Solución de problemas de lazos de corriente con mediciones de voltaje: cuando lo único que tenemos es un voltimetro

05 Febrero 2011

 

Si en caso de que no podamos interrumpir el lazo por cuestiones operativas, y que ningun componente (diodo) es pre-instalado en el lazo, y ademas si no tenemos un instrumento para medir el efecto hall como una pinza amperimetrica, un instrumentista puede aun realizar diagnosticos para solucion de problemas usando nada más que un Volimetro DC. Aqui, sin embargo, debemos tener mucho cuidado a la hora de interpretar estas medidas de voltaje, desde que estamos medidas pueden no ser directamente proporcionales a la corriente del lazo.

 

 

En el siguiente ejemplo vemos un lazo de 4-20mA, donde el controlador envia una señal de salida a un convertidor I/P.

 

 

Aqui, no hay una resistencia estandarizada para las bobinas del convertidor I/P, y por tanto la cantidad de caida de voltaje a traves de los terminales del I/P para cualquier cantidad de corriente de lazo será unica para todos los modelos de convertidores I/P.  El convertidor I/P Fisher modelo 567 fabricado para señales 4-20mA tiene una resistencia de bobina nominal de 176 ohms. Por tanto, nosotros esperaremos ver una caida de voltaje de aproximadamente 0.7 voltios a 4mA y un caida de voltaje aproximada de 3.5 voltios a 20mA a traves de los terminales del I/P. Desde que los terminales de salida del controlador esta directamente en paralelo con los terminales del I/P, esperaríamos ver aproximadamente el mismo voltaje tambien alli (ligeramente mayor debido a la resistencia del cable). La falta de conocimiento preciso de la resistencia de bobina del I/P hace dificil decir exactamente cuanta corriente está en el lazo para cualquier medida de voltaje que tomamos con un voltimetro. Sin embargo, si nosotros conocieramos aproximadamente la resistencia de la bobina del I/P, podemos al menos obtein un estimado de la corriente del lazo, la cual es usualmente suficiente para propositos de diagnóstico.

 

Si la resistencia de la bobina del I/P fuera completamente desconocida, la medida de voltaje vendría a ser una cantidad totalmente inutil para determinar la corriente en el lazo. La medida de voltaje sería util solo para determinar la continuidad del lazo (por ejemplo si hay una interrupcion en el cableado entre el controlador y el I/P o no).

 

Otro ejemplo en consideración es este transmisor loop-powered de 4-20mA y un controlador, donde el controlador provee la energia DC al lazo:

 

 

Es muy común encontrar controladores con su propia fuente para alimentar al lazo, debido a la gran popularidad de los transmisores loop-powered (2 hilos). Si sabemos que el transmisor requiere un voltaje DC en algun lugar del circuito para alimentarlo, eso nos hace pensar que deberiamos incluirlo en el controlador cierto? :D.

 

La unica medida de voltaje que es directamente y precisamente proporcional a la corriente del lazo es el voltaje a traves de la resistencia de precision de 250 Ohm. Una corriente de lazo de 4mA provocará un caida de voltaje de 1 voltio, con 12mA caerá 3 voltios, con 20mA caerá 5 voltios, etc.

 

La medida de voltaje a traves de los terminales del transmisor mostrará la diferencia del voltaje entre los 26 voltios DC de la fuente y la caida de voltaje a traves de las resistencia de 250Ohm. En otras palabras, El voltaje en los terminales del transmisor es simplemente la resta del voltaje de la fuente de 26 voltios menos la caida de voltaje en la resistencia. Esto hace que el voltaje en los terminales del transmisor sea inversamente proporcional a la corriente del lazo: el transmisor mira aproximadamente 25 voltios a 4mA de corriente de lzo (0% de señal) y aproximadamente 21 voltios a 20mA de corriente de lazo (100% de señal). El usar el termino "aproximado" es totalmente intencional aqui, para fuente de lazo energizados son por lo general no regulados. En otras palabras, los "26 voltios" es aproximadamente y sujetos a cambios!!!.

 

Una de las ventajas de los tranmisores loop-powered es que la fuente de voltaje es totalmente irrelevante, siempre y cuando exaceda el valor necesario para asegurar una adecuada energizacion del transmisor. Si la fuente de voltaje se desviará por alguna razon, no tendría impacto en la medida de la señal dado que el transmisor esta construido con reguladores de corriente, las cuales en el lazo ante cualquier valor siempre representa la medida del proceso, sin tener en cuenta los pequeños cambios en la fuente de voltaje del lazo,cableado, resistencias, etc. Este rechazo a los cambios de voltaje en la fuente de alimentacion nos dice que la fuente no necesita ser regulada, aunque en la practica es muy raro.

 

Ahora, esto nos lleva aun problema comun en los transmisores loop-powered 4-20mA: mantener el voltaje suficiente en los terminales del tranamisor. Recalquemos que un transmisor loop-powered se basa en la caida de voltaje en sus terminales (combinado con una corriente de al menos 4 mA) para  poder trabajar internamente. Esto significa que el voltaje en sus terminales no debe ser menor a un minimo, o sino el transmisor no tendrá suficiente energía para hacer su funcionamiento normal. Esto hace que sea posible "dejar de hambre" de voltaje al transmisor si la tension en el lazo es insuficiente y/o si la resistencia del lazo es excesiva.

 

 

Para ilustrar como esto puede ser un problema, consideremos el siguiente medida de una lazo 4-20mA, donde el controlador provee solo 20 voltios DC al lazo, y un indicador incluido en el circuito provee al operador la medida del transmisor:

 

 

El indicador tiene su propia resistencia de 240 Ohm para proveer una señal de 1-5 voltios para el sensado en el indicador. Estos significa que la resistencia total ha crecido de 250 Ohm a 500Ohm (mas la resistencia del cableado). A corriente maxima (20mA), esta resistencia total hara caer (al menos) 10 voltios, dejando 10 voltios o menos en los terminales del transmisor para energizarlo. Con 10 voltios es muy probable que no sea suficiente para que el transmisor operare exitosamente, aunque, el transmisor de presion Rosemount modlo 3051 por ejemplo, requiere de minimo 10.5 voltios en sus terminales para operar.

 

Sin embargo, el transmisor operará solo en un hasta alguno niveles de corriente del lazo, cuando la corriente del lazo es solo 4mA, por ejemplo, la suma de caidas de voltajes a traves de las dos resistencis de 250 Ohms será solo 2 voltios, dejando cerca de 18 voltios en los terminales del transmisor: mas que suficiente para practicamente cualquier modelo de transmisor loop-powered pueda operar. Por tanto, el problema de insuficiencia de fuente de voltaje solo se manifiest cuando el proceso mide cerca del rango del 100%. Esto podría ser un problema serio para realiar diagnostico, desde que solo aparece durante unas condiciones de proceso y no en otras. Un instrumentista puede testear solo las fallas de cableado (perdida de coneciones, terminales corroidos, etc) y nunca pero nunca encontrará el problema.

 

Cuando un transmisor loop-powered esta falto de voltaje, su funcionamiento es erroneo. Esto es especialmente cierto en transmisores "inteligentes" con un microprocesador dentro. Si el voltaje en los terminales cae por dejo de lo requerido, el microprocesador simplemente se apagará. Como resultado tendremos un ciclo lento de on/off de la corriente del transmisor, lo cual hace creer al controlador que la variable de proceso esta creciendo enormemente. El problema desaparece, tan pronto como el voltaje en los bornes sea mayor al minimo para trabajar.

 

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/.

Sitio Web: instrumentacionycontrol.net/foros/ Email Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.