Transmitir la
salida de un sensor como voltaje a largas distancias tiene varios
inconvenientes. A menos que se utilicen dispositivos de muy alta impedancia de
entrada, la transmisión de voltajes a largas distancias produce voltajes
correspondientemente más bajos en el extremo receptor debido al cableado y las
resistencias de interconexión. Sin embargo, los instrumentos de alta impedancia
pueden ser sensibles a la captación de ruido, ya que los largos cables que
transportan señales a menudo pasan muy cerca de otros cables del sistema
eléctricamente ruidosos. Se pueden utilizar cables blindados para minimizar la
captación de ruido, pero su alto costo puede resultar prohibitivo cuando se
trata de distancias largas.
Enviar una
corriente a largas distancias produce pérdidas de voltaje proporcionales a la
longitud del cableado. Sin embargo, estas pérdidas de voltaje, también
conocidas como “caídas de bucle”, no reducen la corriente de 4-20 mA siempre que
el transmisor y el suministro de bucle puedan compensar estas caídas. La
magnitud de la corriente en el circuito no se ve afectada por las caídas
de voltaje en el cableado del sistema, ya que toda la corriente (es
decir, electrones) que se origina en el terminal negativo (-) de la fuente
de alimentación del circuito tiene que regresar a su terminal positivo
(+).
El bucle de corriente de 4-20 mA que se muestra en la figura es un método común para transmitir información de sensores en muchas aplicaciones de monitoreo de procesos industriales. Un sensor es un dispositivo utilizado para medir parámetros físicos como temperatura, presión, velocidad, caudales de líquido, etc. La transmisión de información del sensor a través de un bucle de corriente es particularmente útil cuando la información debe enviarse a una ubicación remota a largas distancias ( 300 metros o más). La operación del bucle es sencilla: el voltaje de salida de un sensor se convierte primero en una corriente proporcional, donde 4 mA normalmente representan la salida de nivel cero del sensor y 20 mA representan la salida de escala completa del sensor. Luego, un receptor en el extremo remoto convierte la corriente de 4-20 mA nuevamente en un voltaje que a su vez puede ser procesado por una computadora, un microcontrolador o un módulo de visualización.
Componentes
de un bucle de corriente
Un
circuito típico de bucle de corriente de 4-20 mA se compone de cuatro
elementos individuales: un sensor/transductor; un convertidor de tensión a
corriente (comúnmente denominado transmisor y/o acondicionador de señal);
una fuente de alimentación de bucle; y un receptor/monitor. En aplicaciones
alimentadas por bucle, los cuatro elementos están conectados en una
configuración de circuito cerrado en serie Los sensores proporcionan un voltaje
de salida cuyo valor representa el parámetro físico que se está midiendo.
(Por ejemplo, un termopar es un tipo de sensor que proporciona un
voltaje de salida de muy bajo nivel que es proporcional a su temperatura
ambiente). El transmisor amplifica y acondiciona la salida del sensor y
luego convierte este voltaje a un voltaje proporcional de 4-20 mA de corriente
continua que circula dentro del circuito cerrado en serie. El receptor/monitor,
normalmente una subsección de un medidor de panel o sistema de adquisición de
datos convierte la corriente de 4-20 mA nuevamente en un voltaje que puede
procesarse y/o mostrarse posteriormente.
La fuente de
alimentación del bucle generalmente proporciona toda la energía operativa
al transmisor y al receptor, y a cualquier otro componente del bucle que
requiera un voltaje de CC bien regulado. En aplicaciones alimentadas por bucle,
los elementos internos de la fuente de alimentación también proporcionan un
camino para cerrar el bucle en serie. +24 V sigue siendo el voltaje de fuente
de alimentación más utilizado en aplicaciones de monitoreo de procesos de 4-20
mA.
Debido a que los cables de cobre exhiben una resistencia de CC (efecto de la resistencia en el cableado) directamente proporcional a su longitud y calibre (diámetro), las aplicaciones en las que dos o más dispositivos de monitoreo de bucle están conectados a distancias de cableado bidireccionales muy largas (300 a 600 metros) normalmente usan suministros de +24 V porque muchos transmisores requieren un suministro mínimo de 8 V para un funcionamiento adecuado. Cuando este mínimo de 8 voltios se suma a los típicos 3 a 4 voltios que cae cada monitor de proceso y los 2 a 4 voltios que caen en el cableado y las interconexiones del sistema, el voltaje de suministro mínimo requerido puede exceder fácilmente los 16 V.
La caída de voltaje
desarrollada a lo largo de una determinada longitud de cable se encuentra
multiplicando la resistencia total del cable por la corriente que lo atraviesa.
La resistencia total del cable se encuentra buscando su resistencia (generalmente
expresada en ohmios por 1000 pies) en una tabla de especificaciones
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