UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA YFACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICAELECTRÓNICA

INFORME PRÁCTICA CALIFICADA NÚMERO 3

SECCION “M”

ALUMNO / CODIGO :

CHAMOCHUMBI INDARA Joseph Manuel / 20072026K

PROFESOR :

ING. Juan Francisco Tisza Contreras

COD. CURSO:

EE – 435M

2012-I

IMPLEMENTACIÓN DE CIRCUITOS TRANSMISORES

Los circuitos transmisores son utilizados ampliamente debido a su confiabilidad. Las lecturas de los sensores no son estándar y varían incluso en unidades y rangos. Un Pt-100, nos entrega un valor de resistencia que depende la temperatura, un termopar entrega un valor del orden de mili-voltios. En sistemas automatizados no es aceptable fiarse de esto, un procesador no puede avocar tareas de cómputo a estar acondicionando la señal, pues estas pueden ser de diversos tipos y rangos. Es por esto que se crean estándares para las señales. Uno de los más conocidos y utilizados es el protocolo de 4 a 20 mA.

Este protocolo existe desde los años 50, y sirve para controlar y monitorear señales, debido a su inmunidad al ruido, su bajo costo de implementación y su habilidad para llevar señales a largas distancias, son los sistemas ideales para un ambiente industrial.

En un sistema de lazo de corriente se aplica la ley de Kirchoff referente a la corriente. Según esta ley la suma de las corrientes que llegan a un punto es igual a la suma de las corrientes que sale. A saber en un lazo toda la corriente en el nodo inicial, debe llegar al nodo final.

Dicho esto, podemos medir la corriente en cualquier punto del sistema y obtener el mismo resultado. Un hecho especial a tener en cuenta es que normalmente se utiliza cable UTP para transmitir la señal, en este caso el ambiente puede distorsionar la señal por el efecto de campos magnéticos ajenos al sistema o a nuestro control. Para contrarrestar este efecto utilizamos cable STP, el cual es apantallado y blindado, de este modo anulamos las interferencias magnéticas externas.

Un lazo de corriente se compone por la fuente de poder, el transductor, una tarjeta de adquisición de datos y el cableado que conecta todo en serie.

La fuente de poder energiza el sistema, el transductor regula la corriente en el lazo, 4mA representa un valor mínimo, y 20 mA representa el máximo. Un valor medido de 0 mA significa que el lazo está abierto. El sistema de adquisición de datos mide el flujo de corriente. Un método efectivo es utilizando una resistencia Shunt entre los pines de un amplificador, como se muestra en la figura, para convertir la corriente a un voltaje proporcional y amplificar.

Diseño de un lazo de corriente

Lo primero es seleccionar un transductor, independientemente de la variable a medir, debemos tener en cuenta el nivel de voltaje de la fuente. Esto es por dos motivos, para lograr un compromiso con el diseño del sistema (si el nivel de voltaje es bajo) y para no dañar al componente (si el nivel de voltaje es muy alto).

Una vez elegido el transductor debemos elegir qué tipo de adquisición de datos tendremos. Un aspecto importante en la selección de la tarjeta de adquisición de datos es evitar lazos de tierra. Un método común es el aislamiento eléctrico del dispositivo.

Un lazo de tierra se produce cuando dos terminales conectados tienen dos niveles de voltaje, tierra, distintos. Esto produce errores de tipo offset.

Aislar eléctricamente el dispositivo significa que dado que la corriente no puede atravesar la barrera aislante la referencia de tierra del amplificador puede estar al mismo nivel que la tierra del transductor. De este modo se evita crear lazos a tierra.

El aislamiento eléctrico también previene que los voltajes en modo común dañen el equipo. El voltaje de modo común es el voltaje presente en el nodo + y el nodo – del dispositivo amplificador. En la figura por ejemplo ambos + y – están por encima de 14 voltios en modo común, cuando muchos de estos amplificadores tan solo soportan 10 voltios. Aunque el voltaje en modo normal es tan solo de 2 voltios, el voltaje de trabajo es de 16 voltios. Esto sería destructivo para un dispositivo cuyo voltaje de trabajo sea pequeño, como normalmente es. La presencia de la barrera aisladora hace posible darle un valor a la tierra del dispositivo de adquisición de datos distinta a la exterior, en el ejemplo lo podemos colocar a 14 voltios. De este modo la tierra de la tarjeta ajusta el voltaje de trabajo a 2 voltios. Hay que tener en cuenta que las barreras tienen también un nivel de voltaje que pueden aislar.

Finalmente debemos elegir una fuente de poder adecuada, lo cual es relativamente sencillo. Supongamos que se quiere diseñar un transmisor para el siguiente caso:

Se mide presión.

Transductor localizado a 2000 pies del dispositivo de medición, tensión de alimentación de 12 V mínimo y 30 V máximo. Una corriente es generada, la cual provee al operador con información acerca de lo medidor por el sensor.

Para adquirir datos se calibra una resistencia Shunt, cuyo valor típico es cercano a los 249 Ohm.

Calculamos la caída de tensión en la resistencia:

i∗R=V

0.004 A∗249Ω=0.996V

0.02 A∗249Ω=4.98V

De este modo tenemos una relación lineal entre la corriente de 4 a 20 mA la tensión de 1 a 5 V, esta señal se puede digitalizar o se puede trabajar directamente sobre ella, depende ya del tipo de control que se esté utilizando y los recursos disponibles.

Dado que el transductor trabaja con un mínimo de 12 voltios, podemos afirmar:

V parcial dela fuente=12V+0.02∗249V=12+5V=17V

Cuando tengamos el mínimo de corriente habrá sobre el transductor:

17−0.996=16.004V

Este valor es menor a 30 voltios por lo que aparentemente no hay ningún problema. Sin embargo los cables tienen una resistencia a tener en cuenta. Para 2000 metros de cable de cobre tenemos una alta resistencia, a saber por cada 100 pies de cobre hay una variación de 2.62 Ohm. Teniendo en cuenta además que son dos pares de cables de 2000 pies. Entonces la resistencia de los cables es 2*2000*2.62/100, lo que equivale a 104.8 Ohm. La caída de tensión debido a los cables es:

0.02 A∗104.8=2.096V

Esto es para el peor de los casos, de modo que necesitamos 19.096 V para alimentar el sistema. Es posible elegir entonces una fuente de 24 voltios, con esta el transductor estará funcionando con 17 voltios en sus bornes, aun muy por debajo de 30 V.

Hasta el momento hemos asumido que el transductor producirá una corriente de 4 a 20 mA, pero como se implementa esto es algo que depende exclusivamente del sensor utilizado. Hoy en día existen diversos circuitos integrados, unos se limitan a un solo tipo de sensor, por termopar J o termopar K exclusivamente, otros abarcan un gran rango de sensores, termopares, resistencias que varían con la temperatura tipo Pt-100 o Pt -1000, etc. Estos últimos son los más versátiles en un ambiente industrial dado que podemos realizar un test al sensor, recalibrar zero y span, indicarle que otro sensor ha sido colocado, todo esto mediante software de computador o dispositivos tipo Hand Held.

Ejemplos notables:

A continuación presentare implementaciones típicas que utilizan circuitos integrados y otras que usan transmisores que hoy en día podemos encontrar en la industria.

LM35

Este circuito integrado nos sirve para medir temperatura entre -55ᵒC y 150ᵒC, esto lo hace a través de uno de sus tres pines, los otros dos son utilizados para alimentación.

La variación es lineal, 10 mV/ᵒC, es decir que para -55ᵒC tenemos -550 mV a la salida, y para 150ᵒC tenemos 1500 mV a la salida.

El rango de alimentación del sensor está entre 4 y 30 voltios DC. En la figura, el pin de la derecha es la alimentación de fuente y el de la izquierda es la masa, o tierra, el pin central es el voltaje de salida.

Tenemos entonces el sensor, debemos ahora configurar una red alrededor de este de modo que obtengamos una corriente que varié de 4 a 20 mA.

Utilizaremos un regular de tensión LM317 para controlar la corriente que circula en el circuito. Este regulador sigue la siguiente regla. Entre el pin de ajuste (ADJ) y el pin de salida (OUT) hay siempre 1.25 voltios, esto es por la configuración interna del integrado. Colocamos 24 voltios en la entrada, que pueden tener algún nivel de rizado, y mediante un diodo protegemos a la fuente.

En lugar de R1 introducimos un potenciómetro de modo que Iout puede ser controlador, una limitación de este regulador es que como máximo podemos obtener 1 amperio en la salida, pero para nuestro caso esto es mucho más que suficiente.

En la siguiente configuración mostrada. Buscaremos tener una corriente de 4 a 20 mA en la resistencia R3, que puede ser la resistencia de un sistema que adquiere datos o bien la resistencia de los cables que llevan a un indicador, etc.

Diseñemos esta rama, para las siguientes condiciones.

Temperatura (ᵒC) I R3 (mA)

Vout LM35 – GND LM35 (mV)

0 4 050 12 500 100 20 1000

Se cumple lo siguiente:

V out LM 35=IR3∗R3

V out LM 35−V GND LM 35=10mV℃

∗T (℃ )

V GND LM 35=IOUT LM 317∗Rpot 2

IOUT LM 317=1.25Rpot 1

Reemplazando:

IR3∗R3−1.25Rpot 1

∗Rpot 2=10mV℃

∗T (℃)

Deseamos hallar, R3, Rpot2 y Rpot1 para el rango de temperatura elegido.

IR3=4mA y T=0℃

El término de la derecha se hace cero y queda:

4mA∗R3= 1.25R pot 1

∗R pot 2

R3=312.5Rpot 1

∗R pot2óR3312.5

=Rpot 2Rpot 1

Para las otras condiciones:

IR3=20mA yT=100℃

La ecuación queda como sigue:

20mA∗R3− 1.25Rpot 1

∗Rpot 2=1V

Reemplazando la relación de Rpot2 a Rpot1:

201000

∗R3− 1.25312.5

∗R3=1

Resolviendo obtenemos R3:

0.016∗R3=1 Finalmente:

R3=62.5Ω

La relación de Rpot2 a Rpot1 queda:

R pot 2R pot 1

=0.2

Por esta razón es que se coloca potenciómetros, pues así podemos ajustar esta relación de una manera sencilla, y sin depender de los valores comerciales de resistencia. Todo el sistema está alimentado con 24 voltios DC. La red del transistor esta para dar la corriente necesaria y para alimentar el LM35.

AD595

El AD595 es un instrumento amplificador completo y un compensador de juntura fría para termopar, todo en un circuito integrado. Combina una referencia de cero grados centígrados con un amplificador pre-calibrado para producir una salida alta (10mV/ᵒC) directamente desde la señal de la termopar.

Dependiendo de la configuración utilizada se puede tener un amplificador lineal compensado, o un como controlador de referencia para un control de temperatura. También puede ser utilizado para amplificar el voltaje de compensación directamente, es así que se convierte en un transductor Celsius con una salida de voltaje con baja impedancia.

PX605

Transductor de presión PX605.

Lazo de corriente para transductor PX605.

Con este tipo de transductor hay que tener cuidado con las detenciones súbitas así como con las sobrecargas súbitas en la presión pues se puede destruir el dispositivo. Genera una corriente de 4

mA para 0 psi, y 20 mA para 30 psi. Como cualquier dispositivo de instrumentación es susceptible a histéresis (±0.2% de la escala total), tiene linealidad aproximada y una determinada precisión (±0.4% de la escala total).

Transmisor de presión diferencial

Este dispositivo mide la presión en dos puntos y nos da una salida proporcional a la diferencia de presión entre estos dos puntos. Por ejemplo se le puede instalar en la base de un tanque, entrada High, en este caso tenemos en High la presión de la altura del liquido sumada a la presión atmosférica, por lo que la entrada Low es dejada abierta de modo que mide la presión atmosférica, la salida es entonces la presión por la altura del liquido.

Lazo de corriente para transductor de presión diferencial.

Estos transmisores además tienen una salida en protocolo de 4 a 20 mA, inclusive se conectan con un computador por el puerto serial permitiendo calibrarlos a distancia y tener una grafica en tiempo real de la presión medida. Esto involucra otro protocolo de comunicación llamado HART, el cual no es parte de esta monografía, sin embargo podemos decir que estos utilizan en el computador software Foxboro.

Transductor de presión diferencia Foxboro.

YTA70-E

El YTA70-E es un transmisor que utiliza el protocolo de 4 a 20 mA para transmitir lecturas de temperatura, obtenidas de termopares J, K, etc. e inclusive de resistencias tipo Pt-100. Recordemos que los tipos de señales son totalmente distintos, uno en mili voltios y el otro en ohmios. La sigla E al final del nombre indica que funciona con protocolo de 4 – 20 mA y HART.

Transmisor de temperatura YTA70-E.

Internamente contiene una electrónica compleja, un CPU, que permite comunicarse mediante un modulo HART hacia un dispositivo Hand Held, una memoria EEPROM, convertidores analógico digital y viceversa así como una fuente de 0 a 16 mA. Además en la línea de entrada contiene una fuente de corriente de 4 mA.

Diagrama interno del YTA70.

Dispositivo programador de campo Hand Held.

Este tipo de transmisor como se ha mencionado se comunica con un Hand Held, a través de los pines 1 y 2, que podemos utilizar de varias maneras, como un simple indicador, en este modo nos muestra la corriente de salida y calcula basado en el rango de trabajo que hemos elegido el valor de la variable medida. Podemos ajustar el Upper Range y el Lower Range, siempre y cuando estén dentro del rango del sensor. Finalmente podemos también indicarle al transmisor el tipo de sensor con el que se está trabajando y el tipo de conexión.

Entre los diagramas de conexión más utilizados tenemos los siguientes:

Conexiones típicas para YTA70-E.

Circuitos de prueba

Existen circuitos que generan corrientes de 4 a 20 mA a voluntad, variando un potenciómetro. Esto sirve para realizar pruebas sobre circuitos receptores rápidamente. Esto es especialmente útil porque algunas variables tardan mucho en ir desde su valor mínimo a máximo, por ejemplo un tanque de agua de 100 metros de altura, tardara muchísimo en llenarse y deberemos esperar para obtener una salida de 20 mA. Con estos circuitos podemos probar indicadores de tipo digital, verificar la calibración.

Circuito de prueba para receptores.

El circuito mostrado genera una salida de 4 a 20 mA a la salida, esta corriente varia con el potenciómetro RV1 de 200 ohm. Para un valor cercano a cero ohm, que en la realidad no existe pues los potenciómetros tienen una resistencia mínima, tenemos una salida de 4 mA, y para el potenciómetro en toda su escala tenemos 20 mA. El nodo 3 y 2 del OPAMP tienen el mismo potencial, de modo que este variara en la resistencia R6 a medida que movemos el potenciómetro. La resistencia R6 está entre el nodo 2 y tierra, de modo que la corriente a través de ella es el potencia en el nodo 2 entre su valor. El valor del voltaje en el nodo 3, debe ser entonces “encerrado” en un determinado rango. Del árbol de resistencias concluimos que el voltaje entre los bornes de RV1 varía entre 160 mV y 800 mV. Este voltaje aparece en el nodo 2 también, y por lo tanto, si para 160 mV queremos 4 mA y para 800 mV queremos 20 mA, necesitamos una resistencia R6 igual a 40 Ohm.

Todo lo demás en el circuito esta como protección. El diodo Zener es opcional y sirve para regular la tensión. El MOSFET brinda la corriente necesaria. El diodo D3 proporciona una tensión negativa, aunque pequeña de, -0.65V, es suficiente para alimentar los OPAMP. C2 y D1 protegen al MOSFET de corrientes externas.

Circuito de recepción

Los circuitos de recepción están dedicados exclusivamente al tratamiento de la señal de corriente. Simplemente se necesita medir el voltaje en la resistencia del medidor, se presenta dos métodos, el primero adecua la señal a una salida de 0 a 4 voltios, y el segundo digitaliza la información mediante un micro controlador.

Circuito de recepción.

El amplificador operacional ubicado en la entrada se encarga de crear un voltaje que depende de la corriente que ingresa, en la entrada de la resistencia R3, de modo que no hay una carga resistiva de entrada. Esto se logra precisamente con el input 2 de U1:A. Para 4 mA en la entrada tenemos 1 voltio. Esto se resta con el OPAMP ubicado al final del circuito. El voltio de offset se ajusta con el potenciómetro. De no utilizar el buffer de ingreso, entonces elevar el valor de R1 sería una solución que brinda un resultado muy similar, de modo que el conjunto R1//R3+R5 se mantenga a 250 Ohm. Sin embargo había un error respecto del método presentado de alrededor de 1%, lo cual en una escala pequeña como es la utilizada, de 4 a 20 mA, resulta significativa. Para 20 mA tenemos 5 voltios en la salida, por el voltio creado en offset tenemos 4 voltios a la salida. Otro punto a tener en cuenta es que la temperatura hará que varíen los valores resistivos por lo que hay que calibrar el potenciómetro continuamente.

El protocolo para actuadores

Existe en el mercado un dispositivo denominado convertidor I/P. Este dispositivo convierte energía eléctrica en neumática. Mediante una bobina que ejerce fuerza sobre una manguera, esta fuerza es proporcional a la corriente que recibe y por ende la presión es proporcional a la corriente. El convertidor I/P recibe una entrada constante de 20 psi y en la salida proporciona de 3 a 15 psi, escalado de 4 a 20 mA.

Diagrama de funcionamiento de convertidor I/P.

La única limitación de estos dispositivos es el caudal de aire que pueden suministrar, que puede ser relativamente bajo, del orden de los 100 a 1000 litros por minuto.

Circuito con convertidor I/P para controlar una válvula.

De este modo se puede cerrar un lazo de control basándonos únicamente en el protocolo de 4 a 20 mA, probando su eficacia y robustez.