使用运算放大器作为电压-电流转换器的4-20mA电流回路测试仪
传感器是任何测量系统不可或缺的一部分，因为它们有助于将现实世界的参数转换为电子…
传感器是任何测量系统不可或缺的一部分，因为它们有助于将现实世界的参数转换为机器可以理解的电子信号。在工业环境中，常用的传感器类型是模拟传感器和数字传感器数字传感器与0和1的以下协议通信，如USART、I2C、SPI等。模拟传感器可以通过可变电流通信或可变电压。我们中的许多人应该熟悉输出可变电压的传感器，如LDR、MQ气体传感器、Flex传感器等。这些模拟电压传感器与电压-电流转换器以将模拟电压转换为模拟电流，从而成为可变电流传感器。
此可变电流传感器遵循4-20mA协议，这意味着传感器在测量值为0时将输出4mA，在测量值最大时将输出20mA。如果传感器输出的电流小于4mA或大于20mA，则可以认为是故障状态。传感器通过双绞线输出电流，使电源和数据仅通过2根导线。最低或“零”值为4mA。这是因为当输出为零或4mA时，它仍然可以为设备供电。此外，由于信号是以电流的形式传输的，因此可以将其发送到长距离，而不必担心由于导线电阻或抗噪声性引起的电压降。
在工业中，传感器的校准是一个常规过程，为了校准系统以及对错误结果进行故障排除，电流回路测试执行。在电流回路测试中，它使用一个验证过程来检查通信线路的损坏。它还检查变送器输出电流。在这个项目中，我们将使用一些组件创建一个基本的电流回路测试仪，这使我们能够手动将电流从4ma调整到20mA通过转动电位计。该电路可以用作模拟程序或进行调试的伪传感器。
组件要求
- PNP晶体管（使用BC557）
- 一个运算放大器（使用JRC4558）
- 300k电阻器
- 1k电阻器
- 50k 10圈电位计。
- 100pF 16伏
- 0.1uF 16V-2个
- 100R电阻器-公差5%
- LED（任何颜色）
- 5V电源
- 面包板
- 连接线
- 测量电流的万用表
让我们来看看这个项目中使用的重要组件。在下图中，显示了PNP晶体管，BC557引脚输出。
这是最常见的三针之一PNP晶体管BC557是相同的一对NPN BC547。从左到右依次为“发射器”、“基础”和“收集器”。其他等效晶体管有BC556、BC327、2N3906等。
这个运算放大器这里使用的（JRC4558）遵循和其他类型运算放大器中使用的引脚图相同的引脚图。引脚1、引脚2、引脚3用于单个运算放大器，引脚5、6、7用于其他通道。任何频道都可以用于此项目。第8个引脚是正极电源，第4个引脚是GND。这个JRC4558D运算放大器用于此项目，但其他运算放大器也可以工作。如-TL072、LM258、LM358等。
零件列表中的第5个组件，50k 10圈电位计来自伯恩。零件号为3590S-2-503L。然而，这是一个有点昂贵的组件。10转电位计是最好的，但其他通用电位计也工作得很好。不同之处在于，通用电位计的分辨率会更低，因为电流源的增量或减量不会平滑。在本项目中，使用了Bourns电位计。这个Bourns电位计的引脚与标准电位计引脚相比有点令人困惑。在下图中，从左侧开始的第一个销是雨刮器销。在任何应用中连接此电位计时都需要小心。
电路图
的完整电路图4-20mA电流回路测试仪如下所示。
正如你所看到的，电路非常简单，它由一个驱动晶体管的运算放大器组成。晶体管的输出电流被馈送到LED，该输出电流可以通过改变电位计在0mA到20mA之间变化，并且可以通过如上所示连接的电流表进行测量。
这里的运算放大器被设计为电流源带有负面反馈。使用电位计将输入可变电压提供给运算放大器的非反相引脚。最大输出电流（在这种情况下为20mA）是通过使用连接到运算放大器反相引脚的电阻器来设置的。现在，根据从电位计提供给非反相引脚的电压，运算放大器将偏置晶体管，以通过LED提供恒定电流。该恒定电流将被保持，而与用作电流源的负载电阻值无关。这种类型的放大器被称为跨导放大器电路很简单，可以很容易地在试验板上构建，如下所示。
4-20mA电流回路测试仪的工作
LED在这里充当负载，并且电流环路向负载提供所需的电流。负载电流由BC557提供，BC557由运算放大器4558直接控制。在放大器的正输入端，电位计提供参考电压。根据参考电压，运算放大器向晶体管的基极提供偏置电流。额外的串联电阻器被添加到电位计两端限制参考电压以及放大器的输出，从而产生0mA到20mA的边界。改变这个电阻值也会改变最小到最大电流输出边界。
电路测试
电路构建完成后，使用经过调节的5V电源为其供电。我用过试验板电源，类似于我们之前构建的为电路供电的功能，如下所示。
注：对于300k电阻器，100k和200k串联使用两个电阻器。
为了测试电路，我在Amp模式下使用了万用表，并将其探针连接到电路图中所示的安培计的位置。你可以检查一下万用表使用指南如果你是万用表新手。当我改变电位计时，可以注意到万用表上的电流值在4mA到20mA之间变化。这个完整的工作视频可以在这个底部找到。
电流回路测试电路的应用
4-20mA电流回路测试仪的主要应用是测试或校准PLC机器接收4-20 mA协议并根据该协议提供数据。因此，错误的校准导致PLC感知到错误值。不仅是校准，而且这也是检查电流回路断路的一个方便的过程。
4-20mA电流回路在工业自动化和控制系统中有着巨大的应用范围。例如，水流、阀门位置、石油产量和生产过程中必不可少的相关传感器都使用4-20 mA通信线路。调试和查找故障状况是行业中节省时间和金钱的关键工作。精确的4-20 mA电流回路测试仪是解决传感器相关问题的重要工具。
4-20mA电流回路测试仪的局限性
电路有一定的局限性。工业环境比实验室环境更为恶劣。因此，电路应包括各种保护电路，如短路保护以及适用于工业环境的所有输入和输出的浪涌保护。