تستر حلقه جریان 4-20 میلی آمپر با استفاده از Op-Amp به عنوان مبدل ولتاژ به جریان

حسگرها بخشی جدایی ناپذیر از هر سیستم اندازه گیری هستند زیرا به تبدیل پارامترهای دنیای واقعی به سیگنال های الکترونیکی که توسط ماشین ها قابل درک است کمک می کنند. در یک محیط صنعتی، نوع رایج سنسورها سنسورهای آنالوگ و سنسورهای دیجیتال هستند. سنسورهای دیجیتال با پروتکل‌های 0 و 1 مانند USART، I2C، SPI و غیره ارتباط برقرار می‌کنند و حسگرهای آنالوگ می‌توانند از طریق جریان متغیر یا ولتاژ متغیر ارتباط برقرار کنند . بسیاری از ما باید با سنسورهایی که ولتاژ متغیر خروجی می‌دهند مانند LDR، سنسور گاز MQ، سنسور فلکس و غیره آشنا باشیم. این سنسورهای ولتاژ آنالوگ با مبدل‌های ولتاژ به جریان کوپل می‌شوند تا ولتاژ آنالوگ را به جریان آنالوگ تبدیل کنند تا به سنسور جریان متغیر تبدیل شوند.

این سنسور جریان متغیر از پروتکل 4-20 میلی آمپر پیروی می کند، به این معنی که وقتی مقادیر اندازه گیری شده 0 باشد، سنسور 4 میلی آمپر و زمانی که مقدار اندازه گیری شده حداکثر باشد، خروجی 20 میلی آمپر خواهد داشت . اگر خروجی سنسور کمتر از 4 میلی آمپر یا بیشتر از 20 میلی آمپر باشد، می توان آن را به عنوان یک وضعیت خطا در نظر گرفت. این سنسور جریان را از طریق سیم‌های جفت تابیده خروجی می‌دهد و به برق و داده‌ها اجازه می‌دهد تنها از ۲ سیم عبور کنند. کمترین مقدار یا “صفر” 4 میلی آمپر است. این به دلیل وضعیتی است که در آن زمانی که خروجی صفر یا 4 میلی آمپر است، همچنان می تواند دستگاه را تغذیه کند. همچنین از آنجایی که سیگنال به صورت جریان منتقل می‌شود، می‌توان بدون نگرانی در مورد افت ولتاژ به دلیل مقاومت سیم یا ایمنی نویز به مسافت‌های طولانی ارسال کرد.

در صنایع کالیبراسیون سنسور یک فرآیند روتین است و برای کالیبراسیون سیستم و همچنین عیب یابی نتایج خطا، تست حلقه جریان انجام می شود. در آزمایش حلقه فعلی، از یک فرآیند تأیید استفاده می کند که شکستگی در خط ارتباطی را بررسی می کند. همچنین جریان خروجی فرستنده را بررسی می کند. در این پروژه، ما یک تستر حلقه جریان اولیه را با استفاده از چند مؤلفه ایجاد می کنیم که به ما امکان می دهد با چرخاندن یک پتانسیومتر، جریان را از 4 میلی آمپر به 20 میلی آمپر تنظیم کنیم . این مدار می تواند به عنوان یک حسگر ساختگی برای شبیه سازی برنامه ها یا برای اشکال زدایی استفاده شود.

اجزای مورد نیاز

1. ترانزیستور PNP (BC557 استفاده می شود)
2. Op-Amp (از JRC4558 استفاده می شود)
3. مقاومت 300k
4. مقاومت 1k
5. پتانسیومتر 50k 10 دور.
6. 100pF 16V
7. 0.1uF 16V – 2 عدد
8. مقاومت 100R – تحمل 5%
9. یک LED (هر رنگی)
10. منبع تغذیه 5 ولت
11. تخته نان
12. سیم اتصال
13. مولتی متر برای اندازه گیری جریان

بیایید نگاهی به اجزای مهم استفاده شده در این پروژه بیندازیم. در تصویر زیر، ترانزیستور PNP، پین خروجی BC557 نشان داده شده است.

این یکی از رایج ترین ترانزیستورهای سه پین ​​PNP است. BC557 جفت یکسان NPN BC547 است. از چپ به راست پین ها Emitter، Base و Collector هستند. ترانزیستورهای معادل دیگر BC556، BC327، 2N3906 و غیره هستند.

آپ امپ مورد استفاده در اینجا ( JRC4558 ) از همان نمودار پین استفاده شده در سایر انواع آپ امپ پیروی می کند. پین 1، پین 2، پین 3 برای یک آپ امپ تک و پین 5، 6، 7 برای کانال دیگر استفاده می شود. برای این پروژه می توان از هر کانالی استفاده کرد. پایه هشتم منبع تغذیه مثبت و پایه چهارم GND است. برای این پروژه از Op-Amp JRC4558D استفاده می شود، اما سایر op-amp ها نیز کار خواهند کرد. مانند – TL072، LM258، LM358، و غیره.

مولفه پنجم در لیست قطعات، پتانسیومتر 50k 10 دور از Bourns است. شماره قطعه 3590S-2-503L است. با این حال، این جزء کمی پرهزینه است. دیگ 10 Turn برای این منظور بهترین است، اما سایر پتانسیومترهای عمومی نیز به خوبی کار می کنند. تفاوت این است که وضوح با پتانسیومتر عمومی کمتر خواهد بود که به همین دلیل افزایش یا کاهش منبع جریان صاف نخواهد بود. در این پروژه از پتانسیومتر Bourns استفاده شده است. پین اوت های پتانسیومتر Bourns در مقایسه با پایه های پتانسیومتر استاندارد کمی گیج کننده است. در تصویر زیر اولین پین از سمت چپ پین پاک کن است. هنگام اتصال این پتانسیومتر در هر برنامه ای باید مراقب باشید.

مدار

نمودار مدار کامل برای تستر حلقه جریان 4-20 میلی آمپر در زیر نشان داده شده است.

همانطور که می بینید مدار بسیار ساده است، از یک آپ امپ تشکیل شده است که یک ترانزیستور را به حرکت در می آورد. جریان خروجی از ترانزیستور به یک LED تغذیه می شود، این جریان خروجی را می توان با تغییر پتانسیومتر از 0 میلی آمپر تا 20 میلی آمپر تغییر داد و می توان با آمپرمتر متصل شده مطابق شکل بالا اندازه گیری کرد.

Op-amp در اینجا طوری طراحی شده است که به عنوان منبع فعلی با بازخورد منفی کار کند. ولتاژ متغیر ورودی با استفاده از پتانسیومتر به پین ​​غیر معکوس Op-Amp داده می شود. حداکثر جریان خروجی (در این مورد 20 میلی آمپر) با استفاده از مقاومت متصل به پین ​​معکوس کننده op-Amp تنظیم می شود. اکنون بر اساس ولتاژ ارائه شده به پین ​​غیر معکوس از دیگ، آپ امپ ترانزیستور را برای منبع جریان ثابت از طریق LED هدایت می کند. این جریان ثابت صرف نظر از مقدار مقاومت بار که به عنوان منبع جریان عمل می کند، حفظ می شود. این نوع تقویت کننده به عنوان تقویت کننده ترانس رسانایی نامیده می شود . مدار ساده است و به راحتی می توان آن را بر روی تخته نان مانند شکل زیر ساخت.

عملکرد تستر حلقه جریان 4-20 میلی آمپر

LED در اینجا به عنوان بار عمل می کند و مدار حلقه جریان جریان مورد نیاز بار را تامین می کند. جریان بار توسط BC557 تامین می شود که مستقیماً توسط op-amp 4558 کنترل می شود. در ورودی مثبت تقویت کننده، یک ولتاژ مرجع توسط پتانسیومتر ارائه می شود. بسته به ولتاژ مرجع، op-amp جریان بایاس را به پایه ترانزیستور می دهد. مقاومت سری اضافی در سراسر پتانسیومتر اضافه می شود تا ولتاژ مرجع و همچنین خروجی تقویت کننده را محدود کند و بنابراین مرز 0 میلی آمپر تا 20 میلی آمپر را ایجاد می کند. با تغییر این مقدار مقاومت، مرز خروجی جریان حداقل به حداکثر تغییر می کند.

تست مدار

هنگامی که مدار ساخته شد، آن را با استفاده از یک منبع 5 ولتی تنظیم شده تغذیه کنید. من از منبع تغذیه برد برد استفاده کرده ام ، مشابه آنچه که قبلاً برای تغذیه مدار ساخته ایم، همانطور که در زیر نشان داده شده است.

نکته: برای مقاومت 300k از دو مقاومت در سری های 100k و 200k استفاده می شود.

برای آزمایش مدار از یک مولتی متر در حالت آمپر استفاده کردم و پروب های آن را به جای آمپرمتر نشان داده شده در نمودار مدار وصل کردم. اگر تازه کار با مولتی متر هستید، می توانید این راهنمای استفاده از مولتی متر را بررسی کنید. همانطور که پتانسیومتر را تغییر می‌دهم، مقدار فعلی مولتی‌متر را می‌توان مشاهده کرد که از 4 میلی آمپر تا 20 میلی آمپر متغیر است. ویدیوی کامل کار را می توانید در پایین این مطلب پیدا کنید.

کاربردهای مدار تستر حلقه جریان

کاربرد اصلی تستر حلقه جریان 4-20 میلی آمپر، آزمایش یا کالیبره کردن ماشین های PLC است که پروتکل 4-20 میلی آمپر را دریافت می کنند و بسته به آن داده ها را ارائه می دهند. بنابراین، کالیبراسیون اشتباه منجر به مقدار خطای درک شده توسط PLC شد. نه تنها کالیبراسیون، بلکه یک فرآیند راحت برای بررسی شکستگی حلقه فعلی است.

کاربرد حلقه جریان 4-20 میلی آمپر در اتوماسیون صنعتی و سیستم کنترل دامنه وسیعی دارد. مانند جریان آب، موقعیت سوپاپ، تولید روغن و حسگرهای مرتبط که برای فرآیند تولید ضروری هستند، همگی از خط ارتباطی 4-20 میلی آمپر استفاده می کنند. اشکال زدایی و یافتن شرایط عیب یک کار مهم در صنعت برای صرفه جویی در زمان و هزینه است. یک تستر دقیق حلقه جریان 4-20 میلی آمپر یک ابزار ضروری برای حل مشکلات مربوط به سنسور است. 

محدودیت های تستر حلقه جریان 4-20 میلی آمپر

مدار دارای محدودیت های خاصی است. محیط صنعتی نسبت به محیط آزمایشگاهی بسیار خشن است. بنابراین، مدار باید از مدارهای حفاظتی مختلفی مانند حفاظت از اتصال کوتاه و حفاظت از نوسانات در تمام ورودی و خروجی تشکیل شده باشد که برای استفاده در محیط‌های صنعتی مناسب است.

منبع

https://circuitdigest.com/electronic-circuits/4-20ma-current-loop-tester-using-op-amp-as-voltage-to-current-converter