Un gran numero di sensori che assorbono e traducono dati dal mondo reale in segnali elettrici sono sensori analogici e, se elencati come sensori digitali, è perché hanno integrato convertitori analogico-digitali. Tradizionalmente, i sensori cablati hanno alterato una corrente elettrica in risposta alle condizioni ambientali. I sensori vanno da esempi familiari come fotodiodi e fotomoltiplicatori che producono corrente quando esposti a radiazioni elettromagnetiche, a trasduttori di pressione sommergibili utilizzati per misurare i livelli del fluido. Il segnale di corrente standard in uso oggi per sensori industriali o ambientali, tipicamente cablati su PLC (Programmable Logic Controller) è 4-20mA, con 4mA che rappresenta lo zero percento (0%) del valore misurato e 20mA che rappresenta il 100 percento (100%) del valore misurato.
Altri intervalli di corrente sono stati storicamente utilizzati per i trasmettitori a loop di corrente, ma hanno in comune un rapporto di 1:5 in mA, o un bias del 20%. Ad esempio, prima del transistor, i loop di corrente 10-50 mA erano comuni. Un 10mA “live zero” è stato utilizzato come era il più basso a cui strumenti basati su amplificatori magnetici potrebbero operare, e 50 mA è stato utilizzato per mantenere il rapporto 1:5. (Live zero è misurato come ingresso zero anche se il segnale effettivo è 4mA, non 0mA. Uno zero morto sarebbe 0mA, a quel punto hai un circuito aperto.) Quando i transistor entravano in uso, funzionavano in modo affidabile a un (allora) basso valore di 4mA, quindi lo standard del settore si spostava a 4 – 20mA (mantenendo il rapporto 1:5 mA). Lo standard per 4 – 20mA (ISA SP50) è stato originariamente pubblicato nel 1966.
I segnali di corrente sono spesso utilizzati nei sensori perché la risposta corrente è solitamente più lineare della risposta in tensione. I segnali di corrente forniscono anche tipicamente una bassa impedenza per i sensori, con il vantaggio di una migliore immunità al rumore. Una considerazione pratica è che i segnali di corrente possono estendersi molto oltre i segnali di tensione, consentendo lunghezze di cavi di segnale robuste fino a 1.000 metri.
Le tensioni di alimentazione utilizzate con loop CC da 4-20 ma variano (9, 12, 24 VDC, ecc.) a seconda dell’applicazione. Tuttavia, l’alimentazione deve essere a un potenziale superiore del 10% rispetto alla caduta di tensione dei componenti combinati nel circuito (ad esempio, trasmettitore, ricevitore e cavo). La maggior parte dei loop 4 – 20mA utilizza due fili, ma esistono anche configurazioni a tre e quattro fili che separano un’alimentazione positiva dalla connessione di uscita. I componenti di un loop 4-20mA includono 1) un sensore, 2) un trasmettitore, 3) una fonte di alimentazione, 4) un circuito/loop (cioè cablaggio) e 5) un ricevitore.
Ci sono pro e contro nell’utilizzo di un loop di corrente 4 – 20mA. I pro sono che il loop di corrente 4-20 mA è lo standard industriale dominante, è migliore per lunghe distanze, è il più semplice da collegare e configurare, utilizza meno cablaggio rispetto a sistemi simili ed è molto facile da risolvere per problemi comuni come fili rotti. Gli svantaggi dell’utilizzo di 4-20mA per un loop di ingresso sensore attivo sono che i loop di corrente possono trasmettere un solo segnale di processo, che richiede più loop quando ci sono numerose variabili di processo che devono essere trasmesse. Inoltre, l’utilizzo di più loop può portare a problemi di loop di massa se i singoli loop non sono isolati.
Un altro vantaggio dei loop di corrente 4-20mA è la sicurezza. Anche se l’alimentazione è di 24 volt, lo shock non è un pericolo poiché la corrente è bassa (P=VI). Inoltre, il circuito di corrente 4-20mA è intrinsecamente sicuro per aree pericolose che possono includere livelli pericolosi di polvere o vapore perché il basso consumo energetico non causa combustione se sono in gioco normali condizioni di funzionamento o di guasto.
Naturalmente, se l’uso di sensori wireless continua a crescere, la distanza del loop di ingresso 4-20mA di 1.000 metri non sarà così impressionante come lo era negli anni ‘ 60. Tuttavia, il vecchio loop del sensore 4-20mA è intrinsecamente immune all’hacking via Internet e sarà sempre più affidabile per le prestazioni in tempo reale rispetto ai sensori wireless.