¿Por qué los dispositivos analógicos prefieren utilizar una señal de transmisión de 4~20 mA?

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4-20mA. El sistema de señales de corriente continua (1-5V.DC) es el estándar de transmisión de señales analógicas utilizado por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) en los sistemas de control de procesos. Nuestro país también adopta este sistema de señales estándar internacional; las señales transmitidas por los instrumentos son de tipo 4-20 mA.DC, mientras que las señales recibidas son de tipo 1-5 V.DC. En otras palabras, se utiliza un sistema de señales en el que la transmisión se realiza mediante corriente y la recepción mediante voltaje. La corriente de señal en los instrumentos y dispositivos en general es de 4-20 mA; es decir, la corriente mínima es de 4 mA y la máxima, de 20 mA. Al transmitir señales, como también existe resistencia en los cables, si se utiliza voltaje para la transmisión, se generará una cierta caída de voltaje dentro de los cables. Esto provoca errores en la señal que llega al receptor. Por eso, generalmente se utiliza una señal de corriente como método estándar de transmisión en los transmisores. I. ¿Qué es el sistema de señalización 4~20mA.DC (1~5V.DC)? Señal de 4~20 mA.DC (1~5 V.DC): es la norma para señales analógicas en sistemas de control de procesos, establecida por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC). Nuestro país comenzó a adoptar este sistema de señales estándar internacional a partir de los instrumentos eléctricos tipo DDZ-Ⅲ; estos instrumentos transmiten señales en el rango de 4~20 mA.DC, mientras que las señales de comunicación se transmiten en el rango de 1~5 V.DC. En otras palabras, se utiliza un sistema de señales basado en la transmisión de corriente y la recepción de voltaje. Principio de funcionamiento del circuito de corriente 4~20mA: En los entornos industriales, se utiliza un amplificador de instrumentación para procesar la señal y permitir su transmisión a largas distancias. Sin embargo, esto genera algunos problemas: primero, como la señal transmitida es una señal de voltaje, las líneas de transmisión pueden verse afectadas por ruidos ； En segundo lugar, la resistencia distribuida de la línea de transmisión provoca una caída de voltaje ； En tercer lugar, también es un problema cómo proporcionar la tensión de operación del amplificador de instrumentos en el sitio. Para resolver los problemas mencionados y evitar la influencia del ruido asociado, utilizamos corriente eléctrica para transmitir las señales, ya que la corriente no es sensible al ruido. El rango de corriente de 4 a 20 mA significa que 4 mA representa una señal nula, mientras que 20 mA representa el valor máximo de la señal. Las señales que están por debajo de 4 mA o por encima de 20 mA se utilizan para detectar diversos tipos de fallos. II. ¿Cuáles son las ventajas del sistema de señales 4~20 mA.DC (1~5 V.DC)? Los instrumentos de campo pueden funcionar en modo de dos cables. En este sistema, la fuente de alimentación y la carga están conectadas en serie, compartiendo un mismo punto de conexión. La comunicación de señales y el suministro de energía entre el transmisor de campo y los instrumentos de la sala de control se realizan mediante solo dos cables. Dado que la corriente de inicio de la señal es de 4 mA.DC, esto proporciona una corriente de funcionamiento estática para el transmisor. Al mismo tiempo, el punto cero eléctrico del instrumento también es de 4 mA.DC; este valor no coincide con el punto cero mecánico. Este “punto cero dinámico” facilita la detección de fallos como interrupciones en el suministro de energía o cortes en los cables. Además, el sistema de dos líneas también facilita el uso de barreras de seguridad, lo que contribuye a la protección contra explosiones. Los instrumentos de la sala de control utilizan transmisión de señales en paralelo de voltaje; los instrumentos que pertenecen al mismo sistema de control comparten un terminal común, lo que facilita la detección de los instrumentos, su ajuste, así como la conexión con ordenadores y dispositivos de alarma. La razón por la cual se utilizan señales de 4~20 mA.DC para la comunicación entre los instrumentos en el sitio y los instrumentos en la sala de control es que, dado que la distancia entre ambos lugares es grande, la resistencia de los cables de conexión es elevada. Si se utilizaran señales de voltaje para la transmisión a larga distancia, la división de voltaje entre la resistencia de los cables y la resistencia de entrada del instrumento receptor generaría errores significativos. En cambio, al utilizar señales de corriente constante para la transmisión, siempre y cuando no haya ramificaciones en el circuito de transmisión, la corriente en el circuito no cambiará dependiendo de la longitud de los cables, lo que garantiza la precisión de la transmisión. La razón por la cual se utilizan señales de comunicación de 1~5 V.DC entre los instrumentos de la sala de control es para facilitar que varios instrumentos reciban la misma señal, así como para simplificar el cableado y la creación de diversos sistemas de control complejos. Si se utiliza una fuente de corriente como señal de conexión, cuando varios instrumentos reciben la misma señal, sus resistencias de entrada deben conectarse en serie. Esto hace que la resistencia de carga máxima supere la capacidad de carga del instrumento transmisor. Además, los potenciales negativos de las señales en cada instrumento receptor son diferentes, lo que genera interferencias. Tampoco es posible proporcionar alimentación eléctrica de forma centralizada. Se utiliza una señal de fuente de voltaje para la comunicación. La señal de corriente que se utiliza para comunicarse con los instrumentos en el sitio debe ser convertida en señal de voltaje. La forma más sencilla de hacerlo es conectar una resistencia estándar de 250Ω en serie en el circuito de transmisión de corriente, de modo que los valores de 4~20mA.DC se conviertan en 1~5V.DC. Por lo general, este proceso es realizado por un distribuidor de señales. III. ¿Por qué se elige la señal de 4~20 mA.DC para transmitir los datos desde el transmisor? 1. En primer lugar, se tienen en cuenta las consideraciones de seguridad en la aplicación en campo. La prioridad en materia de seguridad radica en el uso de instrumentos a prueba de chispas, y se parte del principio de controlar la energía de los mismos, reduciendo al mínimo el consumo energético estático y dinámico necesario para que los instrumentos funcionen correctamente. Transmisor que emite una señal estándar de 4~20 mA.DC; su voltaje de alimentación suele ser de 24 V.DC. La razón principal para utilizar un voltaje continua es que no es necesario emplear condensadores e inductores de gran capacidad. Solo hay que tener en cuenta la capacitancia y la inductancia distribuidas en los cables que conectan el transmisor con los instrumentos de la sala de control. Por ejemplo, en un cable de 2 mm2, la capacitancia distribuida es de aproximadamente 0,05 μ/F/km ； Para una línea sencilla, la inductancia es de aproximadamente 0,4 mH/km ； **Un valor inferior al necesario para hacer explotar el hidrógeno es, obviamente, muy beneficioso desde el punto de vista de la prevención de explosiones. 2. Para la transmisión de señales, es mejor utilizar fuentes de corriente en lugar de fuentes de voltaje. Dado que la distancia entre el sitio donde se encuentra el equipo y la sala de control es grande, y la resistencia de los cables es elevada, si se utilizan señales de voltaje para la transmisión a larga distancia, debido a la resistencia de los cables y a la resistencia de entrada del instrumento receptor, se producirán errores significativos. En cambio, si se utilizan señales de corriente para la transmisión, siempre y cuando no haya ramificaciones en el circuito de transmisión, la corriente en el mismo no cambiará dependiendo de la longitud de los cables, lo que garantiza la precisión de la transmisión. 3. Razón por la cual se elige una corriente máxima de señal de 20 mA: La elección de una corriente máxima de 20 mA se basa en consideraciones relacionadas con la seguridad, la practicidad, el consumo de energía y el costo. Los instrumentos de chispa segura solo pueden utilizar voltajes y corrientes bajas: una corriente de 4–20 mA y 24 V DC. Esto también es seguro para el hidrógeno inflamable. Para el hidrógeno a 24 V DC, la corriente necesaria para provocar una explosión es de 200 mA, lo cual es mucho más que los 20 mA. Además, hay que tener en cuenta la distancia entre los instrumentos en el lugar de producción, así como la carga que deben soportar ； También están los problemas de consumo energético y costos, los requisitos para los componentes electrónicos, las necesidades de potencia de alimentación, entre otros factores. 4. La razón por la cual se elige una corriente de inicio de señal de 4 mA es que los transmisores con salida de 4~20 mA suelen ser de tipo de dos cables. En este sistema, la fuente de alimentación y la carga están conectadas en serie, compartiendo un punto común. De esta manera, la comunicación de señales y el suministro de energía entre el transmisor en el sitio y los instrumentos en la sala de control se realizan mediante solo dos cables. ¿Por qué la señal de inicio no es de 0 mA? Esto se basa en dos puntos: primero, el circuito del transmisor no puede funcionar sin una corriente de funcionamiento estática; la corriente de inicio de la señal es de 4 mA.DC, y esta no coincide con el punto cero mecánico. Este “punto cero dinámico” facilita la detección de fallos como cortes de energía o interrupciones en las conexiones. IV. ¿Cuál es el origen de los sensores de 4~20mA? La razón para utilizar señales de corriente es que no son susceptibles a interferencias, además, la resistencia interna de la fuente de corriente es infinita. La resistencia de los cables conectados en serie en el circuito no afecta la precisión, y se pueden transmitir cientos de metros a través de cables coaxiales comunes. La razón por la cual se utilizan señales de corriente es que no son susceptibles a interferencias. En los entornos industriales, la amplitud de las tensiones de ruido puede llegar a varios voltios, pero la potencia del ruido es muy baja; por lo tanto, la corriente generada por el ruido suele ser inferior a los nA. Así, los errores que esto provoca en la transmisión de señales de 4–20 mA son muy pequeños ； La resistencia interna de la fuente de corriente tiende a ser infinita; por lo tanto, la resistencia de los cables conectados en serie en el circuito no afecta la precisión. Así, es posible transmitir señales a través de cables coaxiales comunes a distancias de cientos de metros ； Debido a la alta resistencia interna de la fuente de corriente y a su salida de corriente constante, en el extremo receptor basta con colocar una resistencia de 250 ohmios conectada a tierra para obtener una tensión de 0–5 V. La ventaja de un receptor con baja impedancia de entrada es que el ruido de corriente de orden nA genera solo un ruido de tensión muy leve. El límite máximo de 20 mA se establece debido a los requisitos de protección contra explosiones: la energía de las chispas generadas por la interrupción del flujo eléctrico de 20 mA es insuficiente para encender el gas. La razón por la cual el límite inferior no se establece en 0 mA es para poder detectar cortocircuitos: en condiciones normales de funcionamiento, el valor no es inferior a 4 mA. Cuando la línea de transmisión sufre un cortocircuito, la corriente de circuito cerrado disminuye a 0. Se suele utilizar 2 mA como valor de alarma por interrupción de la conexión. Los transmisores de tipo corriente convierten las magnitudes físicas en una salida de corriente de 4~20 mA; por lo tanto, es necesario que cuenten con una fuente de alimentación externa para funcionar. Lo más típico es que el transmisor necesite dos cables de alimentación, además de dos cables para la salida de corriente; en total, se requieren 4 cables. A este tipo de transmisor se le denomina transmisor de cuatro cables. Por supuesto, la salida de corriente puede compartir el mismo cable que la fuente de alimentación para VCC o GND, lo que permite ahorrar un cable; a este tipo de transmisor se le denomina transmisor de tres cables. De hecho, es posible que todos hayan notado que la corriente de 4-20 mA puede servir para alimentar al transmisor. El transmisor funciona en el circuito como una carga especial; lo que lo hace especial es que la corriente de consumo del transmisor varía entre 4 y 20 mA, en función de la señal de salida del sensor. Para que el indicador funcione, basta con conectarlo en serie en el circuito. Este tipo de transmisor solo necesita 2 cables de conexión, por lo que se denomina transmisor de dos líneas. El límite inferior para la corriente en los estándares industriales es de 4 mA; por lo tanto, siempre y cuando esté dentro del rango de medición, el transmisor recibirá al menos 4 mA de alimentación. Por lo tanto, la señal de salida de 4-20 mA generalmente no se ve afectada por interferencias y es segura y fiable; por eso, en la industria se utiliza ampliamente la señal de alimentación de 4-20 mA en sistema de dos cables. Pero, para poder procesar mejor las señales provenientes de los sensores, actualmente existen otras formas de señales de salida: 3.33 MV/V ； 2MV/V ； 0-5V; 0-10V, etc.