Transmisor de nivel de dos hilos: tensión de lazo y HART

Preparar el presupuesto de lazo de un transmisor de nivel de dos hilos antes de instalarlo evita un fallo habitual: funciona en banco, pero se apaga al final de un cable largo. El transmisor obtiene toda su energía del mismo lazo de 4–20 mA que lleva su señal, por lo que recibe la tensión restante después de las caídas en cable, posible barrera de seguridad y carga receptora. Suponer que 24 V «siempre bastan» suele explicar la diferencia entre banco y campo.

Qué alimenta realmente un lazo de dos hilos

El presupuesto parte de que el instrumento actúa como resistencia variable dentro de un lazo de corriente. El sistema de control suministra una tensión fija, normalmente 24 V DC, y el transmisor regula su corriente entre 4 mA y 20 mA según el nivel. Como los mismos conductores llevan alimentación y señal, cada ohmio del trayecto consume tensión necesaria para regular. El instrumento tiene una tensión mínima de trabajo, a menudo unos 11 V; por debajo queda fuera de rango o deja de comunicar.

El lazo también debe cumplir las condiciones de señalización HART. HART superpone una señal digital de baja amplitud a la corriente analógica y requiere una resistencia mínima, normalmente 230–250 Ω, para generar una variación de tensión legible. Un receptor de baja impedancia o una tarjeta multiplexada pueden necesitar una resistencia externa de 250 Ω en el extremo del controlador para que HART funcione.

Preparar el presupuesto de tensión del lazo

El cálculo es una resta: la tensión de alimentación debe superar la suma del mínimo del transmisor, la caída del cable a 20 mA, la barrera y la carga. La tabla muestra un ejemplo típico a 24 V DC. Todos los valores son referencias técnicas ilustrativas que deben contrastarse con la placa del instrumento pedido y el certificado de la barrera antes de utilizarlos.

Son valores supuestos para un ejemplo, no datos de campo METRAVON. Confirmar mínimo del transmisor, caída de barrera e impedancia receptora con los documentos entregados antes de aplicar el resultado.

Separar el pico de arranque de la corriente permanente

El presupuesto suele calcularse solo a 20 mA permanentes, pero al encenderse el transmisor puede consumir un pico mayor antes de estabilizarse el microprocesador. Si el cable ya está cerca del límite a 20 mA, el arranque puede bajar la tensión del transmisor por debajo del mínimo y dejarlo en un ciclo de reinicio que solo cesa al reaplicar la señal de nivel. Reservar margen para el pico, no solo para los 20 mA regulados.

Dimensionar el cable para la corriente máxima declarada en la especificación de arranque y volver a comprobar a 20 mA. Si el pico no está publicado, dejar al menos 2 V sin asignar en lugar de dedicar el último voltio a longitud. Esta reserva evita muchas reclamaciones del tipo «funciona tras un corte breve y luego se bloquea».

Ejemplo de cálculo de longitud a partir del presupuesto

La tensión sobrante se convierte directamente en longitud máxima. De los 6 V restantes se guardan 2 V para arranque, por lo que se permite una caída de 4 V en el cable a 20 mA. Con ella se calcula el recorrido. Es un método con valores supuestos, no un resultado medido por METRAVON.

Cálculo ilustrativo con valores de planta supuestos:

• Tensión restante tras caídas fijas: 6 V

• Reserva de arranque retenida: 2 V

• Tensión disponible para cable: 4 V

• Corriente de lazo: 20 mA = 0.020 A

• Resistencia admisible del cable: 4 V / 0.020 A = 200 Ω

• Cable: cobre de 1.5 mm², ≈ 12.1 Ω/km por conductor

• Dos conductores en el lazo: ≈ 24.2 Ω/km

Longitud máxima del recorrido del lazo = 200 Ω / 24.2 Ω/km ≈ 8.3 km

Resultado: con estos valores, un par de 1.5 mm² podría recorrer unos 8 km manteniendo 20 mA y la reserva de arranque intacta. Usar los 6 V completos daría 300 Ω y 12.4 km, pero sin margen de arranque: no debe citarse como recorrido utilizable.

Condición límite: mucho antes de esa longitud, la tensión deja de ser la restricción decisiva. HART necesita una capacitancia total inferior a unos 0.2 µF y un cable de 1.5 mm² la alcanza cerca de 2 km: el límite práctico es aproximadamente un cuarto del calculado solo por tensión. Un cable de 2.5 mm², ≈ 14.5 Ω/km de lazo, eleva el techo de tensión sin cambiar el de capacitancia; un par de 1.0 mm², ≈ 36 Ω/km, reduce el límite por tensión a unos 5.5 km. Dimensionar por ambos y sustituir resistencia y tensión supuestas por valores de planta verificados antes de declarar una longitud límite.

Carga HART y límites multipunto

Reservar margen para la carga HART además de la caída analógica. La comunicación merece una línea propia porque puede fallar silenciosamente: por debajo de unos 230 Ω totales, el módem del transmisor no puede imponer la señal y el terminal portátil o sistema de activos informa que no hay dispositivo, aunque 4–20 mA parezca correcto. La solución habitual es una resistencia de 250 Ω en el receptor, pero consume 5 V a 20 mA, exactamente el término ya contabilizado.

HART multipunto, con varios transmisores en un par, cambia de nuevo las condiciones: cada dispositivo direccionable necesita su tensión mínima y la longitud total sirve a todos los equipos del segmento. Calcular para el más alejado de la fuente y comprobar que el más cercano no supera su tensión máxima de lazo, normalmente 30 V o 36 V, que debe leerse en la placa.

Cuando el presupuesto no permite la configuración

El presupuesto muestra cuándo no debe usarse un equipo según lo previsto. Si el recorrido supera lo permitido, no elevar la tensión por encima del máximo ni retirar la barrera para recuperar margen: ambas acciones incumplen otras condiciones. Las opciones son aumentar sección, acercar la fuente o elegir un transmisor con menor tensión mínima.

Algunos transmisores de dos hilos admiten pantalla local dentro de su presupuesto declarado. Calefacción, conmutación y otras funciones auxiliares requieren la potencia y capacidad de salida documentadas para el equipo pedido; el número de hilos por sí solo no las permite ni excluye. Si la función excede esa capacidad, evaluar alimentación separada o configuración de tres/cuatro hilos.

Preguntas frecuentes

P1. ¿Por qué una fuente de 24 V no entrega 24 V al transmisor?

El presupuesto explica la diferencia: cable, posible barrera de seguridad intrínseca y carga receptora provocan caídas, mientras el transmisor necesita un mínimo para regular. En un recorrido largo, solo el cable puede consumir varios voltios a 20 mA. Calcular antes de suponer que el instrumento recibe la tensión de fuente.

P2. ¿Qué hace realmente la resistencia de 250 Ω?

Convierte la señal digital HART en una tensión en el lazo; sin al menos unos 230 Ω el módem no puede imponer la comunicación. A 20 mA también consume 5 V, que deben incluirse en el presupuesto: de lo contrario puede funcionar HART y desaparecer el margen.

P3. ¿Puedo subir a 36 V para aumentar longitud?

Solo si todos los componentes, incluidas barrera y configuración de zona peligrosa, admiten las condiciones propuestas. Con corriente fija, una resistencia pasiva mantiene la misma caída I × R al aumentar la alimentación. Recalcular tensión en bornes, límites nominales y restricciones de barrera, sin suponer que aumenta la propia caída de carga.

P4. ¿Por qué se reinicia el transmisor tras un corte breve?

El pico de arranque puede bajar la tensión por debajo del mínimo si el cable ya está cerca del límite a 20 mA. Reservar margen para arranque y no solo régimen permanente, o el equipo repetirá reinicios hasta mejorar las condiciones.

P5. ¿RS485 Modbus simplifica la alimentación frente a 4–20 mA?

Es diferente, no más simple. El lazo de dos hilos 4–20 mA alimenta el instrumento; un transmisor RS485 Modbus suele necesitar fuente local separada, pero evita caídas de carga analógica. Elegir según entrada del controlador y distribución eléctrica de planta.

P6. ¿Cuándo abandonar dos hilos y elegir otro cableado?

Reevaluar si el cable requerido excede el presupuesto verificado o las funciones auxiliares superan la potencia declarada. Una pantalla local por sí sola no excluye dos hilos. Considerar cable adecuado, ubicación de fuente o alimentación separada, manteniendo todas las protecciones necesarias.

RESUMEN

El presupuesto determina el cable utilizable: de 24 V DC, tras 11 V mínimos del instrumento, 5 V de carga HART y 2 V de barrera, quedan 6 V; se reservan 2 V para arranque y 4 V para cable. Con los valores supuestos de 1.5 mm² resultan unos 8 km a 20 mA y cerca de 2 km antes de que limite la capacitancia HART. Confirmar la placa entregada y dimensionar el cable o cambiar el método de conexión si el presupuesto no basta.