SIMULADOR DE LAZO DE CORRIENTE 4 20 MA USANDO TRANSMISOR DE TEMPERATURA RTD PT100

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Simulador portatil de lazo de corriente 4 - 20 mA alimentado por lazo o bateria interna

SIMULADORES 4-20 mA

La transmision de señales analogas (y algunas veces digitales) mediante lazo de corriente de 4-20 mA es bastante utilizada en entornos industriales. Algunas de sus grandes ventajas son su alta inmunidad al ruido, transmision mediante cables de cobre comunes (sin blindaje) y la posibilidad de cableado en muy grandes distancias sin perdida de señal.

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Tanto para probar entradas analogas de automatas programables (PLC), para comprobar el correcto desplazamiento de valvulas de control por 4-20 mA o para constatar el correcto funcionamiento de indicadores universales de proceso entre otros, se requiere algun tipo de generador que pueda producir una señal de corriente en determinados rangos sin importar la carga resistiva (bueno hasta cierto limite) del instrumento bajo prueba. Estos instrumentos se conocen en el mercado como "simuladores de lazo 4-20 mA" o "calibradores de señal 4 -20 mA", etc

CIRCUITOS DE CONTROL DE CORRIENTE

Para enviar un determinado valor de corriente por un lazo, y mantener dicho valor sin importar que la carga resistiva del lazo varie, se requieren 2 cosas: Variar la corriente del lazo (aumentarla o decrementarla ) lo cual se obtiene mediante un resistor controlado de alguna forma y verificar constantemente la corriente del lazo para poder efectuar algun ajuste en la resistencia de control.

El ejemplo mas "crudo" de control de corriente de lazo puede hacerse mediante una resistencia variable (potenciometro) y un multimetro en modo de medicion de miliamperios conectado en serie. En este caso un ser humano haria las veces de "lazo de control" aumentando o disminuyendo la resistencia del potenciometro para mantener la corriente deseada.

El anterior ejemplo, aunque simple, es totalmente dependiente de la persona que opera el potenciomentro para poder corregir cualquier fluctuacion en la corriente, que podria ser producida por algun cambio en la resistencia del lazo o en el voltaje de alimentacion de este.

Para mejorar un poco esta situacion existen alternativas como usar un regulador de voltaje LM317 en modo de control de corriente. En dicha configuracion el ajuste de la corriente se hace mediante la resistencia de realimentacion, de forma tal que la corriente se mantendra relativamente estable aun cuando resistencia de carga del lazo o el voltaje de la fuente de alimentacion presenten variaciones. En En algunos proyectos se utilizan circuitos integrados como por ejemplo el XTR101 diseñados especificamente para dicha labor. Todo depende del presupuesto, la precision requerida y la habilidad en montajes electronicos!

Simulador ordinario de 4-20 mA usando resistencia variable y multimetro para inspeccion

TRANSMISOR 4-20 mA ECONOMICO Y LISTO PARA USAR

El origen de este proyecto nace de la necesidad de muchas personas que laboran en el area de control industrial e instrumentacion que muchas veces no cuentan con una herramienta economica y sencilla para realizar pruebas simples en instrumentos con entrada de 4-20 mA.

Este instrumento no pretende ser un reemplazo para simuladores 4-20 mA que cuentan con visualizacion digital y mucho menos para instrumentos usados para realizar calibraciones y certificaciones de señales. Su intencion es lograr un instrumento economico, facil de armar con elementos comunes en la caja de herramientas del personal de instrumentacion y/o control, portatil y que en lo posible no requiera mucha complejidad en su armado (soldadura, pcb, protoboard, etc).

El corazon de dicho instrumento es un transmisor de RTD PT100 a 4-20 mA (usado ya en un proyecto anterior ) ademas de unas cuantas resistencias (en lo posible de valores bajos como 1 ohm , 10 ohm y 47 ohm) y un interruptor de 3 posiciones. Este tipo de transmisores "traduce" un valor de resistencia en un determinado valor de corriente dependiendo del rango de operacion segun la tabla de conversion de PT100 a ohm. Dependiendo de los elementos que se tengan a la mano, este simulador puede construirse con diferentes caracteristicas:

* Variacion lineal y continua de la corriente usando un potenciometro de baja resistencia.
* Valores de corriente predefinidos y momentaneos (mientras se pulsan) usando interruptores pulsadores y arreglos de resistencias
* Valores de corriente predefinidos y que pueden dejarse "enganchados" mediante el uso de interruptores de 3 o mas posiciones y arreglos de resistencias.

El circuito implementado es bastante simple. mediante un arreglo de resistencias (en serie y paralelo) se construyen 3 resistencias equivalentes a la que arrojaria un RTD en sus rangos minimo, medio y maximo para el transmisor escogido. En este ejemplo se utilizo un transmisor con rango de -50 C a 150 C ( valor intermedio 50 C), cuyos valores de resistencia, segun la tabla RTD serian de aproximadamente 80 ohm, 119 ohm y 157 ohm respectivamente. La labor del interruptor de 3 posiciones en este caso, es cortocircuitar porciones del arreglo de resistencias para lograr los 3 valores mencionados anteriormente y asi obtener corrientes aproximadamente de 4 mA , 12 mA y 20 mA.

Tambien podria usarse un potenciometro de valor bajo (500 ohm) para tener un control mas fino en la corriente, sin embargo estos potenciometros no son faciles de conseguir (ni economicos) de un solo giro, y al usar un potenciometro multivueltas se genera el problema que no seria posible realizar marcas graficas para unos valores determinados de corriente, lo que incurriria en el uso de un medidor de corriente en serie para poder determinar la corriente impuesta.

Finalmente si no se dispone de un interruptor de multiples posiciones, se pude recurrir a interruptores pulsadores, para realizar la funcion de "cortocircuitar" porciones del arreglo de resistencias y obtener unos valores de corriente predeterminados. El unico inconveniente de dicha implementacion es que se tendra que mantener presionado el interruptor pulsador respectivo durante todo el tiempo que se requiera la corriente de prueba

Implementacion del simulador 4-20 mA usando arreglos de resistencias, interruptor de 3 posiciones y un transmisor RTD PT100

CONCLUSIONES Y PRUEBAS

* Este circuito podria implementarse incluso sin soldaduras, ni circuito impreso, ni caja, simplemente haciendo el arreglo de resistencias enrollando unas sobre las otras y conectando los cables de los interruptores de la misma manera. Sin embargo para incrementar la estabilidad y proteger un poco el circuito se ha hecho un circuito impreso de manera simple ( con el metodo de placa de cobre y marcador indeleble) y se ha puesto en una pequeña caja de proyectos. Para mayor facilidad en la conexion/desconexion de los alambres al lazo de corriente se usaron terminales de bornera removibles.

* Como puede verse en el video y en las fotografias, los incrementos en la corriente no estan en forma escalonada 20ma, 12ma y 4 mA, sino que el orden resultante fue 12ma, 20mA y 4mA, esto se debe a que el interruptor usado si bien tiene 3 posiciones, solamente tiene 2 contactos!, por lo tanto la posicion del medio no realiza ningun "cortocircuito" al arreglo de resistencias, dejando asi la resistencia de mayor valor que en este caso proporciona la señal de 20 mA

* Se agregaron 2 pequeñas baterias (A23) de 12 voltios en serie, para tener una fuente interna de 24V para realizar pruebas cuando no se dispone de una fuente externa que alimente el lazo. Mediante un interruptor de 2 posiciones se puede seleccionar entre usar la alimentacion externa del lazo, o usar las baterias internas como fuente de alimentacion para el lazo

* El transmisor de RTD PT100 a 4-20 mA utilizado requiere de aproximadamente 11 voltios para operar, por lo que la caida maxima de tension en el lazo usando una fuente de 24 voltios seria de aproximadamente 13 voltios. Para una corriente maxima de 20 mA eso equivaldria a una resistencia de carga maxima del lazo de aproximadamente 650 ohm.

* Las soldaduras, las conexiones y los cables usados en la conexion entre las resistencias, el transmisor y el interruptor deberan tener la mejor calidad posible, pues la resistencia de estos influye en el valor final del arreglo resistivo, por lo que se debera "calibrar" las resistencias una vez agregado dichos elementos si se requiere mayor precision.

*La fuente de poder interna de 24V (2 x A23) es recomendada para hacer pruebas cortas y poco frecuentes, cuando no se tenga a la mano una fuente para alimentar el lazo, pues estas baterias tienen muy poca capacidad y se descargaran rapidamente si se deja alimentado el lazo por mucho tiempo.

DOCUMENTACION

(Ver en la parte inferior - Archivos adjuntos)

* Articulo en PDF.
* Diagrama esquematico en PDF.
* Circuito impreso en PDF.
* Archivos fuentes de esquematico e impreso para KICAD.

VIDEO

Video demostrativo del ensamblaje de los distintos componentes, ademas de las pruebas realizadas