Преобразователь сопротивления в ток 4 20 ма своими руками
Добавил пользователь Дмитрий К. Обновлено: 04.10.2024
Как известно современная автоматика включает в себя токовые датчики. Здесь могут быть датчики давления, разряжения, температуры, расхода и т.д. Все они подключаются по одному принципу. Отклонения бывают только в нюансах.
Измерительный прибор – это прибор, на котором отображаются измерения.
Блок питания – это стандартный блок питания 24 вольта.
Датчик – это любой токовый датчик, который нужно подключить.
Для начала давайте определимся, почему же это токовая петля.
Посмотрим на первое изображение.
Как видно ток от источника питания прошел все цепи, и вернулся к блоку питания. То есть сделал петлю. Эта основа подключения токовых датчиков, которую нужно знать. О нюансах поговорим ниже.
А теперь объясню, как всё запомнить просто, раз и навсегда.
Ниже будут примеры с разным обозначением.
Как работает токовая петля 4-20 мА
Кроме того ток петли не зависит от напряжения питания самого источника тока, а может изменяться лишь вследствие утечек через кабель, которые обычно пренебрежимо малы. Данная особенность токовой петли полностью определяет способы ее применения.
Стоит отметить, что ЭДС емкостной наводки приложена здесь параллельно источнику тока, и для ослабления ее паразитного действия применяют экранирование.
По этой причине линией передачи сигнала обычно выступает экранированная витая пара, которая, работая совместно с дифференциальным приемником, сама ослабляет синфазную и индуктивную помехи.
На стороне приема сигнала, ток токовой петли при помощи калиброванного резистора преобразуется в напряжение. И при токе в 20 мА получается напряжение из стандартного ряда 2,5 В; 5 В; 10 В; - достаточно лишь использовать резистор с сопротивлением соответственно 125, 250 или 500 Ом.
Так, при использовании кабеля длиной в 2 км, с погонной емкостью 75 пФ/м, его емкость составит 150 нФ, а это значит что для зарядки данной емкости до 5 вольт при токе 20 мА потребуется 38 мкс, что соответствует скорости передачи данных 4,5 кбит/с.
Токовая петля 4. 20 мА имеет минимальный ток 4 мА в качестве начала отсчета сигнала. Таким образом при обрыве кабеля ток будет равен нулю. Тогда как при использовании токовой петли 0. 20 мА диагностировать обрыв кабеля будет сложнее, ибо 0 мА может просто обозначать минимальное значение передаваемого сигнала. Еще одно достоинство диапазона 4. 20 мА заключается в том, что уже при уровне 4 мА можно без проблем подводить питание к датчику.
Ниже приведены две схемы аналоговой токовой петли. В первом варианте источник питания встроен в передатчик, тогда как во втором варианте источник питания внешний.
Встроенный источник питания удобен в плане монтажа, а внешний позволяет варьировать его параметры в зависимости от назначения и условий работы устройства, с которым применяется токовая петля.
Принцип действия токовой петли одинаков для обеих схем. Операционный усилитель имеет в идеале бесконечно большое внутреннее сопротивление и нулевой ток входов, и значит напряжение между его входами также изначально равно нулю.
Таким образом, ток через резистор в передатчике будет зависеть только от величины входного напряжения и будет равен току во всей петле, при этом он не будет зависеть от сопротивления нагрузки. Напряжение на входе приемника может быть поэтому легко определено.
Схема с операционным усилителем отличается тем преимуществом, что позволяет калибровать передатчик без необходимости подключать к нему кабель с приемником, ибо погрешность, вносимая приемником и кабелем, очень незначительна.
Напряжение источника выбирается исходя из потребности транзистора передатчика для его нормальной работы в активном режиме, а также с условием компенсации падения напряжения на проводах, на самом транзисторе, и на резисторах.
Допустим, резисторы имеют сопротивления по 500 Ом, а кабель — 100 Ом. Тогда для получения тока в 20 мА потребуется напряжение источника 22 В. Выбирают ближайшее стандартное — 24 В. Избыток мощности от запаса по напряжению будет как раз рассеян на транзисторе.
Обратите внимание, что на обеих схемах изображена гальваническая развязка между передающим каскадом и входом передатчика. Это нужно для того чтобы избежать любых паразитных связей между передатчиком и приемником.
Связь модуля с компьютером осуществляется по протоколу RS-485. Устройство калибруется по току для компенсации погрешностей преобразования и исполняет подаваемые с компьютера команды. Калибровочные коэффициенты хранятся в памяти устройства. Цифровые данные преобразуются в аналоговые при помощи ЦАП.
Цифровая токовая петля работает, как правило, в режиме 0. 20 мА, поскольку цифровой сигнал проще воспроизвести именно в таком виде. Точность логических уровней здесь не так важна, поэтому источник тока петли может обладать не очень большим внутренним сопротивлением и сравнительно низкой точностью.
На приведенной схеме при напряжении питания 24 В на входе приемника падает 0,8 В, значит при сопротивлении резистора 1,2 кОм ток будет равен 20 мА. Падением напряжения на кабеле, даже при его сопротивлении в 10% от общего сопротивления петли, можно пренебречь, как и падением напряжения на оптроне. Практически в данных условиях можно считать передатчик источником тока.
Преобразователь интерфейса токовой петли 4-20мА xtr115/xtr116
Один из интерфейсов промышленной автоматики — токовая петля 4-20мА, используется для передачи данных от измерительных преобразователей контроллерам. В интерфейсе идёт представление аналогового сигнала: 0мА — обрыв, 4мА — минимальный уровень сигнала, 20мА — максимальный уровень сигнала. Выпускается множество промышленных датчиков с интерфейсом токовой петли 4-20мА.
Преобразователь 0-5В в 4-20мА на xtr115u
В статье предлагаю ознакомиться с преобразователем аналогового сигнала 0-5В (можно пересчитать и на другие диапазоны) в аналоговый сигнал 4-20мА — микросхемой xtr115.
Микросхема универсальная: к ней можно подключать резистивную нагрузку, источники напряжения 0-5В, с пересчётом и другие диапазоны, с добавлением одного операционного усилителя измерительный мост, выход микроконтроллера с аналоговым сигналом (ЦАП) или ШИМ сигналом пропущенным через фильтр.
Внутреннее устройство преобразователя.
Устройство преобразователя xtr115/xtr116
Рассмотрим схему включения преобразователя xtr115u с аналоговым входом 0-5В.
Основой преобразователя выступает микросхема xtr115. Транзистор Q1 должен быть мощностью не менее 0,8Вт, напряжением 40В и током 20мА, например MMBT2222A, BC817, но лучше взять что-нибудь по мощнее. Конденсатор C2 сглаживает пульсации на линии 4-20, резистор R3 ограничивает максимальный протекаемый ток, на нём может выделяться до 0,1Вт, рекомендуется типоразмер 1206. По входу конденсатор C1 выступает в роли входного фильтра. Резистор R1 ограничивает протекание входного тока на вход Iin для 5В на 160мкА, что соответствует 16мА на выходе Io, расчётное значение R1 31,25кОм. Резистор R2 номиналом в 62,5кОм устанавливает смещение 4мА на выходе Io (вывод 4), для этого с вывода источника опорного напряжения Vref на вход сигнала Iin должен протекать ток 40мкА. Протекание тока через резистор смещения R2 в 40мкА и протекание тока через резистор R1 ограниченного на 160мкА даёт на входе Iin диапазон от 40 до 200мкА, микросхема умножает это значение на 100 и на выходе Iout диапазон протекаемого тока 4-20мА.
Внимание! дополнение к схеме. Транзистора в корпусе sot23 не подходят для данной схемы, их можно применять только на малых напряжениях до 15В и наличии токоограничивающего резистора (R3). Максимальное тепловыделение на транзисторе может достигать 0.8Вт, а это уже корпуса D-PACK, при меньшем напряжении с натяжкой sot-223. На резисторе R3 может выделяться мощность около 0.1Вт, оптимальный типоразмер 1206.
Плата приведенная в статье проектировалась для знакомства с данной микросхемой и работает при напряжениях на токовом интерфейсе ниже 15В, кратковременно проверялась на 30В.
Внутреннее устройство преобразователя.
Протекание тока на входе Iin
Для облегчения подбора резисторов R1 и R2 и для добавления установки/калибровки минимального и максимального значения номиналы резисторов были снижены до более распространенного номинала из таблицы E и к ним были добавлены подстроечные многооборотные резисторы.
Схема с подстроечными резисторами
R3 — установка нуля, подстройка 4мА на выходе схемы, когда вход Vin подключен к общему проводу. R1 — установка максимального значения, подстройка 20мА на выходе схемы, когда вход Vin подключен к VDD 5V.
Печатная плата имеет следующий вид:
Схема с подстроечными резисторами
Микросхема преобразователя xtr115 в корпусе SO8, транзистор в корпусе sot-23 (транзистор подобран без запаса по мощности, лучше выбрать в более большом корпусе с лучшим рассеиванием тепла). Все резисторы и конденсаторы в корпусе 0805. Резистор R2 номиналом в 30К разбит на 2: 10К и 20К. Подстроечные резисторы R1 и R3 многооборотные в корпусе 3296W. Разъём X1 выполнен в виде PLS-3R, квадратный вывод — GND, клеммник X2 — 350-021-14 имеет шаг 3,5мм.
Примеры использования интерфейса токовой петли 4-20мА xtr115:
Примеры подключения датчиков к XTR115
Самое простое, что можно подключить к преобразователю — это переменный резистор (R1, на схеме с примерами выше) сопротивлением от 3,3кОм или датчик с изменяемым выходным сопротивлением.
Так же к xtr115 можно подключить выход микроконтроллера ЦАП или ШИМ через фильтр (П-образный фильтр на C1, R2, C2, на схеме выше), который выровняет ШИМ сигнал контроллера в аналоговый сигнал, что бы его можно будет подать на вход Vin преобразователя. Не стоит забывать про уровни: выходной сигнал микроконтроллера должен перекрывать весь рабочий диапазон преобразователя (4-20мА), для этого напряжение питания микроконтроллера должно быть то же 5В, как и у преобразователя, или придётся ставить дополнительные согласующие элементы.
К преобразователю так же можно подключить готовые датчики с изменяемым на выходе напряжением. Например: линейный датчик температуры LM35 (U1, см. на схеме выше), для работы которого понадобиться только резистор подтяжки R3 номиналом в 2кОм, которым можно подтянутся к встроенному в xtr115 стабилизатору напряжения 5В. Такое решение будет допустимо только для датчиков с небольшим потребляемым током, до 3,7мА, если больше они своим потреблением внесут искажения в работу интерфейса 4-20мА, для таких задач придётся использовать внешний источник питания.
Пример расчёта температуры для датчика температуры LM35 подключенного к XTR115.
Датчик LM35 работает в диапазоне от -40 до 100грС на выходе имеет линейную зависимость в 10мВ на каждый градус С. Формула расчёта напряжения выглядит следующим образом:
Vout — напряжение с выхода датчика, В
t — измеренная температура, грС
Для подключенного датчика температуры к преобразователю формула будет иметь следующий вид:
Value — ток 4-20мА полученный с датчика, А
t — температура в грС
Преобразуем:
Присматриваюсь к "интеллектуальным" реле moeller -easy, schneider -zelio, mitsubishi -alpha и т.п. Нужно чтобы в реле было 2 аналоговых входа 4-20mA. Но во всех присутствуют только по напряжению 0-10В. Можно ли организовать ввод сигналов по току, в таких устройствах. (Резистор чтоль поставить, а как номинал расчитать?)
Параллельно входу вешаешь сопротивление и меряешь напругу.
Для преобразования тока 4-20mA в напряжение можно использовать
сопротивление 250 Ом с допуском +/- 0,1 % и TK 15 промилле.:
250 om * 4 mA = 1,000 V
250 om * 20 mA = 5,000 V
Chupakabra
Можно не колхозить и приобрести нормальные преобразователи 4-20мА в 0-10В на DIN-рейку - например, фирмы Phoenix Contact. Вот datasheet - выбирайте то, что Вам нужно. Как я понимаю, нужен MCR-C-I/U-4-DC. Мы эти и подобные преобразователи используем серийно тысячами штук в год - никаких нареканий они не вызывают.
Если объект ответственный и заказчик придирчивый, сопротивления на реле могут вызвать сомнение. Не лучше ли использовать готовый преобразователь 0-10В/ 4-20мА?
Dmitry M. Gaidash и Хам - мне нравится снимать лапшу с ушей коллег.
Можно конечно втюхивать сопротивление в коробочках на DIN-рейку по 100 Евро.
Вот так Сименс рекомендует "колхозить" в особо-надёжных резервированных системах стоимостью в десятки килобаксов.
Законов Ома пока никто не отменял
Использование периферии в S7-400H
07_UsingPeriphery_r.pdf
to Simaticov:
Возможно я был неправильно понят. Я не навязываю никакого железа (я специально не указывал ни фирмы-производителя, ни модели). Просто сам поработал в эксплуатации и знаю как смотрят на поставщика, который продает оборудование тыщ за 100 зеленых и тут же предлагает прицепить резистор на клеммы. Типа "вот вам Бентли, тока у него глушак веревкой привязан".
Я не оспариваю решения SIEMENS, тем более указанные в официальных документах. Вопрос, как это будет выглядеть.
цитата: знаю как смотрят на поставщика, который продает оборудование тыщ за 100 зеленых и тут же предлагает прицепить резистор на клеммы.
Вопрос Chupakabra относится к использованию микроконтроллера ("программируемого реле") ценой около 100 Евро
- поэтому 2 дополнительные коробочки с резисторами по 100 Евро также могут вызвать у малобюджетного заказчика взгляды непонимания.
К тому же есть специально для таких случаев разработанные клеммники (на ДИН-рейку) с встроенными внутрь резистором, если кажется некрасивым аккуратно воткнутый сверху резистор.
Типа похожего на этот (либо спаять самому - из-за больших сроков поставки фирменных)
тот же Сименс предлагает для указанной выше резервированной системы специальные очень аккуратные терминальные блоки со сборками этих резисторов, которые не вызывают у немалобюджетных заказчиков никаких вопросов.
Simaticov
Как собираетесь 4-20 мА в 0-10 В преобразовывать? А то, что написано в сименсовской доке, - это вообще не решение, а только схема решения. Ответственности никакой за это сименс не несет.
XAM
Я тоже не навязываю никакого железа - я его не продаю Просто предложил проверенное в эксплуатации надежное решение известного производителя.
В инструкции выше все четко, придраться там не к чему. Действительно с помощью резистора можно преобразовать в напряжение и не более того. Никаких указаний в какое напряжение и с какой точностью тут нет.
Я совершенно законно имею право делать прибор с батарейным питанием в 1.5В и выходом 4-20мА. Он будет нормально работать с нормальными токовыми входами. На резисторе 250 Ом он никакими силами не даст более 1.5В, поскольку их просто неоткуда взять! Такой резистор можно ставить только если прибор способен выдать 10-15В на выходе. Выше указано 5В при 20мА, что уже наполовину лажа поскольку полшкалы теряем.
Кстати, среди всяческих преобразователей обычное допущение что интерфейс к которому будет подключен преобразователь сделан четко и правильно, поэтому можно бессовестно халтурить. Все налево и направо так делают. Все конверторы RS23/485 так сделаны. Я знаю ПЛК который еле тянет 2мА на TxD (экономя на одном конденсаторе в преобразователе развязки), но с компьютером работают. Главное чтобы две халтуры не встретились вместе. Друг с другом или с конвертерами эти ПЛК уже не работают. Вечный конфликт интерфейсов Изготовители шурупов считают, что отвертки сделаны качественно, поэтому можно шурупы прессовать из порошка найденного на свалке. Изготовители отверток полагают, что их отвертками будут крутить качественные шурупы, поэтому отвертки можно делать халтурно. Сименс полагает… (кстати, очень точно подмечено что он не несет никакой ответственности за то, что пишет в своих инструкциях )
Грамотный преобразователь ток/напряжение должен иметь низкоомный термокомпенсированный вход с масштабирующим усилителем. Резистор – решение колхозное, но как-нибудь работать будет. Конечно, лучше взять ПЛК с токовым входом.
цитата: А то, что написано в сименсовской доке, - это вообще не решение, а только схема решения.
Ответственности никакой за это сименс не несет.
Почему надо дважды повторять:
. тот же Сименс предлагает для указанной выше резервированной системы специальные очень аккуратные терминальные блоки со сборками этих резисторов, которые не вызывают у немалобюджетных заказчиков никаких вопросов.
Что за глупая привычка наводить тень-на-плетень, даже не удосужившись прочитать уже написанное.
Я предложил решение, которое не раз уже было применено и служит нормально.
Можете проверить в своих лабораторных условиях.
Вы чего реле будете для особо точных расчётов использовать ?
А что у него внутри стоит видели ?
Не удивился бы если для этого использовались мультиплексированные входы АЦП самого микроконтроллера - решение ведь бюджетное.
А много датчиков и каких тестировали - их точность, стабильность, повторямость результатов в одной партии и из разных и разных производителей ?
А так это американски Бла-Бла-Бла.
Мне нравится снимать лапшу с ушей коллег.
Я сейчас положил перед собой 2 открытых модуля ввода одной известной колхозной фирмы:
- один токовый на 4-20 мА
- второй на напряжение 0..10 в
в обоих используется АЦП AD7715R-5 (5 Вольтовый)
Чем отличается схемотехника их входов ? Ах не знаете, а у меня это перед глазами.
Можно конечно написать, что "они тупые", раз используют резисторы для преобразования 4-20 мА в напругу. надо было внутрь модуля ещё один преобразователь закатать.
Видимо "Слово Божье" всё таки сделало своё дело в наших образовательных учреждениях.
Для незнакомых с принципами Закона Ома:
ничто не мешает взять максимально допустимое сопротивление 500 Ом, чтобы получить
500 Ом * 20 мА = 10 000 мВ = 10 В.
а также и другие доступные номиналы.
Но с некоторыми оговорками - типа гарантированно ловить выход за пределы 20 мА.
Поэтому рекомендуется 250 Ом.
Характеристики п.зд.ст.ра были указаны в первом моём ответе.
Для незнакомых с принципами аналоговоцифрового преобразования небольшая справка о входных сигналах данного АЦП.
цитата: AD7715 имеет дифференциальные аналоговый и опорный входы.
AD7715 работает от однополярного питания 3 В или 5 В.
Прибор может иметь униполярные динамические диапазоны
0- 20 мВ, 0- 80 мВ, 0- 1,25 В и 0- 2,5 В,
а также двухполярные диапазоны
± 20 мВ, ± 80 мВ, ± 1,25 В и ± 2,5 В.
Вся лапша должна проходить аттестацию в соответствующих лабораториях на совместимость с дуршлагом, иначе полуторовольтовая лапша с большой вероятностью окажется в раковине, вместо тарелки.
Не бросайтесь лозунгами в попытке принизить спецов и не переводите материалистичное обсуждение в БожеСказанную ерунду.
Во вас зацепило, господа. В итоге имеем типичную ситуацию: два принципиально разных подхода и их очень принципиальные приверженцы, которые принципиально не хотят отступать от своих убеждений. Ну так живите мирно и копайте каждый своей "лопатой". Кому нравится резистор - ради бога пользуйте этот подход; кто стеной стоит за преобразователи - те же пожелания. Все равно друг дружку не переубедим. А дискуссия уже перерастает в ругань. некрасиво это. Главное одно, лишь бы выбранное решение устраивало Заказчика (иначе он платить не будет )
С уважением, XAM
Да иногда высказанная авторитетная глупость по наипростейшему вопросу так зацепляет, что вызывает желание опустить "авторитет" до уровня примитивных познаний типа Закона Ома.
Если у кого то остались сомнения, то можете разобрать любой доступный мультиметр или найти его схему в интернете, чтобы понять каким образом один АЦП последовательного приближения умудряется мерять напряжение, ток и сопротивление в широком диапазоне измерений. Но это для людей минимум изучавших физику в объёме школьной программы (советского образца).
Прежде чем давать ответ рекомендуется перепроверять свои предположения опытом или в нескольких надёжных источниках баз знаний.
По крайней мере я стараюсь делать именно так.
Приведенная схема №3, для нормальной работы требует модулей с гальванической изоляцией между каналами.
Уважаемый СИМЕНС применяет в этой схеме диф. входы имеющиее в работе кучу проблем.
Я предложил решение, которое не раз уже было применено и служит нормально.
Втюхают Заказчику употребляя это выражение.
Пора бы уже сделать нормальные модули.
Чаще производители датчиков втюхивают свои "высокоточные высокостабильные высокоповторяемые" аналоговые интерфейсы.
Но расчитывать на высокую точность и стабильность аналоговых сигналов, передаваемых по проводам на растояния более нескольких сантиметров не стоит - тем более не в идеальных лабораторных условиях, а в промышленных условиях больших широкополосных помех и электромагнитных полей от мощных потребителей электроэнергии контакторов, двигателей, частотников.
Если хотите иметь высокую точность показаний аналоговых датчиков, то надо на ранней стадии отказываться от аналоговых сигналов и выбирать датчики с цифровыми интерфейсами. При надлежащем исполнении самих датчиков и передачи сигналов в цифровом виде вы действительно получите высокую точность измерения.
Я не раз сталкивался, когда точные показания на цифровом индикаторе значительно отличались от величин на аналоговом выходе этого же датчика из-за ХЗ чего.
Про резервированные системы - это тема для другого обсуждения.
Я в резервированных системах резервирую и датчики - на то она и резервированная система. Ставить 1 датчик - это от бедности(жадности) или от вынужденности (или ограничений смежников).
В особо надёжных системах ставят минимум 4 датчика (2 основных и 2 резервных). Меня это спасало, когда смежники перерубали кабель к датчикам.
Ставить 1 датчик - это от бедности(жадности) или от вынужденности (или ограничений смежников).
На вновь строящемся обьекте это еще можно смотреть. Хотя пахнет выколачиванием денег или плохими датчиками.
При реконструкции часто это просто невозможно.
Читайте также: