Vòng lặp dòng điện 4-20 mA : Cảm biến là một phần không thể thiếu của bất kỳ hệ thống đo lường nào vì chúng giúp chuyển đổi các thông số trong thế giới thực thành các tín hiệu điện tử mà máy móc có thể hiểu được. Trong môi trường công nghiệp, loại cảm biến thường được sử dụng là Cảm biến Analog và Cảm biến kỹ thuật số . Cảm biến kỹ thuật số giao tiếp với các giao thức sau 0 và 1 như USART, I2C, SPI, v.v. Và cảm biến Analog có thể giao tiếp thông qua dòng điện thay đổi hoặc điện áp thay đổi . Nhiều người trong chúng ta chắc đã quen thuộc với các cảm biến xuất ra điện áp thay đổi như LDR, cảm biến khí MQ, cảm biến Flex, v.v … Các cảm biến điện áp tương tự này được kết hợp với bộ chuyển đổi điện áp thành dòng điện để chuyển điện áp tương tự thành dòng điện tương tự để trở thành cảm biến dòng điện biến đổi.
Cảm biến dòng biến đổi này tuân theo giao thức 4-20mA, nghĩa là cảm biến sẽ xuất ra 4mA khi các giá trị đo bằng 0 và sẽ xuất ra 20mA khi giá trị đo là lớn nhất . Nếu cảm biến đầu ra bất kỳ thứ gì nhỏ hơn 4mA hoặc hơn 20mA, nó có thể được coi là tình trạng lỗi. Cảm biến xuất ra dòng điện qua các dây xoắn đôi cho phép cả nguồn và dữ liệu chỉ chạy qua 2 dây. Giá trị thấp nhất hoặc ‘không’ là 4mA. Điều này là do tình huống trong đó khi đầu ra bằng không hoặc 4mA, nó vẫn có thể cấp nguồn cho thiết bị. Ngoài ra, vì tín hiệu được truyền dưới dạng dòng điện nên nó có thể được gửi đi khoảng cách xa mà không lo lắng về sự sụt giảm điện áp do điện trở dây hoặc về khả năng chống nhiễu.
Trong các ngành công nghiệp, hiệu chuẩn cảm biến là một quy trình thường xuyên, và để hiệu chỉnh hệ thống và cũng để khắc phục các kết quả lỗi, kiểm tra vòng lặp dòng điện được thực hiện. Trong thử nghiệm vòng lặp dòng điện, nó sử dụng một quy trình xác minh để kiểm tra sự đứt gãy trong đường truyền thông. Nó cũng kiểm tra dòng điện đầu ra của máy phát. Trong dự án này, chúng tôi sẽ tạo một bộ kiểm tra vòng lặp cơ bản sử dụng một số thành phần cho phép chúng tôi điều chỉnh thủ công dòng điện từ 4ma đến 20mA bằng cách xoay một chiết áp. Mạch này có thể được sử dụng như một cảm biến giả để mô phỏng các chương trình hoặc để gỡ lỗi.
Yêu cầu về thành phần
- Một bóng bán dẫn PNP (BC557 được sử dụng)
- Một Op-Amp (JRC4558 được sử dụng)
- Điện trở 300k
- Điện trở 1k
- Chiết áp 50k 10 lượt.
- 100pF 16V
- 0,1uF 16V – 2 chiếc
- Điện trở 100R – dung sai 5%
- Đèn LED (Bất kỳ màu nào)
- Nguồn điện 5V
- Breadboard
- Trèo lên dây
- Đồng hồ vạn năng để đo dòng điện
Chúng ta hãy xem xét các thành phần quan trọng được sử dụng trong dự án này. Trong hình dưới đây, bóng bán dẫn PNP, chân BC557 được hiển thị.
Bóng bán dẫn PNP BC557
Đây là một trong những bóng bán dẫn PNP ba chân phổ biến nhất . BC557 là cặp NPN BC547 giống hệt nhau. Từ trái sang phải, các chân là Emitter, Base và Collector. Các bóng bán dẫn tương đương khác là BC556, BC327, 2N3906, v.v.
Các op-amp sử dụng ở đây (JRC4558) theo sơ đồ pin tương tự như được sử dụng trong các loại khác của op-amps. Pin 1, Pin 2, Pin 3 được sử dụng cho một op-amp duy nhất và Pin 5, 6, 7 được sử dụng cho kênh khác. Bất kỳ kênh nào cũng có thể được sử dụng cho dự án này. Chân thứ 8 là nguồn cung cấp tích cực và chân thứ 4 là GND. Các JRC4558D Op-Amp được sử dụng cho dự án này, nhưng op-amps khác cũng sẽ làm việc. Chẳng hạn như – TL072, LM258, LM358, v.v.
Linh kiện thứ 5 trong danh sách là chiết áp 50k 10 turn của Bourns. Mã là 3590S-2-503L. Tuy nhiên, nó là một thành phần hơi tốn kém. 10 Turn là tốt nhất cho mục đích này, nhưng các chiết áp thông thường khác cũng hoạt động tốt. Sự khác biệt là độ phân giải sẽ ít hơn với chiết áp chung vì do đó sự tăng hoặc giảm của nguồn hiện tại sẽ không được mượt mà. Trong dự án này, chiết áp Bourns được sử dụng. Các sơ đồ chân của Bourns chiết áp khó hiểu hơn so với pinouts chiết áp chuẩn. Trong hình dưới đây, chốt đầu tiên từ bên trái là chốt gạt . Người ta cần phải cẩn thận khi kết nối chiết áp này trong bất kỳ ứng dụng nào.
Sơ đồ mạch
Sơ đồ mạch hoàn chỉnh cho bộ kiểm tra vòng lặp dòng điện 4-20mA được hiển thị bên dưới.
Như bạn có thể thấy, mạch khá đơn giản, nó bao gồm một op-amp điều khiển một bóng bán dẫn. Dòng điện đầu ra từ bóng bán dẫn được đưa đến đèn LED, dòng điện đầu ra này có thể thay đổi từ 0mA đến 20mA bằng cách thay đổi chiết áp và có thể đo bằng Ampe kế được kết nối như hình trên.
Op-amp ở đây được thiết kế để hoạt động như một nguồn dòng với phản hồi tiêu cực. Điện áp biến đầu vào được cấp cho chân không đảo ngược của Op-Amp bằng cách sử dụng chiết áp. Dòng điện đầu ra tối đa (trong trường hợp này là 20mA) được thiết lập bằng cách sử dụng điện trở được kết nối với chân đảo ngược của op-Amp. Bây giờ dựa trên điện áp được cung cấp cho chân không đảo ngược từ nồi, op-amp sẽ phân cực bóng bán dẫn để tạo nguồn dòng điện không đổi qua đèn LED. Dòng điện không đổi này sẽ được duy trì bất kể giá trị điện trở tải hoạt động như một nguồn dòng điện. Loại Bộ khuếch đại này được gọi là Bộ khuếch đại điện dẫn . Mạch đơn giản và có thể dễ dàng xây dựng trên bảng mạch như hình dưới đây.
Hoạt động của Vòng lặp dòng điện 4-20 mA
Đèn LED ở đây đóng vai trò là tải và mạch vòng dòng điện đang cung cấp dòng điện cần thiết cho tải. Dòng tải được cung cấp bởi BC557 được điều khiển trực tiếp bởi op-amp 4558. Trên đầu vào tích cực của bộ khuếch đại, một điện áp tham chiếu đang được cung cấp bởi chiết áp. Tùy thuộc vào điện áp tham chiếu, op-amp cung cấp dòng điện phân cực cho đế của bóng bán dẫn. Điện trở nối tiếp bổ sung được thêm vào trên chiết áp để giới hạn điện áp tham chiếu cũng như đầu ra của bộ khuếch đại, do đó tạo ra ranh giới từ 0mA đến 20mA. Thay đổi giá trị điện trở này cũng thay đổi ranh giới đầu ra dòng điện tối thiểu đến tối đa.
Kiểm tra mạch
Khi mạch đã được xây dựng, hãy cấp nguồn cho nó bằng nguồn 5V được điều chỉnh. Tôi đã sử dụng bộ nguồn breadboard , tương tự như những gì chúng tôi đã xây dựng trước đó để cấp nguồn cho mạch như hình dưới đây.
Lưu ý: Đối với điện trở 300k, hai điện trở được sử dụng nối tiếp 100k và 200k.
Để kiểm tra mạch, tôi đã sử dụng một đồng hồ vạn năng ở chế độ Amp và kết nối các đầu dò của nó thay cho ampe kế được hiển thị trong sơ đồ mạch. Bạn có thể xem hướng dẫn sử dụng đồng hồ vạn năng này nếu chưa quen với đồng hồ vạn năng. Khi tôi thay đổi chiết áp, giá trị dòng trên đồng hồ vạn năng có thể nhận thấy thay đổi từ 4mA đến 20mA. Các Video có hoạt động hoàn chỉnh có thể được tìm thấy ở dưới cùng của này.
Các ứng dụng của Vòng lặp dòng điện 4-20 mA
Ứng dụng chính của máy kiểm tra vòng lặp dòng 4-20mA là kiểm tra hoặc hiệu chỉnh các máy PLC nhận giao thức 4-20 mA và cung cấp dữ liệu tùy thuộc vào nó. Do đó, việc hiệu chuẩn sai dẫn đến giá trị lỗi được PLC cảm nhận. Không chỉ hiệu chuẩn, mà còn là một quá trình thuận tiện để kiểm tra sự cố đứt vòng lặp dòng điện.
Ứng dụng của mạch vòng dòng 4-20mA có phạm vi rất lớn trong hệ thống điều khiển và tự động hóa công nghiệp. Chẳng hạn như lưu lượng nước, vị trí van, sản xuất dầu và các cảm biến liên quan cần thiết cho quá trình sản xuất đều sử dụng đường truyền 4-20 mA. Gỡ lỗi và tìm tình trạng lỗi là một công việc quan trọng trong ngành để tiết kiệm thời gian và tiền bạc. Máy kiểm tra vòng lặp dòng điện 4-20 mA chính xác là một công cụ cần thiết để giải quyết các vấn đề liên quan đến cảm biến.
Hạn chế của Vòng lặp dòng điện 4-20 mA
Mạch có những hạn chế nhất định. Môi trường công nghiệp rất khắc nghiệt hơn môi trường trong phòng thí nghiệm. Do đó, mạch phải bao gồm các mạch bảo vệ khác nhau như bảo vệ ngắn mạch và bảo vệ chống đột biến trên tất cả đầu vào và đầu ra, phù hợp để sử dụng trong môi trường công nghiệp.