Nozioni di base sui loop in corrente a 4…20 mA

 
I segnali in corrente a 4…20 mA si usano frequentemente per inviare segnali di processo ai controller nelle applicazioni industriali. A volte si ricorre a un segnale analogico in tensione o a sistemi di comunicazioni digitali, ma il loop di corrente offre molti vantaggi nell'invio dei valori di processo a un controller.

 

In questo articolo esamineremo i principi fondamentali dei loop di corrente 4…20 mA standard.

 

Perché utilizzare la corrente anziché la tensione?

Per capirlo occorre prima conoscere le nozioni di base su corrente, tensione e esistenza:

 

  • Corrente: la corrente è rappresentata dal flusso di elettroni che attraversa un circuito. Una corrente di 1 A equivale a un flusso di 6,24 x 10¹⁸ elettroni al secondo. Per misurare la corrente si interrompe il circuito e si collega un amperometro in serie. Così facendo tutti gli elettroni devono attraversare lo strumento, offrendo una misurazione precisa della corrente.

    Unità di misura: ampere, simbolo: A

  • Resistenza: la resistenza si oppone al passaggio della corrente. All'aumentare della resistenza, il flusso di corrente che passa diminuisce. Per misurare la resistenza si scollega dal circuito il componente che oppone resistenza al passaggio della corrente e si misura il suo valore di resistenza utilizzando un ohmmetro.

    Unità di misura: ohm, simbolo: Ω.

  • Tensione: la tensione è la differenza di potenziale elettrico tra due punti di un circuito. Esiste una differenza di potenziale elettrico se in un punto del circuito gli elettroni hanno un livello di energia diverso rispetto agli elettroni in un altro punto o se in un punto sono presenti più elettroni aventi lo stesso livello di energia rispetto all'altro punto. Una differenza di potenziale di 1V è sufficiente per il transito di una corrente di 1 A attraverso una resistenza da 1 Ω. Per misurare la tensione si collega un voltmetro in due punti di un circuito, in parallelo.

    Unità di misura: volt, simbolo: V.

 

La legge di Ohm definisce la relazione reciproca tra corrente, tensione e resistenza in un circuito:

 

  • Corrente = Tensione / Resistenza
  • Tensione = Corrente x Resistenza
  • Resistenza = Tensione / Corrente

 

Per illustrare la legge di Ohm, consideriamo una tipica batteria AA:

 

 

La carica all'estremità sinistra (punto A) è negativa rispetto alla carica all'estremità destra (punto B). In questa batteria, la differenza di potenziale (la tensione) è di 1,5 V.

 

Collegando un circuito alla batteria si crea un percorso per il flusso di corrente, dal polo positivo al polo negativo. Nel seguente circuito la lampada ha una resistenza di 5 Ω. Questa resistenza regola la quantità di corrente che attraversa il circuito.

 

 

Corrente = Tensione / Resistenza, quindi la corrente che scorre nel loop è di 1,5 V / 5 Ω = 0,3 A.

 

Il flusso di corrente si può modificare intervenendo sulla resistenza o sulla tensione nel loop. Nella maggior parte dei casi i loop in corrente delle applicazioni industriali sono alimentati a 24 V fissi, quindi la corrente nel loop cambia variando l'opposizione al flusso di corrente che percorre il loop.

 

Il trasmettitore loop

Un trasmettitore loop misura una variabile di processo e regola la corrente del loop tra 0,004 e 0,02 A, (4 mA…20 mA), variando l'opposizione al flusso di corrente che percorre il loop. I trasmettitori loop possono misurare quasi tutte le variabili di processo, ad esempio temperatura, pressione, livello o flusso.

 

Nell'esempio seguente un trasmettitore loop misura i valori di un sensore di temperatura. Il trasmettitore è programmato per regolare il flusso di corrente del loop tra i valori 4…20 mA al variare della temperatura da 0…100°C.

 

 

 

Si collega anche un controller di processo per misurare la corrente del loop. Il simbolo della resistenza in questo schema rappresenta il controller; la maggior parte dei controller ha una resistenza fissa di 250 Ω. Anche il filo del loop ha una certa resistenza, che deve essere considerata nel calcolo del bilancio del loop (vedere sotto).

 

La corrente è comune in un circuito in serie, quindi la corrente del loop regolata dal trasmettitore è identica a quella misurata dal controller.

 

Interferenze elettromagnetiche

Per garantire misure di processo precise, è importante ridurre al minimo gli errori causati dalle interferenze elettromagnetiche (EMI). Le EMI sono frequenti negli ambienti industriali; alcune fonti di EMI sono: Azionamenti a frequenza variabile, avviatori statici, contatori di linea, radio portatile, disturbi a 50/60 Hz della rete elettrica, collettori rotanti dei generatori, commutatori dei motori a corrente continua e scariche elettrostatiche generate nel corso del processo o da fulmini (ulteriori informazioni sull'argomento, qui).

 

I segnali in corrente hanno intrinsecamente un'immunità alle EMI superiore rispetto ai segnali in tensione, soprattutto sulle lunghe distanze. È uno dei grandi vantaggi della corrente rispetto alla tensione, nel trasferimento dei segnali di processo a un sistema di controllo. Altri motivi per cui il 4…20 mA è diffuso e affermato nel campo del controllo dei processi sono:

 

  • I segnali in tensione si attenuano leggermente sulle lunghe distanze a causa della resistenza del filo. Questo comporta problemi in particolare se il livello del segnale è basso (ad esempio, uscite in mV dalle celle di carico). A differenza dei segnali in tensione, quelli in corrente a 4…20 mA non si attenuano sulle lunghe distanze (entro certi limiti). È irrilevante che il sensore di processo si trovi a una distanza di 5 m, 100 m (o più) dal controller. Il flusso di corrente regolato dal trasmettitore è corretto e identico in qualsiasi punto del loop di corrente.
  • Un filo interrotto in un loop di corrente genera una corrente di 0 mA. Un controller può facilmente rilevare questo livello di corrente insolitamente basso come un problema sul cavo. Se si utilizzano segnali in tensione, i cavi interrotti possono comportarsi come antenne, consentendo alle EMI locali di indurre una tensione sui fili del segnale. Il rilevamento di un guasto del cavo diventa quindi più difficile, se il controller misura la tensione.
  • È possibile programmare la maggior parte dei trasmettitori di corrente in modo da regolare la corrente a un livello insolitamente alto o basso, in caso di malfunzionamento del sensore. Ad esempio, il trasmettitore può regolare la corrente del loop a 3,5 o 23 mA, se il sensore della termocoppia smette di funzionare.

 

Bilancio del loop

Nell'esempio precedente il trasmettitore regola il flusso di corrente in un loop alimentato a 24 V al quale è collegato un altro dispositivo, il controller.

 

Se aggiungiamo al loop un registratore grafico dovremo capire se il loop continuerà a funzionare correttamente con la resistenza aggiuntiva di 350 Ω. Per farlo calcoliamo il loop.

 

 

Come calcolare il loop:

Innanzitutto determiniamo la corrente massima nel loop. In questo esempio, il trasmettitore è configurato per aumentare la corrente del loop fino a 23 mA, in caso di malfunzionamento del sensore. La corrente massima che attraversa il loop sarà quindi di 0,023 A.

La legge di Ohm afferma che: Tensione = Corrente x Resistenza. Quindi:

 

  • La tensione necessaria per il controller è di: 0,023 A x 250 Ω = 5,75 V.
  • La tensione necessaria per il registratore grafico è di 0,023 A x 350 Ω = 8,05 V.

 

La scheda tecnica del trasmettitore indica che per l'alimentazione è necessaria una tensione di almeno 8 V.

 

Infine occorre considerare la lunghezza del filo. In questo esempio la distanza tra il trasmettitore e il controller/registratore grafico è di 40 metri. La lunghezza totale del filo del loop è quindi di 80 metri. Ipotizzando di usare fili con una sezione di 0,445 mm², la resistenza totale del filo del loop è di 10,7 Ω. Applicando la legge di Ohm: 0,023 A x 10,7Ω = 0,25 V.

 

Ora dobbiamo sottrarre tutte le cadute di tensione, sul loop:

 

 

Tensione del loop 24 V
Tensione necessaria per il controller -5,75 V
Tensione necessaria per il registratore grafico -8,05 V
Tensione necessaria per alimentare il trasmettitore -8 V
Tensione necessaria per la resistenza del filo del loop -0,25
Tensione residua per alimentare altri carichi sul loop 1,95 V

 

Dopo aver eseguito il calcolo, sappiamo che in questo loop la tensione è più che sufficiente per generare 23 mA attraverso tutti i carichi del loop, in caso di malfunzionamento del sensore.

 

Protezione con fusibile

Il loop deve essere sempre protetto da un eventuale cortocircuito inserendo un fusibile in serie. Il fusibile protegge il loop da una possibile corrente eccessiva, qualora si verifichi un cortocircuito che escluda la regolazione della corrente 4…20 mA garantita dal trasmettitore. Se il fusibile salta, la corrente del loop scende a 0 mA , quindi il controller e il registratore grafico rilevano questo valore insolitamente basso riconoscendolo come un errore.

 

 

Trasmettitori a 2 fili e trasmettitori a 4 fili

I trasmettitori di cui si è parlato finora sono i cosiddetti trasmettitori a 2 fili. Un trasmettitore a 2 fili è alimentato sul loop, quindi a volte viene chiamato anche "loop powered".

 

Alcuni vantaggi dei trasmettitori a 2 fili:

 

  • Il circuito non richiede cavi di alimentazione separati
  • Costo inferiore
  • Si possono installare nella testa del sensore (quindi molto vicini al sensore)
  • Il consumo energetico è molto basso

 

A seconda delle esigenze però, i trasmettitori a 4 fili possono rappresentare la scelta migliore.

 

 

In questo esempio, la fonte di alimentazione a 24 V è collegata al trasmettitore. Una parte dell'energia erogata viene utilizzata per alimentare direttamente il trasmettitore, mentre si usa una fonte di alimentazione supplementare per alimentare il loop in corrente a 4…20 mA.

 

Alcuni vantaggi dei trasmettitori a 4 fili:

 

  • L'alimentazione fornita è sufficiente per consentire ulteriori applicazioni del trasmettitore, come le uscite per i contatti e un display integrato
  • L'alimentazione disponibile è sufficiente per consentire di eccitare il sensore a un livello superiore; ad esempio, quasi tutti i trasmettitori delle celle di carico sono a 4 fili, perché ogni cella di carico richiede tipicamente 10V e 29 mA per l'eccitazione
  • I trasmettitori a 4 fili possono essere alimentati in continua o in alternata, mentre i trasmettitori alimentati dal loop sono alimentati solo in continua.

 

Corrente attiva e passiva

I dispositivi collegati a un loop di corrente possono essere attivi o passivi. In questo contesto, "attivo" si riferisce a un dispositivo in grado di generare tensione per alimentare il loop. In un loop di corrente può esserci un solo dispositivo attivo. Per i dispositivi "passivi" vale il contrario: non hanno una propria fonte di tensione, quindi dipendono da una fonte esterna. Ulteriori informazioni sui segnali attivi/passivi sono disponibili qui (inglese).

 

 

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