4-20Ma Stromschleifentester mit op

Sensoren sind ein wesentlicher Bestandteil jedes Messsystems, da sie bei der Umwandlung der realen Parameter in elektronische Signale helfen, die von Maschinen verstanden werden können. In einer industriellen Umgebung werden häufig analoge und digitale Sensoren verwendet. Digitale Sensoren kommunizieren mit den folgenden Protokollen von 0 und 1 wie USART, I2C, SPI usw. Und analoge Sensoren können über variablen Strom oder variable Spannung kommunizieren. Viele von uns sollten mit Sensoren vertraut sein, die variable Spannungen wie LDR, MQ-Gassensor, Flex-Sensor usw. ausgeben. Diese analogen Spannungssensoren sind mit Spannungs-Strom-Wandlern gekoppelt, um die analoge Spannung in analogen Strom umzuwandeln und einen variablen Stromsensor zu werden.

Dieser Sensor mit variablem Strom folgt dem 4-20-mA-Protokoll, dh der Sensor gibt 4 mA aus, wenn die gemessenen Werte 0 sind, und 20 mA, wenn der gemessene Wert maximal ist. Wenn der Sensor weniger als 4 mA oder mehr als 20 mA ausgibt, kann dies als Fehlerbedingung angenommen werden. Der Sensor gibt den Strom über Twisted-Pair-Drähte aus, sodass sowohl Strom als auch Daten nur über zwei Drähte fließen können. Der niedrigste oder 'Null'-Wert ist 4mA. Dies liegt an der Situation, in der das Gerät bei einem Ausgang von Null oder 4 mA immer noch mit Strom versorgt werden kann. Da das Signal als Strom übertragen wird, kann es auch über große Entfernungen gesendet werden, ohne sich um Spannungsabfälle aufgrund des Drahtwiderstands oder der Störfestigkeit sorgen zu müssen.

In der Industrie ist die Kalibrierung des Sensors ein Routineprozess. Zur Kalibrierung des Systems und zur Fehlerbehebung bei Fehlerergebnissen werden Stromschleifentests durchgeführt. Beim aktuellen Schleifentest wird ein Überprüfungsprozess verwendet, der den Bruch in der Kommunikationsleitung überprüft. Es überprüft auch den Senderausgangsstrom. In diesem Projekt werden wir einen grundlegenden Stromschleifentester mit wenigen Komponenten erstellen, mit dem wir den Strom manuell von 4 mA bis 20 mA durch Drehen eines Potentiometers einstellen können. Diese Schaltung kann als Dummy-Sensor zum Emulieren von Programmen oder zum Debuggen verwendet werden.

Komponentenanforderungen

1. Ein PNP-Transistor (BC557 wird verwendet)
2. Ein Operationsverstärker (JRC4558 wird verwendet)
3. 300k Widerstand
4. 1k Widerstand
5. 50k Potentiometer mit 10 Umdrehungen.
6. 100pF 16V
7. 0,1 uF 16 V - 2 Stück
8. 100R Widerstand - Toleranz 5%
9. Eine LED (beliebige Farbe)
10. 5V Stromversorgung
11. Steckbrett
12. Anschlussdraht
13. Ein Multimeter zur Messung des Stroms

Werfen wir einen Blick auf die wichtigen Komponenten, die in diesem Projekt verwendet werden. In der folgenden Abbildung ist die Pinbelegung des PNP-Transistors BC557 dargestellt.

Dies ist einer der häufigsten dreipoligen PNP-Transistoren. BC557 ist das identische Paar von NPN BC547. Von links nach rechts sind die Stifte Emitter, Base und Collector. Andere äquivalente Transistoren sind BC556, BC327, 2N3906 usw.

Der hier verwendete Operationsverstärker (JRC4558) folgt dem gleichen Pin-Diagramm wie bei anderen Typen von Operationsverstärkern. Pin 1, Pin 2, Pin 3 werden für einen einzelnen Operationsverstärker und Pin 5, 6, 7 für den anderen Kanal verwendet. Für dieses Projekt kann jeder Kanal verwendet werden. Der 8. Pin ist die positive Versorgungsquelle und der 4. Pin ist der GND. Der Operationsverstärker JRC4558D wird für dieses Projekt verwendet, aber auch andere Operationsverstärker funktionieren. Wie zum Beispiel - TL072, LM258, LM358 usw.

Die fünfte Komponente in der Teileliste, das 50k-Potentiometer mit 10 Umdrehungen, stammt von den Bourns. Die Teilenummer lautet 3590S-2-503L. Es ist jedoch eine etwas kostspielige Komponente. Der 10-Turn-Pot ist der beste für diesen Zweck, aber auch andere generische Potentiometer haben einwandfrei funktioniert. Der Unterschied besteht darin, dass die Auflösung mit einem generischen Potentiometer geringer ist, wodurch das Inkrementieren oder Dekrementieren der Stromquelle nicht gleichmäßig ist. In diesem Projekt wird das Bourns-Potentiometer verwendet. Die Pinbelegung des Bourns-Potentiometers ist im Vergleich zu den Standard- Pinbelegung des Potentiometers etwas verwirrend. In der folgenden Abbildung ist der erste Stift von links der Wischerstift. Man muss vorsichtig sein, wenn man dieses Potentiometer in jeder Anwendung anschließt.

Schaltplan

Das vollständige Schaltbild für den 4-20-mA-Stromschleifentester ist unten dargestellt.

Wie Sie sehen können, ist die Schaltung ziemlich einfach, sie besteht aus einem Operationsverstärker, der einen Transistor ansteuert. Der Ausgangsstrom vom Transistor wird einer LED zugeführt. Dieser Ausgangsstrom kann durch Variieren des Potentiometers von 0 mA bis 20 mA variiert und mit einem wie oben gezeigt angeschlossenen Amperemeter gemessen werden.

Der Operationsverstärker arbeitet hier als Stromquelle mit negativer Rückkopplung. Die variable Eingangsspannung wird mit einem Potentiometer an den nicht invertierenden Pin des Operationsverstärkers angelegt. Der maximale Ausgangsstrom (in diesem Fall 20 mA) wird über den Widerstand eingestellt, der an den invertierenden Pin des Operationsverstärkers angeschlossen ist. Basierend auf der Spannung, die vom Poti an den nicht invertierenden Pin geliefert wird, spannt der Operationsverstärker den Transistor vor, um einen konstanten Strom durch die LED zu erzeugen. Dieser konstante Strom wird unabhängig von dem als Stromquelle wirkenden Lastwiderstandswert aufrechterhalten. Dieser Verstärkertyp wird als Transkonduktanzverstärker bezeichnet. Die Schaltung ist einfach und kann wie unten gezeigt leicht auf einem Steckbrett aufgebaut werden.

Funktionsweise des 4-20mA Stromschleifentesters

Die LED fungiert hier als Last und die Stromschleifenschaltung liefert den erforderlichen Strom an die Last. Der Laststrom wird vom BC557 geliefert, der direkt vom Operationsverstärker 4558 gesteuert wird. Am positiven Eingang des Verstärkers wird vom Potentiometer eine Referenzspannung bereitgestellt. Abhängig von der Referenzspannung liefert der Operationsverstärker den Vorspannungsstrom an die Basis des Transistors. Der zusätzliche Vorwiderstand wird über das Potentiometer gelegt, um die Referenzspannung sowie den Ausgang des Verstärkers zu begrenzen und so die Grenze von 0 mA bis 20 mA zu schaffen. Durch Ändern dieses Widerstandswerts wird auch die minimale bis maximale Stromausgangsgrenze geändert.

Prüfung der Schaltung

Sobald die Schaltung aufgebaut ist, versorgen Sie sie mit einer geregelten 5-V-Quelle. Ich habe das Steckbrett-Netzteil verwendet, ähnlich dem, was wir zuvor gebaut haben, um die Schaltung wie unten gezeigt mit Strom zu versorgen.

Hinweis: Für den 300k-Widerstand werden zwei Widerstände in den Serien 100k und 200k verwendet.

Zum Testen der Schaltung habe ich ein Multimeter im Amp-Modus verwendet und seine Sonden anstelle des im Schaltplan gezeigten Amperemeter angeschlossen. Sie können diese Multimeter-Gebrauchsanweisung überprüfen, wenn Sie mit Multimetern noch nicht vertraut sind. Wenn ich das Potentiometer verändere, kann der aktuelle Wert am Multimeter zwischen 4 mA und 20 mA festgestellt werden. Das vollständige Arbeitsvideo finden Sie unten.

Anwendungen der Stromschleifentesterschaltung

Die Hauptanwendung des 4-20-mA- Stromschleifentesters besteht darin, die SPS-Maschinen, die das 4-20-mA-Protokoll empfangen, zu testen oder zu kalibrieren und abhängig davon Daten bereitzustellen. Daher führte die falsche Kalibrierung zu einem von der SPS wahrgenommenen Fehlerwert. Dies ist nicht nur eine Kalibrierung, sondern auch ein praktischer Vorgang, um den aktuellen Schleifenbruch zu überprüfen.

Die Anwendung der 4-20-mA-Stromschleife hat einen großen Anwendungsbereich in der industriellen Automatisierung und Steuerung. Wasserfluss, Ventilstellung, Ölförderung und die dazugehörigen Sensoren, die für den Produktionsprozess unerlässlich sind, verwenden alle eine 4-20-mA-Kommunikationsleitung. Das Debuggen und Auffinden von Fehlerzuständen ist eine wichtige Aufgabe in der Branche, um Zeit und Geld zu sparen. Ein genauer 4-20-mA-Stromschleifentester ist ein wesentliches Werkzeug zur Lösung der sensorbezogenen Probleme.

Einschränkungen des 4-20-mA-Stromschleifentesters

Die Schaltung weist bestimmte Einschränkungen auf. Das industrielle Umfeld ist sehr rau als das Laborumfeld. Daher sollte die Schaltung aus verschiedenen Schutzschaltungen wie Kurzschlussschutz und Überspannungsschutz für alle Ein- und Ausgänge bestehen, die für die Verwendung in industriellen Umgebungen geeignet sind.