- Απαιτήσεις συστατικών
- Διάγραμμα κυκλώματος
- Λειτουργία τρέχοντος δοκιμαστικού βρόχου 4-20mA
- Δοκιμή του κυκλώματος
- Εφαρμογές του τρέχοντος κυκλώματος δοκιμαστικού βρόχου
- Περιορισμοί 4-20mA τρέχοντος βρόχου Tester
Οι αισθητήρες αποτελούν αναπόσπαστο μέρος οποιουδήποτε συστήματος μέτρησης καθώς βοηθούν στη μετατροπή των παραμέτρων του πραγματικού κόσμου σε ηλεκτρονικά σήματα που θα μπορούσαν να γίνουν κατανοητά από τις μηχανές. Σε ένα βιομηχανικό περιβάλλον, ο κοινώς χρησιμοποιούμενος τύπος αισθητήρων είναι ο αναλογικός αισθητήρας και οι ψηφιακοί αισθητήρες. Οι ψηφιακοί αισθητήρες επικοινωνούν με τα ακόλουθα πρωτόκολλα 0 και 1 όπως USART, I2C, SPI κ.λπ. Και οι αναλογικοί αισθητήρες θα μπορούσαν να επικοινωνούν μέσω μεταβλητού ρεύματος ή μεταβλητής τάσης. Πολλοί από εμάς θα πρέπει να εξοικειωθούν με αισθητήρες που εξέρχονται μεταβλητή τάση όπως LDR, MQ αισθητήρας αερίου, αισθητήρας Flex κ.λπ. Αυτοί οι αναλογικοί αισθητήρες τάσης συνδυάζονται με μετατροπείς τάσης σε ρεύμα για να μετατρέψουν την αναλογική τάση σε αναλογικό ρεύμα για να γίνει ένας αισθητήρας μεταβλητού ρεύματος.
Αυτός ο αισθητήρας μεταβλητού ρεύματος ακολουθεί το πρωτόκολλο 4-20mA, που σημαίνει ότι ο αισθητήρας θα εξάγει 4mA όταν οι μετρημένες τιμές είναι 0 και θα εξάγει 20mA όταν η μετρούμενη τιμή είναι μέγιστη. Εάν ο αισθητήρας εξάγει κάτι λιγότερο από 4mA ή περισσότερο από 20mA, μπορεί να θεωρηθεί ως σφάλμα. Ο αισθητήρας εξάγει το ρεύμα μέσω συρμάτων ζεύγους που επιτρέπουν τη ροή ισχύος και δεδομένων μόνο μέσω 2 καλωδίων. Η χαμηλότερη ή μηδενική τιμή είναι 4mA. Αυτό συμβαίνει λόγω της κατάστασης στην οποία όταν η έξοδος είναι μηδέν ή 4mA, μπορεί ακόμα να τροφοδοτήσει τη συσκευή. Επίσης, δεδομένου ότι το σήμα μεταδίδεται ως ρεύμα, μπορεί να σταλεί σε μεγάλη απόσταση χωρίς να ανησυχείτε για πτώση τάσης λόγω αντίστασης καλωδίου ή για ασυλία θορύβου.
Στις βιομηχανίες, η βαθμονόμηση του αισθητήρα είναι μια ρουτίνα διαδικασία, και για τη βαθμονόμηση του συστήματος και επίσης για την αντιμετώπιση προβλημάτων σφαλμάτων, πραγματοποιείται τρέχουσα δοκιμή βρόχου. Στην τρέχουσα δοκιμή βρόχου, χρησιμοποιεί μια διαδικασία επαλήθευσης που ελέγχει τη θραύση στη γραμμή επικοινωνίας. Ελέγχει επίσης το ρεύμα εξόδου του πομπού. Σε αυτό το έργο, θα δημιουργήσουμε έναν βασικό ελεγκτή βρόχου ρεύματος χρησιμοποιώντας λίγα στοιχεία που μας επιτρέπουν να ρυθμίσουμε χειροκίνητα το ρεύμα από 4ma σε 20mA γυρίζοντας ένα ποτενσιόμετρο. Αυτό το κύκλωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εικονικός αισθητήρας για προσομοίωση προγραμμάτων ή για εντοπισμό σφαλμάτων.
Απαιτήσεις συστατικών
- Ένα τρανζίστορ PNP (χρησιμοποιείται BC557)
- Ένα Op-Amp (χρησιμοποιείται JRC4558)
- 300k αντίσταση
- 1 k αντίσταση
- Ποτενσιόμετρο 50 στροφών 10 στροφών.
- 100pF 16V
- 0.1uF 16V - 2 τεμάχια
- 100R αντίσταση - ανοχή 5%
- Ένα LED (Οποιοδήποτε χρώμα)
- Τροφοδοσία 5V
- Ψωμί
- Σύρμα σύνδεσης
- Ένα πολύμετρο για τη μέτρηση του ρεύματος
Ας ρίξουμε μια ματιά στα σημαντικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται σε αυτό το έργο. Στην παρακάτω εικόνα, εμφανίζεται το τρανζίστορ PNP, η έξοδος BC557.
Αυτό είναι ένα από τα πιο κοινά τρανζίστορ PNP τριών ακίδων. Το BC557 είναι το ίδιο ζεύγος του NPN BC547. Από αριστερά προς τα δεξιά οι ακίδες είναι Emitter, Base και Συλλέκτης. Άλλα ισοδύναμα τρανζίστορ είναι BC556, BC327, 2N3906 κ.λπ.
Το op-amp που χρησιμοποιείται εδώ (JRC4558) ακολουθεί το ίδιο διάγραμμα πινέλου με αυτό που χρησιμοποιείται σε άλλους τύπους των op-amp. Οι Pin 1, Pin 2, Pin 3 χρησιμοποιούνται για ένα μόνο op-amp και Pin 5, 6, 7 χρησιμοποιούνται για το άλλο κανάλι. Οποιοδήποτε κανάλι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για αυτό το έργο. Ο 8ος ακροδέκτης είναι η θετική πηγή τροφοδοσίας και ο 4ος ακροδέκτης είναι το GND. Το JRC4558D Op-Amp χρησιμοποιείται για αυτό το έργο, αλλά και άλλα op-amp θα λειτουργήσουν επίσης. Όπως όπως - TL072, LM258, LM358, κ.λπ.
Το 5ο συστατικό στη λίστα ανταλλακτικών, ποτενσιόμετρο 50k 10 turn είναι από το Bourns. Ο αριθμός εξαρτήματος είναι 3590S-2-503L. Ωστόσο, είναι λίγο δαπανηρό στοιχείο. Το δοχείο 10 Turn είναι το καλύτερο για αυτό το σκοπό, αλλά άλλα γενικά ποτενσιόμετρα επίσης λειτούργησαν καλά. Η διαφορά είναι ότι η ανάλυση θα είναι μικρότερη με το γενικό ποτενσιόμετρο, λόγω του οποίου η αύξηση ή η μείωση της τρέχουσας πηγής δεν θα είναι ομαλή. Σε αυτό το έργο, χρησιμοποιείται το ποτενσιόμετρο Bourns. Το pinouts του ποτενσιόμετρου Bourns είναι λίγο συγκεχυμένο σε σύγκριση με τα στάνταρ ποτενσιόμετρα. Στην παρακάτω εικόνα, ο πρώτος πείρος από τα αριστερά είναι ο πείρος υαλοκαθαριστήρα. Κάποιος πρέπει να είναι προσεκτικός κατά τη σύνδεση αυτού του ποτενσιόμετρου σε οποιαδήποτε εφαρμογή.
Διάγραμμα κυκλώματος
Το πλήρες διάγραμμα κυκλώματος για τον ελεγκτή βρόχου 4-20mA φαίνεται παρακάτω.
Όπως μπορείτε να δείτε ότι το κύκλωμα είναι πολύ απλό, αποτελείται από ένα op-amp που οδηγεί ένα τρανζίστορ. Το ρεύμα εξόδου από το τρανζίστορ τροφοδοτείται σε LED, αυτό το ρεύμα εξόδου μπορεί να κυμαίνεται από 0mA έως 20mA μεταβάλλοντας το ποτενσιόμετρο και μπορεί να μετρηθεί από ένα Αμμόμετρο συνδεδεμένο όπως φαίνεται παραπάνω.
Το Op-amp εδώ έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί ως τρέχουσα πηγή με αρνητικά σχόλια. Η μεταβλητή τάση εισόδου δίνεται στον μη αναστρέψιμο πείρο του Op-Amp χρησιμοποιώντας ποτενσιόμετρο. Το μέγιστο ρεύμα εξόδου (στην περίπτωση αυτή 20mA) ρυθμίζεται χρησιμοποιώντας την αντίσταση που είναι συνδεδεμένη στον αντιστρεπτό πείρο του op-Amp. Τώρα με βάση την τάση που παρέχεται σε ακροδέκτη που δεν αναστρέφει από το δοχείο, ο op-amp θα προκαλέσει πόλωση στο τρανζίστορ για την παροχή σταθερού ρεύματος μέσω του LED Αυτό το σταθερό ρεύμα θα διατηρηθεί ανεξάρτητα από την τιμή αντίστασης φορτίου που ενεργεί ως πηγή ρεύματος. Αυτός ο τύπος ενισχυτή ονομάζεται ενισχυτής Transconductance. Το κύκλωμα είναι απλό και μπορεί να κατασκευαστεί εύκολα σε ένα breadboard όπως φαίνεται παρακάτω.
Λειτουργία τρέχοντος δοκιμαστικού βρόχου 4-20mA
Η λυχνία LED εδώ λειτουργεί ως φορτίο και το τρέχον κύκλωμα βρόχου παρέχει το απαιτούμενο ρεύμα στο φορτίο. Το ρεύμα φορτίου παρέχεται από το BC557 το οποίο ελέγχεται άμεσα από το op-amp 4558. Στη θετική είσοδο του ενισχυτή, το ποτενσιόμετρο παρέχεται τάση αναφοράς. Ανάλογα με την τάση αναφοράς, το op-amp παρέχει το ρεύμα πόλωσης στη βάση του τρανζίστορ. Η πρόσθετη αντίσταση σειράς προστίθεται κατά μήκος του ποτενσιόμετρου για τον περιορισμό της τάσης αναφοράς καθώς και της εξόδου του ενισχυτή δημιουργώντας έτσι το όριο των 0mA έως 20mA. Η αλλαγή αυτής της τιμής αντίστασης αλλάζει επίσης το ελάχιστο σε μέγιστο όριο εξόδου ρεύματος.
Δοκιμή του κυκλώματος
Μόλις δημιουργηθεί το κύκλωμα, τροφοδοτήστε το χρησιμοποιώντας μια ρυθμιζόμενη πηγή 5V. Έχω χρησιμοποιήσει το τροφοδοτικό breadboard, παρόμοιο με αυτό που χτίσαμε νωρίτερα για να τροφοδοτήσω το κύκλωμα όπως φαίνεται παρακάτω.
Σημείωση: Για την αντίσταση 300k, δύο αντιστάσεις χρησιμοποιούνται στις σειρές 100k και 200k.
Για να ελέγξω το κύκλωμα έχω χρησιμοποιήσει ένα πολύμετρο σε λειτουργία Amp και συνδέω τους ανιχνευτές του στη θέση του αμπερόμετρου που φαίνεται στο διάγραμμα κυκλώματος. Μπορείτε να ελέγξετε αυτόν τον οδηγό χρήσης του πολύμετρου εάν είστε νέοι με τα πολύμετρα. Καθώς μεταβάλλω το ποτενσιόμετρο, η τρέχουσα τιμή στο πολύμετρο μπορεί να παρατηρηθεί ότι κυμαίνεται από 4mA έως 20mA. Το πλήρες βίντεο εργασίας βρίσκεται στο κάτω μέρος αυτού.
Εφαρμογές του τρέχοντος κυκλώματος δοκιμαστικού βρόχου
Η κύρια εφαρμογή του τεστ τρέχοντος βρόχου 4-20mA είναι ο έλεγχος ή η βαθμονόμηση των μηχανών PLC που λαμβάνουν πρωτόκολλο 4-20 mA και παρέχουν δεδομένα ανάλογα με αυτό. Επομένως, η λανθασμένη βαθμονόμηση είχε ως αποτέλεσμα την τιμή σφάλματος που έγινε αντιληπτή από το PLC. Όχι μόνο βαθμονόμηση, αλλά είναι επίσης μια βολική διαδικασία για τον έλεγχο της τρέχουσας βλάβης βρόχου.
Η εφαρμογή του τρέχοντος βρόχου 4-20mA έχει τεράστιο πεδίο εφαρμογής στο βιομηχανικό αυτοματισμό και το σύστημα ελέγχου. Όπως, όπως, ροή νερού, θέση βαλβίδας, παραγωγή λαδιού και οι σχετικοί αισθητήρες που είναι απαραίτητοι για τη διαδικασία παραγωγής, όλοι χρησιμοποιούν γραμμή επικοινωνίας 4-20 mA. Ο εντοπισμός σφαλμάτων και η εύρεση συνθηκών σφάλματος είναι μια κρίσιμη δουλειά στη βιομηχανία για εξοικονόμηση χρόνου και χρήματος. Ένας ακριβής ελεγκτής βρόχου 4-20 mA είναι ένα βασικό εργαλείο για την επίλυση προβλημάτων που σχετίζονται με τον αισθητήρα.
Περιορισμοί 4-20mA τρέχοντος βρόχου Tester
Το κύκλωμα έχει ορισμένους περιορισμούς. Το βιομηχανικό περιβάλλον είναι πολύ σκληρό από το εργαστηριακό περιβάλλον. Επομένως, το κύκλωμα πρέπει να αποτελείται από διάφορα κυκλώματα προστασίας όπως προστασία βραχυκυκλώματος και προστασία από υπερτάσεις σε όλες τις εισόδους και εξόδους που είναι κατάλληλα για χρήση σε βιομηχανικά περιβάλλοντα.