2. INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL I.
SENSORES Y EQUIPOS DE MEDICIÓN
José Leonardo Monroy Hernández
Referencias bibliográficas
• Tony R. Kuphaldt. Lessons In Industrial Instrumentation. International Public License. 2015.
• Bryon Lewis. Control Systems Engineering Exam Reference Manual. Third Edition. ISA. 2016.
• ANSI/ISA-5.1-2009. Instrumentation Symbols and Identification. American national standard. 2019.
• Antonio Creus Solé. Instrumentación industrial. Alfaomega. 2011.
• Yunes Cengel, Michael Boles. Termodinámica. Séptima Edición. McGraw-Hill. 2011.
4. Señales de corriente analógica de 4 a 20 mA
• Una de las formas más populares de transmisión
de señales que se utiliza en los sistemas de
instrumentación industrial modernos es el
estándar de CC de 4 a 20 miliamperios.
• Este es un estándar de señal analógica, lo que
significa que la corriente eléctrica se usa para
representar proporcionalmente medidas o
señales de comando.
• Por lo general, un valor de corriente de 4
miliamperios representa el 0 % de la escala, un
valor de corriente de 20 miliamperios representa
el 100 % de la escala
5. Señales de corriente analógica de 4 a 20 mA
Por ejemplo,
• Si tuviéramos que calibrar un
transmisor de temperatura de
4-20 mA para un rango de
medición de 50 °C a 250°C.
• Consideremos un sistema de
medición de temperatura que
consta de un termopar, un
transmisor de temperatura,
una resistencia de 250
ohmios (para convertir la
señal analógica de 4-20 mA
en una señal analógica de 1-5
voltios) y un voltímetro
especial que funciona como
indicador de temperatura.
6. Señales de corriente analógica de 4 a 20 mA
Lazo de corriente en salida del controlador
• Se utiliza para representar la salida de un controlador de procesos, enviando una señal de comando a un
elemento de control final. Aquí, el controlador suministra tanto la energía eléctrica como la información
de la señal al elemento de control final, que actúa como una carga eléctrica.
• Para ilustrar,
– considere el ejemplo de un controlador que
envía una señal de 4-20 mA a un
convertidor de señal I/P (corriente a
presión), que luego impulsa
neumáticamente una válvula de control
– Como todas las fuentes de corriente, su
propósito es mantener la corriente en el
lazo, independientemente de la resistencia
del circuito o de cualquier fuente de voltaje
externa.
– La corriente a través de la bobina de
alambre del mecanismo del transductor I/P
crea un campo magnético dentro del I/P
para accionar el mecanismo neumático y
producir un rango estándar de señal de 3-15
PSI.
7. Señales de corriente analógica de 4 a 20 mA
Lazo de corriente en transmisor de 4 hilos (“self-powered”)
• El transmisor (recuerde que el propósito de un transmisor es detectar alguna variable física como presión,
temperatura, flujo, etc.) tiene dos terminales para conectar los cables de señal de 4-20 mA y dos
terminales más donde se conecta una fuente de alimentación.
• La señal de corriente del transmisor se conecta a los terminales de entrada de la variable de proceso del
controlador para completar el lazo:
• Algunos controladores de procesos no están
equipados para aceptar directamente
señales de entrada de miliamperios, sino
que solo pueden interpretar señales de
voltaje de CC. En tales casos, debemos
conectar una resistencia de precisión (250
ohmios según la Ley de Ohm) entre los
terminales de entrada del controlador para
convertir la señal del transmisor de 4-20 mA
en una señal de voltaje analógico
estandarizado que el controlador pueda
entender. Un rango de señal de voltaje de 1
a 5 voltios es estándar.
8. Señales de corriente analógica de 4 a 20 mA
Lazo de corriente en transmisor de 2 hilos (“loop-powered”)
• Es posible transportar energía eléctrica y comunicar información analógica a través de los mismos dos cables utilizando de 4 a
20 miliamperios de CC, si diseñamos el transmisor para que sea alimentado por bucle.
• Un transmisor alimentado por lazo se conecta a un controlador de proceso con solo dos cables, razón por la cual los
transmisores alimentados por lazo se conocen como transmisores de 2 hilos.
• Aquí, el transmisor no es realmente una fuente de corriente en el sentido en que lo es un transmisor de 4 hilos. En cambio, el
circuito de un transmisor de 2 hilos está diseñado para actuar como un regulador de corriente, limitando la corriente en el
bucle en serie a un valor que representa la medición del proceso, mientras depende de una fuente de energía remota para
motivar la corriente eléctrica.
• Un transmisor alimentado por lazo obtiene su energía
de funcionamiento del voltaje y la corriente mínimos
disponibles en sus dos terminales.
– Con un voltaje de fuente típico de 24 voltios CC, y
– el voltaje máximo caído a través de la resistencia de 250
ohmios del controlador es de 5 voltios CC,
– el transmisor siempre debe tener al menos 19 voltios
disponibles en sus terminales y al menos 4 mA de
corriente para funcionar.
• La bajísima cantidad de energía eléctrica disponible
en los terminales de un transmisor de 2 hilos limita su
funcionalidad. Si el transmisor requiere más energía
eléctrica de la que se puede entregar con 4
miliamperios y 19 voltios (mínimo cada uno), la única
solución es usar un transmisor de 4 hilos donde los
conductores de alimentación estén separados de los
conductores de señal.
9. Señales de corriente analógica de 4 a 20 mA
Lazo de corriente en transmisor de 4 hilos (“Pasivo” vs “Activo”)
• Algunos transmisores electrónicos analógicos autoalimentados (4 hilos) están diseñados para comportarse como cargas
eléctricas en lugar de fuentes eléctricas. Dichos transmisores se conocen comúnmente como que tienen salidas pasivas de 4-
20 mA.
• La razón de la existencia de este tipo de transmisor es la gran popularidad de los transmisores de 4-20 mA de 2 hilos
alimentados por lazo.
• Los instrumentos de campo alimentados
por lazo se han vuelto tan populares en la
industria que muchos sistemas de control,
PLC, indicadores y otros dispositivos
receptores tienen su propia fuente de
alimentación de lazo incorporada, de modo
que estos sistemas solo pueden conectarse
a cargas y, por lo tanto, son incompatibles
con el suministro de corriente.
• Por lo tanto, se desarrollaron transmisores
de 4 hilos "pasivos" para adaptarse a los
sistemas de control diseñados para
funcionar (solo) con instrumentos
alimentados por lazo.
• Algunos transmisores de 4 hilos se pueden
configurar para operación pasiva o activa
10. Funcionamiento de Lazos de 4-20 mA en largas distancias
• Una de las principales ventajas que ofrecen los bucles de 4-20 mA es su capacidad para operar en distancias más largas.
• Muchos protocolos de comunicación industrial, como Ethernet I/P, generalmente lo restringen a tramos de cable de no más de
100 m. Esto no es muy útil para aplicaciones remotas, donde necesita comunicarse con dispositivos que se encuentran a cierta
distancia.
• Los bucles de 4-20 mA se pueden utilizar para tramos de cable de hasta 500 m (más en algunos casos), y ofrecen tiempos de
respuesta rápidos, a la vez que son relativamente inmunes al ruido.
• Sin embargo, hay algunos factores importantes que debe tener en cuenta en el diseño de su instalación:
– La impedancia del instrumento
– La impedancia de la red
– La impedancia nominal del cable de par trenzado / Km
• ¿POR QUÉ ES IMPORTANTE LA IMPEDANCIA?
– En realidad, un instrumento con una entrada de 4-20 mA es de hecho un instrumento que acepta una entrada de voltaje, generalmente de 1-5
V. El instrumento utilizará un conjunto de resistencias para convertir la corriente entrante en un voltaje utilizable, p. ej. una resistencia de 250
ohmios creará una caída de voltaje de 1 a 5 voltios en un bucle de 4 a 20 mA, o 500 ohmios de 2 a 10 voltios.
– Algunos instrumentos tienen estas resistencias incorporadas. Otros, los tienen externos a la unidad.
– Esto es para permitir que el instrumentista configure el controlador como un dispositivo de entrada de voltaje o un dispositivo de entrada de
corriente.
– La otra razón por la que las resistencias pueden ser externas al controlador es para conservar la integridad del bucle, si se ha quitado el
controlador. Por ejemplo, con un manguito de montaje, que es donde se alojan las resistencias. Cuando se retira el controlador de la funda, las
resistencias permanecen in situ. Esta solución es particularmente útil si ha incorporado redundancia en su diseño.
– Una impedancia excesiva en el bucle afectará la conversión de tensión, ya que la tensión real que llega al instrumento será inferior a la esperada
debido a la caída de tensión.
– Es posible superar este problema utilizando valores de derivación más bajos, como 2,49 ohmios, por lo que solo se reduce de 9,96 a 49,8 mV.
11. Funcionamiento de Lazos de 4-20 mA en largas distancias
• SELECCIÓN DE UN TRANSMISOR / TRANSDUCTOR APROPIADO
– Al seleccionar un transmisor o transductor de 4-20 mA, debe verificar su impedancia de bucle nominal. La impedancia total de su instalación
debe ser inferior a este valor.
– Sin embargo, consulte la hoja de datos del transmisor para ver si se requiere una resistencia mínima para que funcione.
• COMPROBAR LA IMPEDANCIA DEL INSTRUMENTO
– Deberá verificar la impedancia nominal de las resistencias utilizadas en su instrumento (controlador) para asegurarse de que sean más bajas
que la impedancia de bucle nominal de su dispositivo.
• CALCULAR LA IMPEDANCIA TOTAL DEL CABLE
– Compruebe la impedancia nominal del cable/Km que pretende utilizar y calcule la impedancia a lo largo de la longitud total del cable. Esto
está determinado por el calibre del cable.
• Por lo general, 20 ohmios/km se considera ideal.
• Luego debe agregar esto a la impedancia nominal de los instrumentos. El total debe ser menor que la impedancia de bucle nominal de su
transmisor.
– Si descubre que la impedancia combinada de su cable e instrumento es más alta que la impedancia de bucle nominal de su transmisor de 4-20
mA, hay un par de soluciones disponibles para usted:
• Seleccione un cable con una impedancia más baja. En otras palabras, uno con un diámetro de alambre mayor.
• Seleccione un transmisor alternativo de 4-20 mA con una impedancia de bucle nominal más alta.
