Tester proudové smyčky 4-20 mA pomocí op

Senzory jsou nedílnou součástí každého měřicího systému, protože pomáhají převádět parametry reálného světa do elektronických signálů, kterým stroje rozumějí. V průmyslovém prostředí se běžně používaným typem senzorů jsou analogové senzory a digitální senzory. Digitální snímače komunikují s následujícími protokoly 0 a 1, jako je USART, I2C, SPI atd. A analogové snímače mohou komunikovat prostřednictvím proměnného proudu nebo proměnného napětí. Mnozí z nás by měli být obeznámeni se senzory, které vydávají proměnné napětí, jako je LDR, senzor plynu MQ, snímač Flex atd. Tyto analogové senzory napětí jsou spojeny s převodníky napětí na proud, aby převáděly analogové napětí na analogový proud a staly se senzorem proměnného proudu.

Tento snímač s proměnným proudem dodržuje protokol 4–20 mA, což znamená, že snímač vydá 4 mA, když jsou naměřené hodnoty 0, a vydá 20 mA, když je naměřená hodnota maximální. Pokud čidlo vydává něco menšího než 4 mA nebo více než 20 mA, lze to považovat za poruchový stav. Senzor vydává proud kroucenými páry vodičů, což umožňuje, aby jak napájení, tak data procházely pouze 2 vodiči. Nejnižší nebo nulová hodnota je 4 mA. Důvodem je situace, kdy i když je výstup nulový nebo 4 mA, může stále napájet zařízení. Protože je signál přenášen jako proud, lze jej posílat na velké vzdálenosti bez obav z poklesu napětí v důsledku odporu drátu nebo odolnosti proti rušení.

V průmyslových odvětvích je kalibrace senzoru rutinním procesem a pro kalibraci systému a také pro řešení problémů s chybami se provádí testování proudové smyčky. Při testování proudové smyčky používá ověřovací proces, který kontroluje poškození komunikační linky. Rovněž kontroluje výstupní proud vysílače. V tomto projektu vytvoříme základní tester proudové smyčky s použitím několika komponent, který nám umožní ručně upravit proud od 4ma do 20mA otáčením potenciometru. Tento obvod lze použít jako fiktivní senzor k emulaci programů nebo k ladění.

Požadavky na součásti

1. PNP tranzistor (používá se BC557)
2. Operační zesilovač (používá se JRC4558)
3. 300k rezistor
4. 1k rezistor
5. 50k potenciometr 10 otáček.
6. 100pF 16V
7. 0,1uF 16V - 2ks
8. 100R rezistor - tolerance 5%
9. LED (libovolná barva)
10. 5V napájení
11. Nepájivá deska
12. Propojovací drát
13. Multimetr pro měření proudu

Pojďme se podívat na důležité komponenty použité v tomto projektu. Na níže uvedeném obrázku je zobrazen tranzistor PNP s vývodem BC557.

Jedná se o jeden z nejběžnějších tříkolíkových tranzistorů PNP. BC557 je identický pár NPN BC547. Zleva doprava jsou kolíky Emitter, Base a Collector. Další ekvivalentní tranzistory jsou BC556, BC327, 2N3906 atd.

Zde použitý operační zesilovač (JRC4558) sleduje stejný pinový diagram, jaký se používá v jiných typech operačních zesilovačů. Pin 1, Pin 2, Pin 3 se používají pro jeden operační zesilovač a Pin 5, 6, 7 pro druhý kanál. Pro tento projekt lze použít jakýkoli kanál. 8. pin je kladný zdroj napájení a 4. pin je GND. Pro tento projekt se používá operační zesilovač JRC4558D, ale budou fungovat i další operační zesilovače. Jako například - TL072, LM258, LM358 atd.

5. komponenta v seznamu dílů, potenciometr 50 k 10 otáček, pochází od Bournů. Číslo dílu je 3590S-2-503L. Je to však trochu nákladná součást. Potenciometr 10 Turn je pro tento účel nejlepší, ale ostatní generické potenciometry také fungovaly dobře. Rozdíl je v tom, že s obecným potenciometrem bude rozlišení menší, kvůli čemuž nebude přírůstek nebo úbytek aktuálního zdroje plynulý. V tomto projektu je použit Bournsův potenciometr. K pinouts potenciometru bourns je trochu matoucí ve srovnání se standardními potenciometrem pinouts. Na následujícím obrázku je první čep zleva čep čepu stěrače. Při připojování tohoto potenciometru v jakékoli aplikaci je třeba být opatrný.

Kruhový diagram

Kompletní schéma zapojení pro zkoušečku proudové smyčky 4–20 mA je uvedeno níže.

Jak vidíte, obvod je velmi jednoduchý, skládá se z operačního zesilovače, který pohání tranzistor. Výstupní proud z tranzistoru se přivádí na LED, tento výstupní proud lze měnit od 0 mA do 20 mA změnou potenciometru a lze jej měřit připojeným ampérmetrem, jak je znázorněno výše.

Operační zesilovač je navržen tak, aby fungoval jako zdroj proudu se zápornou zpětnou vazbou. Vstupní proměnné napětí je dáno neinvertujícímu kolíku Op-Amp pomocí potenciometru. Maximální výstupní proud (v tomto případě 20 mA) se nastavuje pomocí odporu připojeného k invertujícímu kolíku op-Amp. Nyní na základě napětí dodávaného neinvertujícímu kolíku z hrnce operační zesilovač zkreslí tranzistor tak, aby zdrojil konstantní proud přes LED. Tento konstantní proud bude udržován bez ohledu na hodnotu odporu zátěže působícího jako zdroj proudu. Tento typ zesilovače se nazývá transkonduktanční zesilovač. Obvod je jednoduchý a lze jej snadno postavit na prkénku, jak je znázorněno níže.

Fungování testeru proudové smyčky 4–20 mA

LED zde funguje jako zátěž a obvod proudové smyčky dodává do zátěže požadovaný proud. Zátěžový proud dodává BC557, který je přímo řízen operačním zesilovačem 4558. Na kladném vstupu zesilovače je potenciometrem dodáváno referenční napětí. V závislosti na referenčním napětí poskytuje operační zesilovač zkreslený proud do základny tranzistoru. Přes potenciometr je přidán další sériový rezistor, který omezuje referenční napětí i výstup zesilovače, čímž vytváří hranici 0 mA až 20 mA. Změnou této hodnoty odporu se také změní hranice minimálního a maximálního proudu.

Testování obvodu

Jakmile je obvod sestaven, napájejte jej pomocí regulovaného zdroje 5 V. Použil jsem napájení napájecího zdroje, podobné tomu, které jsme postavili dříve, k napájení obvodu, jak je znázorněno níže.

Poznámka: Pro 300k rezistor se používají dva odpory v sérii 100k a 200k.

K otestování obvodu jsem použil multimetr v režimu Amp a připojil jeho sondy namísto ampérmetru zobrazeného ve schématu zapojení. Pokud jste s multimetry noví, můžete si přečíst tohoto průvodce používáním multimetru. Jak měním potenciometr, lze si všimnout aktuální hodnoty na multimetru od 4mA do 20mA. Kompletní funkční videa lze nalézt na kloub.

Aplikace obvodu testeru proudové smyčky

Hlavní aplikací testeru proudové smyčky 4–20 mA je testování nebo kalibrace automatů PLC, které přijímají protokol 4–20 mA, a podle toho poskytují data. Chybná kalibrace proto vedla k tomu, že PLC vnímala chybovou hodnotu. Nejen kalibrace, ale je to také pohodlný proces kontroly aktuálního poškození smyčky.

Aplikace proudové smyčky 4-20 mA má v průmyslové automatizaci a řídicím systému obrovský rozsah. Jako například průtok vody, poloha ventilu, produkce oleje a související senzory, které jsou nezbytné pro výrobní proces, používají komunikační linku 4–20 mA. Ladění a hledání poruchových stavů je zásadní prací v tomto odvětví, která šetří čas a peníze. Přesný tester proudové smyčky 4-20 mA je základním nástrojem k řešení problémů souvisejících se senzory.

Omezení testeru proudové smyčky 4–20 mA

Obvod má určitá omezení. Průmyslové prostředí je velmi drsné než laboratorní prostředí. Obvod by proto měl sestávat z různých ochranných obvodů, jako je ochrana proti zkratu a přepěťová ochrana na všech vstupech a výstupech, které jsou vhodné pro použití v průmyslovém prostředí.