UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTINFACULTAD DE PRODUCCIN Y SERVICIOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRNICA

CURSO:SENSORES, ACTUADORES E INSTRUMENTACINTEMALAZO DE CORRIENTE 4-20 mA (2 hilos)

AREQUIPA-PER, Mayo del 2014

FUNDAMENTOS DE LAZO DE CORRIENTE DE 4 20 mA

HISTORIA DEL LAZO DE CORRIENTEMuchas personas en la industria recuerdan los das de control neumtico; algunos edificios de hecho siguen utilizando sistemas de control neumtico.Las seales neumticas son introducidas por cambios en la presin de aire en una tubera que son proporcionales a los cambios en la variable de procesos. La seal estndar neumtica es de 3 a 15 psi (pounds per square inch ) (libras por pulgada cuadrada). El valor 3 corresponde al valor ms bajo del rango de la variable (cero vivo y el 15 corresponde al valor mayor en el rango (100%).En los aos 1950 hace su aparicin en los controles elctricos y electrnicos, La nueva seal de 4-20 mA. Seal que emulaba a la seal neumtica 3-15 psi. La seal de corriente se convirti rpidamente en el mtodo preferido porque los cables son ms fciles de instalar y mantener que las lneas de presin neumtica y los requerimientos de energa son mucho ms bajos - que ya no necesita un compresor de 20 a 50 caballos de fuerza (horsepower) por ejemplo. Adems, la electrnica permite algoritmos de control ms complicados.

CONCEPTOS DE LAZO DE CORRIENTE DE 4-20 mA Los sensores u otros dispositivos con una salida de bucle de corriente 4-20 mA son extremadamente comunes en la industria medicin y control de aplicaciones.Son fciles de instalar, tienen fuente de alimentacin de ancho requisitos, generan una salida de bajo nivel de ruido, y se pueden transmitir sin prdida a travs de grandes distancias.Nos encontramos con ellos todo el tiempo, tanto en el control del proceso, registro de datos de medicin y datos bsicos.

El lazo de corriente de 4-20 mA es un estndar de seal de sensores muy robusto. El lazo de corriente es ideal para la transmisin de datos gracias a su insensibilidad al ruido elctrico. En un lazo de corriente de 4-20 mA, la corriente fluye a travs de todos los componentes; y fluye la misma corriente, incluso si las terminaciones de los cables no son perfectas. Todos los componentes del lazo generan una cada de tensin debido a la corriente que fluye a travs de ellos. La corriente no se ve afectada por estas cadas de tensin, siempre y cuando la tensin de alimentacin sea mayor que la suma de todas las cadas de tensin en el lazo considerando una corriente mxima de 20 mA.

La Figura 1 muestra un esquema simple de un lazo de corriente de 4-20 mA . Hay cuatro componentes: 1. Una alimentacin de CC de suministro;2. Un transmisor de 2 hilos;3. Una resistencia receptora, que convierte la seal de corriente a un voltaje;4. El cable que interconecta todo.Los dos smbolos "Rwire" representan la resistencia de los cables que van a los sensores y que regresan a la fuente de alimentacin y al controlador.

En la Figura 1, la corriente suministrada desde la fuente de alimentacin fluye a travs del cable hacia el transmisor y el transmisor regula la corriente dentro del lazo. La corriente permitida por el transmisor se llama la corriente de lazo y es proporcional al parmetro que se est midiendo. La corriente de lazo regresa al controlador a travs del cable, y luego a travs del resistor Rreceiver se va a tierra y retorna a la fuente de alimentacin. La corriente que pasa a travs de Rreceiver produce un voltaje que se mide fcilmente por una entrada analgica del controlador. Para una resistencia de 250, la tensin ser de 1 VDC a 4 mA y 5 VDC a 20 mA.

COMPONENTES DE UN LAZO DE CORRIENTE DE 4-20 MA

1. La fuente de alimentacin

La fuente de alimentacin para transmisores de 2 hilos deben ser siempre DC debido a que un cambio en el valor de la corriente representa el parmetro que se est midiendo. Si se dispusiera de alimentacin de CA, la corriente en el lazo estara cambiando todo el tiempo, por lo que las variaciones de la corriente que emite el transmisor seran imposibles de distinguir por las variaciones de corriente que genera la fuente de alimentacin AC.

Para lazos de corriente de 4-20 mA. con transmisores de 2 hilos, las tensiones de alimentacin comunes son 36 VDC, 24 VDC, 15 VDC y 12 VDC.

2. El transmisor

El transmisor es el corazn del sistema de seal de 4-20 mA. El Transmisor convierte una propiedad fsica tal como la temperatura, la humedad o la presin en una seal elctrica. Esta seal elctrica es una corriente proporcional a la temperatura, humedad o presin que se mide. En un lazo de 4 a 20 mA, 4 mA representa el extremo inferior del rango de medicin y 20 mA representa el extremo superior.

3. La Receiver Resistor

Es mucho ms fcil de medir una tensin de lo que es medir una corriente. Por lo tanto, muchos circuitos de lazo de corriente (tales como el circuito de la figura 1) utilizan una Receiver Resistor (Rreceiver) para convertir la corriente en una tensin. En la Figura 1, Rreceiver es una resistencia de precisin de 250. La corriente que fluye a travs de l produce un voltaje que se mide fcilmente por una entrada analgica en un controlador. Para la resistencia de 250, la tensin ser de 1 VDC a 4 mA y 5 VDC a 20 mA . El Receiver Resistor ms comn en un bucle de 4-20 mA es 250; sin embargo, dependiendo de la aplicacin, se pueden utilizar resistencias de 100 a 750.

4. Los Conductores

El paso de corriente a travs de un alambre conductor produce una cada de tensin proporcional a la longitud y grosor (calibre) del alambre. Todo cable tiene resistencia generalmente expresada en ohmios por 1000 pies o en ohmios por 1000metros. La cada de tensin se puede calcular usando la ley de Ohm:E = I x RE = el voltaje a travs del resistor en voltios;I = la corriente que fluye a travs del conductor en amperios;R = resistencia del conductor en ohmios.

INSENSIBILIDAD AL RUIDO ELCTRICOLa mayor ventaja de la utilizacin de un lazo de corriente para la transmisin de datos es la insensibilidad inherente de un lazo de corriente al ruido elctrico. Cada transmisor de corriente tiene una cierta resistencia de salida asociada con l. Idealmente, la resistencia de salida del transmisor de corriente sera infinito. Sin embargo, los transmisores del mundo real tienen muy grandes pero no infinitas resistencias de salida. Por ejemplo, el transmisor de temperatura BAPI T1K tiene una resistencia de salida de 3.640.000 ohmios o 3,64 Meg. Esta resistencia de salida puede ser representada como una resistencia en un circuito esquemtico.El circuito esquemtico de la Figura 2 muestra las resistencias de un lazo de corriente de 4-20 mA con una fuente de ruido aadido al bucle. Debido a la alta resistencia a la salida del transmisor (3,64 Meg), la gran mayora de la tensin de ruido se deja caer a travs del transmisor, y slo una pequea fraccin se deja caer a travs de la Rreceiver. Puesto que el controlador slo ve la tensin a travs del Rreceiver, la tensin de ruido casi no tiene efecto sobre el controlador

TRANSMISORES A TRES HILOS:

Cuando el transmisor consume mayor potencia que la que puede ser suplida a travs 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 conexin a tres o cuatro hilos.

En el esquema de conexin a tres hilos, una seal comn es utilizada entre la fuente de alimentacin y el lazo de transmisin analgico. En este esquema de conexin la fuente de alimentacin debe ser CD al igual que la seal transmitida. En el esquema de conexin a tres hilos puede existir aislamiento elctrico entre la seal de entraday la desalida, y/o la fuentede alimentacin (entrada aislada).Con la configuracin a tres hilos el transmisor todava se puede comportar como fuente (source) o sumidero (sink) en funcin de cmo se comportan los otros dos hilos.Con un transmisor "sourcing" la seal de 4-20mA circular por el hilo de alimentacin y el hilo de seal (el hilo de 0V, slo servir para la corriente de retorno de alimentacin).Con un transmisor "sinking" la seal de 4-20mA circular por el hilo de 0V y el hilo de seal (el hilo de alimentacin, slo servir para eso, para alimentar el transmisor).

TRANSMISORES A CUATRO HILOS:Por ltimo los transmisores a 4 hilos, utilizan dos conductores para la alimentacin y los otros dos para transmitir la seal 4-20mA. Esta configuracin tiene como ventaja frente a los tres hilos que al estar separada la alimentacin de la seal, es ms difcil que ruido en la alimentacin pueda afectar a la medida.Los transmisores a cuatro hilos utilizan dos cables para la conexin de la fuente de alimentacin, la cual es usualmente de 120 Vca, y dos cables para transmitir la seal. En el esquema de conexin a cuatro hilos puede existir un aislamiento elctrico total entre la seal de entrada, la de salida y la fuente de alimentacin. En este caso se dice que el transmisor puede tener cualquiera delas siguientes combinaciones: entrada aislada, salida aislada, alimentacin aislada y totalmente aislado.

la fuente de corriente en un transmisor de 4 hilos funciona como realmente una fuente de corriente,mientras que la configuracin a 2 hilos en realidad se comporta como un carga elctrica

VENTAJAS DE TRANSMISORES A DOS HILOS: A veces estos dos hilos sirven, adems de para transmitir la seal de 4-20mA, para proporcionar alimentacin al transmisor. En estos casos hablamos de transmisores pasivos y la alimentacin es proporcionada por una fuente de alimentacin externa al transmisor. Los transmisores a dos hilos se caracterizan porque tienen un bajo consumo de potencia (inferior a 50 mW) y lasalida sigue el estndar de lazo de corriente de 4a 20 mA. La gran ventaja de los transmisores a dos hilos es que requieren menos cableado que los de 4 hilos, porque la alimentacin y laseal de salida comparten el mismo parde cables, yadicionalmente consumen menos potencia. Igualmente los transmisores a dos hilos cuestan generalmente menos que los transmisores a 4 hilos.

DEMOSTRACION MATEMATICA DEL CIRCUITO XTR 117V2V1

Primero tomamos en cuenta el corto circuito virtual a la entrada del Op-Amp para igualar los voltajes:

SIMULACION EN ORCAD 16.6Se realiza el armado del circuito en ORCAD, conexin y seteo de parmetros.

Se procede a simular,

Analizando la grfica resultante d ela simulacin, Obtenemos una recta (funcin lineal), en donde vemos que para una entrada de 1 voltios nos da una salida de 4mA y para una entrada de 5 voltios nos da una salida de 20mA como se demostr en los clculos matemticos.