Fundamentos del lazo de corriente 4-20 mA, diseño y configuración del sistema

Usar corriente para transmitir datos del transductor

Los transductores de grado industrial comúnmente utilizan señales de corriente para transmitir datos. A diferencia de la mayoría de los otros transductores, como termopares y galgas extensiométricas resistivas, que utilizan una señal de voltaje. Si bien los transductores basados en voltaje son suficientes en muchos entornos, en ocasiones se prefieren los transductores basados en corriente. Por ejemplo, la desventaja inherente de usar voltaje para transmitir señales en un entorno industrial son las caídas de voltaje en largas longitudes de cable debido a la resistencia del cable. Usted puede utilizar dispositivos de alta impedancia de entrada para evitar la pérdida de señal. Sin embargo, estos dispositivos son sensibles al ruido inducido por motores cercanos, cintas transportadoras y transmisiones de radio.

La ley de la corriente de Kirchhoff (KCL) establece que la suma de las corrientes que fluyen hacia un punto es igual a la suma de las corrientes que fluyen desde ese punto. En teoría, toda la corriente presente al comienzo de un ciclo debe llegar al final como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. De acuerdo a la ley de corriente de Kirchhoff, toda la corriente presente al comienzo de un ciclo debe llegar al final.

Este es el principio básico sobre el que funciona un ciclo de corriente. Medir la corriente en cualquier posición a lo largo de un solo ciclo, produce el mismo resultado. Al usar señales de corriente y dispositivos de adquisición de datos de baja impedancia, las aplicaciones industriales se benefician de una mejor inmunidad al ruido y longitudes de cable de transmisión más largas.

Componentes del ciclo de corriente

Los componentes principales de un ciclo de corriente incluyen una fuente de alimentación DC, un transductor, un dispositivo de adquisición de datos y cables que los conectan en serie, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Sistema de ciclo de corriente

La fuente de alimentación DC proporciona energía al sistema. El transductor regula el flujo de corriente a través de los cables de 4 a 20 mA, donde 4 mA representa un cero vivo y 20 mA representa la señal máxima. Una señal de 0 mA significa una interrupción en el ciclo. El dispositivo de adquisición de datos mide el flujo de corriente regulado. Un método eficaz y preciso para medir la corriente es colocar un resistor de derivación de precisión entre los cables del amplificador del dispositivo de adquisición de datos (en la Figura 2) para convertir la señal de corriente en una medida de voltaje para relacionarse con la medida original del transductor.

Para ayudar a comprender mejor los ciclos de corriente, considere el diseño de un sistema de ejemplo utilizando un transductor en esta nota técnica. Las especificaciones del sistema incluyen lo siguiente:

• El transductor necesita medir la presión
• El transductor está ubicado a 2000 pies de distancia del dispositivo de medida
• Una corriente que mide el dispositivo de adquisición de datos proporciona al operador información sobre las medidas del transductor

Este ejemplo comienza al determinar un transductor apropiado para la aplicación.

Elegir un transductor

El primer paso para diseñar un sistema de ciclo de corriente es seleccionar un transductor. Más allá del tipo de medida (flujo, presión, temperatura, etc.), una consideración importante al elegir cualquier transductor es el voltaje de operación. Una fuente de voltaje proporciona alimentación al transductor basado en corriente, lo que le permite regular el flujo de corriente a través de los cables. Para mantener la funcionalidad del transductor, el voltaje suministrado no debe ser menor que el mínimo requerido; así como también, suministrar más voltaje que el máximo especificado puede dañar el transductor.

Para el sistema de ciclo de corriente de ejemplo, su transductor elegido mide la presión y tiene un voltaje de operación de 12 a 30 V. Con el transductor seleccionado, se requiere medir correctamente la señal de corriente para proporcionar una representación precisa de la presión aplicada al transductor.

Elegir un dispositivo de adquisición de datos de medidas de corriente

Un aspecto importante al desarrollar un sistema de bucle de corriente es evitar los bucles de tierra. Un método común para prevenir ciclos a tierra con un dispositivo de adquisición de datos de medidas es el aislamiento. Con el aislamiento, usted puede evitar ciclos a tierra como el de la Figura 3.

Figura 3. Ciclos a tierra

Los ciclos a tierra se crean cuando dos terminales conectadas en un circuito están en diferentes potenciales a tierra. Esta diferencia hace que la corriente fluya en la interconexión, lo que puede producir errores de desfase.

Aislar el dispositivo de adquisición de datos es un medio de separar eléctricamente la tierra de la fuente de señal de la tierra del amplificador del dispositivo de adquisición de datos, como se muestra en la Figura 4. Debido a que la corriente no puede fluir a través de la barrera de aislamiento, la referencia a tierra del amplificador puede tener el mismo potencial que la tierra de la fuente de la señal. Por lo tanto, usted no puede crear inadvertidamente un ciclo a tierra.

Figura 4. Voltaje de modo común y normal con aislamiento

El aislamiento también evita que los grandes voltajes de modo común dañen los dispositivos de adquisición de datos. El voltaje de modo común es el voltaje presente en las entradas positivas y negativas de un amplificador de instrumentación. Por ejemplo, los pines + y - del dispositivo de adquisición de datos en la Figura 4 están por encima de +14 V de voltaje de modo común. Muchos dispositivos de adquisición de datos tienen un rango de entrada máximo de ± 10 V. Si el dispositivo de adquisición de datos no tiene aislamiento y el voltaje de modo común está fuera del rango de entrada máximo, puede dañar el dispositivo. Aunque el voltaje de modo normal en la Figura 4 es solamente +2 V con un desfase de +14 VDC, el voltaje de trabajo resultante es de +16 V (el voltaje de modo normal es la diferencia de voltaje entre los pines + y -; el voltaje de trabajo es normal- y voltaje de modo común sumados). Este sería un nivel de voltaje peligroso para un dispositivo de adquisición de datos con un voltaje de trabajo menor.

Con aislamiento, la referencia a tierra del amplificador está eléctricamente separada de la tierra. Como en la Figura 4, la referencia a tierra del amplificador puede cambiarse de nivel para igualar el +14 V. Elevar la referencia a tierra del amplificador a +14 V cambia efectivamente +16 a +2 V en el amplificador de adquisición de datos. Ahora el dispositivo de adquisición de datos ya no corre el riesgo de sufrir daños por sobre voltaje. (Tenga en cuenta que los aisladores tienen un voltaje máximo de modo común que pueden rechazar).

Con el dispositivo de adquisición de datos de medidas de corriente aislado y protegido, hacer coincidir una fuente de alimentación es el último paso para completar un sistema de ciclo de corriente básico.

Elegir una fuente de alimentación

Es sencillo descubrir qué fuente de alimentación se adapta mejor a sus necesidades. En un ciclo de corriente, la fuente de alimentación debe emitir un voltaje igual o mayor a todas las caídas de voltaje en el sistema combinado. 

El dispositivo de adquisición de datos para este ejemplo usa un resistor de derivación de precisión para medir la corriente. Usted necesita calcular la caída de voltaje a través del resistor. Un resistor de derivación típico es de 249 Ω. Al implementar cálculos básicos con el ciclo de corriente de 4 a 20 mA se muestra lo siguiente:

Con este resistor de derivación de 249 Ω, usted puede asignar la corriente a un rango de 1 a 5 V, lo que permite que la lectura de voltaje del amplificador de adquisición de datos se relacione con la señal del transductor de presión.

El transductor de presión de arriba requiere un voltaje de operación mínimo de 12 V con un máximo de 30 V. Agregar la caída de voltaje del resistor de derivación de precisión al transductor produce lo siguiente:

Esto sugiere que es suficiente una fuente de alimentación de 17 V. Sin embargo, la resistencia interna del cable del ciclo de corriente crea una carga adicional en la fuente de alimentación.

En aplicaciones donde un transductor está lejos de los instrumentos de medida, usted debe factorizar la resistencia del cable en los cálculos de potencia del ciclo. Los cables de cobre tienen una resistencia DC que es directamente proporcional a sus longitudes y diámetros (calibre). Con el transductor de presión del sistema de ejemplo, usted debe calcular la distancia de 2000 pies en los requisitos de energía. Con cable de cobre sólido de calibre 24, la resistencia interna es de 2.62 Ω/100 pies [1]. Este cálculo de resistencia se convierte en:

A 2000 pies de distancia, hay una caída de 1.05 V a lo largo del cable. Para completar el ciclo, usted necesita dos cables, duplicando la longitud a 4000 pies:

En total, se pierden aproximadamente 2.1 V debido al cableado cuando el transductor de presión está a 2000 pies de distancia del dispositivo de adquisición de datos. La combinación de todas las caídas de voltaje da como resultado lo siguiente:

Si usted usó una fuente de alimentación de 17 V para controlar la configuración anterior, el voltaje del transductor de presión estaría por debajo del nivel de operación mínimo para un transductor debido a la resistencia natural del cable y los requisitos del resistor de derivación. Elegir una fuente de alimentación común de 24 V cumple con los requisitos de alimentación del sistema transductor de presión.  Si lo desea, hay suficiente voltaje para colocar el transductor de presión a una distancia mayor.

Con el transductor, el dispositivo de adquisición de datos, las longitudes de los cables y la fuente de alimentación correctamente combinados, el sistema de ciclo del transductor de presión está completo. Para aplicaciones más grandes, puede incorporar medidas adicionales en el sistema.

Agregar más transductores e instrumentos

Para aplicaciones más grandes, usted puede agregar más transductores e instrumentos en paralelo a la fuente de alimentación, como se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Agregar más transductores

Debido a que usted agrega los ciclos de corriente adicionales en paralelo, el voltaje de la fuente de alimentación no necesita cambiar; solo necesita asegurarse de que pueda obtener la corriente requerida. Puede combinar diferentes tipos de transductores siempre que el voltaje de operación de cada transductor y fuente de alimentación coincida. En el ejemplo anterior, siempre que el voltaje máximo de operación del nuevo transductor no sea inferior a 24 V de la fuente de alimentación, usted puede agregar el nuevo transductor en paralelo.

A veces, puede necesitar varios dispositivos de adquisición de datos de medida de corriente para medir la misma señal. Para agregar otro dispositivo de adquisición de datos al mismo transductor, debe colocar el nuevo instrumento en serie con el ciclo en particular. Para este ejemplo, agregue un medidor de ciclo de corriente digital simple con el dispositivo de adquisición de datos existente, como se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Agregar un instrumento adicional a un transductor

Cada vez que usted agrega un dispositivo de adquisición de datos de medida de corriente en serie con el transductor, debe volver a calcular el requisito de voltaje total para asegurarse de que los requisitos de alimentación del ciclo aún estén dentro de las especificaciones. En este ejemplo, el nuevo medidor de corriente usa un resistor de precisión de 105 Ω:

Con un resistor de derivación de 105 Ω, el medidor de corriente requiere un máximo de 2.1 V, por lo que el requisito de voltaje total del sistema se convierte en:

Debido a que agregar el medidor eleva el requisito de voltaje total a solo aproximadamente 21.2 V, la fuente de alimentación de 24 V recomendada anteriormente sigue siendo suficiente para la aplicación.

Con cálculos menores y hardware adicional, usted puede expandir rápidamente la base de aplicaciones de un sistema de ciclo de corriente. Además, con los estándares y tipos de transductores más nuevos, puede ampliar las capacidades de medidas de las infraestructuras existentes del ciclo de corriente.

Los desarrollos de señalización digital han ampliado el espacio de aplicación del ciclo de corriente y han proporcionado más funcionalidad a un sistema ya robusto y de bajo costo.

El transductor remoto direccionable en carretera (HART), desarrollado por Rosemount Inc., es un protocolo de señalización digital que puede ejecutarse simultáneamente con los sistemas existentes de ciclo de corriente. Con la señalización digital, los transductores habilitados para HART permiten respuestas a comandos patentados para realizar ciertas acciones o responder con un estado más allá de la señalización de corriente de 4 a 20 mA. Con esta tecnología, las aplicaciones de control y automatización industrial pueden monitorear y responder a situaciones comunicándose entre los instrumentos en campo inteligentes y los sistemas anfitriones.

Aprenda más sobre HART.

Para aplicaciones especiales como medidores de flujo magnéticos, también hay disponibles transductores de 3 cables (tipo 3) y de 4 cables (tipo 4).

Los transductores de tipo 3 proporcionan dos transductores en un solo paquete. Estos transductores están diseñados e instalados de la misma manera que los transductores de 2 cables que se explican en esta nota técnica.

Los transductores de tipo 4 proporcionan conexiones independientes para medidas de potencia y corriente. Debido a que los transductores de 4 cables desacoplan la energía del sistema de medidas, se elimina la necesidad de un requisito de aislamiento en el dispositivo de adquisición de datos de medidas. Sin embargo, un inconveniente de los transductores de 4 cables es que la fuente de alimentación requiere un par de cables separados que deben recorrer la distancia del cableado. Esto hace que muchas aplicaciones coloquen la fuente de alimentación cerca de los transductores.

Aprenda más sobre los transductores tipo 3 y tipo 4. 

Los ciclos de corriente son ideales para entornos industriales donde se requieren cables de gran longitud o existen grandes cantidades de interferencia electromagnética entre el transductor y el dispositivo de adquisición de datos. Ya sea automatizando una planta o realizando medidas en campo, usted puede encontrar una variedad de dispositivos de medida de corriente de NI aislados en diferentes plataformas para satisfacer las necesidades de su aplicación. Las capacidades de aislamiento generalmente se mencionan en el catálogo en línea de NI, pero consulte las especificaciones del dispositivo para obtener más detalles. Las opciones recomendadas se incluyen como parte de los productos Módulo de entrada de corriente de la serie C, Módulo PXI de E/S multifunción, y Dispositivo de E/S multifunción o puede explorar otras  opciones de medida de corriente.

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