Задатчик тока 4-20 мА

В автоматизации современной промышленности и на транспорте (включая судоходство) широкое распространение получил стандарт передачи аналогового сигнала "токовая петля 4-20 мА". Практически все поставщики промышленных микроконтроллеров поддерживают этот стандарт. Основное преимущество токовой петли (по сравнению с более дешевой параметрической передачей напряжением) в том, что точность не зависит от длины и сопротивления линии передачи, поскольку управляемый источник тока автоматически поддерживает требуемый уровень тока в линии. Такая схема позволяет запитывать датчик непосредственно от линии передачи.

Датчики, применяемые в таких системах, преобразуют измеряемый параметр (давление, уровень жидкости, скорость потока и т.д.) в ток. Наименьшее значение измеряемого диапазона соответствует 4 мА, наибольшее - 20 мА. То есть весь диапазон допустимых значений составляет 16 мА. Нулевое значение тока в цепи означает обрыв линии и позволяет легко диагностировать такую неисправность.

При наладке и ремонте средств автоматизации возникает необходимость в проверке или калибровке систем управления, контроллеров и т.п. в реальных условиях. Но это не всегда возможно или слишком трудозатратно. Например, чтобы проверить датчик давления гидравлики судового крана или тензодатчик нагрузки на гак, кран нужно запустить, разнайтовать, зацепить груз с известной массой, поднять его и т.д., а это может быть невозможно по погодным условиям (шторм) или другим причинам. В конце концов, датчик может быть неисправен, а запасных на борту нет. И здесь может пригодиться задатчик тока - своеобразный имитатор реального датчика.

Данный прибор обеспечивает ручную установку тока в диапазоне 2,2 - 22,0 мА и его стабилизацию в двухпроводном подключении при изменении напряжения от 12 до 36 В, а нагрузки от 0 до 250 Ом.

На рисунке ниже представлена типичная схема подключения датчика к контроллеру. Как видно, мы просто меняем датчик, который является источником тока, зависимого от измеряемого параметра, на задатчик, с помощью которого мы сами задаем ток. Обратите внимание, многие контроллеры идут со встроенным источником питания, но принципиально схема подключения остается такой же - внимательно читайте инструкцию к приборам-измерителям.

Схема подключения датчика

ЭЛЕКТРОСХЕМА

Центральной частью задатчика тока является стабилизатор LM317. В даташите к нему приведена простейшая схема регулятора тока, которую в свое время доработал Сергей Скворцов, чья статья из журнала "Радиоежегодник" и была взята в качестве руководства для создания этого задатчика тока.

Электросхема задатчика тока

Рассмотрим назначение элементов схемы подробней.

Напряжение от источника питания подается на клемму LOOP1(+), проходит через стабилизатор LM317, на выходе из которого мы получаем требуемый нам ток. Затем ток следует к клемме LOOP(-), от куда поступает на вход измерительного контроллера.
Диод D1 служит защитой от короткого замыкания на входе.
Конденсаторы С1 и С2 предотвращают самовозбуждение схемы.
Резистор R1 ограничивает выходной ток (22 мА).
С помощью потенциометра POTI1 регулируется выходной ток стабилизатора.
Дополнительный потенциометр POTI2 также изменяет ток на выходе с LM317, но уже с интенсивностью в десять раз меньше, чем POTI1 (соотношение задается резисторами R2 и R3).
Диоды D2 и D3 формируют отрицательное опорное напряжение около -1,25 В.
Клеммы TEST1 и TEST2 позволяют замерять выходной ток с задатчика не разрывая измеряемой цепи, чему способствуют диоды D4 и D5.
Если у вас нет контроллера-измерителя или он неисправен, то с помощью клемм LOAD1 и LOAD2 и перемычки вы можете сымитировать нагрузку контроллера (вставив туда подходящий резистор). Хотя, как говорилось выше, задатчик должен обеспечивать регулировку тока даже при нулевой нагрузке.

СБОРКА ПЛАТЫ

Схема пайки элементов задатчика тока представлена на рисунке ниже. За базу взята макетная плата 65х90 мм. Конечно вы можете расположить элементы по другому и более компактно.

Схема пайки задатчика тока на макетной плате

Примечания :

Микросхема LM317 соединяется с радиатором через термопасту.
Подсоединения токовой петли и тестера выполнены в трех вариантах : клеммница, штыревой соединитель "папа" и "мама" для проводов Dupont.
Конденсаторы C1 и С2 керамические.
Мощность резисторов не менее 0,5 Ватт.
Подстроечные резисторы также должны иметь мощность не менее 0,5 Вт.
Зеленый провода на схеме - соединения, которые автор не смог провести в плоскости платы, пришлось пустить их по "воздуху".
Незадействованная гребенка пинов служит для хранения перемычек.
По поводу подстроечных резисторов. На первый взгляд в данном приборе удобней использовать потенциометры с ручкой на один оборот. Но я рекомендую применять многооборотные резисторы, чтобы случайным касанием не выкрутить ток на максимум и не спалить PLC, к которому вы будете подсоединять задатчик.

Ниже представлен еще один вариант разводки платы. Здесь нет клемм LOAD1 и LOAD2.

Схема пайки задатчика тока на макетной плате

ЧТО НУЖНО ДЛЯ ПРОЕКТА

макетная плата под пайку 65х90 мм - 1 шт
клеммница для подвода питания и отвода сигнала к Arduino - 2 шт
микросхема LM317 в корпусе ТО-220 - 1 шт
радиатор не менее 7-8 см2 - 1 шт
резистор подстроечный многооборотный типа 3296 на 5К - 2 шт
резистор 56 Ом (1 Вт) - 1 шт
резистор 2,2К (1 Вт) - 1 шт
резистор 22К (1 Вт) - 1 шт
конденсатор керамический 100 нФ - 2 шт
диод 1N4007 в корпусе DO-41 - 5 шт
провод типа AWG - 10 см
перемычка (jumper) - 2 шт
штыревой соединитель - 15 шт
разъем PBS - 20 шт
термопаста

ПРИМЕР ПРИМЕНЕНИЯ ЗАДАТЧИКА ТОКА

Ниже, на реальном примере, мы увидим, как наш задатчик тока может помочь в диагностике неисправности.

Общий вид системы управления балластами

Итак, в одно прекрасное утро боцман сообщил, что правый бортовой балластный танк 2SB пустой, хотя накануне его приняли под пресс. Так как эту информацию он получил только на основании показаний системы замеров в танках, его отправили промерить уровень в этом балласте традиционным способом (рулеткой). Как и ожидалось, танк 2SB был полный, иначе теплоход завалился бы на левый борт.

Сама система замеров представляет из себя комплекс датчиков, преобразующих давление столба воды (а значит и уровня в танке) в ток стандарта 4-20 мА. Результаты замеров, пересчитанные в м3 (высоту, массу), выводятся на дисплей и на мнемосхему в виде полосы светодиодов. Очевидно, что проблема в замере данного конкретного танка, так как остальные показывали верное значение.

Подсоединение задатчика вместо датчика давления

Попробуем сразу отсечь неисправность датчика от неисправности самой электронной схемы, для чего подсоединим вместо датчика, на выходе с которого по факту мы получаем ток в диапазоне 0-20 мА, наш токовый задатчик.

По схеме определимся с модулем, к которому подсоединен датчик танка 2SB, запомним полярность. Отсоединим датчик от модуля, проверим напряжение и соответствие полярности на схеме и в клеммах модуля. Все в порядке : напряжение 23,7 В, полярность соответствует. Желательно перед подсоединение задатчика скрутить его ток до минимума. Далее подсоединяем его, соблюдая полярность.

Теперь поднимем ток на задатчике, наблюдая за изменением показаний индикаторов на LCD и на мнемо-панеле. Как видно, реакция адекватная, а значит причина неисправности в датчике или проводке.

Реакция индикатора уровня на изменения тока задатчика