Provador de bucle de corrent de 4-20Ma amb op

Els sensors són una part integral de qualsevol sistema de mesura, ja que ajuden a convertir els paràmetres del món real en senyals electrònics que les màquines podrien entendre. En un entorn industrial, el tipus de sensor més utilitzat és el sensor analògic i els sensors digitals. Els sensors digitals es comuniquen amb els següents protocols de 0 i 1, com ara USART, I2C, SPI, etc. I els sensors analògics es poden comunicar mitjançant corrent variable o voltatge variable. Molts de nosaltres hauríem d’estar familiaritzats amb els sensors que generen tensió variable com LDR, sensor de gas MQ, sensor Flex, etc. Aquests sensors de tensió analògics s’acoblen als convertidors de tensió a corrent per convertir el voltatge analògic en corrent analògic i convertir-lo en un sensor de corrent variable.

Aquest sensor de corrent variable segueix el protocol de 4-20 mA, és a dir, el sensor produirà 4 mA quan els valors mesurats siguin 0 i generarà 20 mA quan el valor mesurat sigui màxim. Si el sensor emet una quantitat inferior a 4 mA o superior a 20 mA, es pot assumir com a condició d'error. El sensor emet el corrent a través de cables de parell trenat que permeten que tant la potència com les dades flueixin a través de només 2 cables. El valor més baix o 'zero' és de 4 mA. Això es deu a la situació en què, quan la sortida és zero o 4 mA, encara pot alimentar el dispositiu. També, ja que el senyal es transmet com a corrent, es pot enviar a llarga distància sense preocupar-se de la caiguda de tensió a causa de la resistència del cable o de la immunitat contra el soroll.

A les indústries, el calibratge del sensor és un procés rutinari i, per calibrar el sistema i també per a la resolució de problemes d’errors, es realitzen proves de bucle actuals. En les proves de bucle actual, utilitza un procés de verificació que comprova el trencament de la línia de comunicació. També comprova el corrent de sortida del transmissor. En aquest projecte, crearem un provador de bucle de corrent bàsic amb pocs components que ens permeti ajustar manualment el corrent de 4 ma 20 mA girant un potenciòmetre. Aquest circuit es pot utilitzar com a sensor fictici per emular programes o per depurar.

Requisits de components

1. Un transistor PNP (s'utilitza BC557)
2. Un amplificador operatiu (s'utilitza JRC4558)
3. Resistència de 300k
4. 1k resistència
5. Potenciòmetre de 50k de 10 volts.
6. 100pF 16V
7. 0.1uF 16V - 2pcs
8. Resistència 100R: tolerància 5%
9. Un LED (qualsevol color)
10. Alimentació de 5V
11. Taula de pa
12. Cable de connexió
13. Un multímetre per mesurar el corrent

Vegem els components importants que s’utilitzen en aquest projecte. A la imatge següent, es mostra el transistor PNP, BC557 pin out.

Aquest és un dels transistors PNP de tres pins més comuns. BC557 és el parell idèntic de NPN BC547. D'esquerra a dreta, els pins són Emitter, Base i Collector. Altres transistors equivalents són BC556, BC327, 2N3906, etc.

L'amplificador operatiu utilitzat aquí (JRC4558) segueix el mateix diagrama de pins que s'utilitza en altres tipus d'amplificadors operatius. El Pin 1, el Pin 2, el Pin 3 s’utilitzen per a un únic amplificador operatiu i el Pin 5, 6, 7 s’utilitza per a l’altre canal. Es pot utilitzar qualsevol canal per a aquest projecte. El vuitè pin és la font d'alimentació positiva i el quart pin és el GND. El JRC4558D Op-Amp s’utilitza per a aquest projecte, però també funcionaran altres amplificadors d’op. Com ara: TL072, LM258, LM358, etc.

El cinquè component de la llista de peces, el potenciòmetre de 50k de 10 volts, és del Bourns. El número de peça és 3590S-2-503L. No obstant això, és un component una mica costós. El pot de 10 girs és el millor per a aquest propòsit, però altres potenciòmetres genèrics també funcionaven bé. La diferència és que la resolució serà menor amb un potenciòmetre genèric, perquè l'increment o el decrement de la font actual no seran suaus. En aquest projecte s’utilitza el potenciòmetre Bourns. Els pinouts del potenciòmetre Bourns són una mica confusos en comparació amb els pinouts del potenciòmetre estàndard. A la imatge següent, el primer passador de l'esquerra és el passador del netejador. Cal anar amb compte en connectar aquest potenciòmetre en qualsevol aplicació.

Esquema de connexions

A continuació es mostra el diagrama de circuits complet per al comprovador de bucle de corrent de 4-20 mA.

Com podeu veure, el circuit és força senzill, consisteix en un amplificador operatiu que condueix un transistor. El corrent de sortida del transistor s’alimenta a un LED, aquest corrent de sortida es pot variar de 0mA a 20mA variant el potenciòmetre i es pot mesurar mitjançant un amperímetre connectat tal com es mostra més amunt.

L'amplificador operatiu aquí està dissenyat per funcionar com una font actual amb retroalimentació negativa. La tensió variable d'entrada es dóna al pin no inversor de l'Op-Amp mitjançant un potenciòmetre. El corrent de sortida màxim (en aquest cas, 20 mA) s’estableix mitjançant la resistència connectada al pin d’inversió de l’amplificador operacional. Ara, basat en el voltatge subministrat al pin que no inverteix de l'olla, l'amplificador operatiu esbiaixarà el transistor per obtenir un corrent constant a través del LED. Aquest corrent constant es mantindrà independentment del valor de resistència de càrrega que actuï com a font de corrent. Aquest tipus d'amplificador s'anomena amplificador de transconductància. El circuit és senzill i es pot construir fàcilment sobre una taula de tall, tal com es mostra a continuació.

Funcionament de 4-20mA Current Loop Tester

Aquí el LED actua com a càrrega i el circuit de bucle de corrent proporciona el corrent requerit a la càrrega. El corrent de càrrega el subministra el BC557, que és controlat directament per l’ampli operatiu 4558. A l’entrada positiva de l’amplificador, el potenciòmetre proporciona una tensió de referència. Depenent de la tensió de referència, l'amplificador operatiu proporciona el corrent de polarització a la base del transistor. La resistència de sèrie addicional s’afegeix a través del potenciòmetre per limitar la tensió de referència i la sortida de l’amplificador creant així el límit de 0mA a 20mA. Si canvieu aquest valor de resistència, també canvieu el límit de sortida de corrent mínim a màxim.

Prova del circuit

Un cop construït el circuit, alimenteu-lo mitjançant una font regulada de 5 V. He utilitzat la font d'alimentació de la placa, similar al que vam construir anteriorment per alimentar el circuit, tal com es mostra a continuació.

Nota: per a la resistència de 300k, s’utilitzen dues resistències a les sèries 100k i 200k.

Per provar el circuit he utilitzat un multímetre en mode Amp i he connectat les seves sondes en lloc de l’amperímetre que es mostra al diagrama del circuit. Podeu consultar aquesta guia d’ús del multímetre si sou nou amb els multímetres. En variar el potenciòmetre, es pot notar el valor actual del multímetre que varia de 4 mA a 20 mA. El vídeo de treball complet es troba a la part inferior.

Aplicacions del circuit de test de bucle actual

L’aplicació principal del provador de bucle de corrent de 4-20 mA és provar o calibrar les màquines PLC que reben el protocol de 4-20 mA i proporcionar dades en funció d’aquest. Per tant, un calibratge incorrecte va provocar un valor d'error percebut pel PLC. No només calibratge, sinó que també és un procés convenient per comprovar el trencament del bucle actual.

L'aplicació del bucle de corrent de 4-20 mA té un enorme abast en sistemes d'automatització i control industrials. Com ara el flux d’aigua, la posició de la vàlvula, la producció d’oli i els sensors associats que són essencials per al procés de producció, tots utilitzen una línia de comunicació de 4-20 mA. La depuració i la detecció de les falles són un treball crucial a la indústria per estalviar temps i diners. Un provador de bucle de corrent de 4-20 mA precís és una eina essencial per resoldre els problemes relacionats amb el sensor.

Limitacions del comprovador de bucle actual de 4-20 mA

El circuit té certes limitacions. L’entorn industrial és molt dur que el laboratori. Per tant, el circuit hauria de constar de diversos circuits de protecció, com ara proteccions contra curtcircuits i proteccions contra sobretensions en totes les entrades i sortides que siguin adequades per utilitzar en entorns industrials.