Los fundamentos de los lazos de corriente de 4...20 mA

 
La corriente de 4...20 mA se utiliza comúnmente para conectar señales de proceso a un controlador en aplicaciones industriales. A veces se utiliza una señal de tensión analógica o comunicación digital, pero resulta muy ventajoso utilizar un lazo de corriente para enviar los valores del proceso al controlador.

 

En este artículo, analizaremos los principios de los lazos de corriente estándar de la industria de 4...20 mA.

 

¿Por qué utilizar corriente en lugar de tensión?

Para entender esto, primero es necesario entender unos principios básicos sobre la corriente, la tensión y la resistencia:

 

  • Corriente: La corriente es el flujo de electrones a través de un circuito. Una corriente de 1 amperio equivale a un flujo de 6,24 x 10¹⁸ electrones por segundo. Para medir la corriente, abra un circuito e introduzca un amperímetro en el circuito. De esta manera, todos los electrones deben fluir a través del medidor, asegurando una medición precisa de la corriente.

    Unidad de medida: Amperio, símbolo: A.

  • Resistencia: La resistencia es la oposición al flujo de corriente. Si la resistencia aumenta, el flujo de corriente disminuye. Para medir la resistencia, desconecte el componente que tiene resistencia de un circuito y, a continuación, utilice un ohmiómetro para medir la resistencia del componente.

    Unidad de medida: Ohm, símbolo: Ω.

  • Tensión: La tensión es la diferencia de carga eléctrica entre dos puntos de un circuito. Existe una diferencia en la carga eléctrica si los electrones de un punto están a un nivel de energía diferente en comparación con los electrones del otro punto, o si hay más electrones del mismo nivel de energía en un punto en comparación con el otro punto. Una diferencia de carga eléctrica de 1 V es suficiente energía para conducir una corriente de 1 A a través de una resistencia de 1 Ω. Para medir la tensión, conecte el voltímetro en paralelo con dos puntos de un circuito.

    Unidad de medida: Tensión, símbolo: V.

 

La Ley de Ohm define cómo se relacionan entre sí la corriente, la tensión y la resistencia en un circuito:

 

  • Corriente = Tensión/Resistencia
  • Tensión = Corriente x Resistencia
  • Resistencia = Tensión/Corriente

 

Para ilustrar la Ley de Ohm, analizaremos una batería AA típica:

 

 

La carga en el terminal izquierdo (punto A) es negativa en comparación con la carga en el terminal derecho (punto B). En esta batería, la diferencia de carga (la tensión) es de 1,5 V.

 

Cuando un circuito está conectado a la batería, crea una trayectoria para que la corriente fluya desde el terminal positivo al terminal negativo. La lámpara del siguiente circuito tiene una resistencia de 5 Ω. Esta resistencia regula la cantidad de corriente que fluye a través del circuito.

 

 

Corriente = Tensión/Resistencia, por lo que la corriente que fluye alrededor del lazo es de 1,5 V /5 Ω = 0,3 A.

 

La cantidad de flujo de corriente se puede cambiar modificando la resistencia del lazo o la tensión del lazo. La mayoría de los lazos de corriente que se encuentran en aplicaciones industriales reciben alimentación de una fuente fija de 24 V, por lo que la corriente del lazo cambia modificando la oposición al flujo de corriente del lazo.

 

El transmisor de lazo

Un transmisor de lazo mide una variable del proceso y regula la corriente de lazo entre 0,004 y 0,02 A, (4 mA...20 mA), mediante la modificación de la oposición al flujo de corriente del lazo. Los transmisores de lazo pueden medir casi cualquier variable del proceso; por ejemplo, la temperatura, la presión, el nivel o el flujo.

 

En el siguiente ejemplo, un transmisor de lazo mide un sensor de temperatura. El transmisor está programado para regular el flujo de corriente de lazo entre 4...20 mA mientras la temperatura va cambiando de 0...100°C.

 

 

 

También hay conectado al lazo un controlador de proceso para medir la corriente del lazo. El símbolo de resistencia de este dibujo representa el controlador; la mayoría tiene una resistencia fija de 250 Ω. El cable de lazo en sí también tiene cierta resistencia, que debe tenerse en cuenta cuando se calcula el presupuesto del lazo (véase más información sobre esto más abajo).

 

La corriente es común en un circuito en serie, por lo que la corriente de lazo regulada por el transmisor y la corriente medida por el controlador son idénticas.

 

Interferencias electromagnéticas

Para garantizar unas mediciones precisas de los procesos, es importante minimizar los errores debidos a las interferencias electromagnéticas (EMI). En los entornos industriales se encuentra EMI de forma habitual, y algunas fuentes de ella son las siguientes: Variadores de frecuencia, arrancadores suaves, contactores a través de la línea, radios móviles, ruido de 50/60 Hz de la red eléctrica, anillos colectores de generadores, colectores de motores de CC y descargas electrostáticas creadas dentro del proceso o por rayos (hemos recopilado más información sobre el tema aquí).

 

Las señales de corriente son intrínsecamente más inmunes a la EMI que las señales de tensión, especialmente en distancias más largas. Esta es una de las grandes ventajas de usar corriente en lugar de tensión para llevar las mediciones de proceso a un sistema de control. Otras razones por las que 4...20 mA es un estándar ampliamente establecido para su uso en el control de procesos son:

 

  • Las señales de tensión se atenúan ligeramente a larga distancia debido a la resistencia de los cables. Esto es especialmente problemático si el nivel de señal es bajo (por ejemplo, salidas de mV de células de carga). A diferencia de las señales de tensión, las señales de corriente de 4... 20 mA no se atenúan a larga distancia (dentro de unos límites). No importa si el sensor de proceso está a una distancia del controlador de 5 m, 100 m o incluso más. El flujo de corriente regulado por el transmisor es correcto e idéntico en todo el lazo de corriente.
  • Un cable roto en un lazo de corriente da lugar a un flujo de corriente de 0 mA. Un controlador puede detectar fácilmente este nivel de corriente inusualmente bajo como un error de cable. Si se utilizan señales de tensión, el cableado roto puede actuar como una antena, permitiendo que la EMI local induzca una tensión en los cables de señal. Esto hace más difícil detectar la rotura de un cable si el controlador está midiendo tensión.
  • Puede programar la mayoría de los transmisores de corriente para que regulen la corriente a un nivel inusualmente alto o bajo si el sensor falla. Por ejemplo, el transmisor puede regular la corriente de lazo a 3,5 o 23 mA si se rompe el sensor de termopar.

 

Presupuesto del lazo

En el ejemplo anterior, el transmisor regula el flujo de corriente en un lazo con alimentación de 24 V, y tiene otro dispositivo, el controlador, conectado al lazo.

 

Ahora, si añadimos un registrador gráfico al lazo, tenemos que averiguar si el lazo seguirá funcionando correctamente con la resistencia adicional de 350 Ω. Para hacerlo, calculamos el presupuesto del lazo.

 

 

Cómo hacer el presupuesto del lazo:

Primero, calculamos la corriente máxima del lazo. En este ejemplo, el transmisor está configurado para aumentar la corriente de lazo a 23 mA si se produce un error en el sensor. En consecuencia, la corriente máxima del lazo es de 0,023 A.

La ley de Ohm dice: Tensión = Corriente x Resistencia. Por lo tanto:

 

  • El requisito para la tensión de lazo del controlador es: 0,023 A x 250 Ω = 5,75 V.
  • El requisito para la tensión de lazo del registrador de gráficos es de 0,023 A x 350 Ω = 8,05 V.

 

En la hoja técnica del transmisor se expone que requiere un mínimo de 8 V para energizarse.

 

Por último, hay que tener en cuenta la longitud del cable. En este ejemplo, la distancia entre el transmisor y el controlador/registrador de gráficos es de 40 metros. Por lo tanto, la longitud total del cable de lazo es de 80 metros. Suponiendo que se utilicen cables con una sección transversal de 0,445 mm², la resistencia total del cable de lazo es de 10,7 Ω. Según la Ley de Ohm: 0,023 A x 10,7 Ω = 0,25 V.

 

Ahora, reste todas las caídas de tensión de la fuente de tensión del lazo:

 

 

Tensión del lazo 24 V
Tensión requerida por el controlador -5,75 V
Tensión requerida por el registrador gráfico -8,05 V
Tensión requerida para energizar el transmisor -8 V
Tensión requerida por la resistencia del cable de lazo -0,25
Tensión restante para la alimentación de otras cargas de lazo 1,95 V

 

EDespués de calcular nuestro presupuesto, ahora sabemos que este lazo tiene tensión más que suficiente para conducir 23 mA a través de todas las cargas del lazo en caso de que se produzca un error del sensor.

 

Protección por fusible

El lazo siempre debe protegerse de la corriente de cortocircuito añadiendo un fusible al lazo. Este fusible protege el lazo de la corriente excesiva, si se produce un cortocircuito que pasa por alto la regulación de corriente de 4...20 mA proporcionada por el transmisor. La corriente de lazo caerá a 0 mA si el fusible se quema, y en consecuencia el controlador y el registrador de gráficos detectarán este valor de corriente inusualmente bajo como error.

 

 

Transmisores de 2 hilos frente a transmisores de 4 hilos

DLos transmisores de los que se ha hablado hasta ahora son los denominados transmisores de "2 hilos". Un transmisor de 2 hilos recibe alimentación de la fuente de alimentación del lazo, por lo que a veces se le denomina transmisor "alimentado por lazo".

 

Algunas ventajas de los transmisores de 2 hilos:

 

  • No se requieren cables de alimentación independientes en la instalación
  • Menor coste
  • Se pueden colocar en el cabezal del sensor (es decir, muy cerca del sensor)
  • Tienen un consumo de energía muy bajo

 

Sin embargo, dependiendo de sus necesidades, los transmisores de 4 hilos pueden ser la mejor opción.

 

 

En este ejemplo, la fuente de 24 V está conectada al transmisor. Parte de su potencia se utiliza para energizar directamente el transmisor, mientras que la potencia adicional se utiliza para energizar el lazo de corriente de 4...20 mA.

 

Algunas ventajas de los transmisores de 4 hilos:

 

  • Hay suficiente energía disponible para permitir características adicionales del transmisor, como salidas de contacto y una pantalla integral
  • Hay suficiente energía disponible para permitir un alto nivel de excitación del sensor; por ejemplo, casi todos los transmisores de células de carga son transmisores de 4 hilos, porque cada célula de carga requiere típicamente 10 V a 29 mA de excitación
  • Los transmisores de 4 hilos pueden recibir alimentación con tensión CA o CC, mientras que los transmisores alimentados por lazo reciben alimentación con tensión CC únicamente.

 

Corriente activa frente a pasiva

Los dispositivos de un lazo de corriente son activos o pasivos. "Activo" en este contexto significa que un dispositivo tiene una fuente de tensión que alimenta el lazo. Solo puede haber un dispositivo activo en un lazo de corriente. Los dispositivos"pasivos" son exactamente lo contrario: no tienen su propia fuente de tensión y, por lo tanto, dependen de una fuente externa. Encontrará más información sobre las señales activas/pasivas aqui (inglés).

 

 

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