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的以下协议进行通信，例如USART，I2C，SPI等。模拟传感器可以通过可变电流或可变电压进行通信。我们中的许多人应该熟悉输出可变电压的传感器，例如LDR，MQ气体传感器，Flex传感器等。这些模拟电压传感器与电压至电流转换器耦合，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，这意味着当测量值为0时传感器将输出4mA，而当测量值最大时传感器将输出20mA。如果传感器输出的电流小于4mA或大于20mA，则可以认为是故障情况。传感器通过双绞线输出电流，从而使电源和数据仅流过2条线。最低或“零”值为4mA。这是因为当输出为零或4mA时仍可以为设备供电。同样，由于信号是作为电流传输的，因此可以将其发送到很长的距离，而不必担心由于导线电阻引起的电压降或抗扰性。
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，将执行电流环路测试。在电流回路测试中，它使用验证过程来检查通信线路中的损坏。它还检查变送器的输出电流。在这个项目中，我们将使用很少的组件创建一个基本的电流环路测试仪，使我们可以通过旋转电位器将电流从4ma手动调节到20mA。该电路可用作虚拟传感器，以仿真程序或用于调试。
组件要求
- 一个PNP晶体管（使用BC557）
- 运算放大器（使用JRC4558）
- 300k电阻
- 1K电阻
- 50k 10圈电位器。
- 100pF 16V
- 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
- 用万用表测量电流
让我们看一下该项目中使用的重要组件。在下图中，显示了PNP晶体管BC557的引脚输出。
这是最常见的三引脚PNP晶体管之一。BC557是NPN BC547的同一对。从左到右，引脚分别是发射极，基极和集电极。其他等效晶体管是BC556，BC327、2N3906等。
此处使用的运算放大器（JRC4558）遵循与其他类型的运算放大器相同的引脚图。引脚1，引脚2，引脚3用于单个运算放大器，引脚5、6、7用于另一个通道。任何通道均可用于该项目。第8引脚为正电源，第4引脚为GND。该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个组件是50k 10圈电位器，来自Bourns。零件号是3590S-2-503L。但是，它是一个昂贵的组件。10圈电位器最适合此目的，但其他通用电位器也可以正常工作。区别在于，使用通用电位器时分辨率会降低，因为电流源的增量或减量将不平滑。在该项目中，使用了Bourns电位器。与标准电位器的引脚排列相比，Bourns电位器的引脚排列有些混乱。在下图中，左侧的第一个销是抽油销。在任何应用中连接该电位计时都需要小心。
电路原理图
4-20mA电流环路测试仪的完整电路图如下所示。
如您所见，该电路非常简单，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，该输出电流可通过改变电位计在0mA至20mA之间变化，并可通过如上所述连接的电流表进行测量。
此处的运算放大器旨在用作具有负反馈的电流源。输入可变电压通过电位计提供给运算放大器的同相引脚。通过使用连接到运算放大器反相引脚的电阻来设置最大输出电流（在这种情况下为20mA）。现在，基于从电位计提供给同相引脚的电压，运算放大器将使晶体管偏置以通过LED提供恒定电流。不管负载电阻值用作电流源如何，都将保持此恒定电流。这种放大器称为跨导放大器。电路简单，可以很容易地在面包板上构建，如下所示。
4-20mA电流环路测试仪的工作原理
此处的LED用作负载，电流回路电路为负载提供所需的电流。负载电流由BC557提供，该电流直接由运算放大器4558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。在电位器上添加了附加的串联电阻，以限制参考电压以及放大器的输出，从而产生0mA至20mA的边界。改变该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，请使用稳定的5V电源为其供电。我使用了面包板电源，类似于我们之前构建的为电路供电的电路，如下所示。
注意：对于300k电阻，两个电阻分别用于100k和200k串联。
为了测试电路，我使用了处于Amp模式的万用表，并连接了它的探头来代替电路图中所示的电流表。如果您不熟悉万用表，可以查看此万用表使用指南。当我改变电位器时，可以注意到万用表上的电流值在4mA至20mA之间变化。在完成工作的视频可以在这个底部找到。
电流回路测试仪电路的应用
4-20mA电流回路测试仪的主要应用是测试或校准接收4-20 mA协议并根据其提供数据的PLC机器。因此，错误的校准会导致PLC感知到错误值。不仅校准，而且它是检查电流环路断裂的便捷过程。
4-20mA电流回路的应用在工业自动化和控制系统中具有广阔的应用范围。例如，水流量，阀门位置，产油量以及生产过程中必不可少的相关传感器都使用4-20 mA通讯线路。调试和查找故障状况是节省时间和金钱的关键任务。准确的4-20 mA电流环路测试仪是解决传感器相关问题的重要工具。
4-20mA电流环路测试仪的局限性
该电路有一定的局限性。工业环境比实验室环境更加恶劣。因此，该电路应由各种保护电路组成，例如适用于工业环境的所有输入和输出的短路保护和电涌保护。