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Le funzionalità I/O integrate nella maggior parte dei microcontrollori semplificano la misurazione del mondo analogico. Supponiamo che tu voglia costruire un registratore di dati per la temperatura. Tutto quello che devi fare è procurarti un qualche tipo di sensore che abbia un'uscita di tensione lineare che rappresenti l'intervallo di temperatura che devi monitorare: da zero a cinque volt che rappresentano da 0° a 100° C, forse. Collega il sensore all'ingresso analogico, inserisci un piccolo codice e il gioco è fatto. Roba facile.

Ora cambialo: devi montare il sensore lontano dal microcontrollore. Più lunghi sono i cavi, maggiore sarà la caduta di tensione, finché alla fine l'oscillazione di cinque volt che rappresenta un intervallo di 100° sarà più simile a un'oscillazione di un volt. Inoltre, i lunghi cavi del sensore agiranno come una bella antenna per captare tutti i tipi di rumore che renderanno ancora più difficile l'estrazione di un segnale di tensione utilizzabile dalla linea.

Fortunatamente, gli ingegneri dei processi industriali hanno capito molto tempo fa come affrontare questi problemi utilizzando circuiti di corrente per il rilevamento e il controllo. Lo standard più comune è il loop di corrente da 4 mA a 20 mA e qui daremo un'occhiata a come è nato, come funziona e come sfruttare questa tecnica di controllo del processo di base per il tuo microcontroller progetti.

L'anello di corrente ormai standard da 4-20 mA per il controllo di processo discende direttamente da una delle prime innovazioni nell'automazione industriale, il controllo di processo pneumatico. Prima che i controlli elettrici fossero diffusi, chilometri di linee pneumatiche serpeggiavano attraverso le fabbriche, fornendo non solo la potenza per muovere gli attuatori ma anche la capacità di rilevare le condizioni. Gli ingegneri di processo hanno utilizzato un sistema di segnalazione pneumatico basato sulla pressione: 3 PSI a un'estremità del campo di rilevamento e 15 PSI all'altra. Un sensore di questo tipo varierebbe la pressione nella linea in base alla variabile del processo e potrebbe essere utilizzato come input per un registratore grafico, per controllare direttamente una valvola o addirittura agire di concerto con altri sensori e attuatori pneumatici attraverso sofisticati controllori logici pneumatici.

Sebbene i sistemi pneumatici siano ancora in uso oggi, soprattutto nei settori in cui le cose tendono ad andare a gonfie vele con l'elettricità, i sistemi con circuito di corrente da 4-20 mA sono diventati uno standard de facto negli anni Quaranta e Cinquanta. Nei sistemi a circuito di corrente, un trasduttore che monitora alcune variabili di processo (temperatura, pressione, flusso, ecc.) è collegato a un trasmettitore. Il trasmettitore è collegato in serie con un alimentatore CC, solitamente 24 volt in ambienti industriali. Il trasmettitore è responsabile della conversione dell'uscita del trasduttore in una corrente compresa tra 4 mA e 20 mA.

La legge della corrente di Kirchhoff ci dice che la corrente sarà la stessa in ogni punto del circuito, qualunque sia la tensione. Quindi, se la tensione diminuisce sostanzialmente perché i cavi del trasmettitore sono lunghi mezzo miglio, o se la tensione del circuito varia perché un enorme motore è stato avviato da qualche altra parte nella fabbrica, non importa: il trasmettitore mantiene la corrente costante per una data variabile di processo.

Naturalmente i circuiti di corrente non si limitano ai sensori. Un'ampia gamma di attuatori, dalle valvole agli azionamenti di motori, può essere controllata da un loop da 4-20 mA. È anche possibile l'acquisizione e la visualizzazione dei dati, con registratori grafici, misuratori e indicatori tutti disponibili per il loop.

Ma perché 4 mA – o 3 PSI, del resto – è il limite inferiore del circuito, anziché zero? Facile: perché fornisce il rilevamento degli errori intrinseci. Se il valore inferiore della corrente del circuito fosse stato impostato su zero, sarebbe impossibile distinguere tra una lettura legittima del limite inferiore su un sensore e un filo del circuito rotto.

Allora come puoi incorporare un dispositivo da 4-20 mA nel tuo ultimo progetto Arduino? Riportare la corrente in tensione inserendo un resistore nel circuito e misurando la caduta di tensione ai suoi capi è davvero tutto ciò che serve. [AvE] fa i conti per mostrarci che un resistore da 250 ohm ci fornisce un'oscillazione da uno a cinque volt, che è perfetta per l'ingresso analogico di Arduino nel video qui sotto (attenzione: linguaggio leggermente NSFW in anticipo).

Potresti non avere un accesso così immediato ai sensori e agli attuatori del loop di corrente come chi lavora nel settore dell'automazione industriale e il tuo progetto potrebbe non sfruttare realmente tutto ciò che lo standard 4-20 mA ha da offrire. Ma è bello sapere che è lì quando e se ne hai bisogno.