Fundamentos de circuitos de corrente de 4 a 20 mA

Fundamentos de circuitos de corrente de 4 a 20 mA

O que é um circuito de corrente de 4-20 mA?

Correntes de 4 a 20 mA são comumente usadas para conectar sinais de processo a um controlador em aplicações industriais. O princípio de usar um circuito de 4 a 20 mA é que uma faixa de processo, por exemplo, de 0 a 100 graus, é refletida por uma faixa correspondente de 4 a 20 mA, facilitando a interface com os equipamentos conectados.

Às vezes, utiliza-se um sinal de tensão analógica ou comunicações digitais, mas existem muitas vantagens em usar um circuito de corrente para enviar valores de processo ao controlador.

Neste artigo, analisaremos mais detalhadamente os princípios por trás dos circuitos de corrente padrão da indústria de 4 a 20 mA.

Por que usar corrente em vez de tensão?

Para entender isso, primeiro precisamos compreender os conceitos básicos de corrente , tensão e resistência:

• Corrente:
  Corrente é o fluxo de elétrons através de um circuito. Uma corrente de 1 ampère equivale a um fluxo de 6,24 x 10¹⁸ elétrons por segundo. Para medir a corrente, abra um circuito e insira um amperímetro nele. Dessa forma, todos os elétrons devem fluir através do medidor, garantindo uma medição precisa da corrente. Unidade de medida: Ampère, símbolo: A.
• Resistência:
  A resistência é a oposição à passagem da corrente elétrica. Se a resistência aumenta, a corrente diminui. Para medir a resistência, desconecte o componente que apresenta resistência do circuito e, em seguida, use um ohmímetro para medir a resistência desse componente. Unidade de medida: Ohm, símbolo: Ω.
• Tensão:
  A tensão é a diferença de carga elétrica entre dois pontos de um circuito. Existe uma diferença de carga elétrica se os elétrons em um ponto estiverem em um nível de energia diferente em comparação com os elétrons no outro ponto, ou se houver mais elétrons do mesmo nível de energia em um ponto em comparação com o outro. Uma diferença de carga elétrica de 1 V é energia suficiente para gerar uma corrente de 1 A através de uma resistência de 1 Ω. Para medir a tensão, conecte o voltímetro em paralelo com dois pontos do circuito. Unidade de medida: Tensão, símbolo: V.

A Lei de Ohm define como a corrente, a tensão e a resistência se relacionam em um circuito:

• Corrente = Tensão/Resistência
• Tensão = Corrente x Resistência
• Resistência = Tensão/Corrente

Para ilustrar a Lei de Ohm, vamos analisar uma pilha AA típica:

A carga no terminal esquerdo (ponto A) é negativa em comparação com a carga no terminal direito (ponto B). Nesta bateria, a diferença de carga (a voltagem) é de 1,5 V.

Quando um circuito é conectado à bateria, ele cria um caminho para a corrente fluir do terminal positivo para o terminal negativo. A lâmpada no circuito a seguir tem uma resistência de 5 Ω. Essa resistência regula a quantidade de corrente que flui pelo circuito.

Corrente = Tensão/Resistência, portanto a corrente que flui ao redor da espira é 1,5 V / 5 Ω = 0,3 A.

A quantidade de corrente que flui pode ser alterada modificando-se a resistência ou a tensão do circuito. A maioria dos circuitos de corrente encontrados em aplicações industriais são alimentados por uma fonte fixa de 24 V, portanto, a corrente no circuito é alterada variando-se a oposição à passagem da corrente.

O que é um transmissor de laço?

Um transmissor de loop mede uma variável de processo e regula a corrente do loop entre 0,004 e 0,02 A (4 mA…20 mA), variando a oposição ao fluxo de corrente no loop. Os transmissores de loop podem medir praticamente qualquer variável de processo, como temperatura , pressão, nível ou vazão.

No exemplo abaixo, um transmissor de loop mede um sensor de temperatura. O transmissor é programado para regular a corrente de loop entre 4 e 20 mA, correspondendo às leituras de um medidor de miliampere de 4 a 20 conforme a temperatura varia de 0 a 100 °C.

Um controlador de processo também é conectado ao circuito para medir a corrente do circuito. O símbolo de resistência neste diagrama representa o controlador; a maioria possui uma resistência fixa de 250 Ω. O próprio fio do circuito também possui alguma resistência, que deve ser considerada ao calcular o balanço de tensão do circuito (mais sobre isso adiante).

Em um circuito em série, a corrente é comum, portanto a corrente de loop regulada pelo transmissor e a corrente medida pelo controlador são idênticas.

Interferência eletromagnética

Para garantir medições de processo precisas, é importante minimizar o erro devido à interferência eletromagnética (EMI) .

O que é interferência eletromagnética?

A interferência eletromagnética (EMI) é a interferência causada pelos campos eletromagnéticos gerados por dispositivos elétricos ou eletrônicos durante sua operação. A EMI é comumente encontrada em ambientes industriais, e algumas fontes são: inversores de frequência, soft starters, contatores de linha, rádios móveis, ruído de 50/60 Hz da rede elétrica, anéis coletores de geradores, comutadores de motores CC e descarga eletrostática gerada durante o processo ou por raios (reunimos mais informações sobre o assunto aqui ).

Os sinais de corrente são inerentemente mais imunes a interferências eletromagnéticas (EMI) do que os sinais de tensão, especialmente em longas distâncias. Essa é uma das grandes vantagens de usar corrente em vez de tensão para enviar medições de processo a um sistema de controle. Outros motivos pelos quais a faixa de 4 a 20 mA é um padrão amplamente estabelecido para uso em controle de processos são:

• Os sinais de tensão sofrem uma ligeira atenuação em longas distâncias devido à resistência dos fios. Isso é especialmente problemático se o nível do sinal for baixo (por exemplo, saídas de mV de células de carga). Ao contrário dos sinais de tensão, os sinais de corrente de 4 a 20 mA não sofrem atenuação em longas distâncias (dentro de certos limites). Não importa se o sensor de processo está separado do controlador por 5 m, 100 m ou até mais. A corrente regulada pelo transmissor é correta e idêntica em todo o circuito de corrente.
• Um fio rompido em um circuito de corrente resulta em uma corrente de 0 mA. Um controlador pode facilmente detectar esse nível de corrente anormalmente baixo como um erro no cabo. Se forem usados ​​sinais de tensão, a fiação rompida pode funcionar como uma antena, permitindo que a interferência eletromagnética local induza uma tensão nos fios de sinal. Isso torna mais difícil detectar uma ruptura no cabo se o controlador estiver medindo tensão.
• A maioria dos transmissores de corrente pode ser programada para regular a corrente para um nível excepcionalmente alto ou baixo caso o sensor falhe. Por exemplo, o transmissor pode regular a corrente do circuito para 3,5 ou 23 mA se o sensor termopar quebrar.

Orçamento de loop

No exemplo anterior, o transmissor regula o fluxo de corrente em um circuito alimentado por 24 V, e possui outro dispositivo, o controlador, conectado ao circuito.

Agora, se adicionarmos um registrador gráfico ao circuito, precisamos descobrir se o circuito ainda funcionará corretamente com a resistência adicional de 350 Ω. Para isso, calculamos o orçamento do circuito.

Como calcular um orçamento de ciclo:

Primeiro, determinamos a corrente máxima no circuito. Neste exemplo, o transmissor está configurado para aumentar a corrente no circuito para 23 mA se ocorrer um erro no sensor. Portanto, a corrente máxima em todo o circuito é de 0,023 A.

A Lei de Ohm afirma: Tensão = Corrente x Resistência. Portanto:

• A tensão necessária no circuito de controle é: 0,023 A x 250 Ω = 5,75 V.
• A tensão de circuito necessária para o registrador gráfico é de 0,023 A x 350 Ω = 8,05 V.

A folha de dados do transmissor indica que ele requer pelo menos 8 V para ser energizado.

Por fim, é preciso considerar o comprimento do fio . Neste exemplo, a distância entre o transmissor e o controlador/registrador gráfico é de 40 metros. Portanto, o comprimento total do fio do circuito é de 80 metros. Supondo que sejam utilizados fios com uma área de seção transversal de 0,445 mm², a resistência total do fio do circuito é de 10,7 Ω. Usando a Lei de Ohm: 0,023 A x 10,7 Ω = 0,25 V.

Agora, subtraia todas as quedas de tensão da fonte de tensão do circuito:

• Tensão do loop 24 V
  Tensão necessária para o controlador -5,75 V
  Tensão necessária para o registrador gráfico -8,05 V
  Tensão necessária para energizar o transmissor -8 V
  Tensão necessária devido à resistência do fio do circuito -0,25
  Tensão restante para alimentar outras cargas do circuito 1,95 V

Após calcularmos nosso orçamento, agora sabemos que esse circuito tem tensão mais do que suficiente para fornecer 23 mA a todas as cargas do circuito em caso de erro do sensor.

Proteção por fusível

O circuito deve sempre ser protegido contra corrente de curto-circuito adicionando-se um fusível. Este fusível protege o circuito contra corrente excessiva, caso ocorra um curto-circuito que ignore a regulação de corrente de 4 a 20 mA fornecida pelo transmissor. A corrente no circuito cairá para 0 mA se o fusível queimar e, como resultado, o controlador (medidor de 4 a 20 mA) e o registrador gráfico detectarão esse valor de corrente anormalmente baixo como um erro.

Transmissores de 2 fios versus transmissores de 4 fios

Os transmissores discutidos até agora são os chamados transmissores de "dois fios". Um transmissor de dois fios é energizado pela fonte de alimentação do loop, razão pela qual às vezes é chamado de transmissor "alimentado pelo loop".

Algumas vantagens dos transmissores de 2 fios:

• Não são necessários fios de alimentação separados na instalação.
• Custo mais baixo
• Eles podem estar localizados na cabeça do sensor (ou seja, muito perto do sensor).
• Eles têm um consumo de energia muito baixo.

No entanto, dependendo das suas necessidades, os transmissores de 4 fios podem ser a melhor opção.

Neste exemplo, a fonte de 24 V está conectada ao transmissor. Parte da sua energia é usada para energizar diretamente o transmissor, enquanto outra parte é usada para energizar o circuito de corrente de 4…20 mA.

Algumas vantagens dos transmissores de 4 fios:

• Há potência suficiente disponível para permitir recursos adicionais do transmissor, como saídas de contato e um visor integrado.
• Há energia suficiente disponível para permitir um nível mais elevado de excitação do sensor; por exemplo, quase todos os transmissores de células de carga são transmissores de 4 fios, porque cada célula de carga normalmente requer 10 V a 29 mA de excitação.
• Os transmissores de 4 fios podem ser energizados por tensão CA ou CC, enquanto os transmissores alimentados por loop são energizados apenas por tensão CC.

Transmissores de temperatura PR

Corrente ativa versus corrente passiva

Os dispositivos em um circuito de corrente podem ser ativos ou passivos. "Ativo", neste contexto, significa que um dispositivo possui uma fonte de tensão que alimenta o circuito. Pode haver apenas um dispositivo ativo em um circuito de corrente. Os dispositivos "passivos" são exatamente o oposto: eles não possuem sua própria fonte de tensão e, portanto, dependem de uma fonte externa. Você pode encontrar mais informações sobre sinais ativos/passivos aqui.