Áreas de aplicación
- Automatización industrial: El conector Didactum 4–20 mA es ideal para la supervisión de procesos donde se utilizan sensores de corriente, por ejemplo en líneas de producción automatizadas o maquinaria.
- Monitorización ambiental: Puede emplearse en sistemas de medición ambiental que dependan de sensores basados en corriente para registrar parámetros como temperatura, humedad o presión.
- Sistemas de gestión de edificios (BMS): El convertidor puede integrarse en sistemas BMS para supervisar y controlar equipos críticos como sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC).
- Depósitos diésel de emergencia: Supervisión de sensores de nivel de diésel con salida de corriente.
Ejemplos de uso:
El conector Didactum 4–20 mA para la medición del nivel de agua es supervisado por la unidad de monitorización Didactum.
Los datos del sensor se transmiten mediante SNMP-Traps al centro de supervisión de red.
La unidad de monitorización dispone de circuitos lógicos integrados que, en caso de emergencia, envían notificaciones por correo electrónico y SMS.
Monitorización del nivel de diésel en el depósito
La unidad de monitorización Didactum es capaz de supervisar simultáneamente varios conectores Didactum 4–20 mA, leyendo de forma continua los valores de las corrientes en los bucles de medición.
Estos valores se integran en el sistema de monitorización Didactum, que proporciona datos en tiempo real y genera alertas en caso de que se superen los límites establecidos.
De este modo, por ejemplo, puede supervisarse con precisión la presión en instalaciones o tuberías industriales, permitiendo reaccionar a tiempo ante cambios o posibles problemas.
Guía de instalación (hardware)
Conexión de sensores y transductores de dos hilos con alimentación de señal de 4–20 mA
- Asignación de la señal de 4–20 mA
La señal de corriente continua estándar de 4–20 mA se utiliza ampliamente en instrumentos de medición y en la automatización industrial:
- Para la interfaz con sensores y transductores para realizar mediciones de parámetros
- Para la transmisión de información entre dispositivos
La señal analógica se representa como una corriente directa en el rango de 4–20 mA, donde 4 mA corresponde al nivel mínimo de señal y 20 mA al nivel máximo. - Ventajas de la señal de 4–20 mA
La señal de bucle de corriente de 4–20 mA ofrece varias ventajas:
- Conexión de dos hilos
- Posibilidad de supervisar cortocircuitos y rupturas de línea. El “cero” del bucle de corriente de 4–20 mA corresponde al “cero” del dispositivo operativo, lo que permite una detección fiable de fallos del equipo, cortocircuitos o interrupciones de cableado
- Alta inmunidad al ruido: el bucle de 4–20 mA tiene baja resistencia y, por tanto, es menos susceptible a interferencias que las señales de tensión. - Esquemas de conexión para sensores y transductores de dos hilos
El circuito de dos hilos es el más simple y fiable para el funcionamiento del sensor (transductor).
El sensor (transductor) es insensible a las inversiones de polaridad durante la alimentación, está protegido contra cortocircuitos y es menos sensible a las interferencias (especialmente con baja resistencia de carga). La conexión de dos hilos también facilita la aplicación de medidas para reducir las interferencias electromagnéticas (industriales o de radio).
3.1 Conexión del sensor a un sensor o transmisor de 4–20 mA con fuente de alimentación integrada
La imagen de la derecha muestra un sensor que utiliza una fuente de alimentación de 24 V.
- R420 – Resistencia del conector Didactum 4–20 mA (carga), medida en ohmios.
- Rline1 y Rline2 – Resistencia de los conductores del cable de conexión, medida en ohmios.
- Vpower – Tensión de la fuente de alimentación del sensor, medida en voltios.
- Las flechas indican la dirección de la corriente en el bucle de 4–20 mA.
- Rballast – Resistencia de lastre (opcional), medida en ohmios, utilizada para limitar la potencia consumida por el sensor.
- AO – Salida analógica.
- AI – Entrada analógica.
3.2 Conexión del sensor a un sensor o transmisor de 4–20 mA sin fuente de alimentación integrada
Si el sensor o transmisor de 4–20 mA no dispone de fuente de alimentación integrada, o si la energía disponible no es suficiente para su funcionamiento, utilice una fuente de alimentación externa. La entrada analógica 4–20 mA AIine2– es pasiva.
La imagen de la derecha muestra un sensor que requiere una fuente de alimentación de 24 V.
- R420 – Resistencia del conector Didactum 4–20 mA (carga), medida en ohmios.
- Rline1 y Rline2 – Resistencia de los conductores del cable de conexión, medida en ohmios.
- Vpower – Tensión de la fuente de alimentación del sensor, medida en voltios.
- Las flechas indican la dirección de la corriente en el circuito de 4–20 mA.
- AO – Salida analógica.
- AI – Entrada analógica.
3.3 Conexión de varios sensores o transmisores de 4–20 mA al convertidor
El diagrama de conexión para múltiples sensores utilizando una única fuente de alimentación se muestra en la imagen de la derecha.
Las entradas analógicas del convertidor AIine1 a AIine3 son pasivas. La fuente de alimentación (UDP) debe suministrar la corriente total necesaria para alimentar todos los sensores (convertidores).
Ejemplo:
La corriente máxima de un sensor es de 24 mA, por lo tanto, la fuente de alimentación para tres sensores debe proporcionar al menos 72 mA.
La imagen de la derecha muestra el esquema de conexión de varios sensores al convertidor utilizando una sola fuente de alimentación:
Para evitar errores adicionales provocados por el flujo de corriente sumado de las salidas de los sensores, la unión de las cargas debe realizarse en un único punto. Para minimizar los efectos de interferencia en las líneas de alimentación, la unión de los cables de alimentación de los sensores debe realizarse directamente en el terminal positivo de la fuente de alimentación. El cable desde el polo negativo de la fuente hasta el punto común del sistema debe mantenerse lo más corto posible.
3.4 Cálculo de la fuente de alimentación
La tensión mínima requerida de la fuente de alimentación (Vpower min) se calcula mediante la siguiente fórmula:
Vpower min = Usens min + U420 min + (R420 + Rline) × Imax / 1000
Donde:
- Vpower min: Tensión mínima de alimentación en voltios
- Usens min: Tensión mínima del sensor según la documentación del fabricante
- U420 min: Tensión mínima del convertidor VT420 (5 V)
- R420: Resistencia del VT420 (24,95 ohmios)
- Rline: Resistencia de los cables en ohmios
- Imax: Corriente máxima (24 mA)
Ejemplo de cálculo con un cable CAT5e de 100 m de longitud (Rline = 2 × 10 Ω) y una tensión mínima del sensor de 8 V:
Vpower min = 8 V + 5 V + (24,95 Ω + 20 Ω) × 24 mA / 1000 = 8 + 5 + 44,95 × 0,024 = 14 V
Este cálculo garantiza que la fuente de alimentación proporcione un voltaje suficiente para alimentar correctamente tanto el sensor como el convertidor. Se tienen en cuenta las caídas de tensión causadas por la resistencia del cable, combinando los requisitos eléctricos del sensor y del convertidor. Una tensión inferior al valor calculado puede provocar errores de medición o la pérdida de alimentación del sensor.
Recomendación:
Utilice esta fórmula para dimensionar la fuente de alimentación considerando la longitud del cable y los requisitos del sensor, asegurando así mediciones estables y fiables.
3.5 Potencia máxima de consumo del sensor
La potencia máxima de consumo del sensor (Psens max) se calcula mediante la siguiente fórmula:
Psens max = Imax × [Upower - U420 min - Imax × (R420 + Rline) / 1000] / 1000
Ejemplo de cálculo con una fuente de alimentación de 19 V:
Psens max = 24 mA × [19 V – 5 V – 24 mA × (24,95 Ω + 20 Ω) / 1000] / 1000 = 0,31 W
La potencia calculada no debe superar el valor máximo indicado en el manual de funcionamiento del sensor. Esto es fundamental para evitar sobrecargas o daños en el dispositivo.
Este cálculo permite garantizar una correcta dimensionación de la fuente de alimentación, de modo que el sensor funcione dentro de sus límites de potencia especificados. Un consumo excesivo puede indicar errores de cableado o valores de tensión incorrectos, los cuales deben corregirse para evitar fallos.
4. Recomendaciones para la selección y conexión del cable
Para la conexión de sensores y convertidores con salida de 4–20 mA, se recomienda utilizar un cable de par trenzado apantallado con una sección mínima de 0,5 mm² (multihilo). La pantalla del cable debe conectarse a tierra de protección (PE) para minimizar las interferencias eléctricas y el ruido de señal.
Si el convertidor está instalado en una carcasa metálica, la pantalla debe conectarse a la masa del propio chasis para garantizar una descarga eficaz de las interferencias electromagnéticas.
Se recomienda usar hilos de cobre de entre 16 y 22 AWG (0,205 mm a 0,823 mm de diámetro). La longitud del cable debe mantenerse lo más corta posible para reducir las caídas de tensión por resistencia. Asimismo, debe asegurarse que solo uno de los extremos de la pantalla esté conectado a tierra para evitar corrientes de bucle.
Estas medidas garantizan una transmisión de señal estable y evitan errores de medición por interferencias o una protección insuficiente. El cumplimiento de estas recomendaciones es especialmente importante en trazados de cable largos y en entornos con elevada contaminación electromagnética.
5. Recomendaciones para la selección de una fuente de alimentación
Si el convertidor permite combinar los mismos polos de las entradas analógicas, no es necesaria una fuente de alimentación multicanal. Esto simplifica la instalación y reduce costes.
La ventaja de las fuentes de alimentación multicanal es que normalmente proporcionan una corriente de cortocircuito baja. En caso de que se produzca un cortocircuito accidental en la conexión, esto protege la entrada analógica contra daños.
El propósito principal de las fuentes de alimentación multicanal es aislar galvánicamente todos los circuitos de señal sin generar costos elevados. Este aislamiento galvánico evita diferencias de potencial e interferencias que podrían causar errores de medición o daños en los dispositivos.
Para un funcionamiento fiable de sensores de 4–20 mA, se recomienda dimensionar la fuente de alimentación de modo que proporcione suficiente tensión y corriente, considerando el número de sensores y la longitud del cable. La tensión típica para bucles de 4–20 mA es de 24 V, lo que generalmente proporciona suficiente margen para compensar las caídas de tensión.
Resumen:
- Para entradas analógicas combinadas, basta con una fuente de alimentación simple.
- Las fuentes multicanal ofrecen protección contra cortocircuitos y permiten aislamiento galvánico.
- La fuente de alimentación debe proporcionar suficiente voltaje y corriente para todos los sensores.
- 24 V es un valor común para la alimentación de bucles de 4–20 mA.
Configuración del sistema de monitorización:
Configuración del sensor en el sistema de monitorización Didactum
Una vez que el conector Didactum 4–20 mA se ha conectado correctamente al sensor siguiendo las instrucciones anteriores y se ha integrado en el sistema de monitorización Didactum, el sensor aparece automáticamente en la interfaz de usuario. Puede encontrarlo en el árbol del sistema bajo: Interface > System Tree.
El sensor se muestra inicialmente con la denominación “fA”. Para realizar configuraciones, haga clic en el sensor. En la ventana de ajustes encontrará los siguientes parámetros:
- Nombre: Asignado automáticamente, pero modificable libremente (por ejemplo, “Sensor de presión”).
- ID: ID de sistema del elemento sensor.
- Tipo: Mostrado como “fcurrent” (función de corriente) para convertidores 4–20 mA.
- Tipo personalizado: Selección de icono o símbolo para una mejor identificación (por ejemplo, temperatura, voltaje, humedad).
- Clase: Analógico.
- Puerto de hardware: Indica el identificador físico de la conexión en el dispositivo.
- Estado actual: Muestra Normal, Advertencia o Alarma.
- Valor actual: Valor del sensor mostrado por el convertidor.
- Campos adicionales: Contiene la fórmula lineal para la conversión del valor de corriente del sensor.
- Niveles de alarma: Configuración de umbrales (alarma baja, advertencia baja, advertencia alta, alarma alta) para alertas y acciones automáticas.
- Expresión: Permite adaptar la fórmula lineal de conversión de la señal del sensor.
Estas opciones de configuración permiten una adaptación y monitorización precisa del sensor en el sistema Didactum, incluyendo gestión de alarmas, visualización de valores y elección de símbolos para una presentación clara.
Otros ajustes en el sistema de monitorización Didactum
Al hacer clic en el sensor dentro del sistema de monitorización Didactum, aparecen las siguientes opciones de configuración:
- Nombre
El nombre es asignado automáticamente por el sistema, pero puede modificarse, por ejemplo, a “Pressure” si se trata de un sensor de presión. - ID
ID de sistema del elemento. - Tipo
El conector Didactum 4–20 mA aparece como sensor fcurrent (Function of current). - Tipo personalizado
Puede elegir un icono únicamente para la identificación visual. Las opciones incluyen: ninguno, corriente, factor, frecuencia, humedad, potencia, temperatura, vibración, voltaje. - Clase
Analógico. - Puerto de hardware
Nombre del puerto físico en el dispositivo (solo lectura). - Estado actual
Estados posibles: Alarma, Advertencia, Normal. - Valor actual
El valor actual suministrado por el convertidor. - Campos adicionales
Muestra la fórmula lineal para el cálculo del valor del sensor a partir de la señal de corriente. - Niveles de alarma
Umbrales para alarma baja, advertencia baja, advertencia alta y alarma alta; pueden utilizarse para avisos y acciones en circuitos lógicos. - Expresión
Aquí puede ajustarse la fórmula lineal de conversión de la señal del sensor.
Esta configuración intuitiva le ayuda a supervisar con precisión los valores del sensor y a gestionar las alarmas de manera eficaz.
Ejemplo para determinar la fórmula de expresión usando el sensor de presión PD‑39 X Low Pressure
El conector Didactum 4–20 mA funciona únicamente con sensores que emplean funciones lineales en el circuito de corriente de 4–20 mA.
Como ejemplo, tomamos el sensor de presión “PD‑39 X Low Pressure”, que ofrece rangos estándar de 3, 10 y 25 bar. Usaremos el modelo con un rango de medición de 0 a 25 bar.
La característica del sensor se define mediante los puntos del rango de 4–20 mA:
- A(xA, yA) = A(0, 4 mA)
- B(xB, yB) = B(25, 20 mA)
Para determinar la ecuación de la recta que pasa por los puntos A y B se utiliza:
\[ y - y_A = \frac{y_B - y_A}{x_B - x_A} \times (x - x_A) \]
Sustituyendo los valores:
\[ y - 4 = \frac{20 - 4}{25 - 0} \times (x - 0) \Rightarrow y = 0,64x + 4 \]
Esta ecuación describe la relación entre la presión (x en bar) y la corriente (y en mA).
Ajuste fino mediante “Expression” en el sistema
Supongamos que se utiliza una expresión para convertir el valor de corriente en presión: y = 2 * (x ‑ 4).
Proceda del siguiente modo:
- Asigne un nombre al sensor, por ejemplo “Pressure”.
- Seleccione el icono “current” como tipo personalizado.
- Introduzca la fórmula
2 * (x ‑ 4)en el campo “Expression”. - Guarde los cambios.
De este modo, la conversión de la señal de corriente del sensor se realiza con precisión en el sistema de monitorización Didactum y el valor se muestra correctamente.
Cambios en el “System Tree” tras la configuración del sensor
Después de editar y guardar los parámetros del sensor en el sistema de monitorización Didactum, verá los siguientes cambios visibles en el System Tree:
- Nombre modificado: El nuevo nombre, por ejemplo “Pressure”, se muestra en lugar del nombre asignado automáticamente.
- Símbolo modificado: El icono personalizado seleccionado, como “current”, aparece como símbolo en el árbol del sistema.
- Valor calculado: El valor del sensor ya no se muestra como valor bruto, sino que se calcula y representa según la fórmula definida en “Expression” (por ejemplo, conversión de la señal de 4–20 mA a magnitudes físicas).
Estos cambios mejoran la claridad del sistema y ofrecen una visualización precisa de los valores acorde a la función del sensor, facilitando la identificación e interpretación correcta de distintos sensores.