Todo lo que siempre quiso saber sobre lazos de corriente 4-20 mA, pero no se animaba a preguntar
Ampliamente usados, pero…
Los transmisores de señales de proceso usados más frecuentemente en la industria, especialmente en la industria de procesos, son los que funcionan mediante el uso de un lazo de corriente de 4-20 mA, implementado mediante una conexión de dos hilos.
Los transmisores de este tipo, también conocidos como alimentados por el lazo (loop powered), han reemplazado prácticamente en su totalidad a los transmisores de tres hilos más antiguos. Y gracias a la disponibilidad de componentes electrónicos de bajo costo con un consumo reducido de energía, en muchas aplicaciones están reemplazando también a los transmisores de 4 hilos.
El uso de señales analógicas de 4-20 mA empezó en los años 50, como un reemplazo de las señales de control por presión neumática de 3-15 psi. Se puede afirmar, sin lugar a duda, que la tecnología de 4-20 mA ha alcanzado la madurez.
…aún quedan dudas
Sin embargo, todavía recibo consultas sobre el uso de transmisores de 4-20 mA. Especialmente en aplicaciones que impliquen el uso de interfaces de seguridad intrínseca para permitir su instalación en zonas clasificadas. Por este motivo me puse a escribir esta nota que pretendía (sin lograrlo) ser breve.
Para abordar este tema, conviene que repasemos algunos puntos básicos:
El término transmisor se emplea en el campo de la instrumentación para nombrar a un dispositivo que permite transmitir la información de una variable de proceso, registrada por un transductor, mediante una señal eléctrica que tenga un valor definido dentro de un rango estandarizado.
¿Cuáles son los tipos de señales y rangos empleados habitualmente por los transmisores?
Las señales más comunes empleadas por transmisores consisten en rangos de valores de corriente o voltaje que varían linealmente para transmitir el valor de una variable de proceso. Los tipos más comunes son las señales de 0-5 V, 0-10 V, 1-5 V, 0-20 mA y 4-20 mA, siendo este último el más frecuentemente empleado.
El uso de señales de 4-20 mA está definido en la recomendación NAMUR N43 y el estándar ANSI/ISA–50.00.01–1975 (R2012).
¿Porque se transforman las señales captadas por los transductores?
Los transductores son dispositivos que convierten la energía de una forma de a otra. Pueden realizar la conversión de una variación de una característica física (energía, fuerza, torque, luz, movimiento, posición, etc.) a una señal eléctrica. Este proceso de conversión se conoce como transducción.
Veamos algunos ejemplos: una termocupla genera una variación de voltaje al modificarse la temperatura ambiente de su entorno, mientras que una termorresistencia experimenta variaciones de su resistencia eléctrica ante el mismo fenómeno y un elemento piezoeléctrico genera una diferencia de potencial al sufrir deformaciones mecánicas.
El problema es que las señales generadas por los transductores tienen valores muy pequeños, en el orden de mV en las termocuplas, mΩ en las termorresistencias, mV en los elementos piezoeléctricos.
Estas características, sumadas a las caídas de voltaje que experimentan estas señales al ser enviadas a través del cableado de conexión, nos obligan a realizar la conversión de dicha señal a alguno de los tipos de señal estandarizados que fueron previamente mencionados.
¿Por qué se prefiere usar lazos de corriente?
En las aplicaciones de instrumentación, resulta particularmente conveniente el uso de señales de corriente. Esto se debe a que, en un lazo de corriente, el valor de esta se mantiene constante. Si se usara una señal de voltaje, la misma sería afectada por la variación de potencial ocasionada por la resistencia del cable. Adicionalmente, las señales de voltaje son muy susceptibles a la presencia de ruido eléctrico en el ambiente, un hecho inevitable en las aplicaciones industriales.
Esquema gráfico de valores en una señal de 4-20 mA
La elección del rango de corriente de 4 a 20 mA se debe a varios motivos
- El uso de un valor de corriente distinto de cero para indicar el fondo de escala ofrece la posibilidad de detectar problemas tales como el corte de hilo o un cortocircuito. Una señal de 0 a 20 mA en cambio implicaría el apagado de un equipo alimentado por el lazo en este caso.
- Se ha verificado experimentalmente que el valor máximo de corriente al que puede ser expuesta una persona sin peligro es de 30 mA.
- Finalmente, las placas de I/O de los controladores empleados en la industria usan señales de voltaje para las variables analógicas, habitualmente en el rango de 1 a 5 V.
- Por lo tanto, el uso de señales de 4 a 20 mA resulta muy práctico debido a que se pueden convertir a una señal de voltaje de 1 a 5 V simplemente mediante el uso de una resistencia de 250 Ω.
- Usando un voltaje de alimentación de 24 V CC, un lazo de 4-20 mA permite contar con una potencia máxima de 480 mW, el cual es un valor suficiente para la mayoría de las aplicaciones.
¿Qué tipos de transmisores existen, según su esquema de conexión?
Existen tres tipos de transmisores usados en instrumentación, dependiendo del número de hilos necesarios para su conexión. Estos tipos son:
Transmisores de 2 hilos: También conocidos como “alimentados por el lazo” o “loop powered”. Emplean dos hilos para su conexión con el elemento receptor y obtienen la energía necesaria para funcionar del mismo lazo de corriente creado por su conexión.
Es el tipo de transmisor más difundido y usado en la industria, permite una conexión simple y el mínimo uso de cable posible.
Transmisores de 3 hilos: Solía ser el tipo más usado, pero los avances en microelectrónica y la capacidad de procesamiento provocaron el reemplazo de los modelos de tres hilos por versiones de 2 hilos con idénticas o mejores prestaciones.
Suelen ser muy sensibles a la presencia de ruido eléctrico y a los lazos de corriente causados por diferencias de potencial existentes entre las conexiones de puesta a tierra. Además, comparados con los equipos de 2 hilos, requieren un 50% más de cable para su instalación.
Transmisores de 4 hilos: Emplean dos pares de hilos, uno de ellos para la alimentación y el otro para la señal de corriente. Este método se emplea generalmente en equipos que tienen un consumo elevado de energía, superior a los 480 mW disponibles en un lazo de corriente.
Una ventaja de este tipo de conexión es que el lazo de corriente queda aislado de la fuente y de la conexión a tierra, evitando interferencias en el circuito de medición. Requieren el doble de la longitud de cable usada en un equipo de dos hilos para su instalación.
Modos de trabajo activo y pasivo (source o sink):
Los transmisores de 4-20 mA se conectan a las entradas analógicas de 4-20 mA del controlador. En algunos casos, como en PLCs de bajo costo o con soporte de un número limitado de entradas analógicas, las mismas están pensadas para recibir señales de 1-5 V. Como se mencionó previamente se pueden usar estas entradas usando una resistencia de 250 Ω conectada en la entrada analógica.
La precisión de la señala depende de la calidad de la resistencia empleada, por lo que es recomendable el uso de resistencias calibradas de alta precisión.
Ahora llegamos al punto de confusión tradicional: un lazo de corriente de 4-20 mA creado usando un transmisor de 2 hilos es básicamente un circuito en serie formado por un transmisor, un receptor, una fuente de alimentación y el cableado de conexión necesario.
En la mayor parte de las aplicaciones, el transmisor solo es alimentado por la fuente a través del lazo de corriente. Y esta fuente puede alimentar también al receptor. En este caso la fuente de alimentación es el elemento activo (source) y tanto el transmisor como el receptor son los elementos pasivos (sink) del lazo de corriente.
Sin embargo, a veces las cosas no resultan tan claras, como por ejemplo en el caso de que el receptor y la fuente de alimentación estén combinados en un solo equipo. Un ejemplo de esta configuración sería un controlador con placas AI de 4-20 mA que actúan también como fuente de alimentación del lazo de corriente.
En esta configuración, el receptor pasa a ser el elemento activo (source) del lazo de corriente, mientras que el transmisor es el elemento pasivo (sink).
Esta configuración no es muy habitual en los sistemas de control basados en PLCs o DCSs, puesto que para poder alimentar los transmisores de una aplicación mediante las placas de I/O del sistema de control, la carga resultante debería ser alimentada a través del backplane del controlador, lo cual no resulta muy práctico en caso de que el número de transmisores sea muy alto. En tales situaciones la alternativa sería usar una fuente de 24 V CC independiente, y conectada en paralelo, con la capacidad de entregar la corriente necesaria para alimentar a todos los transmisores conectados.
En algunas aplicaciones, esta configuración es muy útil y hasta necesaria, como es el caso de los sistemas integrados de seguridad funcional (SIS). En estas aplicaciones, el controlador (logic solver) envía señales de pulsos que permiten realizar diagnósticos de fallas en el transmisor o en el cableado.
Transmisores y lazos de corriente en aplicaciones de seguridad intrínseca
Los transformadores de aislación galvánica (TIB o Transformer Isolated Barrier) son la solución preferida para la conexión de transmisores intrínsecamente seguros. Un TIB es un dispositivo que separa galvánicamente 2 circuitos, pero permite la transferencia de señales entre ambos mediante un acoplamiento de tipo inductivo. Este acoplamiento inductivo se realiza usando un transformador compuesto por bobinados aislados entre sí.
Existen transformadores de aislación galvánica específicos para cada tipo de aplicación, lo que hace necesario llevar a cabo un proceso de selección del modelo adecuado.
El proceso de selección incluye la verificación de compatibilidad de los parámetros de dispositivo entre el transmisor y el TIB elegido, el detalle de esta verificación escapa al propósito de este artículo.
Pero previamente existe otro detalle que se debe considerar: si el controlador cuenta con entradas analógicas activas (source), entonces los TIBs adecuados deben funciona como dispositivos pasivos (sink).
Si por el contrario las entradas del controlador son pasivas (sink), entonces los TIBs adecuados deben funcionar como dispositivos activos (source).
La conexión del TIB al transmisor es normalmente de tipo activo, tanto para transmisores de 2 hilos como de 3 hilos.
El último caso corresponde a los transmisores de 4 hilos. En estos equipos, el transmisor usa 2 hilos para su alimentación y emplea 2 hilos adicionales para la señal de salida. Pero esta señal es activa y se comporta como una fuente de corriente. Para este caso, los TIBs generalmente cuentan con una conexión específica para fuentes de corriente activas procedentes de campo.
En los casos previos, la salida del TIB puede ser activa o pasiva dependiendo del modo de trabajo del control.
Hasta hace unos años, se fabricaban TIBs específicos para cada una de estas configuraciones, lo que implicaba costos elevados para las configuraciones menos comunes. Hoy en día, afortunadamente los TIBs se diseñan teniendo en cuenta estas posibilidades y ofrecen la posibilidad de configurar los modos de salida al control ya sea mediante dip switches o mediante el uso de borneras de conexión específicas para cada esquema de trabajo.
El único problema con esta nueva generación de TIBs radica en el hecho de que el usuario tiene que comprender como funcionan los diferentes esquemas de funcionamiento para evitar cometer errores durante la instalación.
De cualquier manera, los TIBs configurables permiten reducir la cantidad y variedad de repuestos prácticamente a una opción, lo cual es una gran ventaja, tanto en el aspecto económico como en lo práctico.
Finalmente, la gran mayoría todos los TIBs diseñados para trabajar con transmisores de 4-20 mA son compatibles con el protocolo HART. De hecho, muchos TIBs incorporan una resistencia adicional de 250 Ω, mediante la cual se puede desacoplar la información contenida en la codificación FSK empleada en este protocolo para poder emplearla donde sea necesaria, como por ejemplo un sistema de Administración de Activos (Asset Management).
Mirko Torrez Contreras es un consultor y entrenador de Automatización de Procesos. Después de dar algunos entrenamientos, se dio cuenta de que algunas consultas eran frecuentes: las referentes a la instalación y conexión de transmisores de 4-20 mA. Ha intentado resumir en este artículo las respuestas a las preguntas más frecuentes que ha recibido.
Obviamente, este listado no pretende estar completo. Por lo que, si algún lector puede aportar detalles adicionales, los mismos serán bienvenidos.
Este artículo ha sido patrocinado por Phoenix Contact. Las opiniones expuestas en este artículo son estrictamente personales. Toda la información requerida y empleada en este artículo es de conocimiento público.
Publicado por:
Associated Technical Consultant at PITC/PICC
