aralığının alt ucu 4 mA olduğu için döngüde 0 mA görülmesi, ölçülen değerin sıfır olduğu anlamına gelmez; hemen her durumda devrenin arızalandığını gösterir. Sıfırdan başlayan 0-10 V gibi bir gerilim sinyalinde ise kopuk bir kablo, giriş devresine bağlı olarak 0 V gibi görünebilir ve bu durumda arıza gerçek bir sıfır değerinden açıkça ayrılamaz.

Bu akım uzlaşımının kökü pnömatik kontrole uzanır: 1950’lerde elektronik cihazlar ucuzlayıp güvenilir hale gelince, o güne kadar çok başarılı olmuş 3-15 psi hava basıncı sinyalinin yerini elektrikle tutacak 4-20 mA ortaya çıktı. Sahada çok sayıda pnömatik cihaz kurulu olduğu için geçiş yavaş ilerledi ve 21. yüzyıla uzandı.

4-20 mA akım döngüsü nasıl çalışır?

4-20 mA akım döngüsünde besleme kaynağı, transmitter ve alıcının girişi tek bir seri devre oluşturur; transmitter, ölçtüğü değere göre bu devreden geçen akımı 4 ile 20 mA arasında ayarlar. Döngünün elemanları şunlardır:

• Besleme kaynağı: Döngüye doğru gerilim verir. Ayrı bir güç kaynağı olabileceği gibi beslemeyi kontrol sistemi de sağlayabilir; bazı PLC analog giriş modülleri, 2 telli sensörler harici besleme olmadan bağlanabilsin diye 24 V besleme verir.
• Transmitter: 2 telli bir transmitter devrede akım çeken, değişken bir yük gibi davranır; döngüden geçen akımın ne kadar olacağını ölçüm değerine göre belirler.
• Alıcı: PLC’nin analog girişi, bir gösterge ya da kayıt cihazıdır. Alıcının girişinde bir direnç bulunur ve bu direnç de döngünün gerilim hesabına katılır.

Seri bir devrede her elemandan aynı akım geçer. Bu yüzden transmitterin ayarladığı akım, kabloların ve bağlantıların direncinden bağımsız olarak alıcıya aynı değerle ulaşır: kablolardaki gerilim düşümü sinyalin doğruluğunu bozmaz. Bunun bir sınırı vardır; döngü, kullanılan besleme geriliminin karşılayabildiği direnç sınırına kadar uzatılabilir. Akım döngüsü düşük empedanslı bir devredir ve genellikle bükümlü çift (twisted pair) iletkenlerle kurulur; bu yüzden gürültüye karşı da dayanıklıdır.

4-20 mA kaç volt ile çalışır?

4-20 mA bir akım sinyalidir ve kendine ait sabit bir gerilimi yoktur; döngünün besleme gerilimi, transmitterin uçlarında kalması gereken en düşük gerilim ile döngüdeki dirençlerin üzerinde düşen gerilimlerin toplamını karşılamalıdır. Dirençteki gerilim akımla orantılı arttığı için hesap, döngüden geçebilecek en yüksek akımla yapılır. Ölçüm aralığının üst ucu 20 mA’dır; ama arızayı NAMUR NE 43’e göre bildiren bir transmitter 21 mA ve üstünde akım verebilir ve döngünün bu akımı da taşıyabilmesi gerekir.

Besleme aralığı da cihaz belgesindedir: T2906-G 18-36 V (genellikle 24 V), BCR1100 12-30 V DC ister. BPT15’in göstergesiz sürümü 11-28 V DC ile çalışır; kataloğa göre LED ya da LCD göstergeli BPT15’in beslemesi en az 20 V DC olmalıdır. Besleme, cihazın üst sınırını da aşmamalıdır, çünkü akım 4 mA’ya indiğinde dirençlerdeki düşüm azalır ve transmitterin uçlarındaki gerilim beslemeye yaklaşır; BPT15’in 4-20 mA sürümünde bu sınır 28 V DC’dir.

Kontrol için şu eşitsizlik kullanılır:

Besleme gerilimi ≥ transmitterin en düşük gerilimi + en yüksek döngü akımı × (alıcı direnci + kablo direnci + diğer yükler)

Örnek: 24 V ile beslenen bir döngüde alıcının giriş direnci 250 Ω, kablonun gidiş-dönüş direnci 20 Ω olsun; toplam yük 270 Ω’dur. 20 mA’da bu yükte 0,02 × 270 = 5,4 V düşer ve transmittere 24 - 5,4 = 18,6 V kalır. Transmitter arızayı 21 mA ile bildirecekse düşüm 0,021 × 270 = 5,67 V’a çıkar, transmittere 24 - 5,67 = 18,33 V kalır.

Göstergesiz BPT15 için 18,6 V yeterlidir: alt sınır 11 V’tur ve 270 Ω’luk yük, aşağıdaki formülün 24 V için verdiği 650 Ω sınırının altındadır. En az 20 V DC isteyen göstergeli BPT15 ise bu döngüde yetersiz beslenir.

BPT15’in ürün sayfası ve kataloğu, 2 telli 4-20 mA çıkış için izin verilen yükü R ≤ (U - 11) / 0,02 Ω olarak verir. U besleme gerilimidir; 0,02 A formülün 20 mA’ya göre kurulduğunu, 11 V ise göstergesiz sürümün besleme alt sınırını gösterir. U = 24 V için en büyük yük (24 - 11) / 0,02 = 650 Ω, U = 28 V için (28 - 11) / 0,02 = 850 Ω olur. Katalog, göstergeli sürüm için ayrı bir yük formülü vermez.

T2906-G kataloğu da montajdan sonra çıkış yoksa ya da anormalse bağlantının sağlamlığının, besleme geriliminin düşüklüğünün ve yük direncinin büyüklüğünün kontrol edilmesini önerir.

2, 3 ve 4 telli 4-20 mA bağlantı nasıl yapılır?

2 telli transmitter, besleme kaynağı ile alıcının girişi arasına seri bağlanır ve enerjisini sinyal kablolarından alır; 3 ve 4 telli cihaz ise ayrı kablolardan beslenir ve sinyali alıcıya bir ya da iki ek kablodan gönderir.

• 2 telli bağlantı: Aynı iki kablo hem beslemeyi hem 4-20 mA sinyalini taşır. Giriş modülü beslemeyi kendisi veriyorsa harici bir güç kaynağı gerekmez.
• 3 telli bağlantı: Sensör beslemesini ayrı kablolardan alır; kablolar artı besleme, eksi (ortak) ve sinyal hattıdır. Bu tip sensörler tek uçlu (single-ended) girişlere üç kabloyla bağlanır.
• 4 telli bağlantı: Besleme ve sinyal için ayrı ikişer kablo vardır: artı besleme, eksi besleme, artı sinyal ve eksi sinyal. Cihaz tek uçlu bir girişe bağlanacaksa artı sinyalin artı beslemeyle ya da eksi sinyalin eksi beslemeyle birleştirilip birleştirilemeyeceği cihaz belgesinden kontrol edilir.

Tek uçlu girişin referans ucu modülün içinde sabit bir potansiyele bağlıdır ve kullanıcı bunu değiştiremez; bağlantı açısından en esnek seçenek fark (diferansiyel) girişlerdir. Befa cihazlarının bağlantı tipleri son bölümdeki tablodadır.

Aktif ve pasif 4-20 mA giriş ve çıkış arasındaki fark nedir?

Aktif cihaz döngünün enerjisini kendisi sağlar, pasif cihaz ise enerjiyi döngüden alır; bir döngüde yalnız bir aktif besleme kaynağı bulunmalıdır. Döngüden beslenen 2 telli transmitter pasif bir cihazdır; döngünün enerjisini kendisi veren bir çıkış ise aktiftir. Girişlerde de aynı ayrım vardır: döngüye besleme veren bir PLC girişi aktif, beslemeyi dışarıdan bekleyen bir giriş pasiftir.

Dört olası eşleşme şöyledir:

Transmitter çıkışı	Alıcı girişi	Döngüyü besleyen
Pasif (2 telli)	Aktif	Alıcının girişi
Pasif (2 telli)	Pasif	Döngüye seri bağlanan harici güç kaynağı
Aktif (döngüyü kendisi besler)	Pasif	Transmitter
Aktif (döngüyü kendisi besler)	Aktif	Bu eşleşme kurulmaz: döngüde iki besleme kaynağı olur

Pasif göstergeler ve kayıt cihazları bu döngülerden herhangi birine seri eklenebilir ve gerilim hesabına katılır; ama bir döngüde yalnız bir transmitter bulunur.

4-20 mA hesaplama nasıl yapılır?

Doğrusal bir 4-20 mA sinyalinde ölçüm değeri, akımın 16 mA’lık sinyal aralığındaki oranından bulunur:

Ölçüm değeri = alt değer + (I - 4) / 16 × (üst değer - alt değer)

Burada I, mA cinsinden okunan akımdır; 16 mA, 20 ile 4 mA arasındaki farktır. Ölçüm aralığının yüzdesi (I - 4) / 16 × 100 ile bulunur: her 1 mA aralığın %6,25’ine, aralığın %1’i ise 0,16 mA’ya karşılık gelir.

Akım	Aralığın yüzdesi	0-10 bar aralığında	0-5 m aralığında
4 mA	%0	0 bar	0 m
8 mA	%25	2,5 bar	1,25 m
12 mA	%50	5 bar	2,5 m
16 mA	%75	7,5 bar	3,75 m
20 mA	%100	10 bar	5 m

Örnekler:

1. 0-5 m’ye ayarlı bir seviye transmitterinden PLC 15,2 mA okuyor: (15,2 - 4) / 16 = 0,7; seviye 0,7 × 5 = 3,5 m’dir.
2. -50 ile 150 °C arasına ayarlı bir sıcaklık transmitteri 9 mA veriyor: (9 - 4) / 16 = 0,3125; 0,3125 × 200 = 62,5; sıcaklık -50 + 62,5 = 12,5 °C’dir. Alt değer negatif olduğunda da formül aynıdır.

Hesapta üç noktaya dikkat edilir:

• Kontrol sistemi akımı, kendisine girilen parametrelere göre fiziksel değere çevirir. Bu ölçekleme parametreleri transmitterdeki ölçüm aralığıyla aynı olmalıdır; iki tarafa farklı aralık girilirse ekrandaki değer yanlış olur.
• Eşleme ters kurulmuşsa formülde alt ve üst değerlerin yeri değişir.
• Fark basınç transmitteriyle debi ölçülürken çıkış karekök fonksiyonuna ayarlanabilir; birçok HART cihazında aktarım fonksiyonunu karekök ya da doğrusal seçme komutu vardır. Fark basınç debinin karesiyle orantılı olduğu için karekök çıkışta akım fark basınçla değil, debiyle doğrusal değişir: formül bu durumda fark basınç aralığıyla değil, debi aralığıyla kullanılır.

Ölçüm aralığını bar dışında bir birimle yazmanız gerekirse basınç ölçü birimi çevirici işinize yarar; diğer araçlar hesaplama araçları sayfasındadır.

4-20 mA nasıl ölçülür?

4-20 mA sinyali üç yolla ölçülür: döngüyü açıp araya seri bağlanan bir ölçü aletiyle, döngüdeki değeri bilinen bir direncin üzerindeki gerilimden ya da döngüyü açmadan pens tipi bir miliamper ölçerle.

• Seri ölçüm (multimetre ya da kalibratör): Akım ölçülürken ölçü aleti döngüye seri bağlanır. Bunun için döngü bir noktadan açılır ve aletin miliamper girişi açılan iki ucun arasına yerleştirilir. Döngü açıldığı anda alıcı akım göremez ve 0 mA okur; devrede çalışan bir kontrol döngüsünde bu ölçüm önceden planlanır.
• Direnç üzerinden gerilim: Döngüde değeri bilinen bir direnç varsa üzerindeki gerilim ölçülür ve Ohm yasasıyla akıma çevrilir: I = U / R. 250 Ω’luk bir dirençte 4 mA 1 V, 12 mA 3 V, 20 mA 5 V verir. Gerilim direncin iki ucundan ölçüldüğü için döngüyü açmak gerekmez.
• Pens tipi miliamper ölçer: Pens tipi bir döngü ölçer, 4-20 mA sinyalini döngüyü açmadan ölçer.

Ölçmenin dışında döngü kalibratörüyle test de yapılır: kalibratör 4-20 mA sinyal üretebilir ya da simüle edebilir, böylece PLC ve kontrol sistemi girişleri transmitter bağlanmadan denenir. Aynı türden bir alet transmitteri 24 V döngü beslemesiyle besleyip akımını aynı anda ölçebilir. Birçok HART’lı transmitterde çıkış akımını sabit bir değere ayarlama komutu da bulunur; böylece döngüdeki göstergenin ve PLC’nin aynı değeri gösterip göstermediği kontrol edilebilir.

NAMUR NE 43’e göre 4-20 mA arıza sinyalleri nelerdir?

NAMUR NE 43, ölçüm bilgisi için 3,8 mA ile 20,5 mA arasını ayırır; 3,6 mA’ya kadar olan ve 21 mA’dan başlayan akımları arıza bilgisi sayar. Proses endüstrisindeki otomasyon kullanıcılarını bir araya getiren uluslararası bir birlik olan NAMUR, bu tavsiyeyle arıza bilgisini sensör üreticisinden bağımsız ve herkes için aynı biçimde tanımlar.

Akım	NE 43’e göre anlamı
0-3,6 mA	Arıza bilgisi
3,6-3,8 mA	Geçerli ölçüm bilgisi sayılmaz, arıza olarak yorumlanır
3,8-20,5 mA	Ölçüm bilgisi
20,5-21 mA	Geçerli ölçüm bilgisi sayılmaz, arıza olarak yorumlanır
21 mA ve üstü	Arıza bilgisi

Arıza bilgisi ölçüm sisteminde bir sorun olduğunu bildirir; sorun transmitterin (ölçüm dönüştürücüsünün) kendisinde, bağlantı kablolarında ya da beslemede olabilir.

Bu bilgiyi okuyabilmek için giriş kartının 4 mA’nın altını ve 20 mA’nın üstünü de ölçebilmesi gerekir; NAMUR gibi kuruluşlar arıza tespiti ve ayar için bu alanı ister. Örneğin NE 43 ölçüm kipinde çalışan bir analog giriş modülünün nominal aralığı 4-20 mA, teknik olarak kullanılabilir aralığı 3,6-21 mA’dır. Transmitter arızada NE 43’e uygun bir akım verecek biçimde ayarlıysa ve kontrol sistemi de bu eşikleri izliyorsa, kablo kopması ya da transmitter arızası gerçek bir ölçüm değeriyle karışmadan alarm olarak görülür.

HART, 4-20 mA sinyalinin üzerinden nasıl haberleşir?

HART, dijital veriyi frekans kaydırmalı anahtarlama (FSK) yöntemiyle 4-20 mA akımının üzerine düşük seviyede bindirir; böylece aynı iki kablo hem analog ölçüm değerini hem dijital bilgiyi taşır. Analog akım birincil ölçüm değerini (PV) iletmeye devam eder; dijital kanal cihaz durumu, teşhis bilgisi ve ek ölçülen ya da hesaplanan değerleri taşır.

Dijital haberleşme Bell 202 tabanlıdır ve 1200 bit/s hızındadır; ana cihaz bu hızla saniyede tipik olarak 2-3 kez birincil değer güncellemesi alabilir. FSK sinyalinin fazı kesintisiz değiştiği için analog akım haberleşme sırasında da bozulmaz.

HART’ta iki mesajlaşma biçimi vardır. İstek-cevapta el terminali ya da kontrol sistemi gibi bir ana cihaz (host) komut gönderir ve saha cihazı cevap verir; isteğe bağlı burst kipinde ise cihaz, bir komut aldıktan sonra veriyi ana cihaza kendiliğinden göndermeyi sürdürür. Bağlantı noktadan noktaya ya da çok noktalı (multidrop) kurulur; çok noktalı kipte analog döngü akımı 4 mA’da sabit tutulur ve ölçüm değerleri dijital olarak okunur.

Ölçüm aralığını, birimi ve sönümleme süresini okumak, her HART cihazının desteklemesi gereken evrensel komutlardandır. Aralığı yazma, sönümlemeyi değiştirme, sıfır ve aralık genişliği (span) ayarı ise birçok cihazda bulunan, ama her cihazda olması gerekmeyen ortak uygulama komutlarıdır. Befa ürünlerinden T2906-G ve BMF2000’de HART haberleşme seçeneği vardır. Smart transmitterin ne olduğu transmitter nedir rehberinde, HART’ın ayrıntıları HART protokolü nedir rehberinde anlatılır.

4-20 mA ile 0-10 V arasındaki fark nedir?

4-20 mA bir akım sinyali, 0-10 V bir gerilim sinyalidir: akım sinyali parazite ve gürültüye karşı daha dayanıklıdır ve daha uzağa taşınabilir, 0-10 V ise daha çok pano ve makine içindeki kısa kablolu bağlantılarda kullanılır.

Özellik	4-20 mA	0-10 V
Sinyal türü	Akım	Gerilim
Sıfır noktası	Canlı sıfır: 4 mA	0 V; giriş devresine göre kopuk kablo da 0 V görünebilir
Kablo direnci	Besleme yettiği sürece doğruluğu etkilemez	Gerilim düşümüne yol açabilir
Parazit	Gerilim sinyaline göre daha dayanıklı	Motor, frekans konvertörü, kontaktör ve güç kablolarının yakınından geçen uzun kablolarda kritik
Yaygın olduğu alanlar	Proses kontrolü, makine yapımı, tesis kurulumu	Enerji, ısıtma, havalandırma, iklimlendirme, soğutma; pano ve makine içindeki kısa kablolar

Aynı transmitterin akım ve gerilim çıkışlı sürümlerinin besleme şartı da farklı olabilir: BPT15’in göstergesiz 4-20 mA sürümü 11-28 V DC ile çalışırken 0-10 V çıkışlı sürümün beslemesi 15-28 V DC’dir.

0-10 V 4-20 mA çevirici: 0-10 V çıkışlı bir cihazı 4-20 mA girişine bağlamak ya da tersini yapmak için sinyal çevirici (sinyal dönüştürücü) kullanılır. Yalıtımlı çeviriciler giriş ile çıkış arasındaki doğrudan elektrik bağlantısını keser (galvanik yalıtım). Bu, girişinde döngünün bir ucu toprağa bağlı olan birkaç cihazın seri bağlandığı durumlarda önemlidir; toprak döngüsünün tipik belirtileri arasında dalgalanan ölçüm değerleri ve motorlar çalışırken görülen bir kayma (ofset) vardır.

Analog sinyal nedir, analog ve dijital sinyal arasındaki fark nedir?

Analog sinyal, başka bir büyüklüğü temsil eden ve genellikle zamanda sürekli olan sinyaldir; dijital sinyal ise veriyi, her an sonlu sayıda değerden yalnız birini alabilen ayrık değerler dizisiyle taşır. Fiziksel bir büyüklük bir transdüserle analog sinyale çevrilir. Proseste 4-20 mA ve 0-10 V analog sinyallerdir: ölçülen değer, transmitterde ayarlanan aralık içinde çıkışın büyüklüğüyle temsil edilir.

Analog ve dijital sinyal şu noktalarda ayrılır:

• Değer: Analog sinyal sürekli değerleri temsil eder; dijital sinyal sonlu sayıda değer alır ve çoğu dijital devrede bu iki değerdir (ikili sinyal).
• Gürültü: Analog sinyalde yol boyunca karışan gürültü, ardışık aktarım adımlarında birikir; dijital sinyal ise gürültü çok büyük olmadığı sürece etkilenmez.
• Taşıdığı bilgi: Analog çıkış tek bir değer taşır: ölçüm değerini ya da NE 43’e göre bir arıza akımını. Dijital çıkış ise ölçüm değerinin yanında başka değişkenleri ve bilgileri de aktarabilir. Sahada en sık karşılaşılan dijital haberleşme yollarından biri Modbus nedir rehberinde anlatılır.

Analog giriş (analog input) nedir? PLC’nin ya da kontrol sisteminin akım veya gerilim sinyalini okuyan girişidir; sıcaklık transmitterleri gibi cihazlar, çıkışlarına göre akım ya da gerilim girişli PLC’lere ve analog/dijital (A/D) çevirme kartlarına doğrudan bağlanabilir. Dijital tarafta sinyal örneklenir ve nicemlenir, yani sayısal değerlere çevrilir.

Befa Proses’in hangi cihazlarında 4-20 mA çıkış var?

Befa Proses’in basınç, seviye ve debi ölçüm cihazları arasında 4-20 mA analog çıkışlı modeller vardır. Aşağıdaki değerler ürün sayfası ve PDF katalogla birlikte kontrol edildi; göstergeli BPT15’in besleme notu ve Smart Basınç Transmitteri T2906-G’nin besleme aralığı kataloglarından alındı:

Ürün	4-20 mA çıkışı	Besleme	Ek bilgi
Smart Basınç Transmitteri T2906-G	2 telli, HART seçeneği	18-36 V (genellikle 24 V)	Sıfır ve ölçüm aralığı ayarı cihaz üzerinden ya da HART ile uzaktan
BPT15 basınç transmitteri	2 telli	11-28 V DC (göstergeli sürüm en az 20 V DC)	Yük ≤ (U - 11) / 0,02 Ω (göstergesiz); gerilim çıkışları 3 telli
BCR1100 radar seviye sensörü	2 telli	12-30 V DC	Temassız radar ölçüm

Elektromanyetik Debimetre BMF2000 4-20 mA analog çıkışı puls/frekans çıkışıyla birlikte verir ve HART haberleşme seçeneği sunar. Bu gruplardaki diğer modeller basınç transmitteri, seviye sensörü ve debimetre sayfalarında listelenir. Bir basınç transmitterinin hangi basınç türünü ölçtüğü (mutlak, gösterge ya da fark basıncı) basınç ölçer nedir rehberinde anlatılır.

Cihazların montajını ve montajın ardından devreye alınmasını sahada biz yapabiliriz. Devreye alma sırasında ya da uzaktan verdiğimiz eğitimde elektrik bağlantısı ve veri aktarımı (analog çıkış, haberleşme) da anlatılır; ayrıntılar hizmetlerimiz sayfasındadır.