4-20Ma струмовий тестер петлі з використанням оп

Датчики є невід’ємною частиною будь-якої вимірювальної системи, оскільки вони допомагають перетворити параметри реального світу в електронні сигнали, які можна зрозуміти машинам. У промислових умовах загальновживаним типом датчиків є аналоговий датчик та цифровий датчик. Цифрові датчики взаємодіють із наступними протоколами 0 та 1, такими як USART, I2C, SPI тощо. А аналогові датчики можуть спілкуватися через змінний струм або змінну напругу. Багато з нас повинні бути знайомі з датчиками, які виводять змінну напругу, такими як LDR, датчик газу MQ, датчик Flex тощо. Ці аналогові датчики напруги поєднані з перетворювачами напруги в струм, щоб перетворити аналогову напругу в аналоговий струм, щоб стати датчиком змінної струму.

Цей датчик змінної сили струму дотримується протоколу 4-20 мА, тобто датчик виводить 4 мА, коли виміряні значення дорівнює 0, і виводить 20 мА, коли виміряне значення максимальне. Якщо датчик виводить що-небудь менше 4 мА або більше 20 мА, це може сприйматися як стан несправності. Датчик виводить струм через виті пари проводів, дозволяючи як живленню, так і даних протікати лише через 2 дроти. Найнижче або «нульове» значення - 4 мА. Це пов’язано з ситуацією, коли, коли вихідний сигнал дорівнює нулю або 4 мА, він все одно може живити пристрій. Також, оскільки сигнал передається як струм, його можна відправити на велику відстань, не турбуючись про падіння напруги через опір дроту або про шумозахист.

У галузях промисловості калібрування датчика є звичним процесом, і для калібрування системи, а також для усунення несправностей, проводиться тестування струму. Під час тестування поточного циклу він використовує процес перевірки, який перевіряє обрив лінії зв'язку. Він також перевіряє вихідний струм передавача. У цьому проекті ми створимо базовий тестер контуру струму з використанням декількох компонентів, що дозволяє вручну регулювати струм від 4ma до 20mA, повертаючи потенціометр. Цю схему можна використовувати як фіктивний датчик для емуляції програм або для налагодження.

Вимоги до компонентів

1. Транзистор PNP (використовується BC557)
2. Операційний підсилювач (використовується JRC4558)
3. 300k резистор
4. 1k резистор
5. 50k потенціометр на 10 обертів.
6. 100pF 16V
7. 0,1 мкФ 16 В - 2 шт
8. 100R резистор - допуск 5%
9. Світлодіод (будь-який колір)
10. Джерело живлення 5В
11. Макет
12. Дріт підключення
13. Мультиметр для вимірювання струму

Давайте розглянемо важливі компоненти, використані у цьому проекті. На зображенні нижче показано транзистор PNP, висновок BC557.

Це один з найпоширеніших трьох контактних транзисторів PNP. BC557 - ідентична пара NPN BC547. Зліва направо висновки - це випромінювач, основа та колектор. Іншими еквівалентними транзисторами є BC556, BC327, 2N3906 тощо.

Операційний підсилювач, що використовується тут (JRC4558), відповідає тій же схемі контактів, що і в інших типах операційних підсилювачів. Pin 1, Pin 2, Pin 3 використовуються для одного операційного підсилювача, а Pin 5, 6, 7 - для іншого каналу. Для цього проекту можна використовувати будь-який канал. 8-й штифт є позитивним джерелом живлення, а 4-й штифт - GND. Для цього проекту використовується підсилювач JRC4558D, але інші операційні підсилювачі також працюватимуть. Такі як "TL072", "LM258", "LM358" тощо.

П'ятий компонент у списку деталей, потенціометр на 10 обертів на 50 тис. Від Bourns. Номер деталі - 3590S-2-503L. Однак це трохи дорогий компонент. Для цього найкраще підійде горщик на 10 обертів, але інші загальні потенціометри також справно працювали. Різниця полягає в тому, що роздільна здатність буде меншою із загальним потенціометром, через що збільшення або зменшення джерела струму не буде плавним. У цьому проекті використовується потенціометр Борнса. У терморегулятори від Bourns потенціометра є трохи заплутаним по порівнянні зі стандартним потенціометром терморегулятори. На зображенні нижче перший штифт зліва - штифт склоочисника. Потрібно бути обережним, підключаючи цей потенціометр у будь-якому додатку.

Кругова діаграма

Повна електрична схема для тестера струму 4-20 мА показана нижче.

Як бачите, схема досить проста, вона складається з операційного підсилювача, який приводить в дію транзистор. Вихідний струм від транзистора подається на світлодіод, цей вихідний струм може варіюватися від 0 мА до 20 мА, варіюючи потенціометр, і може бути виміряний амперметром, підключеним, як показано вище.

Операційний підсилювач тут призначений для роботи в якості джерела струму з негативним зворотним зв'язком. Вхідна змінна напруга подається на неінвертуючий штифт Op-Amp за допомогою потенціометра. Максимальний вихідний струм (в даному випадку 20 мА) встановлюється за допомогою резистора, підключеного до інвертуючого штифта оп-підсилювача. Тепер, виходячи з напруги, що подається на неінвертуючий штифт від бака, ОУ буде зміщувати транзистор для подачі постійного струму через світлодіод. Цей постійний струм буде підтримуватися незалежно від значення опору навантаження, що діє як джерело струму. Цей тип підсилювача називається підсилювачем провідності. Схема проста і може бути легко побудована на макетній панелі, як показано нижче.

Роботи тестера струму струму 4-20мА

Світлодіод тут діє як навантаження, а схема ланцюга струму забезпечує необхідний струм для навантаження. Струм навантаження подається BC557, який безпосередньо управляється за допомогою підсилювача 4558. На позитивному вході підсилювача потенціометром подається опорна напруга. Залежно від опорної напруги, операційний підсилювач подає струм зміщення на базу транзистора. Додатковий послідовний резистор додається через потенціометр для обмеження опорної напруги, а також виходу підсилювача, створюючи таким чином межу від 0 мА до 20 мА. Змінюючи це значення резистора, також змінюють межу вихідного струму від мінімального до максимального.

Випробування схеми

Після побудови схеми підключіть її до джерела напруги 5 В. Я використовував блок живлення, подібний до того, що ми побудували раніше, для живлення схеми, як показано нижче.

Примітка: Для резистора 300k використовуються два резистори послідовно 100k та 200k.

Для перевірки схеми я використав мультиметр в режимі Amp і підключив його щупи замість амперметра, показаного на схемі. Ви можете переглянути цей посібник з використання мультиметра, якщо ви новачок у мультиметрах. Оскільки я змінюю потенціометр, можна помітити значення струму на мультиметрі, яке варіюється від 4 мА до 20 мА. Повністю працюють відео можна знайти в нижній частині цього.

Застосування ланцюга тестера петлі

Основне застосування тестера петлі струму 4-20 мА - це тестування або калібрування ПЛК-машин, які приймають протокол 4-20 мА, та надання даних залежно від нього. Отже, неправильне калібрування призвело до значення помилки, сприйнятого ПЛК. Не тільки калібрування, але це також зручний процес перевірки обриву поточного контуру.

Застосування ланцюга струму 4-20мА має величезну сферу в промисловій системі автоматизації та управління. Такі, як, наприклад, витрата води, положення клапана, видобуток масла та пов'язані з ними датчики, які є важливими для виробничого процесу, використовують лінію зв'язку 4-20 мА. Налагодження та пошук несправностей є вирішальною роботою в галузі для економії часу та грошей. Точний тестер петлі струму 4-20 мА є важливим інструментом для вирішення проблем, пов'язаних з датчиком.

Обмеження тестера струму струму 4-20мА

Схема має певні обмеження. Промислове середовище дуже суворе, ніж лабораторне. Отже, схема повинна складатися з різних ланцюгів захисту, таких як захист від короткого замикання та захист від перенапруги на вході та виході, що підходить для використання в промислових умовах.