Qual é a vantagem das saídas de corrente em relação as saídas analógicas de tensão?

Um sensor é um dispositivo de entrada que fornece uma saída padrão em resposta ao mensurando de entrada. O elemento sensor também chamado de elemento de elemento primário. O mensurando é a variável física que está sendo medida no processo.

Um transdutor de entrada produz uma saída elétrica que é representativa do mensurando de entrada. Sua saída é condicionada e pronta para uso pelos eletrônicos receptores como PLC ou DCS .

A eletrônica receptora pode ser um indicador, controlador, computador, PLC , DCS etc. O termo “transmissor”, como comumente usado na instrumentação de controle de processos industriais, tem uma definição mais estreita do que a de um sensor ou transdutor:

Transmissor 4-20 mA

Um transmissor é um transdutor que responde a uma variável medida por meio de um elemento sensor e o converte em um sinal de transmissão padronizado (como 4-20mA), que é uma função apenas da variável medida.

Os transmissores podem ter vários esquemas de conexão elétrica. A mais comum e mais fácil de usar é a configuração de dois fios, alimentada por loop. Essa é geralmente a configuração básica para sistemas de controle de processos industriais quando a comunicação digital não é necessária. Conforme mostrado na figura abaixo, apenas dois fios são usados ​​para acomodar a energia do transmissor e o sinal de saída do transmissor.

Para facilitar um sistema de controle em malha fechada, as informações do processo devem ser obtidas antes que um controlador possa determinar que ação pode ser exigida por um elemento de controle. Alguns nomes populares para os dispositivos sensores que fornecem as informações são sensores, transdutores e / ou transmissores.

A corrente de loop padrão é geralmente de 4 a 20 mA. Parâmetros importantes de calibração com um loop de corrente são Zero, escala completa e amplitude. Com a faixa de 4- a 20mA, a corrente do loop é normalmente de 4 mA quando o mensurando ou Variável de Processo está em zero e 20 mA quando o mensurando ou Variável de Processo está em seu valor máximo. A diferença entre zero e escala completa, 16 mA, é chamada de Spam. Assim, o intervalo corresponde ao intervalo indicado do mensurando ou variável de processo.

Ao considerar um transmissor de fluxo, por exemplo, a faixa do mensurando ou Variável de Processo é de 0,0 a 100,0 m3 / h, correspondendo a uma corrente de loop de 4 a 20 mA (o intervalo de saída é de 16 mA); o fator de escala de saída é 0,16 mA / (m3 / hora) (que é 100 m3 / hora 16 mA).

Trabalhos do transmissor 4-20mA

Pressupostos: Padrão + 24V DC com 20mA

Em geral, o canal da placa de entrada analógica PLC / DCS fornece 24 VDC com o fechamento do loop a corrente máxima no padrão de instrumentação de corrente de 20mA .

Caso 1: Variável de Processo @ 0%

O cartão de entrada analógica PLC / DCS disponibiliza uma tensão de 24 vdc para o transmissor 

Um  um par fios é usado para alimentar o transmissor e o mesmo cabo é usado para para enviar o valor de corrente gerado pelo transmissor na faixa de corrente de 4-20mA.

O transmissor recebe + 24V DC, conforme o valor lido da variável gera uma corrente correspondente dentro da faixa padrão conforme já mencionado.

Já no cartão de entrada analógica esse recebe o sinal de corrente gerado pelo transmissor e converte esse sinal em tensão elétrica em um valor de tenção que varia dentro da faixa padrão de tensão de 1-5 vdc. No prático, haverá uma queda de tensão no loop.

O transmissor possui uma função reguladora de corrente embutida que é usada para regular a corrente do circuito. O transmissor será configurado com LRV, URV e outros detalhes da variável de processo. A corrente do loop será variada / alterada pelo transmissor conforme a variável de processo medida.

A corrente de 4-20 mA será convertida em padrão de 1 a 5 V DC usando um resistor de precisão de 250 ohms. 

O PLC apenas reconhece sinais digitais e sendo então a placa de entrada analógica converte a tensão recebida através de um circuito específico em sinal digital , então esse sinal será utilizado pelo PLC para fazer o controle necessário assim como indicar nas IHM. 

Exemplo: um transmissor de vazão com faixa de 0 a 100 m3 / h. O transmissor indica 0 m3 / h, pois não há fluxo na linha. O DCS / PLC alimenta o transmissor com + 24V DC, 20mA. Como a variável de processo é de 0 m3 / h, o transmissor regula a corrente do loop para 4mA e sua tensão equivalente é de 1 V DC, medida pelo conversor A / D, que indica 0% da variável de processo.

Nota: A corrente do loop será a mesma no início ou no final ou em qualquer ponto do loop. Apenas para facilitar a compreensão, os sinais de 20mA e 4 mA são mostrados na animação.

Na prática, quando medimos a corrente em qualquer ponto do loop, a corrente de saída do transmissor será encontrada, ou seja, 4mA conforme a figura acima, portanto, assuma que o sistema DCS / PLC energize o loop com + 24V DC, 20mA (geralmente os sistemas fornecem mais 20mA) enquanto o transmissor regula a corrente do loop entre 4mA e 20mA conforme sua configuração e valor variável do processo em tempo real.

Se você deseja medir a potência do circuito PLC / DCS, ou seja, 20mA (conforme a figura acima), desconecte o transmissor do circuito e conecte o multímetro em série ao DCS / PLC para medir a corrente do circuito. E o cabo de um par é um cabo de par trançado.

Caso 2: variável de processo a 50%

O mesmo princípio se aplica. O transmissor ajusta a corrente do loop de acordo com a variável de processo.

A única diferença é que o elemento sensor do transmissor altera sua saída, pois a variável do processo varia de 0% a 50%. O transmissor regula a corrente do loop conforme o elemento sensor.

Exemplo: A variável do processo indica 50 m3 / h. O transmissor regula a saída para 12mA no loop conforme a faixa configurada e a variável de processo medida e sua tensão equivalente é de 3 V DC, medida pelo conversor A / D, que indica 50% da variável de processo.

Caso 3: variável de processo a 100%

O mesmo princípio se aplica. O transmissor ajusta a corrente do loop de acordo com a variável de processo.

A única diferença é que o elemento sensor do transmissor altera sua saída, pois a variável do processo varia de 50% a 100%. O transmissor regula a corrente do loop conforme o elemento sensor.

Exemplo: A variável do processo indica 100 m3 / h. O transmissor regula as saídas para 20mA no loop de acordo com a faixa configurada e a variável de processo medida e sua tensão equivalente é de 5 V DC, medida pelo conversor A / D, que indica 100% da variável de processo.

Variáveis ​​medidas ou de processo

Embora quase todos os tipos de transdutores possam ser configurados como transmissores, os tipos mais comuns de controle de processos industriais incluem medidores ou variáveis ​​de processo, como temperatura, pressão, vazão, nível etc.

Os transmissores para medir outros parâmetros terão as mesmas possibilidades para os métodos de conexão e comunicação, com as principais diferenças no projeto do elemento sensor do transmissor e no equipamento eletrônico, o mesmo com pequenas modificações no software.

Loops (circuitos) de dois fios

A principal vantagem de um loop de dois fios é que ele minimiza o número de fios necessários para executar a energia e o sinal. O uso de um loop de corrente para enviar o sinal também tem as vantagens da sensibilidade reduzida ao ruído elétrico e aos efeitos de carregamento.

O ruído elétrico é reduzido porque os dois fios são executados como um par trançado, garantindo que cada um dos dois fios receba o mesmo vetor de energia de fontes de ruído, como campos eletromagnéticos devido a uma mudança de corrente em um condutor próximo a motor elétrico. Como os receptores  eletrônicos conectados ao transmissor são projetados para ignorar sinais no modo comum, o ruído elétrico resultante no modo comum é ignorado.

A sensibilidade aos efeitos de carregamento é reduzida porque a corrente no par trançado não é afetada pela resistência adicional de longos cabos. Um cabo longo ou outra resistência em série causará uma queda de tensão maior, mas não afetará o nível de corrente, desde que haja conformidade suficiente de tensão no circuito para fornecer a corrente de sinal.

A conformidade do circuito para lidar com uma determinada queda de tensão de dispositivos de loop adicionais depende do circuito de saída do transmissor e da tensão da fonte de alimentação. 

A fonte de alimentação típica para transmissores industriais é de +24 VCC.

Onde o sinal de loop de corrente está conectado ao equipamento receptor principal (PLC / DCS) ou ao sistema de aquisição de dados, normalmente é conectado um resistor de carga de precisão de 250 ohms. Isso converte o sinal de corrente de 4 a 20 mA em um sinal de 1 a 5 volts, uma vez que é prática padrão configurar o conversor analógico-digital do equipamento receptor (PLC / DCS) como uma entrada de detecção de tensão.

Transmissores a  três e ou  quatro fios

Em contraste com a configuração do circuito de corrente de dois fios, alguns dispositivos de circuito de corrente requerem uma conexão de três ou quatro fios. Eles não são alimentados por loop e, portanto, possuem meios separados para fornecer energia adicionando um ou dois fios.

Em uma configuração de quatro fios , os fios do circuito de corrente podem ser um par trançado e a fonte de alimentação um par trançado separado. Isso preserva a capacidade de rejeitar interferências elétricas e magnéticas no modo comum. Isso não é tão eficaz em uma configuração de três fios devido à conexão comum para o caminho da corrente de retorno.

Porém, normalmente, quando um engenheiro de instrumentação especifica um transmissor de loop de corrente para controle de processos industriais, supõe-se que um dispositivo de 4 a 20 mA com alimentação de loop de dois fios seja destinado. Outros sinais de dados também podem ser impressos no mesmo par de fios ou, alternativamente, várias técnicas de comunicação digital podem ser usadas em vez de um loop de corrente, se necessário.

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Conceitos básico de 4-20 mA

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