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Contenido 1. Seales analgicas de transmisin: ........................................................................................... 2

2. Fuente de corriente. .................................................................................................................. 4

3. Tipos de sensores: ..................................................................................................................... 5

3.1 Salida en tensin: ................................................................................................................ 5

3.2 Salida en resistencia: ........................................................................................................... 6

4. Adaptacin de la seal de los sensores: .................................................................................... 7

4.1. Adaptacin de una RTD PT-100 a un lazo de corriente 4-20mA. ....................................... 7

4.1.1 Obtencin de ecuacin lineal ....................................................................................... 7

4.1.2 Uso del puente de Wheatstone para obtener una salida en tensin .......................... 8

4.1.3 Escalamiento a rango 1-5V ........................................................................................... 9

4.1.4. Buffer ......................................................................................................................... 11

4.1.5 Inversor ...................................................................................................................... 11

4.2. Adaptacin de una termocupla tipo T a un lazo de corriente 4-20mA. ........................... 11

4.2.1 Obtencin de la ecuacin lineal ................................................................................. 11

4.2.2 Adaptacin de seal a 1-5v ........................................................................................ 12

5. Circuito integrado de lazo de corriente XTR-117 .................................................................... 13

5.1. Calculo de Io14

5.2. Calculo de resistencia mxima. ........................................................................................ 15

Bibliografia: ................................................................................................................................. 16

2

Lazo de corriente 4-20mA

1. Seales analgicas de transmisin: Los estndares de rangos de seales analgicas comnmente encontrados en la industria son

los siguientes:

rango unidades

Inmunidad EMI/RFI

Deteccin de fallos en el medio de transmisin

distancia

0 a 10 Volts Regular No Corta

1 a 5 Volts Regular Si Corta

0 a 20 mA Buena No Grande

4 a 20 mA Buena Si Grande

Como podemos observar en la tabla anterior, las seales de corriente llevan ventaja por sobre

las seales de tensin, esto se debe a que las seales de tensin se ven afectadas por la cada

de potencial (atenuacin de la seal de instrumentacin) en el conductor que comunica el

sensor/transmisor con el controlador/receptor

Esta situacin no se presenta en los lazos de corriente, esto debido a que estos aseguran una

corriente constante en el lazo que conecta la salida del transmisor con la entrada del receptor.

A su vez los cables que llevan seales de instrumentacin en tensin son afectados por las

interferencias electromagnticas, las cuales inducen corrientes (tensiones) en los conductores,

haciendo que las mediciones lleven error.

Esta situacin tampoco se presenta en los lazos de corriente, debido a que aseguran una

corriente constante en el lazo.

Por otro lado tenemos la propiedad de deteccin de fallos en el medio de transmisin, esto se

refiere a un posible estado de desconexin fsica entre el transmisor y el receptor de la seal de

instrumentacin, tomemos como ejemplo el rango de 0 a 10 voltios.

Como podemos observar, en el primer caso para una medicin de 3psi obtenemos una medicin

de 0v, pero en un segundo caso, tenemos un problema en el cable de transmisin, al estar el

circuito abierto, la tensin en el receptor se detecta como un 0v aun para una medicin de 8psi,

esto puede ser un gran problema, puesto que no podemos saber rpidamente si la medicin de

0v es correcta o si se trata de un error en la conexin o un problema en el cable.

3

Esta situacin se vera superada introduciendo un estado de error en la medicin, tal es el caso

de las seales en rango 1-5v y los lazos 4-20mA. Veamos un ejemplo con 1-5v.

Como podemos observar, ahora para una medicin de 3 psi tenemos una tensin de salida de

1V, y para el caso donde hay un problema en la conexin detectamos un circuito abierto (0v),

con este tercer estado podemos determinar de forma rpida si una medicin es correcta o es

un problema en la conexin, ahorrndonos muchos problemas.

Veamos el ejemplo con un lazo de 4-20mA.

Como podemos observar, al igual que con el lazo de 1-5V, al detectar una corriente en el lazo de

0mA podemos estar seguros de que no es una medicin real, sino que se trata de un error de

conexin o problemas en el cable.

Por otro lado las seales en unidades de tensin tienen otro inconveniente:

4

Como podemos apreciar en la figura, el transmisor de presin 1-5V a una presin de 15psi nos

enva una seal en tensin de 5V, pero dicha seal en tensin de 5V integra al receptor 1-5V,

esto debido a que el cable que une el transmisor y el receptor produce una cada de potencial,

no llegando una medicin correcta al receptor, esta falla es inherente a las seales de tensin.

Esta situacin es superada gracias a los lazos de corriente.

Como podemos observar, un lazo de corriente no se ve afectado con la cada de tensin

producida en el cable conductor, esto debido a que la tensin de salida del sistema vara en

funcin a la carga para asegurar siempre una medicin correcta en el rango 4-20mA.

Con todas estas consideraciones, llegamos a la conclusin que la forma de transmisin ms

robusta son los lazos de corriente y el ms conocido y ampliamente usado de ellos es el lazo de

4-20mA.

2. Fuente de corriente. Una fuente de corriente ideal es la que nos suministra una intensidad constante

independientemente del valor de la tensin en sus bornes

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En la realidad esto no se cumple y una fuente de corriente real estar constituida, por una fuente

de corriente ideal con una resistencia interna conectada en paralelo.

Si utilizamos una fuente de corriente real para alimentar a una resistencia Rc, la corriente a la

salida de la fuente real es menor que la corriente entregada por la fuente ideal, ya que parte se

pierde por la resistencia interna.

En la comparacin entre fuente o generador de tensin real y fuente o generador de intensidad

real, podemos apreciar que mientras que en el primero nos interesa que la resistencia interna,

Ri, sea muy pequea para que la cada de tensin interna y, en consecuencia, la prdida de

energa sea pequea; en el segundo, por el contrario, la resistencia interna, Ri , debe ser muy

grande para que la intensidad que se derive por ella, Ii ,sea pequea para disminuir la perdida

de energa interna.

3. Tipos de sensores: Usualmente los sensores (aquellos que estn en contacto directo con el proceso) tienen dos

tipos de seales de salida primaria.

3.1 Salida en tensin: Un ejemplo muy sencillo de ver y que tomaremos como referencia para la posterior simulacin es una termocupla.

Termocupla: Las termocuplas son los sensores de temperatura elctricos ms utilizados

en la industria. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un

extremo, al aplicar temperatura en la unin de los metales se genera un voltaje muy pequeo,

del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura. Este sera un esquema de ejemplo

de una termocupla cualquiera.

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Para el uso en nuestro ejemplo, usaremos una termocupla tipo T, cuyo rango de medicin va

desde los -270C hasta los 400C.

= 0.00142 + (3.64913105)

3.2 Salida en resistencia: Otro ejemplo tpico de sensores cuya medicin primaria esta en trminos resistivos es una rtd

RTD: Un RTD (del ingls: resistance temperature detector) es un detector de

temperatura resistivo, es decir, un sensor de temperatura basado en la variacin de la

resistencia de un conductor con la temperatura.

Al calentarse un metal habr una mayor agitacin trmica, dispersndose ms los

electrones y reducindose su velocidad media, aumentando la resistencia. A mayor

temperatura, mayor agitacin, y mayor resistencia.

El valor resistivo se rige por:

Para ejemplificar usaremos una RTD pt100.

7

Podemos observar que la aproximacin lineal de la RTD PT100 es:

= 100.07762 + (0.38491)

4. Adaptacin de la seal de los sensores: El circuito de fuente de corriente 4-20mA que usaremos necesita una entrada de tensin entre

1-5V para dar como salida un valor de corriente, por tanto es necesario adaptar la salida de los

sensores tanto del tipo resistivo como de tensin a esos valores.

4.1. Adaptacin de una RTD PT-100 a un lazo de corriente 4-20mA. Las RTD son sensores del tipo resistivo, dicho valor resistivo ha de ser convertido a un valor de

tensin manejable, el cual terminara por convertirse en un lazo de corriente.

4.1.1 Obtencin de ecuacin lineal A partir de tablas de valores, obtendremos la expresin lineal para un rango de temperatura

entre 100-200C.

8

= (0.3734 ) + 101.25

4.1.2 Uso del puente de Wheatstone para obtener una salida en tensin Para transformar un valor resistivo en un valor de tensin proporcional se usara el puente de

Wheatstone.

= (241000

1000 + 1000) (24

+ 1000)

= 12 24 (

+ 1000)

Para esto usaremos la expresin de resistencia obtenida con anterioridad para hallar una

expresin de la tension en funcin a la temperatura, haciendo uso de matlab.

9

Gracias al script realizado en matlab hemos obtenido la relacin entre la temperatura y la

tensin entre los terminales del puente de Wheatstone, ahora nos queda llevar esas tensiones

en el rango de 9.0787-8.4094V a un rango entre 1-5V.

4.1.3 Escalamiento a rango 1-5V Para esto haremos uso de un amplificador diferencial.

10

Resolviendo:

+ 23

++

4= 0

11

+

2= 0

+ (4 + 3

34) =

23

(2 + 1

12) =

2

+11

+ =42

4 + 3

=10 + 21

21

122 + 1

=1 + 21

2 + 1

424 + 3

=1 + 21

2 + 1

423 + 4

(1 + 2) 21 = 1

=(1 + 2)4(3 + 4)1

2 21

1

= 2 (4

3 + 4) (1 +

21

) 1 (21

)

1 = 3 2 = 4

=21

. (2 1)

5 =21

8.4094 21

1

1 =21

9.0787 21

1

5 = (8.4094) + 1 = (9.0787) + = (8.4094) + 5 1 = (9.0787) (8.4094) + 5 1 = 0.6693 + 5 = 5.9763 = 55.2571

=21

= 5.9763 =>2

1000= 5.9763 => 2 = 5976.3 = 6

= 21

V1 = 55.2571 => BV1 = 55.2571 => 5.9763V1 = 55.2571

1 = 9.2460 1 = 1, 2 = 6, 1 = 9.2460

11

4.1.4. Buffer Hallados ya los valores de R1, R2 y V1 estamos ya casi listos para completar la etapa previa al

circuito de lazo de 4-20mA, para solamente coger seal del puente de Wheatstone, despus del

mismo se coloca un buffer

4.1.5 Inversor Y posterior al circuito de adaptacin a la ventana 1-5V usamos un inversor que hace a funcin

de agregar el signo negativo a la pendiente que se hall.

4.2. Adaptacin de una termocupla tipo T a un lazo de corriente 4-20mA. Las termocuplas son la unin de dos metales sometida a una temperatura, entre los terminales

se produce una tensin proporcional a la temperatura a la que es sometida la unin.

En este caso analizaremos una termocupla tipo T.

4.2.1 Obtencin de la ecuacin lineal Primero hallaremos la expresin lineal de los valores de tensin de la termocupla para un rango

de valores de 100 a 200C.

12

= 5.01055105() 7.81818104 .

Este valor de tensin hay que transformalo a valores de tensiones entre 1-5V, para ello usaremos

el circuito del amplificador diferencial similar al caso anterior.

4.2.2 Adaptacin de seal a 1-5v

Resolviendo:

+ 23

++

4= 0

11

+

2= 0

+ (4 + 3

34) =

23

(2 + 1

12) =

2

+11

+ =42

4 + 3

=10 + 21

21

122 + 1

=1 + 21

2 + 1

424 + 3

=1 + 21

2 + 1

423 + 4

(1 + 2) 21 = 1

=(1 + 2)4(3 + 4)1

2 21

1

= 2 (4

3 + 4) (1 +

21

) 1 (21

)

13

1 = 3 2 = 4

=21

. (2 1)

5 =21

0.0092 21

1

1 =21

0.0042 21

1

5 = (0.0092) + 1 = (0.0042) + = (0.0092) + 5 1 = (0.0042) (0.0092) + 5 1 = 0.005 + 5 = 800 = 2.36

=21

= 800 =>2

1000= 800 => 2 = 800

= 21

V1 = 2.36 => BV1 = 2.36 => 800V1 = 2.36

1 = 2.95103

1 = 1, 2 = 800, 1 = 2.95103

Hallados los valores para el amplificador:

5. Circuito integrado de lazo de corriente XTR-117 Del datasheet se arma el circuito con los transistores 2N2222 y con el Operacional

14

5.1 Calculo de Io

0

1+

0

2+ = 0

1

+2

=

0

+

0

1= 0

+1

= 0

=

. 1

= (1

1+

1

2)

15

=

. 1. (1

1+

1

2)

=

(1 +12

)

1 = 2.475 2 = 25

Remplazando 1 y 2

=

(1 + 99)

= 100.

Esto demuestra que le integrado es en realidad un amplificado de corriente de ganancia 100 debido a que:

=

Entonces:

= 100. Los valores de y son datos de nuestra simulacin

5.2. Calculo de resistencia mxima.

+ + 2 + =

16

Grafica de transistor

= 0 La corriente seria mxima

= 20

( + 2 + ) =

+ 2 + =

Para

2 = 25 = 24

Tenemos

+ = 1200 Va a depender de que valores le damos a para poner , si ponemos a = 950 = 250

Bibliografia:

fuente de corriente

http://www.uco.es/grupos/giie/cirweb/teoria/tema_01/tema_01_12.pdf

Tablas RTD y termocuplas:

http://www.arian.cl/downloads/nt-003.pdf

fuente del circuito:

http://www.electro-tech-online.com/threads/schematic-to-build-a-4ma-20ma-supply.87809/

Referencias de circuitos:

17

http://gadgetsinside.wordpress.com/2013/01/08/industrial-4-20-ma-current-loop-measuring-

circuits-basics/

http://www.ni.com/white-paper/6940/en/

http://labjack.com/support/app-notes/measuring-current

https://www.youtube.com/watch?v=elHRftHCoKA

http://www.digikey.com/product-search/en/sensors-transducers/current-

transducers/1966573

http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/xtr117.pdf

http://www.ti.com/product/xtr117

http://www.bapihvac.com/content/uploads/2010/07/4-20-ma-current-loop-

configurations.pdf

http://www.hartcomm.org/protocol/about/aboutprotocol_what.html

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/5176/fichero/2.+C%E1lculos%252FAnexo+III+Lazo+de

+corriente.pdf