Имитатор токовой петли 4 20 своими руками

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Тестер токовой петли 4-20 мА своими руками

Датчики являются неотъемлемой частью любой измерительной системы, поскольку они помогают преобразовывать параметры реального мира в электронные сигналы, которые могут быть поняты машинами. В промышленной среде обычно используемым типом датчиков являются аналоговые датчики и цифровые датчики. Цифровые датчики обмениваются данными по протоколам, такими как USART, I2C, SPI и т. д. Аналоговые датчики могут обмениваться данными через переменный ток или переменное напряжение.

Многие из нас должны быть знакомы с датчиками, которые выдают переменное напряжение, такими датчик газа MQ, датчик изгиба и т. д. Эти аналоговые датчики напряжения соединены с преобразователями напряжения в ток для преобразования аналогового напряжения в аналоговый ток, чтобы стать датчиком переменного тока.

Такой датчик переменного тока работает по протоколу токовой петли 4-20 мА, то есть датчик выдает 4 мА, когда измеренное значение равно 0, и выдает 20 мА, когда измеренное значение является максимальным. Если выходной сигнал датчика меньше 4 мА или более 20 мА, это может рассматриваться как состояние неисправности. Датчик выводит ток по витой паре, позволяя и электропитанию, и данным проходить только через 2 провода. Наименьшее или нулевое значение составляет 4 мА. Это связано с ситуацией, когда выходной сигнал равен нулю или 4 мА, то он все равно может питать устройство. Кроме того, поскольку сигнал передается в виде тока, его можно отправлять на большие расстояния, не беспокоясь о падении напряжения из-за сопротивления провода или о помехоустойчивости.

В промышленности калибровка датчика является обычным процессом, и для калибровки системы, а также для устранения ошибок, проводится проверка токовой петли. В тестировании токовой петли используется процесс проверки, который проверяет обрыв линии связи. Он также проверяет выходной ток передатчика. В этом проекте мы создадим базовый тестер токовой петли, использующий несколько компонентов, который позволяет вручную регулировать ток от 4 мА до 20 мА, поворачивая потенциометр. Эта схема может использоваться как фиктивный датчик для эмуляции или для отладки.

Давайте рассмотрим важные компоненты, используемые в этом проекте. На изображении ниже показан PNP-транзистор BC557.

Это один из самых распространенных трехвыводных PNP-транзисторов. BC557 является идентичной парой NPN BC547. Другие эквивалентные транзисторы BC556, BC327, 2N3906 и т. д.

Операционный усилитель (ОУ), используемый здесь (JRC4558), следует той же схеме выводов, что и другие популярные типы ОУ. Контакт 1, контакт 2, контакт 3 используются для одного канала операционного усилителя, а контакты 5, 6, 7 – для другого канала. Любой канал может быть использован для этого проекта. 8-й контакт – это источник положительного питания, а 4-й – заземление. Здесь ОУ JRC4558D используется для этого проекта, но другие операционные усилители также будут работать. Такие как, как – TL072, LM258, LM358 и т. д.

Следующий компонент в списке деталей – потенциометр на 50 кОм от Bourns. Наименование компонента: 3590S-2-503L. Тем не менее, это немного дорогостоящий компонент. Лучше всего подходит для этой цели 10-оборотный потенциометр, но другие универсальные потенциометры также могут работать очень хорошо. Разница в том, что разрешение будет меньше с обычным потенциометром, из-за чего приращение или уменьшение источника тока не будет плавным. Распиновка потенциометра Bourns немного запутана по сравнению со стандартными распиновками потенциометра. На изображении ниже первый вывод слева – это выход потенциометра. Нужно быть осторожным при подключении этого потенциометра в любом приложении.

Полная принципиальная схема для тестера токовой петли 4-20 мА показана далее.

Как видите, схема довольно простая, она состоит из операционного усилителя, который управляет транзистором. Выходной ток от транзистора подается на светодиод, этот выходной ток может варьироваться от 0 мА до 20 мА путем изменения потенциометра и может измеряться амперметром, подключенным, как показано выше.

Операционный усилитель предназначен для использования в качестве источника тока с отрицательной обратной связью. Входное переменное напряжение подается на неинвертирующий вывод операционного усилителя с помощью потенциометра. Максимальный выходной ток (в данном случае 20 мА) устанавливается с помощью резистора, подключенного к инвертирующему выводу операционного усилителя. Теперь, основываясь на напряжении, подаваемом на неинвертирующий вывод, операционный усилитель смещает транзистор для подачи постоянного тока через светодиод. Этот постоянный ток будет поддерживаться независимо от значения сопротивления нагрузки, действующего как источник тока. Этот тип усилителя называется транскондуктивный усилитель. Схема проста и может быть легко собрана на макетной плате.

Здесь светодиод действует как нагрузка, а токовая петля обеспечивает необходимый ток для нагрузки. Ток нагрузки подается от BC557, который непосредственно находится под контролем операционного усилителя 4558. На положительном входе усилителя, опорное напряжение предоставляется с помощью потенциометра. В зависимости от опорного напряжения, операционный усилитель обеспечивает ток смещения на базу транзистора. Дополнительный последовательный резистор добавляется через потенциометр для ограничения опорного напряжения, а также выхода усилителя, создавая тем самым границу изменения тока от 0 мА до 20 мА. Изменение значения этого резистора также изменяет границу минимального и максимального тока на выходе.

Как только цепь будет собрана, подайте на нее питание с использованием регулируемого источника питания 5 В.

Для проверки схемы можно использовать мультиметр в ампер-режиме и подключить его щупы вместо амперметра, показанного на принципиальной схеме. Когда вы изменяете значение потенциометра, можно заметить, что значение тока на мультиметре варьируется от 4 мА до 20 мА.

Основное применение тестера токовой петли 4-20 мА – это тестирование или калибровка устройств ПЛК, которые работают по протоколу 4-20 мА и предоставляют данные в зависимости от тока. Следовательно, неправильная калибровка привела бы к появлению ошибки, воспринимаемой ПЛК. Устройством обеспечивается не только калибровка, но и удобный процесс проверки обрыва токовой петли.

Источник

Имитатор токовой петли 4-20 Ма

Я их не беру. мне их не дают. сам делаю из того что под руку попадётся.

Наши рукамиводители не знают, что датчики ещё и надо чем-то запитывать. Я уже затрахался с ними бодаться. По их мнению они должны запитываться от самого прибора. Наберут по объявлению, они и не заказывают БП. Вот и приходится подыскивать трансики и пихать во что придётся, в лучшем случае что-то готовое подходящее попадается. Из 8 вот таких щитков, только в 1м ОВЕНовский БП стоит.

DWD: Ещё бы упростить схемку, выбросив первый ОУ, усиливающий напряжение с датчика тока.

Упростил. Вариант ниже:

Показаны токи и напряжения в разных точках для оценки.
Ток регулируется от 4мА до 20 мА. Минимум 4мА выставляется резистором R2 и легко расчитывается.

Неучтённым остался ток, ответвляемый в цепь измерения через R4. Его значение зависит от сопротивлений делителя R3, R4 и при указанных номиналах не превышает 17мкА при выходном токе 20мА. При выходном токе 4мА этот неутённый ток не превышает 3,5мкА. То есть, погрешность установки тока менее 0,1%.

Регулировка линейная, по этому переменный резистор нужен группы А, или МК пристроить. С дисплеем.

Минимально устанавливаемый ток 2,2мА.
В него входят ток ОУ (чуть больше 1мА) и ток делителя R1, R2 (чуть меньше 1мА).
Оставшаяся часть не превышает четверти миллиампера.
То есть если переменник взять с большим сопротивлением (вообще убрать), да ОУ микромощный, то действительно хватит на МК с ЖК дисплеем.

Минимальое напряжение питания зависит от используемого стабилизатора и при применении LP2951 не превышает 5,5В.
Максимальное зависит от используемых транзисторов и стабилизатора.

Диод по питанию — защита от переполюсовки. Резисторы R10, R12 ограничивают токи стабилизатора и регулирующего транзистора на безопасном уровне при полной потере управления и КЗ.

Уж не знаю, подходит такой вариант КИП-овцам или нет. Не в курсе.

По нижней схеме — работает.
Только номиналы другие:
R1 — 135 Ом,
R2 — 360 КОм,
R5 — 4 КОм,
R8 — 120 КОм,
R9 — 0 Ом.

Нет прямой привязки номиналов к выходному току. Придётся какой-то поправочный коэффициент вводить.
Ну и стабилизация немного хуже. Как и термостабильность — +-0,35мА в диапазоне 0. 50С.
Регулировка линейная, но в начале есть полка из-за того, что ток стабилитрона и питания ОУ выставлен 4мА.
Нужно выставить меньше и заставить транзистор работать всё время. Иначе придётся пороги срабатывания выставлять при настройке.

В общем, вариант рабочий, но не «для серийного производства». Обязательна настройка.

Евгений, а не скажите ли Вы как и для чего хотите этот «Имитатор токовой петли 4-20 Ма» использовать? Я примерно понимаю, но хотелось бы от Вас прочитать. может и мне пригодится.

Да я их в общем-то не для себя делаю, для наладчиков. Они используются для проверки и настройки, например, электроприводов клапанов с управлением 4-20 мА, для имитации датчиков давления, чтобы определить, кто виноват, датчик или измеритель. Вот на днях потребовался для определения пределов датчика температуры горелки. Сломали датчик с интерфейсом 4-20, требовалось подобрать замену, но на датчике данные не указаны, диапазон может настраивать пользователь. Оказалось, у него нестандартный верхний предел, 20 мА соответствует температура 130 градусов.

Я иногда использую крутилку при отладке программ ПЛК, проще пару проводочков подкинуть, чем имитировать другими способами. Не поверите, но у меня есть и имитатор трёхходового клапана. Это регулятор мощности с дискретными входами «больше-меньше», нагреватель (ПЭВ-10), термодатчик. Использовал для отладки ПИД-регуляторов.

Промышленные приборы аналогичного назначения дороговаты, от 7 тыс. за Овеновский до 100 и более тыс. за буржуйские. Есть на али китайские, за 500 руб. но наша бухгалтерия и слышать об этом не хочет. Тяжко у нас с обналичкой.

«Упростил. Вариант ниже:»

Вариант годный. Попробую погонять этот и свой по схеме выше с LP2931. Переустановил Протеус, но в нём почему-то тоже нет моделей интегральных стабилизаторов, или я не нашёл. Спасибо за помощь и идеи.

Вместо диода для защиты от переполюсовки исползую мостик, чтобы не заморачиваться с полярностью.

Кстати, а если взять регулируемый стабилизатор напряжения, типа LM317 и включить его в режиме стабилизатора тока?

Сергей К: Кстати, а если взять регулируемый стабилизатор напряжения, типа LM317 и включить его в режиме стабилизатора тока?

Eugene.A: Eugene.A11 июня, 22:54 Самая распостранённая конструкция такого девайса делается на LM317, она у меня есть, но по некоторым соображениям не устраивает.

Форум про радио — сайт, посвященный обсуждению электроники, компьютеров и смежных тем.

Источник

Как реализовать передатчик токовой петли 4-20 мА на базе MAX12900

Юрий Курцевой (Maxim Integrated)

Высокоинтегрированный аналоговый формирователь сигнала токовой петли 4-20 мА MAX12900 производства Maxim Integrated может конвертировать ШИМ—сигнал микроконтроллера, который не обладает встроенным ЦАП, в сигнал петли 4…20мА для двух-, трех- или четырехпроводных конфигураций.

Токовая петля 4…20 мА на сегодняшний день является одним из наиболее популярных методов передачи данных во многих отраслях промышленности. Благодаря своей устойчивости к помехам при передаче сигнала от передатчика к приемнику она идеально подходит для таких задач. Другое преимущество – относительная простота и бюджетность метода. Хотя, конечно, необходимость контроля за падением напряжения в некоторых участках цепи и за рядом других параметров часто приводит к усложнению схемы и увеличению стоимости решения. В таблице 1 обобщаются преимущества и недостатки метода передачи данных на основе токовой петли 4…20 мА.

Таблица 1. Преимущества и недостатки токовой петли 4…20 мА

Преимущества	Недостатки
Основной стандарт во многих отраслях промышленности	Одной токовой петле соответствует только один канал передачи данных Возможность передачи значения только одной переменной
Простота в подключении и настройке	Для одновременной работы нескольких каналов данных (для передачи значений нескольких переменных) требуется создать столько же токовых петель. Но использование большого количества проводов может приводить к проблемам с контурами заземления, если независимые петли не изолированы должным образом.
Сигнал не деградирует с увеличением дистанции	Проблемы, связанные с изоляцией каналов, возрастают с увеличением количества каналов
Меньшая чувствительность к помехам	–
Отсутствие тока указывает на ошибку в канале передачи данных	–

Все датчики с интерфейсом 4…20 мА, в зависимости от конфигурации, могут быть разделены на три группы:

1. двухпроводной (питаемый петлей) датчик 4…20 мА;
2. трехпроводной датчик 4…20 мА;
3. четырехпроводной датчик 4…20 мА.

Наиболее удобной конфигурацией является решение, питаемое петлей. Однако если сам датчик потребляет более 3…4 мА из бюджета петли 4…20 мА, то для его функционирования придется использовать дополнительный источник питания. При подключении таких датчиков придется использовать 4-проводную конфигурацию. 3-проводная конфигурация является упрощенной версией предыдущей, в которой объединен положительный вывод питания датчика с токовой петлей (рисунок 1б). На рисунке 1 показаны все описанные выше конфигурации. В таблице 2 приводятся преимущества и недостатки каждого из них.

Рис. 1. Способы подключения датчика по схеме с токовой петлей

Таблица 2. Преимущества и недостатки датчиков с разными схемами подключения

Конфигурация	2-проводная	3-проводная	4-проводная
Преимущества	Не нужен локальный блок питания; малая стоимость; подходит для работы в агрессивных условиях	Экономичнее варианта с четырьмя проводами; простота реализации; возможность использования устройств индикации и других устройств , требующих дополнительного питания; возможность использовать мощные выходы, реле	Внешнее питание; возможность передавать переменный сигнал; изоляция цепи питания; возможность использования устройств индикации и других устройств , требующих дополнительного питания; возможность использовать мощные выходы, реле
Недостатки	Падение напряжения на участках петли может вызвать проблемы; имеются ограничения по потреблению схемы	Отсутствие изоляции петли питания; линии питания и петли нужно реализовывать с осторожностью	Более высокая стоимость; больше проводов; неприменим в агрессивной среде эксплуатации

Применение MAX12900 в схемах датчиков с 2-, 3- или 4-проводными конфигурациями токовой петли

MAX12900 – это высокоинтегрированный аналоговый формирователь сигнала с ультрамалым потреблением для датчиков с передатчиком 2…20 мА. В его компактный корпус встроено 10 модулей:

• LDO-преобразователь с широким входным диапазоном напряжений;
• цепи обработки ШИМ-модулированных сигналов для двух входов;
• два малопотребляющих операционных усилителя с малым дрейфом;
• один операционный усилитель с малым дрейфом напряжения смещения и широкой полосой пропускания;
• два диагностических компаратора;
• контроллер включения с выходом индикации хорошего качества питания (power-good выход);
• источник опорного напряжения с малым дрейфом.

Ключевое преимущество MAX12900 в том, что он может конвертировать ШИМ-сигнал микроконтроллера, который не обладает встроенным ЦАП, в сигнал петли 4…20мА для двух-, трех- или четырехпроводных конфигураций. Таким образом он является эквивалентом совокупности малопотребляющего ЦАП с высоким разрешением, обработчика ШИМ-сигнала, двух цепей обработки и активного фильтра с интегрированным малопотребляющим операционным усилителем. Две цепи обработки сигналов обеспечивают стабильную ШИМ-амплитуду, несмотря на колебания амплитуды сигнала, изменения температуры и напряжения питания. Усилитель с широкой полосой пропускания в сочетании с дискретным транзистором преобразует входное напряжение в выходной ток и позволяет использовать HART® и FOUNDATION Fieldbus H1 модуляцию сигнала. Благодаря ОУ с малым напряжением смещения и источнику опорного напряжения с низким дрейфом обеспечивается минимальный уровень ошибки в широком диапазоне температур. Малопотребляющий ОУ и компараторы являются блоками для создания продвинутых диагностических систем. Мониторинг шины питания, измерение выходного тока и детектирование разрыва цепи – вот некоторые примеры диагностических возможностей таких систем. Все это, наряду с высокой точностью и малым общим потреблением делает MAX12900 идеальным устройством для интеллектуальных датчиков с интерфейсом токовая петля.

Применение MAX12900 в качестве 2-проводного передатчика (питание через токовую петлю)

На рисунке 2 показана упрощенная блок-схема и модель того, как MAX12900 может быть сконфигурирован в качестве части датчика с питанием через петлю. Такая конфигурация требуется для систем, работающих в агрессивных средах, она должна соответствовать директиве ATEX Directive 94/9/EC и получить сертификат IECEx. Такая реализация схемы датчика возможна только в случаях, когда передатчик потребляет менее 4 мА. ШИМ-сигналы, генерируемые микроконтроллером, поступают на специальные цепи нормирования и обработки ШИМ-сигнала, встроенные в MAX12900. С использованием одного из встроенных операционных усилителей и внешней RC-цепи можно создать фильтр низких частот. Для конвертирования напряжения в ток используются внешние транзисторы.

Рис. 2. Блок-схема датчика на базе токовой петли с применением MAX12900

На рисунке 3 показана реализация на уровне электрической принципиальной схемы двухпроводной токовой петли, питающей сенсор (обратите внимание, что весь выделенный бирюзовым цветом блок интегрирован в MAX12900).

Рис. 3. Конфигурация передатчика, питаемого 4-20мА токовой петлей, на базе MAX12900

Одни из наиболее распространенных датчиков такого типа – это датчики температуры. Давайте попробуем спроектировать передатчик датчика температуры на базе MAX12900 с применением прецизионной термопары и специализированного преобразователя сигнала термопары (MAX31856). MAX31856 обрабатывает сигнал с термопары и передает данные по интерфейсу SPI. Таким образом, чтобы считывать показания с датчика и генерировать ШИМ-сигналы для MAX12900, необходимо использовать микроконтроллер. В отладочном комплекте MAX12900EVKIT для этой задачи применяется микроконтроллер STM32L071. Ключевой момент в такой схеме – оценить бюджет по потребляемой мощности для наихудших сценариев (максимальные потребления тока для всех рабочих значений температуры и напряжения). На основе этого можно принять решение о применении той или иной конфигурации токовой петли: двух-, трех- или четырехпроводной.

В соответствии с техническим описанием MAX12900EV, общее потребление малопотребляющего микроконтроллера и MAX12900 составляет 3,5 мА для худшего случая. MAX31856 потребляет максимум 2 мА при напряжении питания 3,3 В (таблица 3). Таким образом общее потребление превышает 4 мА, а это значит, что реализовать двухпроводной передатчик не представляется возможным.

Таблица 3. Потребление компонентов датчика температуры

Устройство	Потребление тока, мА
MAX31856	2
MAX12900 + STM32L071	3,5
Итого:	5,5 мА (> 4мА)

Применение MAX12900 в схеме трехпроводного передатчика

Исключив возможность использовать двухпроводное решение, посмотрим, какова возможность проектирования трехпроводной схемы. Первое, что следует иметь в виду – это возможность применения только одного положительного вывода питания и для передачи данных, и для питания схемы. Напряжение 24 В (от ПЛК) является слишком высоким для микроконтроллера и MAX31856, для работы которых требуется напряжение 3,3 В. Существует несколько подходов решения этой проблемы. Первый – это использовать для преобразования 24 В в 3,3 В DC/DC-преобразователь, например, MAX17550, как это изображено на рисунке 4. MAX17550 является ультракомпактным синхронным понижающим DC/DC-преобразователем с высоким КПД и выходным током до 25 мА. Для изоляции датчика/МК ШИМ-интерфейса с MAX12900 используется цифровой двухканальный изолятор MAX12930. На рисунке 4 компоненты в пунктирном квадрате находятся в изолированным домене питания с плавающей землей, которая отличается от земли ПЛК.

Рис. 4. Трехпроводная схема передатчика с DC/DC-преобразователем

Другой подход к решению проблемы с питанием – использовать линейный преобразователь напряжения с ультрамалым током покоя MAX15006AATT+, который может обеспечить напряжение 3,3 В с током нагрузки до 50 мА, как это показано на рисунке 5.

Рис. 5. Трехпроводная схема передатчика сенсора с линейным преобразователем напряжения

Вторая проблема, о которой нужно помнить при разработке таких датчиков – плавающая земля передатчика. Датчик сам по себе, микроконтроллер и MAX12900 – передатчик для обмена данными – должны иметь общую шину земли. В то же самое время потенциал этой земли является плавающим потенциалом по отношению к земле ПЛК. Состояние плавающей земли зависит от передаваемых данных и уровня нагрузки петли. Для решения этой проблемы применяются несколько подходов, например использование двухканального малопотребляющего MAX12930 (как показано на рисунке 4) для изоляции PWMA- и PWMB-входов от передатчика.

Альтернативный подход заключается в том, чтобы использовать активную схему, которая занимается постоянным мониторингом и управляет общим уровнем земли микроконтроллера и датчика. Такой вариант реализации становится возможным и удобным благодаря присутствию ОУ общего назначения, а именно – OP2, интегрированного в MAX12900. Для этой схемы также требуется использовать внешний n-канальный MOSFET-транзистор с малым напряжением управления Q3 и PNP-транзистор общего назначения Q4, чтобы согласовать падения напряжения на RLOAD и RSENSE.

Применение MAX12900 в схемах с четырехпроводным передатчиком

Мы рассмотрели, как MAX12900 может быть применен в двух- и трехпроводных передатчиках. Реализация четырехпроводного решения по сравнению с ними очень проста, поскольку для датчика и ПЛК имеются отдельные контуры питания и земли.

Заключение

Ультрамалопотребляющий аналоговый формирователь сигнала MAX12900 производства компании Maxim Integrated для передатчиков 4…20 мА предлагает непревзойденный уровень гибкости в различных приложениях и идеально подходит для использования в промышленных датчиках для систем контроля и автоматизации, сигналы которых необходимо преобразовать в сигнал токовой петли 4…20 мА.

Источник