ESPEL- INSTRUMENCACIÓN INDUSTRIAL
ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO EXTENSIÓN LATACUNGA INGENIERÍA ELECTRÓNICA E INSTRUMENTACIÓN INSTRUMENTACION INDUSTRIAL TRANSMISOR Y RECEPTOR DE CORRIENTE DE 4 A 20mA Luis Fernando Almache Coyago
[email protected] Luis Alex Toapanta Soto
[email protected]
2 DESARROLLO
RESUMEN: El presente tema estará dedicado al estudio acerca de la transmisión y recepción de señales eléctricas. El lazo de corriente de 4-20 mA se utiliza para las comunicaciones entre equipos industriales, siendo una alternativa más entre la gran cantidad de protocolos existentes, pero su sencillez la ha mantenido vigente y por lo mismo debemos conocer sus componentes que completan el lazo, los tipos de lazo, rangos de funcionamientos y cables recomendados.
2.1 Componentes de lazo de corriente de 4-20 ma. Un circuito de lazo de corriente de 4-20mA, consta de por lo menos 4 elementos: un sensor/transductor, un convertidor de voltaje a corriente también llamado transmisor o acondicionador de señal, una fuente de alimentación para el lazo, y un receptor/monitor.
ABSTRACT: This issue will be devoted to study of the transmission and reception of electrical signals. The current loop 4-20 mA is used for communications between industrial equipment, one alternative among the many existing protocols, but its simplicity has maintained and therefore we must know the components that complete the loop, bond types, ranges and recommended cable runs.
PALABRAS CLAVE:
Figura 1 Componentes de un lazo de corriente Los sensores proveen una salida de voltaje cuyo valor representa la variable física que es medida (por ejemplo, un termopar es un tipo de sensor que provee un nivel de voltaje muy bajo a sus salida, que puede ser proporcional a la temperatura a la que es sometida).El transmisor amplifica y acondiciona la salida del sensor, luego convierte el voltaje a un nivel de corriente directa en un rango de 4-20mA, que circula en serie a través de un lazo cerrado. El receptor/monitor, normalmente es una sección o parte de un medidor o sistema de adquisición de datos, que convierte la corriente entre 4-20mA de regreso a voltaje, el cual podrá ser utilizado en algún proceso posterior. La salida en el transmisor es de corriente y es proporcional a la variable física censada. Se establece que para un lazo de corriente de 4-20 mA: 4mA será la correspondencia a uno extremos de la variable física censada y 20mA corresponde al extremo opuesto.
Lazo de corriente 4-20
mA, transmisor, receptor.
1 INTRODUC I NTRODUCCION CION . Los transmisores son instrumentos que convierten la salida del sensor en una señal señal suficientemente fuerte como para transmitirla al controlador o a otro aparato receptor. Las señales de salida del transmisor pueden ser neumáticas, eléctricas o digitales Son los que nos permiten recibir una señal eléctrica de corriente o de voltaje. Los transmisores electrónicos generan una señal estándar de 4-20 mA c.c. A veces esta señal de salida es sustituida por un voltaje de 1-5V, si existen problemas de suministro electrónico.
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2.2 Estándar de norma de lazo de corriente 4-20 mA La norma lazo de corriente de 4-20 mA tiene su origen en “The American National Standards Institute (ANSI)” Y “The Intrumentations Systems, and Automation Society (ISA)”. Estas instituciones cuentan con numerosos documentos referentes a la transmisión de señales, incluyendo la norma 420 mA que puede ser obtenida del ANSI/ISAS50.1-1982(R1992) Compatibility of Analog Signals for Electronic Industrial Process Instruments.
Esta señal de 4-20mA también es usada para sistemas de control para comandar posicionadores en una válvula de control o en variadores de velocidad. En estos casos, el valor de miliamperios no representa una medida del proceso, pero si un grado el cual el elemento final de control influye en el proceso. Típicamente (pero no siempre !!) los 4 miliamperios comandan a cerrar la válvula de control o parar un motor, mientras que 20 miliamperios comandan a abrir totalmente una válvula de control o poner un motor a su máxima velocidad.
2.3 Transmisor 4-20mA Dependiendo de los elementos disponibles para energizar, tanto en el trasmisor como en el receptor, será el tipo de clasificación que corresponda al lazo de corriente.
Por tanto, casi todos (aun hoy en día) sistemas de control usan dos diferentes señales de 4-20mA: una para representar variables de proceso (PV) y una para representar comandos hacia un elemento final de control (la variable manipulada o MV).
La forma más popular para transmitir señales en instrumentación industrial, aun hoy en día, es el estándar 4 a 20 miliamperios DC. Esta es una señal estándar, que significa que la señal de corriente usada es usada proporcionalmente para representar señales de medidas o salidas (comandos).
2.3.1 Diagrama Esquemático
Típicamente, un valor de 4 miliamperios de corriente representa 0% de medida, y un valor de 20 miliamperios representa un 100% de la medida, y cualquier otro valor entre 4 y 20 miliamperios representa un porcentaje entre 0% y 100%. Por ejemplo, si estamos calibrando un transmisor de temperatura a 4-20mA para medir rango de 50 a 250 grados C, podríamos representar los valores de corriente y temperatura como el siguiente grafico:
Figura 3. Diagrama esquemático del transmisor
2.4 Receptor de Bucle La parte receptora del lazo de corriente obtiene el nivel de lazo que se tiene y lo convierte en algún dato útil para su posterior utilización en el sistema. Regularmente el receptor convierte el lazo en un equivalente a voltaje y este a su vez pasa por algún convertidor AD, que proporcione el dato digital. En la mayoría de los procesos, el receptor suele representar para el lazo una carga resistiva. Existen diferentes sistemas para comunicar los sensores con los controladores y visualizadores pero depende de la velocidad, el ancho de banda o el factor de rechazo a las interferencias electromagnéticas. También debemos saber elegir el medio de transmisión más adecuado
Figura 2. Relación corriente/temperatura
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2.4.3 Diagrama Esquemático
como por ejemplo: par trenzado, cable coaxial, línea telefónica, la fibra óptica entre otras. La transmisión de voltaje sólo se recomienda a cortas distancias y si a esto le sumamos las tensiones parásitas que se generan en los entornos industriales se altera totalmente la medición. Los cables apantallados, los sistemas de tierra o la fibra óptica pueden solucionar este problema pero son sistemas muy costosos y complejos. Los sistemas de bucle de corriente convierten el voltaje medido por el sensor en una corriente continua proporcional que se envía a través de un conductor y se lee en el extremo receptor en forma de voltaje. Para la comunicación en los sistemas de bucle se han normalizado las siguientes corrientes: 1 – 5mA, 0 –5 mA, 4 –20 mA, 0 –20 mA, 2 –10 mA y 10 –50 mA
Figura 5. Diagrama esquemático del receptor
2.4.4 Funcionamiento En el primer bloque se encuentra un optoacoplador que se encarga de aislar galvánicamente la corriente que ingresa y convertirla en un voltaje proporcional. Para esto el optoacoplador está configurado como un seguidor de emisor y trabaja en zona lineal.
Este circuito recibe una corriente continua entre 4 y 20mA la cual se acopla óptimamente y entrega un voltaje proporcional a la misma en dos magnitudes de 0 – 5V y de 0 – 10V, además tiene un led indicador de fallo que indica si la corriente recibida es menor a 4mA o se rompió el cable de comunicación.
Los seguidores de tensión que se utilizan sirven para acoplar los voltajes entregados por el optoacoplador y el trimmer P1. El objetivo del trimmer es calibrar la salida a 0V.
2.4.1 Características Técnicas
La siguiente etapa es un amplificador diferencial de ganancia unitaria y su objetivo es restar la tensión equivalente a 0 V del voltaje de entrada proporcional a la corriente medida.
Entrada de corriente optoaclopada. Resistencia de entrada menor a 1 Ohmio. Corriente de medida entre 4 y 20 mA. Dos salidas análogas entre 0 y 5 VDC y entre 0 y 10 VDC. Salida digital de fallo. Factor de amplificación ajustable. LEDs indicadores de comunicación y fallo.
Este es un voltaje que será amplificado de 0 – 10V por el amplificador U3B de la figura [4] porque está configurado como amplificador no inversor de ganancia variable entre 1 y 10. Y esta salida del amplificador es la primera que tenemos de 0 – 10V y la segunda salida de 0-5V la obtenemos simplemente por un divisor de tensión que está colocado en otro amplificador que está configurado como un buffer.
2.4.2 Diagrama De Bloques del receptor
El circuito también tiene un diodo Led detector de fallo que se activa en el momento que el bucle reciba una corriente menor a 4mA, o por la ruptura del cable de comunicación, mediante un valor digital igual a 12VDC proveniente del comparador inversor.
2.4.5 Calibración Para la calibración del circuito se necesita colocar los trimmer en su posición central. Alimentar el circuito con una fuente dual de +12V/0/-12V y
Figura 4. Diagrama de bloques del receptor
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3. CONCLUSIONES
aplicar una corriente de 4mA a través del conector de entrada y medir con un voltímetro DC en cualquiera de sus salidas un voltaje igual a 0 VDC mientras se ajusta el trimmer P1.
Del presente estudio se desprenden las siguientes conclusiones:
Para finalizar el proceso de calibración, se hace circular a través de la entrada una corriente de 20mA y variar el trimmer P2 para modificar el factor de ganancia del amplificador hasta obtener en la salida 2 un voltaje igual a 10 VDC.
2.5 Características elétricas de lazo de corriente de 4-20 mA
El lazo de corriente presenta características que lo definen y limitan en un rango de operación, estás características dependen de la cantidad de voltaje que lo alimenta y la cantidad de voltaje que necesita el lazo para operar en función a la distancia del lazo y la resistencia que presente el receptor más la que genere el cable de lazo.
La transmisión de la información del sensor vía un lazo de corriente es útil cuando la información tiene que enviarse sobre grandes distancias El lazo de corriente se encarga de convertir un voltaje suministrado por el sensor en una corriente proporcional comprendida entre 4 y 20 mA. 4 mA representa el nivel de salida cero del sensor y 20 mA representa la salida de plena escala del sensor. El valor de la corriente no es afectada en todo el lazo por las caídas de voltaje en el alambrado:
4. RECOMENDACIONES
Caídas de voltaje en el lazo Una de las especificaciones más importantes en un receptor de lazo (alimentado por el lazo o por algún dispositivo fuera de este), es la resistencia total que este presenta para la salida del transmisor. La mayoría de los transmisores especifican la resistencia máxima de lazo, para la cual pueden generar un lazo de corriente a su salida máxima de 20mA. Por medio de la ley de ohm es posible encontrar la caída de voltaje a través de la resistencia de carga en el generador, multiplicando la resistencia por la corriente que en esos momentos pasa por él, a través de ella.
V = I*R
Este
5. BIBLIOGRAFÍA [1] M.Sc. Carlos Valdivieso, 2010 [En línea]. Disponible en http://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456 789/4864/1/7620.pdf [2] Departamento de Ingeniería y Servicios, 2009 [En línea]. Disponible en http://www.comind.cl/cindustriales/index.php?optio n=com_docman&task=doc_download&gid=67&Ite mid=135
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Donde V será la caída de voltaje en Volts, I la corriente que pase a través de la resistencia en amperes, y R la resistencia del receptor en Ohms (Ω). La suma de las caídas de voltaje ocasionadas por los elementos en serie en el lazo de corriente y consumo del transmisor y en ocasiones del receptor (si dependen de una misma fuente de alimentación) debe ser igual al voltaje de alimentación. Por ejemplo para una aplicación de lazo alimentado por una fuente de 24 Volts Figura 6, que contiene una resistencia de lazo de 250 Ω, la caída máxima de voltaje en el lazo será: Voltaje de caída = 250Ω × 0.020A = 5V
[3] José Carlos Villajulca [En línea]. Disponible en
http://www.instrumentacionycontrol.net/es /cursos-libres/instrumentacion/cursopractico-de-instrumentacion/345-la-senal-420ma-y-su-proporcion-a-variables-fisicasnunca-esta-de-mas-repasarlo.html
Figura 6. Ejemplo de caída de voltaje.
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