Tester di loop di corrente 4-20Ma utilizzando op

I sensori sono parte integrante di qualsiasi sistema di misurazione in quanto aiutano a convertire i parametri del mondo reale in segnali elettronici che potrebbero essere compresi dalle macchine. In un ambiente industriale, il tipo di sensore comunemente utilizzato è il sensore analogico e il sensore digitale. I sensori digitali comunicano con i seguenti protocolli di 0 e 1 come USART, I2C, SPI ecc. E i sensori analogici possono comunicare tramite corrente variabile o tensione variabile. Molti di noi dovrebbero avere familiarità con i sensori che emettono tensione variabile come LDR, sensore di gas MQ, sensore Flex ecc. Questi sensori di tensione analogici sono accoppiati con convertitori di tensione in corrente per convertire la tensione analogica in corrente analogica per diventare un sensore di corrente variabile.

Questo sensore di corrente variabile segue il protocollo 4-20 mA, il che significa che il sensore emetterà 4 mA quando i valori misurati sono 0 e emetterà 20 mA quando il valore misurato è massimo. Se il sensore emette qualcosa di meno di 4 mA o più di 20 mA, può essere considerato come una condizione di guasto. Il sensore emette la corrente attraverso cavi a doppini intrecciati consentendo sia l'alimentazione che i dati di fluire attraverso solo 2 fili. Il valore più basso o "zero" è 4mA. Ciò è dovuto alla situazione in cui quando l'uscita è zero o 4mA, può ancora alimentare il dispositivo. Inoltre, poiché il segnale viene trasmesso come corrente, può essere inviato a lunga distanza senza preoccuparsi della caduta di tensione dovuta alla resistenza del filo o dell'immunità ai disturbi.

Nelle industrie, la calibrazione del sensore è un processo di routine e per calibrare il sistema e anche per la risoluzione dei problemi dei risultati degli errori, viene eseguito il test del loop di corrente. Nel test del loop di corrente, utilizza un processo di verifica che controlla la rottura della linea di comunicazione. Controlla anche la corrente di uscita del trasmettitore. In questo progetto, creeremo un tester di loop di corrente di base utilizzando pochi componenti che ci permette di regolare manualmente la corrente da 4ma a 20mA ruotando un potenziometro. Questo circuito può essere utilizzato come sensore fittizio per emulare programmi o per eseguire il debug.

Requisiti dei componenti

1. Un transistor PNP (viene utilizzato BC557)
2. Un amplificatore operazionale (viene utilizzato JRC4558)
3. Resistenza da 300k
4. Resistenza da 1k
5. Potenziometro 50k 10 giri.
6. 100pF 16V
7. 0.1uF 16V - 2 pezzi
8. Resistenza 100R - tolleranza 5%
9. Un LED (qualsiasi colore)
10. Alimentazione 5V
11. Breadboard
12. Cavo di collegamento
13. Un multimetro per misurare la corrente

Diamo uno sguardo ai componenti importanti utilizzati in questo progetto. Nell'immagine sottostante, viene mostrato il transistor PNP, pin out BC557.

Questo è uno dei più comuni transistor PNP a tre pin. BC557 è la coppia identica di NPN BC547. Da sinistra a destra i pin sono Emettitore, Base e Collettore. Altri transistor equivalenti sono BC556, BC327, 2N3906 ecc.

L'amplificatore operazionale qui utilizzato (JRC4558) segue lo stesso diagramma dei pin utilizzato in altri tipi di amplificatori operazionali. I Pin 1, Pin 2, Pin 3 sono usati per un singolo amplificatore operazionale e Pin 5, 6, 7 usati per l'altro canale. Qualsiasi canale può essere utilizzato per questo progetto. L'8 ° pin è la fonte di alimentazione positiva e il 4 ° pin è il GND. Il JRC4558D Op-Amp è usato per questo progetto, ma gli altri amplificatori operazionali funziona anche. Ad esempio: TL072, LM258, LM358, ecc.

Il quinto componente nell'elenco delle parti, il potenziometro 50k a 10 giri, proviene da Bourns. Il numero di parte è 3590S-2-503L. Tuttavia, è un componente un po 'costoso. Il potenziometro a 10 giri è il migliore per questo scopo, ma anche altri potenziometri generici hanno funzionato bene. La differenza è che la risoluzione sarà inferiore con un potenziometro generico a causa del quale l'incremento o il decremento della sorgente di corrente non sarà regolare. In questo progetto viene utilizzato il potenziometro Bourns. La piedinatura del potenziometro Bourns è un po 'confusa rispetto alla piedinatura del potenziometro standard. Nell'immagine sotto, il primo perno da sinistra è il perno del tergicristallo. Bisogna stare attenti quando si collega questo potenziometro in qualsiasi applicazione.

Schema elettrico

Di seguito è mostrato lo schema circuitale completo per il tester del loop di corrente 4-20mA.

Come puoi vedere il circuito è piuttosto semplice, consiste in un amplificatore operazionale che pilota un transistor. La corrente di uscita dal transistor viene alimentata ad un LED, questa corrente di uscita può essere variata da 0mA a 20mA variando il potenziometro e può essere misurata da un Amperometro collegato come mostrato sopra.

L'amplificatore operazionale qui è progettato per funzionare come una sorgente di corrente con feedback negativo. La tensione variabile in ingresso viene fornita al pin non invertente dell'amplificatore operazionale utilizzando un potenziometro. La massima corrente di uscita (in questo caso 20mA) viene impostata utilizzando la resistenza collegata al pin invertente dell'op-Amp. Ora, in base alla tensione fornita al pin non invertente dal potenziometro, l'amplificatore operazionale polarizzerà il transistor per generare una corrente costante attraverso il LED. Questa corrente costante verrà mantenuta indipendentemente dal valore della resistenza di carico che funge da sorgente di corrente. Questo tipo di amplificatore è chiamato amplificatore di transconduttanza. Il circuito è semplice e può essere facilmente costruito su una breadboard come mostrato di seguito.

Funzionamento del tester per loop di corrente 4-20mA

Il LED qui funge da carico e il circuito del loop di corrente fornisce la corrente richiesta al carico. La corrente di carico è fornita dal BC557 che è controllato direttamente dall'amplificatore operazionale 4558. Sull'ingresso positivo dell'amplificatore, una tensione di riferimento viene fornita dal potenziometro. A seconda della tensione di riferimento, l'amplificatore operazionale fornisce la corrente di polarizzazione alla base del transistor. Il resistore in serie aggiuntivo viene aggiunto attraverso il potenziometro per limitare la tensione di riferimento e l'uscita dell'amplificatore creando così il limite da 0 mA a 20 mA. La modifica di questo valore di resistenza cambia anche il limite di uscita della corrente da minimo a massimo.

Collaudo del circuito

Una volta che il circuito è stato costruito, alimentalo utilizzando una sorgente 5V regolata. Ho usato l'alimentatore della breadboard, simile a quello che abbiamo costruito in precedenza per alimentare il circuito come mostrato di seguito.

Nota: per il resistore da 300k, vengono utilizzati due resistori nelle serie 100k e 200k.

Per testare il circuito ho utilizzato un multimetro in modalità Amp e collegato le sue sonde al posto dell'amperometro mostrato nello schema elettrico. Puoi controllare questa guida all'uso del multimetro se sei nuovo con i multimetri. Al variare del potenziometro si può notare il valore della corrente sul multimetro che varia da 4mA a 20mA. Il video completo di lavoro può essere trovato in fondo a questo.

Applicazioni del circuito del tester di loop di corrente

L'applicazione principale del tester del loop di corrente 4-20 mA è quella di testare o calibrare le macchine PLC che ricevono il protocollo 4-20 mA e forniscono dati a seconda di esso. Pertanto, la calibrazione errata ha determinato un valore di errore percepito dal PLC. Non solo calibrazione, ma è anche un processo conveniente per controllare la rottura del loop di corrente.

L'applicazione del loop di corrente 4-20mA ha una vasta portata nell'automazione industriale e nel sistema di controllo. Ad esempio, il flusso d'acqua, la posizione della valvola, la produzione di olio e i sensori associati, essenziali per il processo di produzione, utilizzano tutti una linea di comunicazione 4-20 mA. Il debug e l'individuazione delle condizioni di guasto sono un lavoro cruciale nel settore per risparmiare tempo e denaro. Un accurato tester del loop di corrente 4-20 mA è uno strumento essenziale per risolvere i problemi relativi al sensore.

Limitazioni del tester per loop di corrente 4-20 mA

Il circuito ha alcune limitazioni. L'ambiente industriale è molto duro rispetto a quello basato sul laboratorio. Pertanto, il circuito dovrebbe essere costituito da vari circuiti di protezione come protezione da cortocircuito e protezioni da sovratensione su tutti gli ingressi e le uscite che è adatto per l'uso in ambienti industriali.