ARTIGO TÉCNICO: TRANSMISSORES 4 a 20 mA

Autor: Leandro Xavier Pereira

1. Visão Geral dos Transmissores 4 a 20 mA.

Muito utilizados na indústria de processos, os transmissores 4–20 mA são dispositivos robustos e confiáveis, projetados para operar em diferentes setores, como petroquímica, alimentos e bebidas, saneamento, energia, entre outros.

Sua função principal é receber um sinal de um sensor (que representa uma grandeza física como pressão, temperatura, nível ou vazão) e convertê-lo em uma corrente elétrica proporcional no intervalo de 4 a 20 mA.

O uso do padrão 4–20 mA apresenta diversas vantagens técnicas:

• Imunidade a ruídos eletromagnéticos em longas distâncias, devido à natureza do sinal de corrente.

• Facilidade de detecção de falhas, já que correntes abaixo de 4 mA ou Acima de 20mA indicam falhas de sensores ou perda de sinal.

• Compatibilidade universal, pois o padrão é adotado globalmente e permite integração entre

equipamentos de diferentes fabricantes.

Existem diversos modelos de transmissores, desde versões analógicas simples até equipamentos digitais avançados que incorporam protocolos de comunicação industrial, como HART, Modbus, Profibus, IO-Link, entre outros, permitindo configuração remota, diagnóstico em tempo real e integração com sistemas de automação.

2. Diferença entre transmissores de 2, 3 e 4 fios.

Na instrumentação industrial, a alimentação elétrica e a transmissão do sinal de corrente de um

transmissor podem ser feitas de diferentes formas, resultando nas configurações de 2, 3 ou 4 fios.

3. Transmissor de 2 fios (Loop Powered).

• Funcionamento: Utiliza apenas dois condutores para alimentação e transmissão do sinal

simultaneamente.

• Princípio: A corrente de 4 a 20 mA circula no mesmo par de fios que fornece energia ao

transmissor.

• Vantagens: Menor custo de instalação, simplicidade no cabeamento e maior imunidade a ruídos.

• Aplicações: Muito comum em plantas industriais, principalmente para sensores de pressão,

temperatura e nível.

• Exemplo: 4 mA correspondem ao ponto zero da medição, mas já incluem a corrente de alimentação mínima necessária para o circuito eletrônico funcionar.

4. Transmissor de 3 fios.

• Funcionamento: Possui dois condutores para alimentação (positivo e negativo) e um condutor separado para o sinal de saída.

• Princípio: A alimentação é independente do circuito de medição, mas compartilha o mesmo terra (comum).

• Vantagens: Permite maior estabilidade no sinal, já que a alimentação não é afetada diretamente pela corrente de medição.

• Aplicações: Usado em medições onde a precisão é mais crítica ou quando se utilizam sinais de tensão (ex.: 0–10 V) em vez de corrente.

5. Transmissor de 4 fios (Separação total de alimentação e sinal).

• Funcionamento: Possui dois fios dedicados à alimentação e dois fios separados para a saída do sinal (corrente ou tensão).

• Princípio: A fonte de alimentação é completamente isolada do circuito de saída.

• Vantagens: Maior potência disponível para o sensor e eletrônica interna; possibilidade de saídas múltiplas (corrente e tensão simultaneamente); maior precisão e imunidade a interferências.

• Aplicações: Usado em sensores que consomem mais energia, transmissores com funções

inteligentes ou quando é necessário isolar totalmente a alimentação do sinal.

6. Ligação básica de 2, 3 e 4 fios.

Entre as três configurações, o transmissor de 2 fios é o mais utilizado na indústria devido à sua

simplicidade, baixo custo de instalação e excelente desempenho em longas distâncias, portanto seguiremos com os exemplos baseados nos transmissores a dois fios.

7. Estrutura básica de um loop 4-20 mA.

8. Lição 1: Importância de conhecer o valor do Shunt do indicador de corrente.

O resistor shunt é um componente fundamental nos indicadores de corrente, pois é sobre ele que ocorre a queda de tensão proporcional ao valor da corrente do loop 4–20 mA. Conhecer o valor desse resistor é importante porque:

• Permite interpretar corretamente a queda de tensão medida e calcular a corrente real que circula no circuito.

• Facilita a calibração e verificação da precisão do instrumento, garantindo medições confiáveis.

• Auxilia no diagnóstico de falhas ou inconsistências nas leituras, identificando possíveis problemas no resistor ou no circuito.

• É essencial no projeto e integração de sistemas para assegurar que o resistor não cause interferências indesejadas no funcionamento do loop, como carga resistiva alta no loop.

• Resumindo: conhecer o valor do resistor shunt garante medições confiáveis e o bom funcionamento dos sistemas que utilizam sinais 4–20 mA.

Exemplo: Achando o Valor do Shunt.

Seguindo o exemplo, aplicaremos a Lei de Ohm conforme os valores da ilustração abaixo:

R_SHUNT = Queda de tensão / leitura da corrente do indicador

250 Ω = 3,000 / 0,012 A

Valor do R_SHUNT = 250 Ω.

9. Lição 2: Tensão de alimentação e carga máxima suportada pelo transmissor.

A carga resistiva é a soma de todas as resistências elétricas presentes no loop de corrente. A maior parte dessa resistência normalmente vem dos resistores shunt dos indicadores de corrente, enquanto outra parcela significativa é causada pelos cabos do sistema.

É importante lembrar que, em instalações industriais, o cabeamento dos loops de corrente pode ter centenas de metros de comprimento, o que gera uma resistência considerável no circuito.

Para o correto funcionamento de um transmissor 4–20 mA, é essencial conhecer dois fatores:

• Resistência do loop: é a soma total das resistências elétricas presentes no circuito, incluindo a resistência do resistor shunt do indicador e a resistência dos condutores do loop.

• RLOAD: carga resistiva máxima que o transmissor é capaz de suportar, determinada em função da tensão de alimentação disponível no loop.

Alimentação com tensões baixas e cargas resistivas altas fará com que o tranmissor não consiga manter o sinal de corrente principalmente quando a corrente esta próxima a 20 mA, resultando em leituras incorretas e falhas na comunicação.

Exemplo: Achando o valor da carga resistiva suportada pelo transmissor.

Cada modelo de transmissor a carga resistiva definida pela equação.

RLOAD(Ω) = (V1 -V2) / mA_max.

V1= tensão da saída da fonte de alimentação

V2= tensão mínima de alimentação do transmissor (V_DROP muda de acordo com o modelo do transmissor.)

mA_max= Corrente máxima na Saida do transmissor (geralmente >= 22.0 mA usado para indicar Upscale).

Para acharmos valor de RLOAD usaremos as seguintes informações como exemplo:

Fonte de Alimentação = 24VDC onde V1 = 24

Faixa Alimentação do Transmissor = 6 a 32VDC onde V2 = 6

Corrente Upscale = 22 mA onde mA_max = 0,022

Seguimos a formula com os valores inseridos: RLOAD(Ω) = (24-6) / 0.022

Representação gráfica do nosso cálculo em relação a RLOAD e a tensão de alimentação do

transmissor.

10. Lição 3: Dimensionando o loop com vários indicadores em série.

Agora que temos a noção da importancia de sabermos os valores da resistencia da carga e o resistor shunt e a tensão de alimentação podemos dimenssionar corretamente varios indicares com shunts de valores diferentes no loop conforme a figura abaixo.

Vamos considerar que os cabos condutores do nosso loop tenham 100 Ω, somamos esse valor com os dos shunts dos indicadores.

Resistência do loop = 100+250+125+25 = 500 Ω.

11. Lição 4: Por que o resistor SHUNT 250 Ω é muito usado?

Um shunt de 250 Ω converte diretamente 4–20 mA em 1–5 V (V=R.I ), compatibilizando o sinal com entradas analógicas de tensão (comuns em CLPs) e com alguns instrumentos HART.

12. Lição 5: Conversão de escala X ou escala de engenharia

Em instrumentos de processo, o sinal de corrente padrão de 4–20 mA é apenas um meio de transmitir a informação medida pelo sensor. Para que esse valor represente algo físico, como temperatura, pressão, nível ou vazão, é necessário realizar uma conversão de escala.

A conversão de escala é um cálculo matemático que transforma o valor de corrente lido no loop em uma grandeza de engenharia.

O raciocínio é simples:

• 4 mA corresponde ao valor mínimo da faixa medida (por exemplo, 0 °C, 0 bar, 0 m³/h).

• 20 mA corresponde ao valor máximo da faixa medida (por exemplo, 100 °C, 10 bar, 500 m³/h)

13. A fórmula.

A relação entre corrente e grandeza física é linear na maioria das aplicações, o que permite usar a seguinte fórmula:

Valor = (leitura_corrente − 4 mA) / (20 mA - 4 mA) x (Faixa_max − Faixa_min) + Faixa_min

Exemplo 1

Sugerimos como exemplo um transmissor de temperatura com a faixa -50 a 200 ºC gerando uma corrente 12mA. Para facilitar o entendimento vamos fazer o calculo em passos.

Passo 1:

A = (leitura_corrente - 4 mA) / (20 mA - 4 mA)

0,5 = ( 12 - 4) / (20 - 4)

Passo 2:

B= (Faixa_max - Faixa_min)

150 = ( 100 - (-50) )

Passo 3:

C = A x B

75 = 0,5 x 150

Passo 4:

Valor = C + Faixa_min

25 = 75 + (-50)

Valor = 25 °C em 12 mA

Exemplo 2

No exemplo 2 temos um transmissor de temperatura com a faixa 0 a 1200 ºC e a leitura da corrente em 16,5mA.

Passo 1:

A= (leitura_corrente - 4 mA) / (20 mA - 4 mA)

0,78125 = ( 16,5 - 4) / (20 - 4)

Passo 2:

B = (Faixa_max - Faixa_min)

1200 = ( 1200 - 0 )

Passo 3:

C = A x B

937,5 = 0,78125 x 1200

Passo 4:

Valor = C + Faixa_min

937,5 = 937,5 + 0

Valor = 937,5 °C em 16,5 mA

14. Conclusão

Ao longo deste artigo, exploramos a robustez e a confiabilidade dos transmissores 4-20 mA, dispositivos fundamentais na indústria de processos. Compreendemos suas vantagens, como a alta imunidade a ruídos e a facilidade de detecção de falhas, e a compatibilidade universal que permite a integração de equipamentos de diferentes fabricantes.

Analisamos as diferentes configurações de alimentação (2, 3 e 4 fios), destacando que o modelo de 2 fios, com sua simplicidade e baixo custo de instalação, é o mais prevalente. Em seguida, abordamos aspectos práticos e essenciais para o dimensionamento e o funcionamento correto dos loops de corrente.

Reforçamos a importância de conhecer o valor do resistor shunt, que converte a corrente em uma queda de tensão lida pelos instrumentos, e de calcular a carga resistiva máxima que o transmissor pode suportar, a fim de evitar falhas, especialmente em instalações com cabos longos.

Finalmente, demonstramos a conversão de escala, um processo matemático crucial que transforma o sinal de corrente em uma grandeza física compreensível, como temperatura, pressão ou vazão.

Em suma, a correta aplicação dos transmissores 4-20 mA depende não apenas de sua instalação física, mas também de uma compreensão clara dos princípios elétricos e das limitações do sistema.

Conhecer e considerar fatores como a carga resistiva, o resistor shunt e a tensão de alimentação garante medições precisas, sistemas mais confiáveis e a capacidade de diagnosticar problemas de forma eficiente. Ter conhecimento desses conceitos é essencial para qualquer profissional que atue na automação, manutenção e instrumentação industrial.