UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

FACULTAD DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRÓNICA

SENSORES, ACTUADORES E INSTRUMENTACIÓN

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

TRANSMISORES: LAZO DE CORRIENTE 4-20 mA (2 hilos)

INGENIERO:

GERMAN ECHAIZ

ALUMNA:

HUAYNA GAONA GIANINA ELIZABETH

CUI:

20090952

AREQUIPA-PERÚ

2014

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ContenidoTRANSMISORES: LAZO DE CORRIENTE 4-20 mA (2 hilos).............................................................3

Introducción.............................................................................................................................3

Tipos de señales de Transmisión..........................................................................................3

Historia.....................................................................................................................................4

Lazo de corriente 4-20 mA.......................................................................................................4

Principio de Funcionamiento (2 hilos)......................................................................................5

Componentes de un lazo de corriente.....................................................................................6

1. La fuente de alimentación................................................................................................6

2. El transmisor.....................................................................................................................7

3. El receptor de Resistencia................................................................................................8

4. El Cable.............................................................................................................................8

Transmisores a tres hilos:.....................................................................................................9

Transmisores a cuatro hilos:.................................................................................................9

Ventajas de Transmisores a dos hilos:..................................................................................9

Protocolo HART......................................................................................................................10

XTR117...................................................................................................................................10

CARACTERÍSTICAS...............................................................................................................11

APLICACIONES....................................................................................................................11

DEMOSTRACION DE QUE EL XTR 117 ES UNA FUENTE DE CORRIENTE...............................11

Paginas Consultadas...............................................................................................................12

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TRANSMISORES: LAZO DE CORRIENTE 4-20 mA (2 hilos)

Introducción

En los sistemas de control de procesos, que están distribuidos a través de la planta, el flujo de información tiene que recorrer grandes distancias, la transmisión de estos datos sobre distancias considerables a menudo causa grandes problemas en sistemas de control de procesos distribuidos.

La confiabilidad de la transmisión de datos ha impulsado muchos esquemas de comunicaciones diferentes y productos asociados, algunos de los cuales emplean “electrónica inteligente” en los sensores I/O y elementos de control.

Normalmente los cambios en las variables de proceso generan cambios muy pequeños en las salidas de los elementos primarios (por ejemplo, variaciones de voltaje del orden de los milivolts en las termocuplas, o desplazamientos imperceptibles al ojo humano en las celdas de carga). Por otra parte, sería necesario tener una gama muy grande de instrumentos registradores, indicadores o controladores para el mismo tipo de señal, dependiendo del nivel de salida de los transductores.

El objetivo del transmisor es convertir la salida de un sensor en una señal lo suficientemente intensa como para que se pueda transmitir a un controlador o a otro dispositivo. Se han desarrollado un juego de señales estándar para procesar los cambios en las salidas de los elementos primarios. Estas señales pueden ser neumáticas, eléctricas, digitales, hidráulicas o telemétricas. Veremos algunas de ellas.

Tipos de señales de TransmisiónSeñal neumática.Las señales neumáticas son introducidas por cambios en la presión de aire en una tubería que son proporcionales a los cambios en la variable de procesos. La señal estándar neumática es de 3 a 15 psig. El valor 3 corresponde al valor más bajo del rango de la variable (LRV) y el 15 corresponde al valor mayor en el rango (URV). Todos los transmisores neumáticos tienen un arreglo de boquilla y mariposa para producir una señal de salida proporcional a la salida del sensor.

Señal eléctrica.La señal eléctrica estándar es la señal de corriente de 4 a 20 mA. La señal de 4mA corresponde al nivel más bajo de la variable medida y la señal de 20 mA corresponde al nivel más alto de dicha variable.Las señales eléctricas son llamadas también señales análogas. Pueden tener cualquier lectura dentro del rango y sólo están limitadas por las características de los instrumentos registradores e indicadores. Transmiten al controlador en forma continua los valores

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Historia

Mucha gente en la industria recuerdan los días de control neumático, ya que mediante estos se controlaba los procesos; algunos edificios todavía utilizan sistemas de control neumático. Convertidores I / P modernos (de corriente a presión) están disponibles para convertir los lazos de control 4-20mA a rangos neumáticos comunes, tales como 3-15psi, 1 -18psi, 3-27psi, y 6-30psi. En estos sistemas, los controladores de relación, controladores PID, sensores de temperatura y los actuadores son accionados por aire comprimido. Tres a quince libras por pulgada cuadrada es el estándar de modulación, 3 psi para un cero en vivo y 15 psi para el 100%. Cualquier presión por debajo de 3 psi es considerado un cero muerto y una condición de alarma.Apareció por primera vez en la década de 1950 con la llegada de los controles eléctricos y electrónicos, los reinados estándar de señal 4-20mA como uno de los medios más populares para la transmisión de la señal y de control electrónico en entornos industriales. El nuevo transmisor de corriente 4-20 mA de señalización emulaba la señal neumática psi 3-15. Esta emisión de señal se convirtió rápidamente en el método preferido porque los cables son más fáciles de instalar y de mantener que las líneas de presión de aire comprimido y energía.

Lazo de corriente 4-20 mA

Los sensores u otros dispositivos con una salida de bucle de corriente 4-20 mA son extremadamente comunes en la industria medición y control de aplicaciones. Son fáciles de instalar, tienen fuente de alimentación de ancho requisitos, generan una salida de bajo nivel de ruido, y se pueden transmitir sin pérdida a través de grandes distancias.

Nos encontramos con ellos todo el tiempo, tanto en el control del proceso, registro de datos de medición y datos básicos.

El lazo de corriente de 4-20 mA es un estándar de señalización, sensor muy robusto. Lazos actuales son ideales para la transmisión de datos a causa de su falta de sensibilidad inherente al ruido eléctrico. La mayor ventaja de la utilización de un bucle de corriente para la transmisión de datos es una de bucle de corriente inherente insensibilidad al ruido eléctrico. Cada transmisor de corriente tiene una cierta resistencia de salida asociado

Los lazos de corriente son útiles cuando la información tiene que ser transmitidas a largas distancias. Aunque largas distancias producen caídas de tensión debido a la resistencia de los cables, esto no reduce la corriente si el lazo está calculado correctamente.

El propósito es transmitir la información desde los sensores, que miden parámetros físicos como por ejemplo la temperatura, caudal, presión, velocidad, etc. Se trata de una norma para señales analógicas donde la corriente eléctrica representa de forma proporcional una determinada medida.

La señal física es convertida a una señal de corriente donde típicamente 4mA representa el cero del sensor y 20mA representa la salida de fondo de escala del sensor. Cualquier valor entre 4mA y 20mA representa un porcentaje entre 0% y 100%.

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Una vez que el instrumento de campo está calibrado la correspondencia entre los valores máximo y mínimo del parámetro físico ha quedado establecida. El cálculo no es complicado y para determinar la corriente en un lazo 4-20mA puede utilizarse la siguiente fómula:

La idea detrás de la operación de bucle de corriente de 4-20 mA es que el sensor consume corriente de su fuente de poder en proporción directa a la propiedad mecánica que mide. Tomemos el ejemplo de un sensor 100 psi con una salida de bucle de corriente. Con 0 psi aplicada, el sensor llama 4 mA de la fuente de poder.Con 100 psi aplicados el sensor llama 20 mA. A 50 psi el sensor llama 12 mA y así sucesivamente. La relación de la medición de propiedades mecánicas para la salida de corriente es casi siempre lineal, lo que permite la resultante de datos de bucle de corriente para ser escaladas con una simple fórmula mx + b para revelar más útil mediciones escalados en unidades de ingeniería.

Principio de Funcionamiento (2 hilos)Para el de dos hilos 4 - 20mA, tenemos un triángulo de la siguiente manera:

Desde el triángulo, se puede identificar rápidamente los tres componentes comunes de un lazo de corriente, cómo se conectan entre sí, e incluso la dirección del flujo de corriente. Los vértices del triángulo representan una conexión por cable entre estos componentes. Como referencia, hay un signo positivo en el "pico" del triángulo. También se va a usar las tres primeras letras del "triángulo" para identificar los componentes principales. La aceptación de la convención de que el flujo de corriente se moverá de la alimentación positiva para y volver a la alimentación negativa, veo que la corriente se mueve en sentido antihorario en mi lazo de corriente simbólica.

El lado izquierdo tiene la etiqueta "T" y se refiere a "Transmisor". La base del triángulo está etiquetado "R" y se refiere a "Receptor". El lado derecho del triángulo tiene la etiqueta "I" y hace referencia a la fuente de corriente o la fuente de alimentación. Los vértices se refieren a las conexiones por cable entre estos elementos. Cada elemento comparte dos conexiones con el bucle.

La etiqueta "+" en el pico muestra que el lado positivo de la fuente de alimentación se conecta al lado positivo de la transmisor. Usando la convención de flujo de corriente de positivo a negativo, la dirección de flujo de corriente desde la fuente de alimentación se muestra en sentido antihorario.

También debe tener en cuenta que el transmisor no es la fuente de la corriente, sino que simplemente regula el flujo y la magnitud de la corriente a través de él. La corriente se obtiene por la fuente de alimentación, fluye de forma controlada a través del transmisor, a

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continuación, en el receptor, y vuelve a la fuente de alimentación. La corriente que fluye a través del receptor produce un voltaje que se mide fácilmente por la entrada analógica de un dispositivo de control o supervisión. La Figura siguiente muestra un esquema de un sencillo lazo de corriente de 4-20mA. Tenga en cuenta la posición tradicional de la toma de tierra en el circuito de corriente.

Componentes de un lazo de corriente

La figura 1 muestra un esquema de la 4-20 mA bucle de corriente simple. Hay cuatro componentes:1. Una fuente de alimentación de CC.;2. Un transmisor de 2 hilos.;3. Una resistencia receptor que convierte la señal de corriente a una tensión.;4. El cable que interconecta todo.Los dos símbolos "Rwire" representan la resistencia de los cables que corren a los sensores y de nuevo a la fuente de alimentación y el controlador.En la Figura 1, la corriente suministrada desde la fuente de alimentación fluye a través del alambre para el transmisor y el transmisor regula el flujo de corriente dentro del bucle. La corriente permitido por el transmisor es llamada la corriente de bucle y es proporcional al parámetro que se está midiendo. La corriente de bucle fluye de vuelta al controlador a través del alambre, y luego fluye a través de la resistencia de Rreceiver a tierra y vuelve a la fuente de alimentación. La corriente que fluye a través de Rreceiver produce una tensión que se mide fácilmente por una entrada analógica de un controlador. Para una resistencia de 250Ω, la tensión será 1 VDC a 4 mA y 5 VDC a 20 mA.

1. La fuente de alimentaciónFuentes de alimentación para transmisores de 2 hilos deben ser siempre de CC porque el cambio en el flujo de corriente representa el parámetro que se está midiendo. Si se dispusiera

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de alimentación de CA, la corriente en el lazo se cambiaría todo el tiempo. Por lo tanto, el cambio en el flujo de corriente desde el transmisor sería imposible de distinguir de cambio en el flujo de corriente causada por la fuente de alimentación de CA.Para lazos de 4-20 mA con transmisores de 2 hilos, los voltajes de la fuente común de abastecimiento son 36 VDC, 24 VDC, 15 VDC y 12 VDC.Bucles actuales que utilizan transmisores de 3 hilos pueden tener ya sea AC o fuentes de alimentación de CC. La más fuente de alimentación de CA común es el transformador de control de 24 VCA. 2. El transmisorEl transmisor es el corazón del sistema de señalización de 4-20 mA. Convierte una propiedad física, como la temperatura, humedad o presión en una señal eléctrica. Esta señal eléctrica es una corriente proporcional a la temperatura, humedad o presión que se mide. En un lazo de 4-20 mA, 4 mA representa el extremo inferior del rango de medición y 20 mA representa el extremo superior.

La relación entre el valor de corriente de salida y el proceso de medida de la variable se establece mediante la calibración de la transmisor, que asigna un rango diferente de unidades de ingeniería para el lapso entre 4 y 20 mA. En algunos transmisores, la asignación entre las unidades de ingeniería del sensor y la corriente de salida, incluso se pueden invertir, tales 4 mA que representa la variable de proceso a gran escala, y 20mA la señal de proceso mínimo.

Dado que el objetivo de este trabajo está en el 4-20mA, lazo de corriente de 2 hilos, una importante distinción del transmisor de 2 hilos utilizado en estos lazos es que, efectivamente, obtienen su energía de funcionamiento de la corriente que fluye a través ellos y el voltaje a través de ellos. Debido a que el nivel más bajo de la señal de transmisión es de 4 o menos (esencialmente una señal de "cero vivo"), el transmisor debe ser capaz de operar desde menos de 4 mA. Transmisores de dos hilos también tendrán calificaciones mínimas y máximas de voltaje de salida que deben ser observadas. Cuanto más bajo sea la tensión, esa tensión mínima es necesaria para hacer funcionar el transmisor, y la tensión máxima del transmisor es el voltaje más alto que puede soportar.

Este es otro de los beneficios de los transmisores de 2 hilos alimentados por lazo: que tienen su fuente de alimentación y el intercambio de la señal el mismo par de cables de

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conexión. Esto simplifica la instalación considerablemente, y los bajos niveles de transmisión de corriente continua permitir el uso de cableado de cobre pequeña, de bajo costo.

Un error común acerca de los transmisores es que ellos son la fuente de la corriente de lazo, pero el emisor no es la fuente de corriente. Más bien, es una serie conectada de corriente hundiendo circuito que intentará llamar la corriente de una fuente de alimentación por cable a sus terminales de salida. La corriente en el lazo es el medio a través del cual la señal del sensor es transmitida. La corriente que fluye a través del transmisor es proporcional a la que se mide la señal de entrada.

Cuando calibrado correctamente, esta corriente puede variar de 4 a 20 mA en el rango de su señal de entrada del sensor. El transmisor también hará subsidios en apoyo de bajo rango y por encima del rango de salida de los niveles actuales.

3. El receptor de ResistenciaEs mucho más fácil de medir una tensión de lo que es para medir una corriente. Por lo tanto, muchos de los actuales circuitos de lazo (tales como el circuito en la Figura 1) utilizar un receptor resistor (Rreceiver) para convertir la corriente en una tensión. En la Figura 1, Rreceiver es una resistencia de precisión 250Ω. La corriente que fluye a través de él produce un voltaje que se mide fácilmente por una entrada analógica de un controlador. Para el la resistencia de 250Ω, la tensión será de 1 VDC a 4 mA de corriente de bucle y 5 VDC a 20 mA de bucle actual. El receptor de Resistencia más común en un bucle de 4-20 mA es 250Ω; Sin embargo, dependiendo después de la aplicación, se pueden utilizar resistencias de 100Ω a 750Ω.

4. El CableEl envío de corriente a través de un alambre produce una caída de tensión proporcional a la longitud y espesor (calibre) del alambre. Todo el alambre tiene resistencia, generalmente se expresa en ohmios por 1,000 pies. La caída de tensión puede ser calculada utilizando la ley de Ohm:E = I x RE = el voltaje a través del resistor en voltios;I = la corriente que fluye a través del conductor en amperios;R = resistencia del conductor en ohmios.Resistencias de alambre para calibres comunes se muestran en la Tabla 1.Tabla 1 Resistencia de alambre de cobre a 20 ° C (68 ° F)

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Transmisores a tres hilos:

Cuando el transmisor consume mayor potencia que la que puede ser suplida a través del propio lazo de corriente de salida, el transmisor debe utilizar un tercer hilo justamente para llevar esa corriente extra que le permita funcionar. Se debe entonces utilizar un esquema de conexión a tres o cuatro hilos. En el esquema de conexión a tres hilos, una señal común es utilizada entre la fuente de alimentación y el lazo de transmisión analógico. En este esquema de conexión la fuente de alimentación debe ser CD al igual que la señal transmitida. En el esquema de conexión a tres hilos puede existir aislamiento eléctrico entre la señal de entrada y la de salida, y/o la fuente de alimentación (entrada aislada).

Con la configuración a tres hilos el transmisor todavía se puede comportar como fuente (source) o sumidero (sink) en función de como se comportan los otros dos hilos.

Con un transmisor "sourcing" la señal de 4-20mA circulará por el hilo de alimentación y el hilo de señal (el hilo de 0V, sólo servirá para la corriente de retorno de alimentación).

Con un transmisor "sinking" la señal de 4-20mA circulará por el hilo de 0V y el hilo de señal (el hilo de alimentación, sólo servirá para eso, para alimentar el transmisor).

Transmisores a cuatro hilos:

Por último los transmisores a 4 hilos, utilizan dos conductores para la alimentación y los otros dos para transmitir la señal 4-20mA. Esta configuración tiene como ventaja frente a los tres hilos que al estar separada la alimentación de la señal, es más difícil que ruido en la alimentación pueda afectar a la medida.

Los transmisores a cuatro hilos utilizan dos cables para la conexión de la fuente de alimentación, la cual es usualmente de 120 Vca, y dos cables para transmitir la señal. En el esquema de conexión a cuatro hilos puede existir un aislamiento eléctrico total entre la señal de entrada, la de salida y la fuente de alimentación. En este caso se dice que el transmisor puede tener cualquiera delas siguientes combinaciones: entrada aislada, salida aislada, alimentación aislada y totalmente aislado.

Dos hilos en realidad se comporta como un carga eléctrica, mientras que la fuente de corriente en un transmisor de 4 hilos funciona como realmente una fuente de corriente.

Ventajas de Transmisores a dos hilos:

A veces estos dos hilos sirven, además de para transmitir la señal de 4-20mA, para proporcionar alimentación al transmisor. En estos casos hablamos de transmisores pasivos y la alimentación es proporcionada por una fuente de alimentación externa al transmisor.

Los transmisores a dos hilos se caracterizan porque tienen un bajo consumo de potencia (inferior a 50 mW) y la salida sigue el estándar de lazo de corriente de 4 a 20 mA.

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La gran ventaja de los transmisores a dos hilos es que requieren menos cableado que los de 4 hilos, porque la alimentación y la señal de salida comparten el mismo par de cables, y adicionalmente consumen menos potencia.

Igualmente los transmisores a dos hilos cuestan generalmente menos que los transmisores a 4 hilos.

Bajo ciertas condiciones no se pueden utilizar transmisores a 2 hilos, siendo algunas de ellas:

No existe disponibilidad en campo de fuente de alimentación DC en el rango de voltaje requerido por los transmisores a 2 hilos (típicamente de 12 Vdc a 50 Vdc).

Cuando el instrumento receptor de la señal proveniente del transmisor trabaja en un rango en el cual el cero de la señal recibida corresponde a 0 V o a 0 mA (ej.: el receptor no acepta señales de 4 a 20mA y en su lugar acepta señales de 0 a 5 V).

Protocolo HART Existen también protocolos de transmisión de datos basados en lazo de corriente, como el protocolo HART que permite la comunicación digital bidireccional con instrumentos inteligentes sin perturbar la señal analógica de 4-20mA.

HART usa una técnica de codificación por modificación de frecuencia para sobreponer una comunicación digital en el lazo de corriente de 4-20 mA que conecta el instrumento de campo con el sistema de control. Se utilizan dos frecuencias (1.200 Hz y 2.200 Hz) para representar un 1 y un 0 binarios. Estos tonos se sobreponen a la señal continua a un bajo nivel. La señal alterna tiene un valor promedio nulo. Por ello, no se registra ningún cambio en la señal existente de 4-20mA, independientemente de los datos digitales. En consecuencia, el instrumento puede seguir utilizando la señal analógica 4-20 mA para control de procesos y la señal digital para información que no sea de control. Este tipo de comunicación es muy dificil de implementar y presenta grandes limitaciones, como la baja tasa de transferencia de datos.

Es por ello que se encuentra desfasado por otros protocolos como PROFIBUS, FIELDBUS o bus CAN.

Transmisión HART

XTR117

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El XTR117 es un convertidor de salida de corriente de precisión diseñado para transmitir señales analógicas 4-20mA durante un bucle de corriente estándar de la industria. Proporciona funciones de límite de precisión actuales de escala y de salida de corriente.

El regulador de tensión en el chip (5V) puede ser utilizada para alimentar la circuitería externa. Un pin de retorno de corriente (IRET) detecta alguna corriente utilizada en circuitos externos para asegurar una precisa el control de la corriente de salida.

El XTR117 es un bloque fundamental de sensores inteligentes que utilizan la transmisión de corriente de 4-20mA edificio. Se especifica el XTR117 para poder funcionar durante el prolongado industrial

Rango de temperaturas, de -40 ° C a +125 ° C

CARACTERÍSTICAS Baja corriente estática 130uA Regulador de 5v para circuitos externos Bajo error de SPAN: 0.05% Bajo error de no-linealidad: 0.003% Fuente de Alimentación de 7.5 a 40v

APLICACIONES De dos hilos, 4-20mA Transmisor Inteligente CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES SISTEMAS DE ENSAYO AMPLIFICADOR ACTUAL AMPLIFICADOR Voltaje-a-Corriente

DEMOSTRACION DE QUE EL XTR 117 ES UNA FUENTE DE CORRIENTE

Lo primero que hacemos es igualar los voltajes:

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V 1=V 2entonces tendríamosque : I 1 x R1=I 2 x R2

Entonces despejando :R1R2

=I 2I 1 Reemplazando valores :

2,475k25

=I 2I 1;99=

I 2I 1

Si I 1=I ¿entonces :99=I 2I ¿

Hallando I 0:I ¿+ I 2=I 0

I ¿+R1R2I ¿=I 0

I ¿(1+ R1R2 )=I 0 ; I¿ (1+99 )=I 0

I ¿ (100 )=I 0V ¿

R¿

(100 )=I 0

Paginas Consultadashttp://www.ni.com/white-paper/6940/en/

http://labjack.com/support/app-notes/measuring-current

https://www.youtube.com/watch?v=elHRftHCoKA

http://www.digikey.com/product-search/en/sensors-transducers/current-transducers/1966573

http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/xtr117.pdf

http://www.ti.com/product/xtr117

http://www.bapihvac.com/content/uploads/2010/07/4-20-ma-current-loop-configurations.pdf

http://www.hartcomm.org/protocol/about/aboutprotocol_what.html

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V1

V2

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/5176/fichero/2.+C%E1lculos%252FAnexo+III+Lazo+de+corriente.pdf

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