センサーは、実世界のパラメーターを機械が理解できる電子信号に変換するのに役立つため、あらゆる測定システムの不可欠な部分です。産業環境で一般的に使用されるタイプのセンサーは、アナログセンサーとデジタルセンサーです。デジタルセンサーは、USART、I2C、SPIなどの次のプロトコルに従って0および1と通信します。アナログセンサーは、可変電流または可変電圧を介して通信できます。私たちの多くは、LDR、MQガスセンサー、フレックスセンサーなどの可変電圧を出力するセンサーに精通している必要があります。これらのアナログ電圧センサーは、電圧から電流へのコンバーターと結合して、アナログ電圧をアナログ電流に変換し、可変電流センサーになります。
この可変電流センサーは4〜20mAプロトコルに従います。つまり、センサーは測定値が0のときに4mAを出力し、測定値が最大のときに20mAを出力します。センサーの出力が4mA未満または20mAを超える場合は、障害状態と見なすことができます。センサーはツイストペア線を介して電流を出力し、電力とデータの両方が2本の線のみを流れるようにします。最小値または「ゼロ」値は4mAです。これは、出力がゼロまたは4mAの場合でも、デバイスに電力を供給できる状況が原因です。また、信号は電流として伝送されるため、配線抵抗による電圧降下やノイズ耐性を気にすることなく長距離に送ることができます。
業界では、センサーのキャリブレーションは日常的なプロセスであり、システムのキャリブレーションとエラー結果のトラブルシューティングのために、電流ループテストが実行されます。現在のループテストでは、通信回線の破損をチェックする検証プロセスを使用しています。また、送信機の出力電流もチェックします。このプロジェクトでは、ポテンショメータを回して電流を4mAから20mAに手動で調整できるいくつかのコンポーネントを使用して、基本的な電流ループテスターを作成します。この回路は、プログラムをエミュレートしたり、デバッグしたりするためのダミーセンサーとして使用できます。
コンポーネント要件
- PNPトランジスタ（BC557を使用）
- オペアンプ（JRC4558を使用）
- 300k抵抗
- 1k抵抗
- 50k10回転ポテンショメータ。
- 100pF 16V
- 0.1uF16V-2個
- 100R抵抗-公差5％
- LED（任意の色）
- 5V電源
- ブレッドボード
- フックアップワイヤー
- 電流を測定するためのマルチメータ
このプロジェクトで使用されている重要なコンポーネントを見てみましょう。下の画像では、PNPトランジスタ、BC557ピン配列が示されています。
これは、最も一般的な3ピンPNPトランジスタの1つです。BC557は、NPNBC547の同一のペアです。左から右に、ピンはエミッター、ベース、コレクターです。他の同等のトランジスタは、BC556、BC327、2N3906などです。
ここで使用されているオペアンプ（JRC4558）は、他のタイプのオペアンプで使用されているものと同じピン図に従います。ピン1、ピン2、ピン3は単一のオペアンプに使用され、ピン5、6、7は他のチャネルに使用されます。このプロジェクトでは、どのチャネルでも使用できます。 8番目のピンは正の電源源であり、4番目のピンはGNDです。JRC4558Dオペアンプは、このプロジェクトのために使用されているが、他のオペアンプも動作します。など-TL072、LM258、LM358など。
パーツリストの5番目のコンポーネントである50k10ターンポテンショメータはBourns製です。部品番号は3590S-2-503Lです。ただし、これは少しコストのかかるコンポーネントです。この目的には10ターンポットが最適ですが、他の一般的なポテンショメータも問題なく機能しました。違いは、一般的なポテンショメータでは分解能が低くなるため、電流源のインクリメントまたはデクリメントがスムーズにならないことです。このプロジェクトでは、Bournsポテンショメータを使用します。Bournsポテンショメータのピン配列は、標準のポテンショメータのピン配列と比較して少し混乱しています。下の画像では、左から1番目のピンがワイパーピンです。どのアプリケーションでもこのポテンショメータを接続するときは注意が必要です。
回路図
4〜20mAの電流ループテスターの完全な回路図を以下に示します。
ご覧のとおり、回路は非常に単純で、トランジスタを駆動するオペアンプで構成されています。トランジスタからの出力電流はLEDに供給され、この出力電流はポテンショメータを変化させることによって0mAから20mAまで変化させることができ、上記のように接続された電流計によって測定することができます。
ここのオペアンプは、負帰還を伴う電流源として機能するように設計されています。入力可変電圧は、ポテンショメータを使用してオペアンプの非反転ピンに与えられます。最大出力電流（この場合は20mA）は、オペアンプの反転ピンに接続された抵抗を使用して設定されます。ここで、ポットから非反転ピンに供給される電圧に基づいて、オペアンプはトランジスタにバイアスをかけ、LEDに定電流を供給します。この定電流は、電流源として機能する負荷抵抗値に関係なく維持されます。このタイプの増幅器は、相互コンダクタンス増幅器と呼ばれます。回路はシンプルで、以下に示すようにブレッドボード上に簡単に構築できます。
4〜20mAの電流ループテスターの動作
ここでのLEDは負荷として機能し、電流ループ回路が必要な電流を負荷に供給しています。負荷電流は、オペアンプ4558によって直接制御されるBC557によって供給されます。アンプの正の入力では、電位差計によって基準電圧が供給されます。基準電圧に応じて、オペアンプはトランジスタのベースにバイアス電流を供給します。電位差計の両端に追加の直列抵抗を追加して、基準電圧とアンプの出力を制限し、 0mAから20mAの境界を作成します。この抵抗値を変更すると、最小から最大の電流出力境界も変更されます。
回路のテスト
回路が構築されたら、安定化された5Vソースを使用して回路に電力を供給します。以下に示すように、回路に電力を供給するために以前に構築したものと同様のブレッドボード電源を使用しました。
注： 300k抵抗の場合、2つの抵抗が直列の100kと200kで使用されます。
回路をテストするために、アンプモードのマルチメータを使用し、回路図に示されている電流計の代わりにそのプローブを接続しました。マルチメータを初めて使用する場合は、このマルチメータ使用ガイドを確認できます。ポテンショメータを変えると、マルチメータの電流値が4mAから20mAまで変化していることがわかります。完全な作業のビデオは、このの下部に見つけることができます。
電流ループテスター回路のアプリケーション
4〜20mAの電流ループテスターの主な用途は、4〜20 mAのプロトコルを受信し、それに応じてデータを提供するPLCマシンをテストまたは校正することです。したがって、間違ったキャリブレーションは、PLCによって認識されるエラー値をもたらしました。キャリブレーションだけでなく、現在のループの破損をチェックするのにも便利なプロセスです。
4〜20mAの電流ループのアプリケーションは、産業用オートメーションおよび制御システムに大きな範囲を持っています。水の流れ、バルブの位置、石油の生産、および生産プロセスに不可欠な関連センサーなどはすべて、4〜20mAの通信ラインを使用します。障害状態のデバッグと検出は、時間とお金を節約するための業界の重要な仕事です。正確な4〜20 mAの電流ループテスターは、センサー関連の問題を解決するために不可欠なツールです。
4〜20mAの電流ループテスターの制限
回路には特定の制限があります。産業環境は、ラボベースの環境よりも非常に過酷です。したがって、回路は、産業環境での使用に適した、すべての入力と出力にわたる短絡保護やサージ保護などのさまざまな保護回路で構成する必要があります。