Tester pętli prądowej 4-20Ma z op

Czujniki są integralną częścią każdego systemu pomiarowego, ponieważ pomagają w konwersji parametrów świata rzeczywistego na sygnały elektroniczne, które mogą być zrozumiałe dla maszyn. W środowisku przemysłowym powszechnie stosowanym typem czujników są czujniki analogowe i czujniki cyfrowe. Czujniki cyfrowe komunikują się z następującymi protokołami zerowymi i jedynkowymi, takimi jak USART, I2C, SPI itp., A czujniki analogowe mogą komunikować się poprzez zmienny prąd lub zmienne napięcie. Wielu z nas powinno być zaznajomionych z czujnikami wyprowadzającymi zmienne napięcie, takimi jak LDR, czujnik gazu MQ, czujnik Flex itp. Te analogowe czujniki napięcia są połączone z przetwornikami napięcia na prąd, aby przekształcić napięcie analogowe w prąd analogowy, aby stać się czujnikiem prądu zmiennego.

Ten czujnik prądu zmiennego jest zgodny z protokołem 4-20 mA, co oznacza, że czujnik wyprowadza prąd 4 mA, gdy zmierzone wartości wynoszą 0, i wyprowadza 20 mA, gdy zmierzona wartość jest maksymalna. Jeśli czujnik wyprowadza mniej niż 4 mA lub więcej niż 20 mA, można przyjąć, że jest to stan błędu. Czujnik wysyła prąd przez skrętkę, umożliwiając przepływ zasilania i danych tylko przez 2 przewody. Najniższa wartość lub „zero” to 4 mA. Dzieje się tak z powodu sytuacji, w której gdy wyjście ma wartość zero lub 4mA, nadal może zasilać urządzenie. Ponieważ sygnał jest przesyłany w postaci prądu, może być przesyłany na duże odległości bez obawy o spadek napięcia spowodowany opornością przewodu lub odpornością na zakłócenia.

W przemyśle kalibracja czujnika jest procesem rutynowym, a do kalibracji systemu, a także do rozwiązywania problemów z błędami, przeprowadza się testowanie pętli prądowej. W testowaniu pętli prądowej wykorzystuje proces weryfikacji, który sprawdza przerwanie linii komunikacyjnej. Sprawdza również prąd wyjściowy przetwornika. W tym projekcie za pomocą kilku komponentów stworzymy podstawowy tester pętli prądowej, który pozwoli nam ręcznie regulować prąd od 4mA do 20mA za pomocą potencjometru. Ten obwód może być używany jako czujnik zastępczy do emulacji programów lub debugowania.

Wymagania dotyczące składników

Tranzystor PNP (używany jest BC557)
Wzmacniacz operacyjny (używany jest JRC4558)
Rezystor 300k
Rezystor 1k
Potencjometr 10-krotny 50k.
100pF 16V
0,1uF 16V - 2szt
Rezystor 100R - tolerancja 5%
Dioda LED (dowolny kolor)
Zasilanie 5V
Płytka prototypowa
Podłączyć przewód
Multimetr do pomiaru prądu

Rzućmy okiem na ważne komponenty użyte w tym projekcie. Na poniższym obrazie pokazano tranzystor PNP, wyprowadzenie BC557.

Jest to jeden z najpopularniejszych trójpinowych tranzystorów PNP. BC557 to identyczna para NPN BC547. Od lewej do prawej pinezki to Emiter, Base i Collector. Inne równoważne tranzystory to BC556, BC327, 2N3906 itp.

Zastosowany tutaj wzmacniacz operacyjny (JRC4558) ma ten sam schemat pinów, który jest używany w innych typach wzmacniaczy operacyjnych. Pin 1, Pin 2, Pin 3 są używane dla pojedynczego wzmacniacza operacyjnego, a Pin 5, 6, 7 są używane dla drugiego kanału. W tym projekcie można użyć dowolnego kanału. Ósmy pin to dodatnie źródło zasilania, a czwarty pin to GND. JRC4558D Op-Amp służy do tego projektu, ale inne Wzmacniacze operacyjne będą również pracować. Takich jak - TL072, LM258, LM358 itp.

Piąty komponent na liście części, potencjometr o 10 obrotach 50 000 pochodzi od Bournsa. Numer części to 3590S-2-503L. Jest to jednak nieco kosztowny element. Potencjometr 10 tur jest najlepszy do tego celu, ale inne ogólne potencjometry również działały dobrze. Różnica polega na tym, że rozdzielczość będzie mniejsza w przypadku ogólnego potencjometru, przez co przyrost lub ubytek źródła prądu nie będzie płynny. W tym projekcie wykorzystano potencjometr Bournsa. W pinoutem z Bourns potencjometru jest trochę mylący porównaniu ze standardowymi wyprowadzeń potencjometru. Na poniższym obrazku pierwszy kołek od lewej to kołek wycieraczki. Należy uważać przy podłączaniu tego potencjometru w dowolnej aplikacji.

Schemat obwodu

Pełny schemat obwodu testera pętli prądowej 4-20 mA pokazano poniżej.

Jak widać obwód jest dość prosty, składa się ze wzmacniacza operacyjnego, który steruje tranzystorem. Prąd wyjściowy z tranzystora jest podawany do diody LED, ten prąd wyjściowy można zmieniać w zakresie od 0 mA do 20 mA przez zmianę potencjometru i można go mierzyć za pomocą amperomierza podłączonego jak pokazano powyżej.

Wzmacniacz operacyjny został zaprojektowany do pracy jako źródło prądu z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Zmienne napięcie wejściowe jest podawane na nieodwracający styk wzmacniacza operacyjnego za pomocą potencjometru. Maksymalny prąd wyjściowy (w tym przypadku 20 mA) jest ustawiany za pomocą rezystora podłączonego do styku odwracającego wzmacniacza operacyjnego. Teraz, w oparciu o napięcie dostarczane do nieodwracającego styku z potencjometru, wzmacniacz operacyjny będzie spolaryzował tranzystor, aby zapewnić stały prąd przez diodę LED. Ten stały prąd będzie utrzymywany niezależnie od wartości rezystancji obciążenia działającej jako źródło prądu. Ten typ wzmacniacza nazywany jest wzmacniaczem transkonduktancyjnym. Obwód jest prosty i można go łatwo zbudować na płytce stykowej, jak pokazano poniżej.

Działanie testera pętli prądowej 4-20mA

Dioda LED działa tutaj jako obciążenie, a obwód pętli prądowej dostarcza wymagany prąd do obciążenia. Prąd obciążenia jest dostarczany przez BC557, który jest bezpośrednio sterowany przez wzmacniacz operacyjny 4558. Na dodatnim wejściu wzmacniacza napięcie odniesienia jest dostarczane przez potencjometr. W zależności od napięcia odniesienia, wzmacniacz operacyjny dostarcza prąd polaryzacji do podstawy tranzystora. Dodatkowy rezystor szeregowy jest dodawany do potencjometru w celu ograniczenia napięcia odniesienia, jak również wyjścia wzmacniacza, tworząc w ten sposób granicę od 0 mA do 20 mA. Zmiana wartości tego rezystora powoduje również zmianę granicy minimalnej do maksymalnej prądu wyjściowego.

Testowanie obwodu

Po zbudowaniu obwodu zasil go za pomocą regulowanego źródła 5 V. Użyłem zasilacza płytki prototypowej, podobnego do tego, który zbudowaliśmy wcześniej, aby zasilić obwód, jak pokazano poniżej.

Uwaga: W przypadku rezystora 300k dwa rezystory są używane w serii 100k i 200k.

Aby przetestować obwód, użyłem multimetru w trybie Amp i podłączyłem jego sondy w miejsce amperomierza pokazanego na schemacie obwodu. Możesz sprawdzić ten przewodnik użytkowania multimetru, jeśli jesteś nowym użytkownikiem multimetrów. Ponieważ zmieniam potencjometr, można zauważyć wartość prądu na multimetrze wahającą się od 4mA do 20mA. Kompletny wideo pracy można znaleźć na dole tego.

Zastosowania obwodu testera pętli prądowej

Głównym zastosowaniem testera pętli prądowej 4-20mA jest testowanie lub kalibracja maszyn PLC, które odbierają protokół 4-20 mA i dostarczają w zależności od niego dane. Dlatego błędna kalibracja spowodowała, że PLC wykrył wartość błędu. Nie tylko kalibracja, ale także wygodny proces sprawdzania przerwania pętli prądowej.

Zastosowanie pętli prądowej 4-20mA ma olbrzymi zakres w automatyce przemysłowej i systemach sterowania. Takie jak przepływ wody, pozycja zaworu, produkcja oleju i powiązane czujniki, które są niezbędne w procesie produkcyjnym, wykorzystują linię komunikacyjną 4-20 mA. Debugowanie i znajdowanie usterek to kluczowe zadanie w branży, pozwalające zaoszczędzić czas i pieniądze. Dokładny tester pętli prądowej 4-20 mA jest niezbędnym narzędziem do rozwiązywania problemów związanych z czujnikami.

Ograniczenia testera pętli prądowej 4-20mA

Obwód ma pewne ograniczenia. Środowisko przemysłowe jest bardzo surowe niż środowisko laboratoryjne. Dlatego obwód powinien składać się z różnych obwodów zabezpieczających, takich jak ochrona przed zwarciem i ochrona przeciwprzepięciowa na wszystkich wejściach i wyjściach, które są odpowiednie do stosowania w środowiskach przemysłowych.