Тестер токовой петли 4-20 мА с использованием op

Датчики являются неотъемлемой частью любой измерительной системы, поскольку они помогают преобразовывать параметры реального мира в электронные сигналы, понятные для машин. В промышленной среде обычно используются датчики аналогового и цифрового типов. Цифровые датчики обмениваются данными с помощью следующих протоколов 0 и 1, таких как USART, I2C, SPI и т. Д. Аналоговые датчики могут обмениваться данными с помощью переменного тока или переменного напряжения. Многие из нас должны быть знакомы с датчиками, которые выводят переменное напряжение, такими как LDR, датчик газа MQ, датчик Flex и т. Д. Эти аналоговые датчики напряжения соединены с преобразователями напряжения в ток для преобразования аналогового напряжения в аналоговый ток, чтобы стать датчиком переменного тока.

Этот датчик переменного тока работает по протоколу 4-20 мА, то есть датчик будет выдавать 4 мА, когда измеренное значение равно 0, и будет выдавать 20 мА, когда измеренное значение является максимальным. Если выходной сигнал датчика меньше 4 мА или больше 20 мА, это может быть расценено как неисправность. Датчик выводит ток через витую пару, позволяя передавать питание и данные только по 2 проводам. Наименьшее или нулевое значение - 4 мА. Это происходит из-за ситуации, когда выходное значение равно нулю или 4 мА, он все еще может питать устройство. Кроме того, поскольку сигнал передается в виде тока, его можно отправлять на большие расстояния, не беспокоясь о падении напряжения из-за сопротивления проводов или о помехоустойчивости.

В промышленности калибровка датчика - это рутинный процесс, и для калибровки системы, а также для устранения ошибок, проводится тестирование токовой петли. При тестировании токовой петли он использует процесс проверки, который проверяет обрыв в линии связи. Он также проверяет выходной ток передатчика. В этом проекте мы создадим базовый тестер токовой петли с использованием нескольких компонентов, который позволит нам вручную регулировать ток от 4 мА до 20 мА, поворачивая потенциометр. Эта схема может использоваться как фиктивный датчик для эмуляции программ или для отладки.

Требования к компонентам

Транзистор PNP (используется BC557)
Операционный усилитель (используется JRC4558)
Резистор 300к
Резистор 1к
Потенциометр 50k, 10 оборотов.
100пФ 16В
0,1 мкФ 16 В - 2 шт.
Резистор 100R - допуск 5%
Светодиод (любой цвет)
Источник питания 5В
Макетная плата
Монтажный провод
Мультиметр для измерения силы тока

Давайте посмотрим на важные компоненты, используемые в этом проекте. На изображении ниже показан транзистор PNP, вывод BC557.

Это один из наиболее распространенных трехконтактных PNP-транзисторов. BC557 - это идентичная пара NPN BC547. Слева направо контакты - Эмиттер, База и Коллектор. Другие эквивалентные транзисторы: BC556, BC327, 2N3906 и т. Д.

Используемый здесь операционный усилитель (JRC4558) следует той же схеме контактов, что и в других типах операционных усилителей. Выводы 1, 2 и 3 используются для одного операционного усилителя, а выводы 5, 6, 7 - для другого канала. Для этого проекта можно использовать любой канал. 8-й контакт - это положительный источник питания, а 4-й контакт - GND. Для этого проекта используется операционный усилитель JRC4558D, но подойдут и другие операционные усилители. Например вроде - TL072, LM258, LM358 и др.

Пятый компонент в списке деталей, потенциометр 50k, 10 оборотов, принадлежит Bourns. Каталожный номер 3590S-2-503L. Однако это немного дорогой компонент. Потенциометр на 10 оборотов лучше всего подходит для этой цели, но другие универсальные потенциометры также работали нормально. Разница в том, что разрешение будет меньше с обычным потенциометром, из-за чего увеличение или уменьшение источника тока не будет плавным. В этом проекте используется потенциометр Борнса. В распиновки от Bourns потенциометра является немного запутанным по сравнению со стандартным потенциометром распиновкой. На изображении ниже первый штифт слева - штифт стеклоочистителя. Следует соблюдать осторожность при подключении этого потенциометра в любом приложении.

Принципиальная электрическая схема

Полная принципиальная схема тестера токовой петли 4-20 мА показана ниже.

Как видите, схема довольно проста, она состоит из операционного усилителя, который управляет транзистором. Выходной ток от транзистора подается на светодиод, этот выходной ток можно изменять от 0 мА до 20 мА, изменяя потенциометр, и его можно измерить с помощью амперметра, подключенного, как показано выше.

Операционный усилитель здесь предназначен для работы в качестве источника тока с отрицательной обратной связью. Входное переменное напряжение подается на неинвертирующий вывод операционного усилителя с помощью потенциометра. Максимальный выходной ток (в данном случае 20 мА) устанавливается с помощью резистора, подключенного к инвертирующему выводу операционного усилителя. Теперь, в зависимости от напряжения, подаваемого на неинвертирующий вывод от потенциометра, операционный усилитель будет смещать транзистор для получения постоянного тока через светодиод. Этот постоянный ток будет поддерживаться независимо от значения сопротивления нагрузки, действующего как источник тока. Этот тип усилителя называется усилителем крутизны. Схема проста и может быть легко построена на макете, как показано ниже.

Работа тестера токовой петли 4-20 мА

Светодиод здесь действует как нагрузка, а цепь токовой петли обеспечивает требуемый ток для нагрузки. Ток нагрузки подается от BC557, который непосредственно под контролем операционного усилителя 4558. На положительном входе усилителя, опорное напряжение предоставляется с помощью потенциометра. В зависимости от опорного напряжения, операционный усилитель обеспечивает ток смещения на базу транзистора. Дополнительный последовательный резистор добавляется через потенциометр, чтобы ограничить опорного напряжения, а также выход усилителя, создавая тем самым границу 0 мА до 20 мА. Изменение этого значения резистора также изменяет границу минимального и максимального выходного тока.

Тестирование схемы

Как только схема построена, запитайте ее от регулируемого источника 5 В. Я использовал макетный блок питания, аналогичный тому, что мы построили ранее, для питания схемы, как показано ниже.

Примечание: для резистора 300 кОм используются два резистора последовательно 100 кОм и 200 кОм.

Для проверки схемы я использовал мультиметр в ампер-режиме и подключил его щупы вместо амперметра, показанного на принципиальной схеме. Вы можете проверить это руководство по использованию мультиметра, если вы новичок в мультиметрах. Когда я изменяю потенциометр, можно заметить, что текущее значение на мультиметре изменяется от 4 мА до 20 мА. Полностью работающие видео можно найти в нижней части этого.

Применение схемы тестера токовой петли

Основное применение тестера токовой петли 4–20 мА - проверка или калибровка машин ПЛК, которые получают протокол 4–20 мА и предоставляют данные в зависимости от него. Следовательно, неправильная калибровка привела к значению ошибки, воспринимаемой ПЛК. Не только калибровка, но и удобный процесс проверки обрыва токовой петли.

Применение токовой петли 4-20 мА имеет огромную область применения в системах промышленной автоматизации и управления. Например, расход воды, положение клапана, добыча нефти и связанные с ними датчики, которые необходимы для производственного процесса, используют линию связи 4-20 мА. Отладка и поиск неисправностей - важная задача в отрасли, позволяющая сэкономить время и деньги. Точный тестер токовой петли 4-20 мА является важным инструментом для решения проблем, связанных с датчиком.

Ограничения тестера токовой петли 4-20 мА

Схема имеет определенные ограничения. Промышленная среда более суровая, чем лабораторная. Следовательно, схема должна состоять из различных схем защиты, таких как защита от короткого замыкания и защита от перенапряжения на всех входах и выходах, что подходит для использования в промышленных условиях.