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La señal 4-20mA y su proporción a variables fisicas: nunca esta de mas repasarlo

23 Enero 2011

 

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:

 

 

Esta señal de 4-20mA tambien es usada para sistemas de control para comandar posicionadores en una valvula 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 (aun hoy en dia) 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).

 

 

La relacion entre estas dos señales depender enteramente de la respuesta del controlador. No hay razon para decir que las dos señales van a ser iguales, por que representan dos cosas totalmente diferentes. De hecho, si el controlador es de accion inversa, es totalmente normal que las dos señales sean inversamente proporcionales, cuando la señal de proceso PV de incrementa va hacia el controlador de accion inversa entonces la señal de salida se decrementara. Si el controlador es puesto en modo "manual" por el operador, la señal de salida no sera automaticamente 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:

 

 

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

y = mx + b

 

Donde:

y = Salida del intrumento

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 ecuacion lineal para predecir cualquier valor para y dado un valor x, y vice-versa. Esto sera muy util para nosotros cuando busquemos determinar el valor de señal 4-20mA de salida de cualquier transmisor, o la posicion de vastago de una valvula ente una salida de señal 4-20mA, o cualquier otra correspondencia entre una señal 4-20mA y alguna variable fisica.

 

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

 

 

Para la ecuacion 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 %).

 

 

 

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

 

 

Ahora que tenemos nuestra ecuacion completa podemos describir la relacion entre la señal 4-20mA y un señal de apertura 0-100%, podemos usarla para determinar cuantos miliamperios representan cuaquier 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 grafica

 

 

Entonces haríamos algo como esto:

 

 

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

 

 

 

José Carlos Villajulca

Soy un apasionado ingeniero especializado en Control, Automatizacion e Instrumentación Industrial. Con mas 9 años de experiencia desarrollando proyectos y manteniendo sistemas de control en diversas plantas industriales. Soy director y webmaster de InstrumentacionyControl.NET y de MyAutomationClass.com. Cualquier consulta o comentario lo puedes hacer en la parte de abajo y escribiendo nuestro foro: http://instrumentacionycontrol.net/foros/.

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