4-20Ma тестер за текущ контур, използващ оп

Сензорите са неразделна част от всяка измервателна система, тъй като помагат за преобразуване на параметрите от реалния свят в електронни сигнали, които могат да бъдат разбрани от машините. В индустриална среда често използваният тип сензори са аналоговите сензори и цифровите сензори. Цифровите сензори комуникират с 0 и 1 следващи протоколи като USART, I2C, SPI и т.н. А аналоговите сензори могат да комуникират чрез променлив ток или променливо напрежение. Много от нас трябва да са запознати със сензори, които извеждат променливо напрежение като LDR, сензор за газ MQ, сензор Flex и т.н. Тези аналогови сензори за напрежение са свързани с преобразуватели на напрежение към ток, за да преобразуват аналоговото напрежение в аналогов ток, за да се превърнат в сензор с променлив ток.

Този променлив токов сензор следва протокола 4-20mA, което означава, че сензорът ще изведе 4mA, когато измерените стойности е 0 и ще изведе 20mA, когато измерената стойност е максимална. Ако сензорът изведе нещо по-малко от 4mA или повече от 20mA, това може да се приеме като състояние на повреда. Сензорът извежда тока през усукани двойки проводници, позволявайки захранването и данните да преминават само през 2 проводника. Най-ниската или „нулева“ стойност е 4mA. Това се дължи на ситуацията, в която когато изходът е нула или 4mA, той все още може да захранва устройството. Също така, тъй като сигналът се предава като ток, той може да бъде изпратен на голямо разстояние, без да се притеснявате за спада на напрежението поради съпротивлението на проводника или за шумоустойчивостта.

В промишлеността калибрирането на сензора е рутинен процес и за калибриране на системата, както и за отстраняване на грешки, се извършва текущо тестване на веригата. При текущото тестване на веригата той използва процес на проверка, който проверява счупването в комуникационната линия. Той също така проверява изходния ток на предавателя. В този проект ще създадем основен тестер за токов контур, като използваме няколко компонента, което ни позволява да регулираме ръчно тока от 4ma до 20mA чрез завъртане на потенциометър. Тази схема може да се използва като фиктивен сензор за емулиране на програми или за отстраняване на грешки.

Изисквания към компонентите

PNP транзистор (използва се BC557)
Op-Amp (използва се JRC4558)
300k резистор
1k резистор
50k 10 оборотен потенциометър.
100pF 16V
0.1uF 16V - 2бр
100R резистор - толеранс 5%
LED (всеки цвят)
5V захранване
Макет
Кабел за свързване
Мултиметър за измерване на тока

Нека да разгледаме важните компоненти, използвани в този проект. На изображението по-долу е показан PNP транзисторът, BC557 pin out.

Това е един от най-често срещаните три пинови PNP транзистори. BC557 е идентичната двойка NPN BC547. Отляво надясно щифтовете са Emitter, Base и Collector. Други еквивалентни транзистори са BC556, BC327, 2N3906 и др.

Операционният усилвател, използван тук (JRC4558), следва същата диаграма на щифтовете, както се използва при други видове операционни усилватели. Pin 1, Pin 2, Pin 3 се използват за единичен усилвател и Pin 5, 6, 7, използвани за другия канал. За този проект може да се използва всеки канал. 8-ми щифт е положителният източник на захранване, а 4-тият щифт е GND. За този проект се използва JRC4558D Op-Amp, но други операционни усилватели също ще работят. Като например - TL072, LM258, LM358 и др.

Петият компонент в списъка с детайли, 50k потенциометър с 10 оборота е от Bourns. Номерът на частта е 3590S-2-503L. Това обаче е малко скъп компонент. Най-добрият за тази цел е пота за 10 завъртания, но и други родови потенциометри също са работили добре. Разликата е, че разделителната способност ще бъде по-малка при общия потенциометър, поради което нарастването или намаляването на текущия източник няма да бъде плавно. В този проект се използва потенциометър Bourns. На pinouts на Bourns потенциометър е малко объркващо, в сравнение със стандартните потенциометъра pinouts. На изображението по-долу първият щифт отляво е щифтът на чистачките. Трябва да бъдете внимателни, докато свързвате този потенциометър във всяко приложение.

Електрическа схема

Пълната схема на веригата за тестера на токовия контур 4-20mA е показана по-долу.

Както можете да видите схемата е доста проста, тя се състои от операционен усилвател, който задвижва транзистор. Изходният ток от транзистора се подава към светодиод, този изходен ток може да варира от 0mA до 20mA чрез промяна на потенциометъра и може да бъде измерен чрез амперметър, свързан, както е показано по-горе.

Op-amp тук е проектиран да работи като източник на ток с отрицателна обратна връзка. Входното променливо напрежение се дава на неинвертиращия щифт на Op-Amp с помощта на потенциометър. Максималният изходен ток (в случая 20mA) се задава с помощта на резистора, свързан към инвертиращия щифт на оп-усилвателя. Сега въз основа на напрежението, осигурено към неинвертиращия щифт от пота, операционният усилвател ще пристрасти транзистора, за да подаде постоянен ток през светодиода. Този постоянен ток ще се поддържа независимо от стойността на съпротивлението на натоварване, действаща като източник на ток. Този тип усилвател се нарича Transconductance Amplifier. Веригата е проста и може лесно да бъде конструирана върху макет, както е показано по-долу.

Работа на 4-20mA токов контур

Светодиодът тук действа като товар и веригата на токовия контур осигурява необходимия ток към товара. Токът на натоварване се подава от BC557, който се управлява директно от усилвателя 4558. На положителния вход на усилвателя се подава еталонно напрежение от потенциометъра. В зависимост от еталонното напрежение, оп-усилвателят осигурява ток на отклонение към основата на транзистора. Допълнителният сериен резистор се добавя през потенциометъра, за да ограничи референтното напрежение, както и изхода на усилвателя, като по този начин създава границата от 0mA до 20mA. Промяната на тази стойност на резистора също променя границата на изхода на минималния до максималния ток.

Тестване на веригата

След като веригата е изградена, захранвайте я с регулиран 5V източник. Използвал съм захранващото устройство, подобно на това, което построихме по-рано, за захранване на веригата, както е показано по-долу.

Забележка: За 300k резистор се използват два резистора в серии 100k и 200k.

За да тествам веригата, използвах мултицет в режим Amp и свързах сондите му вместо амперметъра, показан на схемата. Можете да проверите това ръководство за използване на мултицет, ако сте нов с мултиметри. Тъй като променям потенциометъра, текущата стойност на мултицета може да се забележи, варираща от 4mA до 20mA. В пълен работен видеото може да бъде намерена на дъното на това.

Приложения на веригата за тестване на контур

Основното приложение на тестера за токов контур 4-20mA е да тества или калибрира PLC машините, които получават протокол 4-20 mA и предоставят данни в зависимост от него. Следователно, неправилното калибриране доведе до стойност на грешка, възприета от PLC. Не само калибриране, но също така е удобен процес за проверка на счупването на текущата верига.

Приложението на токовия контур 4-20mA има огромен обхват в индустриалната автоматизация и система за управление. Като например, воден поток, позиция на клапана, производство на масло и свързаните с тях сензори, които са от съществено значение за производствения процес, всички използват комуникационна линия 4-20 mA. Отстраняването и откриването на неизправности е решаваща работа в индустрията, за да се спестят време и пари. Точният тестер за токов контур 4-20 mA е основен инструмент за решаване на свързаните със сензора проблеми.

Ограничения на 4-20mA Тестер на контура на тока

Веригата има определени ограничения. Индустриалната среда е много сурова от лабораторната среда. Следователно веригата трябва да се състои от различни защитни вериги като защита от късо съединение и защита от пренапрежение на всички входове и изходи, което е подходящо за използване в индустриална среда.