O loop de corrente de 4-20 mA é um padrão de sinal de sensor muito robusto. A disciminação do uso de circuitos de corrente são ideais para transmissão de dados devido aà sua inerente insensibilidade ao ruído elétrico. Em um loop de corrente de 4-20 mA, toda a corrente de sinalização flui através de todos os componentes; a mesma corrente flui mesmo se as terminações do fio forem menos que perfeitas. Todos os componentes no loop soltam a tensão devido à corrente de sinalização que flui através deles. A corrente de sinalização não é afetada por essas quedas de tensão, desde que a tensão da fonte de alimentação seja maior que a soma das quedas de tensão ao redor do circuito na corrente máxima de sinalização de 20 mA.
A Figura 1 mostra um esquema do loop de corrente mais simples de 4-20 mA. Existem basicamente quatro componentes: 1. Uma fonte de alimentação DC; 2. Um transmissor de 2 fios; 3. Um resistor receptor que converte o sinal de corrente em uma tensão; 4. O fio que interconecta Os dois símbolos "Rwire" representam a resistência dos fios correndo para os sensores e de volta para a fonte de alimentação (a fonte de alimentação significa placas IO ou barreiras).
Na Figura 1, a corrente fornecida pela fonte de alimentação flui através do fio para o transmissor e o transmissor regula o fluxo de corrente dentro do circuito. A corrente permitida pelo transmissor é chamada de corrente de “loop” e é proporcional ao parâmetro que está sendo medido. A corrente de loop flui para o controlador através do fio, e então flui através do resistor “Rreceiver” para o terra e retorna para a fonte de alimentação (placa IO ou barreira). A corrente que flui através do receptor produz uma tensão que é facilmente medida por uma entrada analógica de um controlador, (para um resistor de 250Ω, a tensão será de 1 VCC a 4 mA e 5 VCC a 20 mA)
Componentes de Loop de Corrente 4-20mA:
1. A fonte de alimentação
Fontes de alimentação para transmissores de 2 fios devem sempre ser CC, porque a mudança no fluxo de corrente representa o parâmetro que está sendo medido. Se a energia CA fosse usada, a corrente no circuito mudaria o tempo todo. Portanto, a mudança no fluxo de corrente do transmissor seria impossível de distinguir da mudança no fluxo de corrente causada pela fonte de alimentação CA.
Para circuitos de 4-20 mA com transmissores de 2 fios, as tensões comuns de alimentação são de 36 VCC, 24 VCC, 15 VCC e 12 VCC. Circuitos de corrente usando transmissores de 3 fios podem ter fontes de alimentação CA ou CC. A fonte de alimentação CA mais comum é o transformador de controle de 24 VAC ou 230A Ac. Antes de ligar qualque instrumento deve-se certificar de verificar a literatura de instalação de qualquer transmissor quanto aos requisitos de tensão adequados.Para um transmissor de 2 fios, a fonte de alimentação é uma placa IO no Gabinete de Sistema ou uma Barreira no Gabinete de Controle.
2. O Transmissor
O transmissor é o coração do sistema de transmissção com sinalização em corrente de 4-20 mA. Este é o dispositivo usado para transmitir dados de um sensor através do loop de corrente de dois fios. Um sinal de saída do transmissor em qualquer loop de corrente, age como um resistor variável em relação ao seu sinal de entrada esse entendimento é a chave para entendimento do sistema de transmissão de sinal 4-20mA. O transmissor converte o sinal da variável do processo real, como ex: fluxo, velocidade, posição, nível, temperatura, umidade, pressão, etc., no sinal de controle necessário para regular o fluxo de corrente no circuito de corrente. O nível de corrente de loop é ajustado pelo transmissor para ser proporcional ao sinal de entrada real do sensor. Uma diferença importante é que o sinal transmitido não é a corrente no circuito, mas sim, a representação do o sinal do sensor. O transmissor normalmente usa uma saída de 4 mA para representar a entrada zero calibrada ou 0% e a saída de 20 mA para representar um sinal de entrada em escala total calibrado ou 100% Geralmente, a potência dos transmissores é de 12 a 36 VDC. A tensão mais baixa é a tensão mínima necessária para garantir a operação adequada do transmissor. A voltagem mais alta é a voltagem máxima que o transmissor pode suportar e operar de acordo com as especificações declaradas. Um equívoco comum sobre transmissores é que eles fonte para corrente do circuito , mas o transmissor não é a fonte da corrente. Em vez disso, é um circuito de dissipação de corrente conectado em série que tentará extrair corrente de uma fonte de alimentação conectada aos seus terminais de saída. A corrente no circuito é o meio pelo qual o sinal do sensor é transmitido. A corrente que flui através do transmissor é proporcional ao sinal de entrada que está sendo medido. Quando calibrada corretamente, esta corrente irá variar de 4 a 20mA ao longo do alcance de seu sinal de entrada do sensor. O transmissor também fará concessões para suportar níveis de corrente de saída abaixo da faixa e acima da faixa.
3. O Resistor do Receptor
É muito mais fácil medir uma voltagem do que medir uma corrente. Portanto, muitos circuitos de loop de corrente (como o circuito na Figura 1) usam um Resistor Receptor (Receptor) para converter a corrente em uma voltagem. Na Figura 1, o receptor é um resistor de precisão de 250Ω. A corrente que flui através dele produz uma tensão que é facilmente medida por uma entrada analógica de um controlador.
Para o resistor de 250Ω, a tensão será de 1 VCC a 4 mA de corrente de loop e 5 VCC a 20 mA de corrente de loop. O resistor receptor mais comum em um circuito de 4-20 mA é de 250Ω; no entanto, dependendo da aplicação, resistências de 100Ω a 750Ω podem ser usadas.
4. O fio
O impacto da resistência do fio no loop de corrente é frequentemente ignorado, pois geralmente contribui para uma queda de tensão insignificante em distâncias curtas e pequenas instalações. No entanto, ao longo de longas distâncias de transmissão, essa queda pode ser significativa e deve ser levada em conta, já que algumas instalações de loop atuais usarão fios distribuídos em centenas e até milhares de metros . Para ilustrar o impacto da resistência do fio, a tabela a seguir lista a resistência dos medidores comuns de fio de cobre. O envio de corrente através de um fio produz uma queda de tensão proporcional ao comprimento e espessura (calibre) do fio. Geralmente, o cabo de espessura de 1,5mm² será preferido. No entanto, dependendo da aplicação ou do projeto da instalação, 0,5mm², 2,5mm², 3mm², 6mm², etc… também serão usados.
Todo fio tem resistência, geralmente expresso em Ohms por Km.
A queda de tensão pode ser calculada usando a lei de Ohm:
E = I x R E = a tensão através do resistor em volts; I = a corrente que flui através do condutor em amperes; R = resistência do condutor em Ohms.
Resistências de fio para medidores de fio comuns são mostradas na Tabela 1 acima.
Como exemplo do possível impacto que a resistência do fio pode ter em uma instalação, vamos supor que conectamos nossos elementos de loop usando 1000m pés de 24 AWG. Note que 1000m é o comprimento total de ida e volta do fio. Assim, podemos calcular uma resistência de ((1000* 85Ω) / 1000) = 85Ω. Isso resultará em uma queda de tensão de 0,058A * 85Ω = 4,93V em uma corrente máxima de loop de 22mA.
Se você tiver que fazer esses tipos de cálculos com frequência, mas não tiver um AWG Copper Wire Chart à mão, poderá aproximar a resistência do fio de um determinado calibrador ao confirmar três pontos na memória:
· O fio de cobre de 40 AWG é de aproximadamente 85Ω por Km (consulte a Tabela 1)
· 24AWG é 85Ω por 1000m ou 0,085Ω por m).
Por exemplo, para aproximar a resistência do fio de cobre 24AWG, sem precisar se referir a uma tabela, você pode fazer as contas em sua cabeça da seguinte forma: Lembrando que o 40AWG é 1 / Km. Então 10AWG mais baixo é 30AWG e um décimo disto, ou 0.1Ω / pé. Então 3 AWG mais baixo é 27AWG em uma metade disto, ou 0.05Ω / pé. Então, 3 AWG menor em 24AWG é metade disso, ou 0,025Ω / pé. Agora, verifique isso na Tabela 1 e observe que o fio 24AWG é, na verdade, 26,17Ω por 1000 pés, ou 0,02617Ω por pé. Nossa aproximação é inferior a 5% do valor da Tabela 1. Você notará pequenas diferenças nos valores de resistência do fio de fabricante para fabricante.
Insensibilidade ao ruído elétrico
A maior vantagem de usar um loop de corrente para transmissão de dados é a insensibilidade inerente de um loop atual ao ruído elétrico. Cada transmissor tem alguma resistência de saída associada a ele. Idealmente, a resistência de saída do transmissor atual seria infinita. No entanto, os transmissores do mundo real têm resistências de saída muito grandes, mas não infinitas. Essa resistência de saída pode ser representada como um resistor em um esquema esquemático.
O esquema esquemático à direita (Figura 2) mostra as resistências dos componentes de um loop de corrente de 4-20 mA com uma fonte de ruído adicionada ao loop. Devido à alta resistência de saída do transmissor (3.64MegΩ), a grande maioria da tensão de ruído é transmitida pelo transmissor, e apenas uma pequena fração é lançada no receptor. Como o controlador vê apenas a tensão no receptor, a tensão de ruído quase não tem efeito sobre o controlador.
Exemplo de redução de ruído de loop de corrente:
Se a fonte de ruído na Figura 2 tiver uma amplitude de 20 Volts, então a voltagem de ruído vista através do Receptor é de apenas 0,0014 volts. Isso ocorre porque a tensão de ruído medida em qualquer resistor é igual aos Ohms do resistor dividido pelo total de Ohms no circuito multiplicado pela tensão de ruído.
Ruído de tensão no receptor
Vnoise x Receptor / (Rwire + Rtransmitter + Receptor)
Viseise = 20 x 250 / 3.640.260 = 0,0014 volts
A voltagem através do Receptor de 20 mA da corrente de loop é de cinco volts. Adicionando 0,0014 volts de ruído é apenas 0,028% de cinco volts, o que é um erro insignificante.
Se a fonte de alimentação da Figura 1 for variada, de tal forma que a voltagem caiu através do transmissor varia de 7 a 24 VDC, a corrente de saída somente muda em 0,000005 amps, ou 5 microamperes. Isso equivale a apenas 0,00125 volts no resistor Rreceiver de 250Ω, o que é uma flutuação insignificante.
O que torna a transmissão do sinal de 4-20mA tão atraente?
Embora tenhamos revisado alguns dos fundamentos dos loops de corrente de dois fios de 4-20 mA e os elementos de loop básicos, e temos uma ideia de como eles funcionam juntos, consideremos algumas das vantagens da transmissão de sinal de 4 a 20 mA.
Provavelmente, a maior vantagem de usar um loop de corrente para transmissão de sinal é a baixa sensibilidade do loop atual ao ruído elétrico. Isso é muito importante para a transmissão de longa distância em ambientes industriais adversos. Como um sistema geralmente de baixa impedância, é muito menos sensível ao ruído induzido do que, talvez, a entrada de alta impedância de um amplificador de tensão. As correntes injetadas por fontes típicas de ruído geralmente não são mais do que algumas centenas de microamperes, geralmente insignificantes para o alcance de 16mA. O uso de um “Live Zero” também melhora a relação sinal / ruído em níveis baixos, permitindo-nos discernir com precisão os baixos níveis de sinal sem adicionar ruído ou interferência. Outra vantagem do loop de corrente de 4-20 mA é que ele é essencialmente sem perdas em relação ao meio de transmissão (fio) e às interconexões (conectores). Ou seja, a precisão do sinal não é afetada pela queda de tensão na fiação de interconexão. Isso permite que a transmissão do sinal ocorra a longas distâncias, com condutores variados. Compare isso com os sinais de tensão, que sempre terão uma perda de sinal associada ao comprimento dos fios - a corrente do sinal de 4-20 mA não exibe nenhuma perda de sinal nesse mesmo cenário. A Lei atual de Kirchoff nos ensina que a corrente em um loop é equivalente em qualquer ponto do loop. Ou seja, se você estiver lendo 12mA na entrada do seu receptor, pode ter certeza de que 12mA está passando pelo seu transmissor.
O 4mA “Zero-Offset”, “Live Zero” ou “Positive-Zero” é Failsafe. O uso de 4mA como ponto de partida para o nosso sinal transmitido é útil na resolução de problemas, pois a integridade do sinal é verificada com 0% do sinal de entrada e saída. Um loop de corrente com falha devido a um intervalo de partida ou dispositivo aberto pode ser imediatamente identificado como fluxo de corrente zero, que é um nível de falha segura fora do alcance do sinal. Ao compensar o sinal de zero, alguns transmissores definirão um limite de alarme um pouco abaixo de 4mA e diferente de zero, permitindo que um receptor detecte outras falhas no sistema, como uma interrupção do sensor de entrada. Ter um zero ao vivo em seu sistema de controle também permite que você defina o “zero” de seu dispositivo controlado (isto é, uma válvula de atuador ou outro dispositivo) um pouco abaixo de 4mA para mantê-lo completamente DESLIGADO. Você não conseguiria fazer isso com uma saída 0-20mA com base zero. Um “Live Zero” de 4mA também permite que o loop de corrente de dois fios ligue o transmissor, simplificando a instalação e reduzindo custos.
O loop de corrente de 4-20 mA também permite que dispositivos “Receptor” adicionais sejam conectados em série no loop sem perda de sinal. Ou seja, desde que a alimentação de tensão do circuito tenha capacidade suficiente para acionar as quedas de tensão IR adicionais dos dispositivos adicionados, e sua tensão não exceda a tensão nominal máxima do transmissor. Por exemplo, você pode optar por conectar um medidor de painel, um registrador de tendência e um cartão de entrada PLC em série no mesmo loop de corrente. O transmissor de loop manterá a corrente adequada no loop, até a capacidade de tensão do loop. O número de dispositivos receptores adicionais que você pode adicionar é limitado apenas pelo nível de tensão disponível. O padrão de transmissão de 4-20 mA também possui baixa energia inerente, minimizando sua capacidade de acoplar ruído em outros sistemas e também reduzindo suas emissões irradiadas. Compare isso com os sistemas pneumáticos mais antigos que usam compressores ineficientes de alta potência de até 50 HP para impulsionar o ar comprimido através de suas linhas de controle.
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