센서는 실제 매개 변수를 기계가 이해할 수있는 전자 신호로 변환하는 데 도움이되므로 모든 측정 시스템의 필수 부분입니다. 산업 환경에서 일반적으로 사용되는 센서 유형은 아날로그 센서 및 디지털 센서 입니다. 디지털 센서는 USART, I2C, SPI 등과 같은 0과 1의 프로토콜과 통신합니다. 아날로그 센서는 가변 전류 또는 가변 전압을 통해 통신 할 수 있습니다. 우리 중 많은 사람들은 LDR, MQ 가스 센서, Flex 센서 등과 같은 가변 전압을 출력하는 센서에 익숙해야합니다. 이러한 아날로그 전압 센서는 전압-전류 변환기 와 결합되어 아날로그 전압을 아날로그 전류로 변환하여 가변 전류 센서가됩니다.
이 가변 전류 센서 는 4-20mA 프로토콜을 따릅니다. 즉, 센서는 측정 값이 0 일 때 4mA를 출력하고 측정 값이 최대 일 때 20mA를 출력 합니다. 센서가 4mA 미만 또는 20mA 이상을 출력하면 오류 상태로 간주 할 수 있습니다. 센서는 트위스트 페어 와이어를 통해 전류를 출력하므로 전원과 데이터가 2 개의 와이어로만 흐를 수 있습니다. 최저 또는 '제로'값은 4mA입니다. 이는 출력이 0 또는 4mA 일 때 여전히 장치에 전원을 공급할 수있는 상황 때문입니다. 또한 신호는 전류로 전송되기 때문에 와이어 저항이나 노이즈 내성에 의한 전압 강하 걱정없이 장거리로 전송할 수 있습니다.
산업 분야에서 센서 교정은 일상적인 프로세스이며 시스템 교정과 오류 결과 문제 해결을 위해 전류 루프 테스트 가 수행됩니다. 전류 루프 테스트에서는 통신 회선의 단선을 확인하는 검증 프로세스를 사용합니다. 또한 송신기 출력 전류를 확인합니다. 이 프로젝트에서는 전위차계를 돌려 4mA에서 20mA까지 전류 를 수동으로 조정할 수있는 몇 가지 구성 요소를 사용하여 기본 전류 루프 테스터를 만들 것 입니다. 이 회로는 프로그램을 에뮬레이트하거나 디버깅을 위해 더미 센서로 사용할 수 있습니다.
구성 요소 요구 사항
- PNP 트랜지스터 (BC557 사용)
- 연산 증폭기 (JRC4558 사용)
- 300k 저항
- 1k 저항
- 50k 10 회전 전위차계.
- 100pF 16V
- 0.1uF 16V-2 개
- 100R 저항-공차 5 %
- LED (모든 색상)
- 5V 전원
- 브레드 보드
- 연결 와이어
- 전류를 측정하는 멀티 미터
이 프로젝트에 사용 된 중요한 구성 요소를 살펴 보겠습니다. 아래 이미지에는 PNP 트랜지스터 BC557 핀 출력이 나와 있습니다.
이것은 가장 일반적인 3 핀 PNP 트랜지스터 중 하나입니다. BC557은 NPN BC547의 동일한 쌍입니다. 왼쪽에서 오른쪽으로 핀은 Emitter, Base 및 Collector입니다. 다른 동등한 트랜지스터는 BC556, BC327, 2N3906 등입니다.
여기에 사용 된 연산 증폭기 (JRC4558)는 다른 유형의 연산 증폭기에서 사용되는 것과 동일한 핀 다이어그램을 따릅니다. 핀 1, 핀 2, 핀 3은 단일 연산 증폭기에 사용되며 핀 5, 6, 7은 다른 채널에 사용됩니다. 이 프로젝트에는 모든 채널을 사용할 수 있습니다. 8 번째 핀은 양극 공급 소스이고 4 번째 핀은 GND입니다. 이 프로젝트 에는 JRC4558D Op-Amp 가 사용되지만 다른 op-amp도 작동합니다. 같은-TL072, LM258, LM358 등
부품 목록의 다섯 번째 구성 요소 인 50k 10 회전 전위차계는 Bourns에서 제공합니다. 부품 번호는 3590S-2-503L입니다. 그러나 약간 비용이 많이 드는 구성 요소입니다. 10 턴 포트가이 목적에 가장 적합하지만 다른 일반 전위차계도 잘 작동했습니다. 차이점은 일반 전위차계에서는 해상도가 낮아 지므로 전류 소스의 증가 또는 감소가 부드럽 지 않습니다. 이 프로젝트에서는 Bourns 전위차계가 사용됩니다. Bourns 전위차계 의 핀 배치 는 표준 전위차계 핀 배치와 비교할 때 약간 혼란 스럽습니다. 아래 이미지에서 왼쪽에서 첫 번째 핀은 와이퍼 핀입니다. 어떤 애플리케이션에서든이 전위차계를 연결할 때주의해야합니다.
회로도
4-20mA 전류 루프 테스터 의 전체 회로 다이어그램 은 다음과 같습니다.
보시다시피 회로는 매우 간단하며 트랜지스터를 구동하는 연산 증폭기로 구성됩니다. 트랜지스터의 출력 전류는 LED에 공급되며,이 출력 전류는 전위차계를 변경하여 0mA에서 20mA까지 변경 될 수 있으며 위와 같이 연결된 전류계로 측정 할 수 있습니다.
여기서 연산 증폭기는 부정적인 피드백이 있는 전류 소스 로 작동하도록 설계되었습니다. 입력 가변 전압은 전위차계를 사용하여 Op-Amp의 비 반전 핀에 제공됩니다. 최대 출력 전류 (이 경우 20mA)는 op-Amp의 반전 핀에 연결된 저항을 사용하여 설정됩니다. 이제 포트에서 비 반전 핀에 제공되는 전압을 기반으로 연산 증폭기는 트랜지스터를 바이어스하여 LED를 통해 일정한 전류를 공급합니다. 이 정전류는 전류원으로 작용하는 부하 저항 값과 관계없이 유지됩니다. 이러한 유형의 증폭기를 트랜스 컨덕턴스 증폭기 라고 합니다. 회로는 간단하며 아래와 같이 브레드 보드에 쉽게 구성 할 수 있습니다.
4-20mA 전류 루프 테스터의 작동
여기서 LED는 부하 역할을하고 전류 루프 회로는 부하에 필요한 전류를 제공합니다. 부하 전류는 연산 증폭기 4558에 의해 직접 제어되는 BC557에 의해 공급됩니다. 증폭기의 양의 입력에서 전위차계에 의해 기준 전압이 제공됩니다. 기준 전압에 따라 연산 증폭기는 트랜지스터의베이스에 바이어스 전류를 제공합니다. 추가 직렬 저항은 전위차계에 추가되어 증폭기의 출력과 기준 전압 을 제한하여 0mA ~ 20mA의 경계를 생성합니다. 이 저항 값을 변경하면 최소에서 최대 전류 출력 경계도 변경됩니다.
회로 테스트
회로가 구축되면 조정 된 5V 소스를 사용하여 전원을 공급합니다. 아래에 표시된대로 회로에 전원을 공급하기 위해 이전에 구축 한 것과 유사한 브레드 보드 전원 공급 장치를 사용했습니다.
참고: 300k 저항의 경우 2 개의 저항이 100k 및 200k 직렬로 사용됩니다.
회로를 테스트하기 위해 Amp 모드에서 멀티 미터를 사용하고 회로 다이어그램에 표시된 전류계 대신 프로브를 연결했습니다. 멀티 미터를 처음 사용하는 경우이 멀티 미터 사용 가이드를 확인할 수 있습니다. 전위차계를 변경하면 멀티 미터의 전류 값이 4mA에서 20mA까지 다양하다는 것을 알 수 있습니다. 전체 작업 비디오는 이 하단에서 확인할 수 있습니다.
전류 루프 테스터 회로의 응용
4-20mA 전류 루프 테스터의 주요 응용 분야는 4-20mA 프로토콜을 수신하고 이에 따라 데이터를 제공 하는 PLC 기계 를 테스트하거나 교정하는 것입니다. 따라서 잘못된 교정으로 인해 PLC에서 오류 값이 감지되었습니다. 교정뿐만 아니라 전류 루프 단선을 확인하는 편리한 프로세스이기도합니다.
4-20mA 전류 루프의 적용은 산업 자동화 및 제어 시스템에서 매우 광범위합니다. 예를 들어, 물 흐름, 밸브 위치, 석유 생산 및 생산 공정에 필수적인 관련 센서는 모두 4-20mA 통신 라인을 사용합니다. 디버깅 및 오류 상태 찾기는 업계에서 시간과 비용을 절약하기위한 중요한 작업입니다. 정확한 4-20mA 전류 루프 테스터는 센서 관련 문제를 해결하는 데 필수적인 도구입니다.
4-20mA 전류 루프 테스터의 한계
회로에는 특정 제한이 있습니다. 산업 환경은 실험실 기반 환경보다 매우 가혹합니다. 따라서 회로는 산업 환경에서 사용하기에 적합한 모든 입력 및 출력에서 단락 보호 및 서지 보호와 같은 다양한 보호 회로로 구성되어야합니다.