Mengenal Lebih Dekat Sistem 4-20 mA Dalam Instrumentasi

Anda pasti sering mendengar tentang arus 4-20 mA, terutama dalam bidang instrumentasi. Angka 4-20 mA tersebut bukan muncul begitu saja, tetapi ada sejarah yang membentuk angka tersebut. Dahulu industri pemanas, ventilasi dan pengkondisian udara (Heating, ventilating dan air conditioning; HVAC)  telah menggunakan control pneumatic (control udara).
Dalam system ini,  rasio controller, PID controller, sensor suhu dan actuator digerakkan oleh udara yang di kompressi. Pada sistem itu 3-15 pound/inche2 adalah standar modulasinya, 3 psi untuk “zero” dan 15 psi untuk “100%”. Setiap tekanan di bawah 3 psi adalah “dead zero” dan kondisi alaram.

Pada tahun 1950-an, kontrol listrik dan elektronika berkembang. Bentuk sinyal yang baru 4-20 mA berusaha menyamai sinyal pneumatic 3-15 psi. Bentuk arus sinyal ini cepat menjadi metode pilihan karena kabel lebih mudah di pasang dan dipelihara dibandingkan dengan jalur tekanan pneumatic. Selain itu dapat mengirimkan arus sinyal pada jarak yang jauh dan membutuhkan energi yang jauh lebih rendah. Anda tidak lagi membutuhkan compressor 20-50 tenaga kuda, dan dengan elektronik kita dapat menambah algoritma control yang rumit.

Loop arus 4-20 mA ini sangat berpeluang menjadi sinyal standar sensor, yang ideal untuk menjadi transmisi data, karena ketidak pekaannya terhadap noise (gangguan) listrik. Dalam loop 4-20 mA ini arus sinyal mengalir ke semua komponen, mengalirkan arus yang sama bahkan pada sambungan kabel yang kurang sempurna sekalipun. Semua komponen dalam loop mengalami tegangan jatuh karena arus sinyal yang mengalir melaluinya. Arus sinyal tidak terpengaruh oleh tegangan jatuh tersebut selama tegangan listrik power supply lebih besar dari pada jumlah tegangan jatuh dalam loop pada arus sinyal maksimum 20 mA.

Ada 4 komponen di sana yaitu :

1. Sebuah catu daya DC;
2. sebuah transmitter 2-Wire;
3. Sebuah resistor penerima (Rpenerima) yang mengubah sinyal arus menjadi tegangan;
4. Kabel yang menghubungkan semuanya.

Skema Dasar Loop Arus

Pada Gambar 1, arus disuplay dari catu daya melalui kabel ke transmitter dan transmitter mengatur aliran arus dalam loop. Arus yang diizinkan oleh transmitter disebut arus loop yang sebanding dengan parameter yang sedang diukur. Arus loop mengalir  kembali ke controller melalui kabel, dan kemudian mengalir melalui resistor R penerima ke tanah dan kembali ke catu daya. Arus yang mengalir melalui Rpenerima ini menghasilkan tegangan yang mudah diukur dengan input kontrol analog. Untuk resistor 250Ω ,tegangan akan terukur 1 VDC pada 4 mA dan 5 VDC pada 20 mA.

Komponen-komponen pada Loop Arus 4-20 mA

1. Catu Daya

Catu daya untuk transmitter 2-wire harus selalu DC,  karena perubahan arus merupakan parameter yang sedang diukur. Jika daya AC yang digunakan, arus dalam loop (lingkaran) akan berubah sepanjang waktu. Oleh karena itu, perubahan arus dari transmitter akan mustahil untuk dibedakan dari perubahan arus yang disebabkan oleh catu daya AC.

Untuk loop 4-20 mA dengan transmitter 2-wire, catu daya umumnya  dipasok dengan tegangan 36 VDC, 24 VDC, 15 VDC dan 12 VDC. Loop Arus yang menggunakan transmitter 3-wire dapat menggunakan power supply AC atau DC. Catu daya AC yang paling umum adalah transformator kontrol 24 VAC. Pastikan untuk memeriksa literatur instalasi transmitter untuk kebutuhan tegangan yang tepat.

2. Transmitter

Transmitter adalah jantung dari sistem sinyal 4-20 mA. Merubah besaran fisik seperti suhu, kelembaban atau tekanan menjadi sinyal listrik. Sinyal listrik yang proporsional terhadap suhu, kelembaban atau tekanan yang diukur. Dalam loop 4-20 mA, 4 mA merupakan titik pengukuran terendah dan 20 mA merupakan titik tertinggi.

Beberapa transmitter saat ini menggunakan range catu daya, misalnya 15-24 VDC untuk transmitter kelembaban atau 7-40 VDC untuk transmitter suhu .Tegangan rendah adalah tegangan minimum yang dibutuhkan untuk menjamin operasi yang tepat dari transmitter. Tegangan tinggi adalah tegangan maksimum transmitter untuk dapat bertahan dan beroperasi dengan spesifikasi yang ditetapkan.

3. Resistor Penerima

Adalah jauh lebih mudah untuk mengukur tegangan daripada untuk mengukur arus. Oleh karena itu, banyak sirkuit loop saat ini (seperti rangkaian pada gambar 1) menggunakan Rpenerima untuk mengubah arus menjadi tegangan. Dalam Gambar 1, Rpenerima adalah sebuah resistor presisi 250Ω. Arus yang mengalir melaluinya akan menghasilkan tegangan yang mudah diukur oleh input kontrol analog. Untuk resistor 250Ω, tegangan akan terukur 1 VDC pada arus loop 4 mA dan 5 VDC pada arus loop 20 mA. Rpenerima yang paling umum dalam sebuah loop 4-20 mA adalah 250Ω, namun tergantung pada aplikasinya, resistor 100Ω sampai 750Ω dapat digunakan juga.

4. Kabel

Mengirim arus melalui kabel menghasilkan drop tegangan yang  proporsional dengan panjang dan tebal (ukuran) darikabel tersebut. Semua kawat memiliki tahanan, biasanya dinyatakan dalam ohm per 1.000 feet

referensi
http://www.news.tridinamika.com/5047/mengenalk