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Señal analógica 4-20mA

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La forma mas popular para transmitir señales en instrumentacion industrial, aun hoy en dia, es el estandar 4 a 20 miliamperios DC. Esta es una señal estandar, que significa que la señal de corriente usada es usada proporcionalmente para representar señales de medidas o salidas (comandos).

Tipicamente, un valor de 4 miliamperios de corriente representa 0% de medida, y un valor de 20 miliamperios representa un 100% de la medida, y cualquier otro valor entre 4 y 20 miliamperios representa un porcentaje entre 0% y 100%.

Por ejemplo, si estamos calibrando un transmisor de temperatura a 4-20mA para medir rango de 50 a 250 grados °C, podriamos representar los valores de corriente y temperatura como el siguiente grafico:

Gráfica lineal temperatura

Esta señal de 4-20mA tambien es usada para sistemas de control para comandar posicionadores en una válvula de control o en variadores de velocidad. En estos casos, el valor de miliamperios no representa una medida del proceso, pero si un grado el cual el elemento final de control influye en el proceso. Tipicamente (¡pero no siempre!) los 4 miliamperios comandan a cerrar la valvula de control o parar un motor, mientras que 20 miliamperios comandan a abrir totalmente una valvula de control o poner un motor a su maxima velocidad.

Por tanto, casi todos (aún hoy en día) los sistemas de control usan dos diferentes señales de 4-20mA: una para representar variables de proceso (PV) y una para representar comandos hacia un elemento final de control (la variable manipulada o MV).

Diagrama de flujo de proceso

La relación entre estas dos señales depende enteramente de la respuesta del controlador. No hay razón para decir que las dos señales van a ser iguales, por que representan dos cosas totalmente diferentes. De hecho, si el controlador es de acción inversa, es totalmente normal que las dos señales sean inversamente proporcionales, cuando la señal de proceso PV de incrementa va hacia el controlador de acción inversa, entonces la señal de salida se decrementará. Si el controlador es puesto en modo "manual" por el operador, la señal de salida no sera automáticamente proporcionada a la señal de entrada PV del todo, en cambio esta señal sera totalmente manipulada a gusto del operador.

Proporcionando señales 4-20mA a variables medidas

Una señal 4 a 20 mA representa alguna señal en una escala de 0 a 100 en porcentaje. Usualmente, es una escala lineal, como:

Escalamiento 4-20mA

Siendo una función lineal, podemos usar la ecuación de una recta para proporcional las señales medidas a sus respectivos valores de corriente:

y = mx + b

Donde:

y = Salida del instrumento

x = Entrada del Instrumento

m = Pendiente de la recta

b = punto de intercepto respecto a y (por ejemplo el "live zero" cero del rango del instrumento)

Una vez determinada los valores adecuados para m y b, podemos entonces usar esta ecuación lineal para predecir cualquier valor para y dado un valor x, y vice-versa. Esto sera muy útil para nosotros cuando busquemos determinar el valor de señal 4-20mA de salida de cualquier transmisor, o la posición de vástago de una válvula ente una salida de señal 4-20mA, o cualquier otra correspondencia entre una señal 4-20mA y alguna variable física.

Antes que podamos usar la ecuación para cualquier propósito, debemos determinar los valores de la pendiente (m) y el intercepto (b) apropiados para el instrumento que deseamos aplicar la ecuación. Luego, veremos algunos ejemplos para hacer esto.

Para la ecuación lineal mostrada, podemos determinar el valor de la pendiente (m) dividiendo el "rise" entre el "run" es decir los rangos en miliamperios (4-20mA) y rango de apertura (0 -100 %).

Ecuación lineal 4-20mA

Ecuación

Para calcular el intercepto (b), todo lo que necesitamos hacer el resolver la ecuación en un punto determinado (x - y). En este caso probamos el punto (0,4) es decir a 0% tenemos 4 miliamperios y calculamos:

Ecucación2

Ahora que tenemos nuestra ecuación completa podemos describir la relación entre la señal 4-20mA y un señal de apertura 0-100%, podemos usarla para determinar cuantos miliamperios representan cualquier porcentaje de señal. Por ejemplo, supongamos que necesitamos convertir un porcentaje de 34.7% a su correspondiente señal de corriente de 4-20mA, como se representa en la siguiente gráfica:

Control de válvula de proceso

Entonces haríamos algo como esto:

Relación de señal

Por tanto, 34.7% es equivalente a 9.552 miliamperios en una rango de señal de 4-20mA.

Fuente: instrumentación y recursos - cursos libres

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