Entrada 4-20 mA e termopar tipo K com arduino e ESP32

No chão de fábrica, sem dúvida o sinal elétrico mais comum é o 4 – 20mA, com a justificativa de maior imunidade a ruídos elétricos e pode ser utilizado a longas distâncias, já que é corrente, e perdas por cabo são compensadas com estabilização via corrente elétrica. Um outro ponto interessante é o chamado ZERO VIVO, nessa condição temos o 4mA quando tem 0% na entrada ou saída, e se caso for medido 0mA, é indicado um problema que na própria medição já é indicado.

Sendo assim, nós criamos uma Shield com 2 entradas 4 a 20mA e 1 saída também de 4 a 20mA, e utilizamos o restante de espaço da placa para adicionar 2 entradas de termopar tipo K, baseados no MAX6675.

Passo a Passo:

1. Criação da Shield.

2. Utilizando com a Optovar.

3. Utilizando a Shield sem isolador analógico.

4. Esquema de ligação para entrada e saída.

1 - CRIAÇÃO DA SHIELD

O objetivo principal da pesquisa e posteriormente, nascimento desta Shield, foi a pesquisa de uma BOM (Bill of Material – Lista de material) menor do que o conversor mais popularmente usado.

Conversor 4 - 20mA para tensão

Pois como podem notar, tem muitos componentes para executar somente esta função e para um canal ainda, e nessa mesma demanda de redução de BOM, nós colocamos na placa uma saída ideal para controlar atuadores que utilizem sinal de 4 – 20mA, também para substituir outro módulo conversor.

Módulo conversor de tensão para corrente

Então se tratando de um sinal tão utilizado dentro da indústria, achamos viável a criação de uma Shield, com entrada e saída 4 -20mA, que pudesse ser utilizada tanto com Arduino quanto com as CPB’s .

Shield corrente IO

Esta placa foi desenvolvida para trabalhar normalmente em conjunto com a Shield Analógica Isolada ou Optavar que vimos neste blog (link) e caso queira usar diretamente no Arduino ou na CPB, basta configurar alguns jumpers e usar, mais para frente vamos detalhar como deve ser configurada.

2 - UTILIZANDO COM OPTOVAR

Agora vamos mostrar como fica o circuito se usado as 2 Shields (analógica opto acoplada – Optovar e 4-20mA CorrenteIO).

A forma de instalação acima é extremamente recomendada quando já temos um sensor em campo, por exemplo, enviando sinal 4 a 20mA para um CLP (controlador lógico programável, muito usado na indústria) e queremos usar este mesmo sinal para registrar dados na nuvem. Assim com esta topologia, nosso equipamento não interferirá no CLP e nem ele causará interferência no nosso.

3 - UTILIZANDO A SHIELD SEM ISOLADOR ANALÓGICO

Alguns projetos serão alimentados pela própria CPB ou Arduino, e acaba sendo comum que alguns sensores usem também o padrão de sinal 4 a 20mA, neste caso não necessitaremos da Shield OptoVar, pois não teremos circuitos de campo para serem isolados, na CPB recomendamos que não exceda 200mA nos 12 volts disponibilizados comumente no pino Vin.

Sendo o uso default da placa CorrenteIO junto com a placa OptoVar, teremos que fazer algumas modificações na placa para habilitar todas as funções.

Vendo a parte inferior da placa, temos:

A seguir vou dar os passos de como configurar a placa:

• Devemos soldar o JP1 e 2 para alimentar a placa com o Vin do Arduino e também disponibilizar alimentação para o sensor externo;

• Soldar o JP6 e 7 para ler a corrente convertida em tensão nos pinos A0 e A1;

• Para a CPB32, temos no equivalente ao pino A4, a possibilidade de usar o pino de saída analógica do ESP32, neste caso o 25, e com ele controlar uma saída de corrente de 4 a 20mA, para isso temos que soldar o JP3 e 4;

• Utilizando com termopar, deve-se fazer a alteração de acordo com o microcontrolador que for utilizar, pode ser um de 5V ou um de 3,3V que é o caso do ESP32, por padrão ela vem configurada para 5V, caso queira utilizar com a CPB32 deve cortar o jumper JP9 e soldar o JP8

4 - ESQUEMA DE LIGAÇÃO PARA ENTRADA E SAÍDA

Agora vamos mostrar como ficaria o circuito utilizado apenas a Shield corrente IO:

Um ponto fundamental para o sucesso da aplicação destes conceitos de conversão e medição é a qualidade da fonte, pois enquanto nos meus testes eu estava usando uma fonte de baixa qualidade, estava quase condenando o circuito e ao passar para uma fonte colmeia ainda de baixo custo, mas com qualidade um pouco melhor, o projeto já ficou totalmente estável.

E o circuito para saída de 4 – 20mA fica assim:

Por fim, vou deixar o link de uma série de vídeos mostrando alguns testes sendo feitos com a Shield corrente IO, agregando mais conhecimento e podendo ser visto na prática tudo que foi comentado nesse blog.

Utilizando termopar tipo K:

Utilizando entrada analógica 4 -20mA:

Utilizando saída analógica 4 – 20mA:

Bons estudos!