В промышленной автоматике широко применяются датчики с токовыми выходами от 4 до 20 мА. Первое из этих значений соответствует нижней границе диапазона измеряемой величины, вторая - верхней. Поясню на абстрактном примере: некий датчик измеряет количество кошек в подвале в диапазоне от 0 до 500 кошек. Нулю кошек соответствует 4 мА, пятистам кошкам - 20 мА. Предположим, что сейчас в подвале 200 кошек. Вычисляем ток, который устройство должно выдать в линию: I=4+200((20-4)/500)=10,4 мА. Теперь перенесёмся на сторону принимающего устройства и вычислим по этому значению тока количество кошек: N=(10,4-4)(500/(20-4))=200 кошек. К точности сопротивления линии и нагрузки в приёмнике никаких требований не предъявляется: в датчике расположен стабилизатор тока, благодаря которому напряжение, приложенное к линии, будет автоматически выставлено именно таким, какое требуется для получения заданного тока. Конечно, "в продакшене" там вместо кошек будут скучные градусы или мегапаскали. А если ток упадёт до нуля мА, это будет считаться обрывом линии.
При наладке системы, в состав которой входят датчик и приёмник, необходимо убедиться в наличии и правильности реакции второго на изменение тока во всём диапазоне. Для этого вместо датчика в линию включают регулируемый стабилизатор тока, значение которого зависит от положения ручки переменного резистора. Один из таких приборов-помощников разработал автор Instructables под ником lawsonkeith. Дополнительной функцией самоделки является генерация стабильного напряжения от -10 до +10 В и от 0 до +20 В, что полезно при наладке схем на ОУ.
Имея источник стабильного напряжения в 5 В и переменный резистор с характеристикой A, лекго получить напряжение, плавно меняющееся от 0 до 5 В. Это напряжение можно подать на источник тока, управляемый напряжением (ИТУН), схема которого показана ниже. Здесь R1 - резистор, определяющий верхний предел регулировки тока (5 В / 250 Ом = 0,02 А), а RL - суммарное сопротивление линии и нагрузки, при изменении которого в определённых пределах ток не меняется. Схема позволяет имитировать как аварийные (ток от 0 для 4 мА), так и штатные (ток от 4 до 20 мА) ситуации.
Перейдём к полной схеме прибора:
Питается он от однополярного источника напряжения от 20 до 24 В (на схеме не показан). Мастером выбран готовый импульсный повышающий преобразователь, питаемый от "Кроны". На плате преобразователя имеется подстроечный резистор, которым следует выставить около 22 В. Следует учитывать, что при повышенной влажности определённую опасность может представлять даже это напряжение.
Источником образцового напряжения (ИОН) в приборе служит обыкновенный стабилизатор 7805. На первый ОУ устройства это напряжение, равное +5 В, поступает минуя какие-либо регулировочные элементы. Он включён таким образом, чтобы удваивать это напряжение, отчего на его выходе появляется стабильное напряжение в +10 В относительно общего провода.
Также образцовое напряжение подано на переменный резистор, с подвижного контакта которого, как сказано выше, можно снимать напряжение, плавно меняющееся от 0 до +5 В. Оно поступает на входы второго и третьего ОУ. Первый усиливает его в четыре раза, позволяя получать от 0 до +20 В относительно общего провода, или от -10 до +10 В относительно выхода первого ОУ.
Наконец, третий ОУ включён рассмотренным выше способом, отчего он становится источником стабильного тока от 0 до 20 мА. Схемы на втором и третьем ОУ снабжены подстроечными резрсторами, позволяющими максимально точно подобрать коэффициенты усиления.
Для повышения надёжности прибор снабжён защитными диодами и термисторами с положительным температурным коэффициентом.
Корпус мастером выбран готовый, типа Hammond 1593PBK. Но обычная распаечная коробка значительно дешевле, а по прочности ничуть не хуже. В передней панели мастер проделывает отверстия под светодиод и переменный резистор. Отверстие малого диаметра предназначено для фиксатора, защищающего корпус переменного резистора от проворачивания.
Поверх этих отверстий мастер приклеивает шкалу, совместив окружности на ней с просверленными отверстиями:
Затем он устанавливает на свои места переменный резистор, светодиод и выключатель питания:
Вот и готова передняя панель прибора:
Мастер добавляет в устройство повышающий преобразователь:
И настраивает его на напряжение порядка 22 В (очень большая точность здесь не требуется):
Взяв микросхему LM324, содержащую целых четыре ОУ (один из них останется незадействованным), мастер собирает схему на печатной плате, но подойдёт и макетная:
Изготавливает щупы:
Размещает плату в корпусе и подключает её к повышающему преобразователю, светодиоду, переменному резистору и щупам:
Наконец, мастер приступает к испытанию прибора:
Проверить необходимо:
- напряжение +5 В между выходом стабилизатора 7805 и общим проводом
- напряжение +10 В между выходом первого ОУ и общим проводом
- напряжение, плавно меняющееся от 0 до 20 В, между выходом второго ОУ и общим проводом
- напряжение, плавно меняющееся от -10 до +10 В, между выходами второго и первого ОУ
- ток, плавно меняющийся от 0 до 20 мА, на выходе источника тока, собранного на третьем ОУ.
При пользовании конструкцией можно дополнительно контролировать напряжение или ток тем же мультиметром. При измерении вырабатываемого устройством напряжения его переключают в режим вольтметра и подключают параллельно выходу. При измерении вырабатываемого тока - переключают в режим миллиамперметра и включают в цепь последовательно. Плавно меняя ток или напряжение, в зависимости от того, на что рассчитано принимающее устройство, наблюдают за его реакцией на происходящее. При этом нельзя допускать создания опасных ситуаций исполнительными механизмами, управляемыми принимающим устройством.