Temperatura: por qué convertir las señales de RTD y termocupla a corriente de 4...20 mA
Mayo 3, 2021
Las termocuplas y sensores RTD se utilizan habitualmente para medir la temperatura en los procesos industriales. En los casos en que los sensores se conectan directamente al PLC, el resultado de la precisión de la medición puede ser peor de lo esperado. Esta pérdida de precisión suele estar causada por las interferencias electromagnéticas (EMI). Sin embargo, al convertir las señales de las termocuplas y RTD a la corriente estándar de la industria de 4...20 mA, se pueden eliminar eficazmente los errores debidos a la EMI.
La mayoría de las termocuplas crean una señal de voltaje de menos de 50 mV, y una termocupla prácticamente no tiene capacidad para crear un flujo de corriente. Por lo tanto, cualquier dispositivo que mida una termocupla debe tener una resistencia de entrada muy alta (normalmente 1 millón de Ω o más).
La combinación de una señal de mV baja y la ausencia de flujo de corriente hace que las termocuplas se comporten como una antena. El ruido eléctrico de las redes eléctricas de 50/60 Hz, el ruido de los rayos, la electricidad estática, las interferencias de radiofrecuencia de las radios portátiles, el ruido de los conmutadores de los motores de corriente continua y muchas otras fuentes de ruido eléctrico pueden ser "recibidas" por una termocupla y cuanto más largos sean los cables, más oportunidades habrá de "recibir" el ruido eléctrico.
Lo mismo puede ocurrir cuando se miden los RTD. Aunque el elemento del RTD es alimentado por una pequeña fuente de corriente constante (normalmente 0,3 mA), prácticamente no fluye corriente por los cables de detección utilizados en los RTD de 3 y 4 hilos. Por lo tanto, los cables de los sensores también actúan como antenas, captando una amplia gama de ruidos presentes en el entorno industrial.
Algunos síntomas de que las señales de temperatura están siendo afectadas por el ruido son que las mediciones de temperatura:
- cambian inmediatamente cuando se pone en marcha un motor o un calentador cercano
- cambian cuando se apaga o se enciende una parte del proceso
- cambian cuando una radio portátil está transmitiendo
- cambian en función de la hora del día o de los patrones meteorológicos
- cambian en función de la ubicación/orientación del cableado del sensor
Cómo minimizar los errores causados por la EMI
Una de las mejores formas de minimizar los errores provocados por las interferencias electromagnéticas es minimizar la longitud del cableado del sensor, minimizando así la longitud de la "antena".
Esto se consigue midiendo la señal de la termocupla o RTD en el sensor y convirtiendo esa medida en una corriente de 4...20 mA. La corriente es entonces medida por el circuito de entradas del PLC que tiene aproximadamente 250 Ω de resistencia. Haciendo esto se eliminará el error causado por la interferencia electromagnética.
El flujo de corriente a través de uno de los lados del lazo de corriente puede verse afectado, ejemplo, por la interferencia electromagnética creada por una radio portátil. Esta EMI podría ayudar (aumentar) el flujo normal de corriente en ese lado del lazo. Sin embargo, la corriente en el otro lado del lazo fluye en la dirección opuesta a través del mismo campo electromagnético. Debido a esto, la corriente que fluye a través de ese lado del lazo es contrarrestada (disminuida) por la EMI. El efecto neto: el flujo de corriente del lazo de corriente prácticamente no se ve modificado por la EMI.
La precisión se mejora aún más retorciendo los conductores del lazo uno alrededor del otro. Esto asegura que ambos cables estén igualmente protegidos de la interferencia electromagnética y los conductores retorcidos forman una serie de campos magnéticos en oposición entre sí a lo largo del cable. Ambos efectos garantizan que todas las fuentes de EMI tengan un efecto igual -pero opuesto- sobre la corriente del lazo. Gracias a estos efectos, los lazos de 4...20 mA pueden atravesar zonas con una EMI importante sin apenas perturbar la señal medida.
En algunas aplicaciones, los cables de los sensores que van al panel de control no se ven afectados por la EMI, pero existe un alto nivel de interferencia electromagnética dentro del panel. Esta interferencia es creada por cosas como los accionamientos de motores como variadores de frecuencia (VFD), los controladores de motores y calefactores vía SCR, los arrancadores suaves de motores eléctricos, los contactos de alta tensión y los accionamientos de motores de corriente continua.
Los efectos de la EMI en el interior del panel pueden minimizarse utilizando un transmisor de temperatura montado en riel DIN para convertir las señales de RTD y termocupla de bajo nivel en robustos 4...20 mA. El aislamiento proporcionado por el transmisor de temperatura también elimina prácticamente el error causado por el ruido de modo común (interferencia eléctrica común a ambos cables del sensor). Esta solución permite que el cableado original del sensor permanezca inalterado, al tiempo que mejora la precisión y la repetibilidad de la medición realizada por el circuito de entrada analógica.
Soluciones con dos transmisores
Resulta ventajoso utilizar dos transmisores: uno en el sensor y otro dentro del panel de control. Esta solución proporciona una excelente inmunidad a las interferencias electromagnéticas porque la longitud de los cables del sensor se reduce al mínimo, al tiempo que el transmisor del panel puede realizar muchas funciones diferentes dentro del panel:
- El transmisor del panel puede proporcionar una salida de mA independiente y aislada, además de contactos de alarma a las entradas analógicas y digitales del PLC.
- El transmisor del panel puede estar equipado con una pantalla retroiluminada que muestra el valor del proceso, el estado del relé y los errores del sensor/lazo. Esto reduce en gran medida el tiempo de puesta en marcha y de resolución de problemas.
- El transmisor montado en el panel puede dividir la señal, proporcionando múltiples señales aisladas, activas o pasivas de corriente de 4...20 mA a varios dispositivos de la planta.
- Además, los transmisores PR pueden realizar la amortiguación de la señal, la linealización multipunto de las entradas no lineales (como los termistores), la medición del volumen de los tanques de forma impar, las funciones matemáticas en dos señales de entrada y mucho más.
