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Tutorial Conversor Industrial Voltaje a Corriente de Precisión
En el mundo del control de procesos hay innumerables tipos de entrada provenientes de miles de tipos de sensores, transductores o transmisores. Muchos de estos suministran su lectura en valores análogos de voltaje que deben ser enviados al respectivo sistema de monitoreo y análisis. Las señales analógicas o análogas, donde la información del proceso se transmite a través de cantidades variables de voltaje o corriente, son el tipo predominante de señales en las industrias que requieren control de procesos en la actualidad.
De todas las señales analógicas posibles que se pueden usar para transmitir información del proceso o medida, los bucles, lazos o loops de corriente, son por mucho, el estándar dominante en la industria. En especial los lazos de corrriente de 0mA a 20mA y en particular los de 4mA a 20mA son los más utilizados.
No conocer lo básico acerca de estos estándares podría acarrearle tiempo y dinero en tomar la decisión sobre el control de sus procesos, su monitoreo, análisis e incluso la visualización de los mismos. Por tal razón en este tutorial le ayudaremos a comprender por que estos estándares son los dominantes en la industria, como funcionan y cómo puede Ud. implementarlos con nuestro Conversor Industrial de Voltaje a Corriente y gran Precisión ayudándolo así a estar informado para tomar mejores decisiones.
Este artículo también es un complemento a los video tutoriales:
Conversor Industrial de Voltaje a Corriente - Tutorial Parte1
Conversor Industrial de Voltaje a Corriente - Tutorial Parte2
¿Qué es un Bucle, Lazo o Loop de Corriente?
Un Bucle, lazo o loop de corriente es un circuito de corriente directa que envía señales a un dispostivo a través de dos hilos conductores. El propósito de un lazo de corriente es enviar la información para analizar, almacenar, procesar o medir variables como: temperatura, pH, flujo, presión, gas, vibración, frecuencia, u otras variables. Dicha información debe ser transmistida a largas distancias.
Los sensores, transductores o transmisores conectados a un lazo de corriente pueden ser activos y tener su propia fuente de alimentación o pueden ser pasivos y alimentarse del propio lazo de corriente.
Un lazo de corriente puede ser fácilmente testeado o monitorizado simplemente con un multímetro.
Un Lazo de corriente industrial está compuesto por los 5 elementos mostrados en la figura 1.
Figura 1. Elementos que componen un Lazo de Corriente de 4 hilos.
Para la figura 1 estos son los elementos y su función:
A. Sensor, Transductor o Transmisor: Es quien genera la señal de voltaje análogo según el valor medido o suministrado y que luego será convertido en corriente por el Conversor de Voltaje a Corriente (B). En este caso A es pasivo.
B. Conversor de Voltaje a Corriente: Es quien recibe la señal de voltaje análogo generado por el sensor (A) y la convierte en corriente por lo general en alguno de estos rangos: 0mA a 20mA, o, 4mA a 20mA. El Conversor de Voltaje a Corriente debe ser lo suficientemente vérsatil para ser incorporado en ambientes industriales y lo suficientemente confiable y preciso para no generar señales erróneas de corriente que perjudiquen la lectura o la medida.
C. Fuente de Alimentación: Es la alimentación de energía para el Conversor de Voltaje a Corriente y en la figura 1, este a su vez alimenta al sensor, transductor o transmisor (A) que por consiguiente es pasivo. La fuente alimentación puede provenir de un lugar distante por lo que el Conversor de Voltaje a Corriente (B) debe estar en capacidad de brindar alimentación al sensor (A) y de esta manera evitar que el sensor se alimente con una fuente adicional a la del circuito evitando así cableado y hardware adicional. Los dos hilos que componen el lazo de corriente más los dos hilos de la fuente de alimentación para el Conversor de Voltaje a Corriente conforman los 4 hilos mencionados en el título de la figura 1.
D. Lazo de Corriente: Es el circuito en sí por donde circula la corriente proporcional a la señal de voltaje análogo producido por A. Esta conformado por dos hilos conductores que pueden ser alambres o cables.
E. Receptor: Es quien recibe la señal de voltaje análogo proveniente de A, procesa la información o la almacena para su posterior análisis, también puede suministrar la fuente de alimentación. En muchos casos este Receptor puede ser una pantalla para la visualización del dato obtenido o medido, un sistema embebido, un RTU o un PLC.
Representación Eléctrica
Para la figura 1 podemos hacer un equivalente eléctrico para comprender algunos conceptos importantes, como se observa en la figura 2.
Figura 2. Circuito Equivalente del Lazo de Corriente de la figura 1.
En la figura 2 observamos los siguientes elementos:
- Fid: Fuente de corriente dependiente del voltaje de entrada Vin en la que hemos transformado nuestro Conversor de Voltaje a Corriente. En Vin está la señal que deseamos convertir en corriente y ésta señal debe estar en el rango 0 a 5Vdc o 0 a 10Vdc.
- Vin es generada por el sensor, transductor o transmisor.
- Rc: Representa la resistencia equivalente de los hilos conductores que conforman el lazo de corriente (D en la figura 1).
- RL: Es la resistencia de carga que puede ser de 250 ohm o de 500 ohm y que va en paralelo con el Receptor el cual a su vez tendrá un ADC o similar para procesar la señal de voltaje entrante. RL aparece en la figura 1 de forma explícita.
La Figura 2 nos muestra un circuito equivalente para el diagrama de bloques mostrado en la figura 1 y allí vemos como nuestro Conversor de Voltaje a Corriente se representa por una fuente de corriente dependiente del voltaje de entrada que proporciona el sensor, transductor o transmisor. Una vez la señal de voltaje entrante ha sido convertida a corriente, ésta entra en el lazo del circuito mostrado compuesto por RC y RL. RC representa la resistencia equivalente del par de hilos conductores que interconectan el lazo de corriente, pero ... ¿y que pasa con la autoinductancia y la capacitancia producida entre los dos conductores? ... aquí se trata de un circuito DC de frecuencia 0Hz por lo que no los tendremos en cuenta. Se puede deducir por circuitos eléctricos básicos que la corriente "i" que circula en el loop de corriente es inalterable homogénea en el lazo de corriente e independiente de la resistencia RC, es decir, independiente de la longitud o distancia que separa al transmisor del receptor; y está es una de las principales razones por la que los lazos de corriente son tan usados en la industria.
RL merece un párrafo a parte. RL se utiliza para transferir el valor de voltaje enviado por Vin al Receptor, recordemos por la ley de ohm que I X R=V; entonces el valor de la corriente que envía el Conversor de Voltaje a Corriente en la escala de los mili Amperios se multiplica por RL para obtener nuevamente Vin pero en el extremo opuesto de donde fue generado a varias decenas o centenas de metros o incluso kilómetros (dependiendo de las características del par de conductores del lazo de corriente, el voltaje de alimentación, etc.). RL puede calcularse de las siguientes ecuaciones para lazos de 0 a 20 mA y 4mA a 20mA:
Estas ecuaciones fueron deducidas de las páginas 7 y 8 del Manual de Uso y Configuración del Conversor de Voltaje a Corriente. Calculando para plenas escalas es decir con Vin 5Vdc o 10Vdc e "i" en 20mA es que las resistencias utilizadas como RL en paralelo con el Receptor son de 250 ohms para el rango de señal Vin de 0 a 5Vdc o de 500 ohms para el rango Vin de 0 a 10 Vdc. Es recomendable que estas resistencias sean de precisión para que el ADC del Receptor lea lo mas fielmente posible el voltaje de caída en RL, por lo que pueden usarse este par de resistores en serie:
para conformar una de 250 ohmios; y, un par de estos resistores en paralelo para conformar una de 500 ohmios:
Muchos PLCs o equipos de adquisición de señales tipo industrial traen de por si una impedancia de entrada de 250 ohms o 500 ohms por lo que no siempre es necesario colocarlas físicamente en el circuito, así primero debe verificarse esto para saber si es necesario o no incluir estas resistencias físicamente.
Consideraciones Adicionales
Una de las cosas que a este punto puede preguntarse el lector es cuál es la norma o especificación que rige los lazos de corriente, pues la respuesta a esto es que dicha especificación se encuentra comprendida dentro del estándar ISA SP50.
Otra cuestión que puede haberse preguntado es por qué el rango de corriente en el loop está entre 0 a 20mA, y, 4mA a 20mA y no puede superar la escala de los 20mA. Para responder esta importante pregunta hay tres razones que explican este extraño "capricho", para la primera debemos recordar cuáles son las escalas de dolor en el cuerpo humano según la corriente fluye por el mismo. Cómo en la web hay mucha información al respecto dejamos en libertad al lector para que busque las tablas de las escalas de dolor.
La segunda razón es la seguridad industrial, pues limitar la corriente que fluye contribuye a mitigar los riesgos de explosión en áreas peligrosas como se especifica en ANSI/ISA-RP12.06.01-2003.
Y la útima razón es que limitando la corriente que fluye en el lazo disminuye la caída de voltaje en RC (Ver figura 2) haciéndola practicamente irrelevante en distancias hasta de 2500 metros (obviamente dependiendo de la calidad del par de conductores, del voltaje de alimentación y de Vin) en el caso de nuestro Conversor de Voltaje a Corriente transmitiendo voltajes análogos entre 0Vdc y 5Vdc en cualquiera de los rangos, 0-20mA o 4-20mA, y alimentándolo con una fuente de poder de 24Vdc.
La tercera consideración que el lector puede estarse haciendo en estos momentos es que otros tipos de lazos de corriente existen si este es de cuatro hilos? En realidad el de 4 hilos es uno de los mas utlizados en la industria por las siguientes razones: a) Se puede tener una fuente de alimentación disponible in situ ya sea para el sensor, transductor o transmisor o para circuitería extra como por ejemplo una pantalla de visualización de lecturas tomadas, etc. b) Se puede energizar el Conversor de Voltaje a Corriente con AC o DC ya sea con una fuente dc tal como una batería, la alimentación inherente al sistema o un conversor ac-dc tal como un adaptador de 9Vdc, 12Vdc o 24Vdc; brindando así opciones diversas. c) Se mantiene aislado el lazo de corriente de la alimentación y este siempre va a ser DC independientemente de si el Conversor de Voltaje a Corriente se alimenta desde la red pública o con una fuente independiente DC. Estos Lazos de corriente de 4 hilos no son los únicos, también existen los lazos de corriente de 2 hilos que también son usados en menor medida en la industria y que no ampliaremos en este artículo, solo lo dejaremos como referencia.
Ventajas y razones por las cuales los Lazos de Corriente son tan empleados en la industria
- Un Lazo o Loop de Corriente se usa por los estándares industriales establecidos hace más de 30 años.
- Un Lazo o Loop de Corriente nos permite enviar señales análogas de niveles de tan solo mili voltios a grandes distancias con fiabilidad. Recordemos que muchos sensores suministran valores análogos de menos de un voltio y si requerimos tomar esta medida en otro sitio diferente perderemos en la longitud de un cable toda la energía suministrada por la señal y amplificarla nos implica hardware adicional, señales y fuentes de alimentación, etc. que a la postre significará mayor costo.
- Un Lazo o Loop de Corriente no solo nos sirve para enviar señales análogas del orden de los mili Voltios también podemos hacerlo para señales de voltaje entre 0 y 5Vdc o entre 0 y 10Vdc para nuestro Conversor de Voltaje a Corriente y en caso de que su sensor posea niveles de 12Vdc o 24Vdc solo debe comunicárselo a Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo. para que le suministren un Conversor de Voltaje a Corriente adecuado para su sensor, tenga en cuenta que solo podemos hacer cambios para sensores que funcionen a un nivel máximo de 12Vdc o 24Vdc no de otros valores, que el cambio puede tardar cierto tiempo y que el costo varia del que comercializamos en nuestra línea actual: Conversor de Voltaje a Corriente.
- Un lazo de corriente puede ser fácilmente testeado o monitorizado simplemente con un multímetro.
- Un Lazo o Loop de Corriente no es afectado por las emisiones de radiofrecuencia, electromagnéticas o el ruido eléctrico, lo que lo hace ideal para ambientes industriales por su invulnerabilidad a EMI o ruido eléctrico.
- Un Lazo o Loop de Corriente es ideal para la transmisión de datos debido a su insensibilidad al ruido eléctrico.
- En un Lazo o Loop de Corriente la corriente fluye en todos los componentes que se encuentren dentro del lazo incluso si tenemos conductores imperfectos (Uniones, dobleces, etc).
- Todos los componentes en un Lazo o Loop de Corriente tienen una caída de voltaje debido a la corriente que circula por el circuito. Estas caídas de voltaje no alteran la señal de corriente, lo que es indudablemente una gran ventaja. Cómo nuestro Conversor de Voltaje a Corriente se alimenta con una fuente de voltaje entre 7Vdc y 40Vdc; por lo general de 9Vdc, 10Vdc, 12Vdc o 24Vdc; y es independiente del lazo de corriente (por esto es de 4 hilos) esto nos permite tener una longitud máxima de transmisión de 2500 metros (alimentado con 24Vdc@500mA). Pero como sabemos esto?. Analicemos la siguiente situación: Para un cable UTP Categoría 5 según TIA/EIA 568-C-2 con un índice resistencia DC de tan solo 0.188Ω/m que nos da una caída de 4.7 Vdc en la longitud de uno de los conductores, y por los dos conductores tendríamos 9.4Vdc valor que debemos tener en cuenta cuando tomemos el voltaje de caída en RC ya sea para configurar en el software la medida o para despreciarlo según la longitud de los conductores y el máximo voltaje suministrado por el sensor, transductor o transmisor. También es importante tener esa medida para determinar el voltaje de alimentación del Conversor de Voltaje a Corriente pues por circuitos básicos y análisis de mallas es fácil deducir en la figura 2 que ese voltaje de alimentación debe ser superior a 15Vdc para así permitir que el voltaje máximo en RL sea 5Vdc en un lazo de corriente de longitud 2500 metros.
- En el extremo receptor podemos reconvertir nuestra señal de voltaje proveniente del sensor, transductor o transmisor con solo una resistencia o un arreglo de éstas. Tener en cuenta que esta resistencia o arreglo de resistencias sean de precisión para una mayor exactitud en el valor tomado.
- Hay transmisores inalámbricos para estos tipos de señal de voltaje producida por un sensor, transductor o transmisor; pero ellos son vulnerables a ambientes de polución electromagnética y susceptibles del hackeo via internet mientras que los lazos de corriente son inmunes a EMI y solo puede ser hackeados por hardware, es decir poniendo una circuitería adicional en el lazo o en el transmisor.
Ejemplo de uso del Conversor de Voltaje a Corriente
Para este ejemplo de uso (Ver Video Tutorial: Parte 1, Parte 2) se utilizaron los siguientes componentes y accesorios:
- Conversor de Voltaje a Corriente tipo industrial de alta precisión.
- Sensor de temperatura PT100.
- Resistencia de 2KΩ.
- Cable UTP cat.5 longitud 25 metros.
- Adaptador de 24Vdc 2A.
- Fuente de poder profesional.
- Multímetro.
Figura 3.Conexiones del ejemplo.
La figura 3 muestra las conexiones del ejemplo del video tutorial Parte 2. Allí vemos que se empleó un divisor de voltaje conformado por el sensor de temperatura y una resistencia de 2KΩ y no por que fuera necesario si no solo para poder disminuir el valor de la señal de voltaje análoga adquirida a nivel de milivoltios con fines demostrativos de una situación extrema únicamente para así demostrar la capacidad de nuestro Conversor de Voltaje a Corriente tipo industrial de alta precisión.
En la Figura 3 también vemos como el Sensor de temperatura PT100 es alimentado por el Conversor de Voltaje a Corriente tipo industrial de alta precisión con la fuente de salida VReg. El Conversor de Voltaje a Corriente tipo industrial de alta precisión se alimenta con una fuente conversor ac-dc o en términos coloquiales un adaptador de 24Vdc y 2A. Esta fuente de alimentación como se ha mencionado anteriormente por estándares comerciales puede ser de 9Vdc, 10Vdc, 12Vdc o 24Vdc, pero el Conversor de Voltaje a Corriente puede aceptar en realidad cualquiera que esté en el rango entre 7Vdc a 40vdc, y en cuanto a corriente, se acepta que tenga 500mA o superior.
Lógicamente si lo que Ud. desea es enviar la señal de voltaje de un sensor análogo de 10Vdc naturalmente tendrá que alimentar el Conversor de Voltaje a Corriente con un voltaje superior a los 10Vdc. Además recuerde que por lo que vimos anteriormente nuestro Conversor de Voltaje a Corriente tiene un alcance máximo de 2500 metros si lo alimentamos con más de 15Vdc y para sensores con una señal análoga máxima de 5Vdc.
Para el Lazo de Corriente D, se hace sobre una longitud de 100 metros uniendo los pares del UTP CAT 5 de 25 metros.
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Agosto/2018.