- Описание преобразователя сопротивления НПСИ-ПМ.
- Описание преобразователя сопротивления НПСИ-ПМ.
- Плата для преобразования тока 4..20 мА в напряжение
- Тестирование конвертера тока 4..20 мА в напряжение
- Поключение преобразователя тока в напряжение к ESP8266
- Поключение преобразователя тока в напряжение к ESP32
- Конвертер напряжения в ток 4..20 мА
- Аналоги преобразователей тока 4..20 мА
- Fritzing part для current to voltage 4..20 mA converter
НПСИ-ПМ 
НПСИ-ПМ преобразователь сопротивления от 0 до 10 кОм в токовый сигнал 0…5/0…20/ 4…20 мА . Предназначен для преобразования сигналов потенциометров и потенциометрических датчиков в унифицированный токовый сигнал. Зависимость тока от положения движка датчика — линейная. Монтаж DIN-рельс.
Отличительные особенности преобразователя.
Высокая точность измерений 0.1%
Гальваническая изоляция между собой входов, выходов, питания преобразователя.
Выбор границ преобразования от 0 до 10 кОм при помощи процедуры настройки и подстройки.
Выбор диапазона выходного токового сигнала (0…5, 0…20, 4…20) мА;
Обнаружение аварийных ситуаций: обрыв датчика, выход параметра за пределы допустимого диапазона преобразования, целостность параметров в энергонезависимой памяти.
Формирование аварийного уровня выходного сигнала для обнаружения аварийных ситуаций внешними системами.
Индикация уровня выходного сигнала на дисплее и светодиодных индикаторах.
Программирование функций преобразователя с помощью 2-х кнопок на передней панели.
Расширенные диапазон напряжений питания.
Расширенный диапазон рабочих температур от минус 40 до плюс 70 °С.
Описание преобразователя сопротивления НПСИ-ПМ.
Преобразователь сопротивления НПСИ-ПМ конвертирует входной сигнал от потенциометрического датчика (потенциометра) в диапазоне от 0 до 10 кОм, границы диапазона пользователь устанавливает самостоятельно, в выходной токовый сигнал мА, тип которого выбирается пользователем.
Преобразователь, за счет большого количества встроенных индикаторов, имеет информативную переднюю панель. В любой момент времени, можно точно определить в каком состоянии находится прибор.
На передней панели преобразователя сопротивления в токовый сигнал НПСИ-ПМ размещен светодиодный дисплей, отображающий величину выходного токового сигнала в диапазонах от 0 до 100% , код аварийных ошибок или пункты меню при программировании. Под экраном расположена линейка светодиодов-индикаторов, в количестве 8 шт., по типу барграфа. Светодиоды дублируют показания дисплея, подсвечивают параметр, значение которого высвечивается на дисплеи в процессе программирования, и сигнализируют об аварийном диапазоне выходного сигнала. Ниже барграфа расположены две кнопки программирования. В верхней части передней панели, над дисплеем, расположены два светодиодных индикатора СЕТЬ и АВАРИЯ, отображающие включенное состояние преобразователя и индикацию аварийной ситуации.
Сам процесс программирования прост, производится двумя кнопками с контролем происходящего по индикаторам. Все настройки закрываются пользовательским паролем. Предварительно, перед программированием, производится подключение преобразователя сопротивления согласно схемам подключения.
После входа в меню и ввода пароля, пользователь выбирает диапазон выходного сигнала 0…5/0…20/ 4…20 мА, любой из трех. Программируются крайние положения потенциометра. Переводя движок потенциометра из одного крайнего положения в другое ( мин.-макс.), фиксируют эти положения в настройках прибора путем нажатии соответствующей программной кнопки. После этой процедуры появятся нижняя и верхняя граница измеряемого диапазона сопротивления, которая будет соответствовать (при выходном сигнале 4-20 мА): НИЖНЯЯ – 4 мА а ВЕХНЯЯ – 20 мА. Если по каким-либо причинам установленные границы не попадают в запланированный интервал выходного сигнала, предусмотрена дополнительная ручная корректировка положения потенциометра от -10 до +10%. Далее, если это необходимо, выставляется уровень выходного сигнала при аварийной ситуации (высокий или низкий). Допустим, были зафиксированы в настройках положения потенциометра не являющиеся крайними и требуется отследить сдвиг за установленный диапазон при эксплуатации. В этой ситуации, при сдвиге движка потенциометра за фиксированные точки, на выходе преобразователя токовый сигнал станет больше 20 мА или меньше 4 мА ( при выходном сигнале 4-20мА). Формирование аварийного уровня выходного сигнала позволяет внешним системам по величине сигнала определять наличие аварийных ситуаций, обнаруженных преобразователем.
НПСИ-ПМ
НПСИ-ПМ преобразователь сопротивления от 0 до 10 кОм в токовый сигнал 0…5/0…20/ 4…20 мА . Предназначен для преобразования сигналов потенциометров и потенциометрических датчиков в унифицированный токовый сигнал. Зависимость тока от положения движка датчика — линейная. Монтаж DIN-рельс.
Отличительные особенности преобразователя.
Высокая точность измерений 0.1%
Гальваническая изоляция между собой входов, выходов, питания преобразователя.
Выбор границ преобразования от 0 до 10 кОм при помощи процедуры настройки и подстройки.
Выбор диапазона выходного токового сигнала (0…5, 0…20, 4…20) мА;
Обнаружение аварийных ситуаций: обрыв датчика, выход параметра за пределы допустимого диапазона преобразования, целостность параметров в энергонезависимой памяти.
Формирование аварийного уровня выходного сигнала для обнаружения аварийных ситуаций внешними системами.
Индикация уровня выходного сигнала на дисплее и светодиодных индикаторах.
Программирование функций преобразователя с помощью 2-х кнопок на передней панели.
Расширенные диапазон напряжений питания.
Расширенный диапазон рабочих температур от минус 40 до плюс 70 °С.
Описание преобразователя сопротивления НПСИ-ПМ.
Преобразователь сопротивления НПСИ-ПМ конвертирует входной сигнал от потенциометрического датчика (потенциометра) в диапазоне от 0 до 10 кОм, границы диапазона пользователь устанавливает самостоятельно, в выходной токовый сигнал мА, тип которого выбирается пользователем.
Преобразователь, за счет большого количества встроенных индикаторов, имеет информативную переднюю панель. В любой момент времени, можно точно определить в каком состоянии находится прибор.
На передней панели преобразователя сопротивления в токовый сигнал НПСИ-ПМ размещен светодиодный дисплей, отображающий величину выходного токового сигнала в диапазонах от 0 до 100% , код аварийных ошибок или пункты меню при программировании. Под экраном расположена линейка светодиодов-индикаторов, в количестве 8 шт., по типу барграфа. Светодиоды дублируют показания дисплея, подсвечивают параметр, значение которого высвечивается на дисплеи в процессе программирования, и сигнализируют об аварийном диапазоне выходного сигнала. Ниже барграфа расположены две кнопки программирования. В верхней части передней панели, над дисплеем, расположены два светодиодных индикатора СЕТЬ и АВАРИЯ, отображающие включенное состояние преобразователя и индикацию аварийной ситуации.
Сам процесс программирования прост, производится двумя кнопками с контролем происходящего по индикаторам. Все настройки закрываются пользовательским паролем. Предварительно, перед программированием, производится подключение преобразователя сопротивления согласно схемам подключения.
После входа в меню и ввода пароля, пользователь выбирает диапазон выходного сигнала 0…5/0…20/ 4…20 мА, любой из трех. Программируются крайние положения потенциометра. Переводя движок потенциометра из одного крайнего положения в другое ( мин.-макс.), фиксируют эти положения в настройках прибора путем нажатии соответствующей программной кнопки. После этой процедуры появятся нижняя и верхняя граница измеряемого диапазона сопротивления, которая будет соответствовать (при выходном сигнале 4-20 мА): НИЖНЯЯ – 4 мА а ВЕХНЯЯ – 20 мА. Если по каким-либо причинам установленные границы не попадают в запланированный интервал выходного сигнала, предусмотрена дополнительная ручная корректировка положения потенциометра от -10 до +10%. Далее, если это необходимо, выставляется уровень выходного сигнала при аварийной ситуации (высокий или низкий). Допустим, были зафиксированы в настройках положения потенциометра не являющиеся крайними и требуется отследить сдвиг за установленный диапазон при эксплуатации. В этой ситуации, при сдвиге движка потенциометра за фиксированные точки, на выходе преобразователя токовый сигнал станет больше 20 мА или меньше 4 мА ( при выходном сигнале 4-20мА). Формирование аварийного уровня выходного сигнала позволяет внешним системам по величине сигнала определять наличие аварийных ситуаций, обнаруженных преобразователем.
Промышленные датчики, сообщающие об изменении измеряемого параметра изменением тока в диапазоне 4.. 20 мА, широко распространены. Они обладают высокой помехоустойчивостью, поэтому к такому датчику можно подвести кабель длиной в несколько сотен метров. В статье я сделал подробное сравнение АЦП ESP32 и ADS1115 как раз на задаче определения тока 4..20 мА.
Простейший способ подключения датчика с токовой петлей 4..20 мА к микроконтроллеру — использовать следующую схему:
В ней нет гальванической развязки. Стабилитрон защищает входы микроконтроллера от напряжения превышающего 5,1 V и переплюсовки. На схеме стабилитрон и сопротивление R1 рассчитаны для микроконтроллера с 5-ти вольтовым уровнем ADC (Arduino). Для «чистых» ESP8266/32 нужны другие элементы, рассчитанные на предельное 1 V напряжение на АЦП.
Если смоделировать какое напряжение будет на АЦП микроконтроллера при протекании максимального тока в 20 мА, то видно, что из-за нелинейной вольтамперной характеристики стабилитрона происходит искажение напряжения и вместо 1V АЦП замерит 949 mV. Если-же убрать стабилитрон, есть риск выхода из строя входа микроконтроллера в случае подключения длинных линий, выступающих в роли индуктивности. Диод защищает вход микроконтроллера от отрицательных скачков напряжения.
В первой схеме, ток протекая через сопротивлление 250 Ом по закону Ома приводит к появлению на нем напряжения U = I*R.
Umin = 4 мА * 250 Ом = 1 В.
Umax = 20 мА * 250 Ом = 5 В.
Резистор соответствует уровню логики Arduino. Для микроконтроллеров ESP8266/ESP32 распаянных на плате с резистивным делителем преобразующим 3,3 В в 1 V на ADC сопротивление должно быть R = U/I. Rmax = 3 В / 20 mA = 150 Ом. Если же на плате не распаян резистивный делитель напряжения, тогда на АЦП напряжение не должно превышать 1,1 V.
Проверяем, что резистор стандартный с помощью калькулятора. Или сразу рассчитываем сопротивление подходящего резистора с помощью Resistance calculator. Падение напряжения на резисторе при минимальном токе Umin = 4 mA * 150 = 0,6 Вольт.
Есть и более сложные схемы. Не знаю из какой книги скан, нашел эту страничку на просторах Интернет. Буду благодарен, если перешлете ссылку:
Чтобы точно измерить изменение тока, резистор R1 на 250 Ом для Arduino на котором микроконтроллер замеряет напряжение (U = I*R) должен быть с минимальным допуском: 1% или лучше.
Здесь не подходит гальваническая развязка оптроном, поскольку его характеристика нелинейная, поэтому он будет искажать измерения.
Плата для преобразования тока 4..20 мА в напряжение
После продолжительных поисков мне удалось найти на Aliexpress модуль, реализующий преобразование ток 4..20 мА в напряжение и достаточно защищенный от разных напастей. Приобретал у этого продавца.
Напряжение питания модуля 7-36V. Если выставлен диапазон выходного напряжения 10 V, то напряжение питания должно быть не меньше 12 V.
На плате распаяно:
- Прецизионный резистор на котором замеряется падение напряжения.
- Защита входа от ошибки с полярностью.
- Защита от превышения напряжения >5 V.
- Усилитель, обеспечивающий напряжение на выходе в определенных диапазонах, заданных джамперами.
Настройка платы на нужный диапазон выходного напряжения производится джамперами.
- ON: jumper cap buckles on the two jumper pins — джампер закорочен
- OFF: two jumper pins without the jumper cap — джампер снят
| Range, Volt | J1, перемычка 1-2 | J1, перемычка 3-4 |
| 0 — 2.5 | ON | ON |
| 0 — 3.3 | OFF | OFF |
| 0 — 5.0 | ON. | ON |
| 0 — 10.0 | ON | OFF |
Для точной настройки преобразователя тока 4..20 мА в напряжение нужно подобрать значения двух потенциометров: ZERO и SPAN, соответствующие нулевому и максимальному значению тока на входе. Потенциометры претензионные с широким шагом.
- При минимальном токе на входе (0 mA или 4 mA), вращая потенциометр ZERO, настроить нужное напряжение на выходе, соответствующее заданному току нуля. Вращение по часовой стрелке увеличивает напряжение на выходе.
- Я не рекомендую выставлять 0 Вольт при минимальном токе 4 мА, поскольку в этом случае микроконтроллер не сможет определить оборван ли кабель к датчику или он действительно показывает минимальные значения.
- При максимальном токе в 20 мА, вращая переменное сопротивление SPAN, подбирается максимальное значение в выствленном джамперами диапазоне. Вращение по часовой стрелке увеличивает напряжение на выходе.
Тестирование конвертера тока 4..20 мА в напряжение
Для настройки конвертера на вход подадим ток с простой последовательной цепочки источник питания (ИП) + резистор. По закону Ома, если напряжение ИП = 5 В, то^
- Для тока 4 мА потребуется сопротивление R = 1,25 кОм (ближайший 1,2 кОм).
- Для тока 20 мА — 250 Ом.
При этом учитываем тот момент, что на входе XY-ITOV, судя по моим замерам, стоит сопротивление на 99,5 Ом. Соответсвенно, в цепи уже есть сопротивление
100 Ом. Поэтому значения граничных сопротивлений будут:
Ддя 4 мА — 1,15 кОм
Для 20 мА — 150 Ом.
Последовательно соединяем резистор на 1,2 кОм. Я использовал на 10 кОм, под рукой не оказалось другого.
Калибровка XY-ITOV конвертера тока 4..20 мА в напряжение
-
Подключил XY-ITOV к источнику питания
14 V. Если джамперами выставлено напряжение до 10 V, то источник питания должен быть >12V.
Поключение преобразователя тока в напряжение к ESP8266
Wemos D1 mini (ESP8266) широко представлен на Aliexpress по цене менее 3 USD. Подключим плату преобразователя тока в напряжение к этому микроконтроллеру.
После тщательной калибровки подключаем землю от конвертера к пину G(ND) Wemos D1 mini, а Vout к пину A0.
Поскольку конвертер 10-ти битный, то количество уровней равно 2^10 = 1024. В теории, диапазон измерения напряжения АЦП ESP8266 от 0 до 1 V. Производители плат распаивают дополнительный резистивный делитель напряжения, поэтому данные о том, какое напряжение поддерживает АЦП нужно смотреть у производителя платы. 🙁 В источниках указывается, что «Wemos D1 Mini has already build in div >
Однако, если подать на вход аналогового входа напряжение 3 V, то АЦП отобразит значение 991, что значительно отличается от теоретического расчета. Если пересчитать какой-же верхний предел соотвествует полученному для 3 V значению, то получится: 991*3,3/1023 = 3,196774 V. В общем, то-ли АЦП настолько плох, то-ли какие-то иные проблемы.
Формула для пересчета значения АЦП в ток, I = adc*20(mA)/991, где adc — величина, считанная с входа АЦП.
После запуска программы получаем следующие результаты:
Если отсоединить источник тока, то АЦП показывает нулевое значение. Разрядности АЦП не хватает, чтобы распознать столь маленькое значение напряжение. По нулю на АЦП можно идентифицировать обрыв провода.
ЦАП может быть программно переключен на измерение напряжения питания, в этом случае значения со входа A0 читать бессмысленно.
Поключение преобразователя тока в напряжение к ESP32
Подключаю землю от конвертера к пину G(ND) ESP32 DevKit, а Vout к пину ADC1_0 (GPIO36). В общем-то можно переносить код ESP8266 на ESP32 — он будет работать с парой правок: pin для чтения не 0, а 36 и поправочный коэффициент ориентировочно 3350. Точно откалибровать сложно. 12-битный АЦП достаточно точный, поэтому будет читать и малейшие изменения входного напряжения. Кроме того сам АЦП без откалиброванного опорного напряжения (reference voltage) не сможет обеспечить точные измерения.
Можно использовать другой вариант кода для измерения напряжения на ESP32. Но в этом случае поправочный коэффициент будет 3850:
Для сглаживания шума в схемотехнику ESP32 производитель рекомендует добавить емкость 0.1 uF на вход АЦП, который задействован и использовать усреднение по нескольким отсчетам.
Конвертер напряжения в ток 4..20 мА
По этой ссылке можно найти антипод ранее рассморенному модулю, производящий обратное преобразование напряжение в ток 4..20 мА (voltage to current converter). Этот модуль при подключении к датчику напряжения позволит увеличить длину кабеля от него до микроконтроллера.
Аналоги преобразователей тока 4..20 мА
Если искать на просторах интернет то конвертеры тока 4..20 мА в напряжение от брендовых производителей стоят недешево,
22 USD. Например, такой. К нему можно подключить до 4-х сенсоров, т.е. цена за сенсор в районе 5 USD. На плате уже есть 16-ти разрядный АЦП, это ещё около 1,5 USD экономии. 🙂
Fritzing part для current to voltage 4..20 mA converter
Не нашел в Интернет подходящий fritzing part для конвертера тока 4..20 мА в напряжение. Поэтому нарисовал свой. Брать здесь. Не забываем лайкать. 🙂