O sinal 4-20 mA é o padrão mais utilizado na instrumentação e automação de processos industriais para transmissão de sinais analógicos – ou seja, sinais que não são digitais.
Presente em praticamente todos os setores da indústria, ele é empregado na comunicação entre transmissores, atuadores e sistemas de aquisição de dados.
Neste artigo, você entenderá o que é o sinal 4-20 mA, por que ele utiliza especificamente os valores 4 e 20 miliamperes como limites, qual é sua origem histórica, e como ele é aplicado na prática em ambientes industriais.
Também abordaremos as diferenças em relação a outros tipos de sinais e as boas práticas para seu uso adequado.
O que é o sinal 4-20 mA?
O sinal 4-20 mA é uma forma padronizada de corrente elétrica contínua usada para representar as medições de uma variável de processo em sistemas de controle e automação.
Esse padrão de sinal de é utilizado em malhas de controle onde o valor da variável medida é convertido em um valor de corrente dentro da faixa de 4 a 20 miliamperes.
Por exemplo, um transmissor de pressão configurado com faixa de medição de 0 a 10 bar sinalizará uma corrente de 4 mA quando a pressão for 0 bar e 20 mA quando a pressão atingir 10 bar. Valores intermediários de corrente normalmente irão corresponder de forma linear a valores intermediários da variável de processo, conforme ilustrado abaixo:
Quando e por que o padrão 4-20 mA foi criado?
O padrão de sinal 4-20 mA surgiu na década de 1950 e foi amplamente adotado nas décadas seguintes com o crescimento dos sistemas eletroeletrônicos de controle de processo. A padronização dos valores de sinal em 4 mA e 20 mA foi iniciada nos anos 70, substituindo outros padrões utilizados, como 10 a 50 mA. A padronização desses valores facilitou a integração de instrumentos de diferentes fabricantes dentro de uma mesma fábrica ou processo, proporcionando mais agilidade e custos menores no comissionamento e manutenção de equipamentos.
Antes dos padrões de sinalização elétrica como o 4-20 mA, eram comuns sinais pneumáticos – isto é, sinalização por pressão – sendo o padrão de 3 a 15 psi o mais comum. Com sinais pneumáticos, o controle de processos era totalmente mecânico, e transmissores e sistemas de controle mais complexos exigiam peças de alta precisão e com várias partes móveis para funcionar corretamente.
Com a evolução da eletrônica, a corrente elétrica passou a ser a alternativa preferida, oferecendo mais exatidão, mais robustez, menor custo e maior eficiência nos sistemas de controle industrial.
A escolha específica do sinal 4-20 mA tem várias motivações técnicas:
- Sinal de corrente em vez de tensão: Menor interferência eletromagnética e menor degradação do sinal em longas distâncias quando comparada com sinais de tensão (0-10 V, 1-5 V, e outros). Além disso, permite a utilização de apenas 2 fios para alimentação e comunicação ao invés de 3 fios ou 4 fios como no caso da sinalização em tensão, reduzindo custos de infraestrutura.
- Corrente de 4 mA como valor mínimo (zero de escala): A utilização de um “zero vivo” permite a detecção de falhas, como rompimento de cabos (0 mA = falha). Além disso, permite que em muitos casos os transmissores sejam alimentados com a própria corrente de sinalização, reduzindo o número de cabos necessários no processo e portanto reduzindo custos.
- Corrente de 20 mA como valor máximo (fundo de escala): Define um limite seguro para circuitos de dois fios, permitindo a detecção de curto-circuito, além de balancear o consumo máximo da malha e capacidade de alimentação. Por exemplo, considerando uma tensão de alimentação de 24 Vcc, a potência máxima em uma malha 4-20 mA é de 24 V ⋅ 20 mA = 480 mW, ou seja, pouco menos de meio watt. Se o valor máximo utilizado fosse 50 mA, essa potência seria maior, com um valor de 1,2 W.
Vantagens do sinal 4-20 mA na instrumentação industrial
O uso do sinal 4-20 mA oferece diversas vantagens operacionais e metrológicas, especialmente em ambientes industriais exigentes:
- Boa imunidade a ruídos eletromagnéticos: Ideal para ambientes com motores, inversores e cargas indutivas, nos quais sinais de tensão sofreriam distúrbios grandes por conta da interferência eletromagnética.
- Detecção de falhas: Corrente inferior a 3,6 mA ou superior a 22 mA pode indicar problemas como curto, rompimento ou mau funcionamento do transmissor.
- Simplicidade de instalação: Pode ser utilizado com apenas dois fios, onde a alimentação e o sinal são transmitidos pelo mesmo par condutor.
- Simplicidade na manutenção: Sinal da malha de controle pode ser medido com multímetros, reduzindo custos na compra de instrumentos especializados para detectar falhas.
- Alta velocidade de resposta: Ao contrário de protocolos de sinalização digital, a sinalização de corrente pode ser utilizada no controle de processos que exigem altíssimo tempo de resposta. Alguns instrumentos com sinalização em corrente possuem velocidade de atualização menor que 1 milissegundo.
- Compatibilidade universal: Padrão aceito globalmente entre fabricantes e integradores.
- Custo reduzido: Componentes simples e infraestrutura elétrica básica.
Aplicações práticas do sinal 4-20 mA
O sinal 4-20 mA é utilizado para transmitir medições de diversas variáveis de processo, como:
- Pressão (transmissores de pressão diferencial, manométrica ou absoluta)
- Temperatura (transmissores com entrada para termorresistências e termopares)
- Nível (transmissores de nível hidrostático, ultrassônico ou radar)
- Vazão (medidores de vazão magnéticos, ultrassônicos, de massa, vórtex etc.)
- Condutividade e pH (sensores analíticos)
Esses sinais são enviados para CLPs, DCSs, ou outros sistemas de controle ou indicadores locais e registradores, formando a base dos sistemas de automação e controle de processos.
Como funciona um loop de corrente 4-20 mA
Uma malha de controle típica de 4-20 mA é composta por:
- Transmissor: realiza a medição de alguma variável do processo, e sinaliza o valor dessa variável controlando a corrente da malha em um valor proporcional.
- Atuador (opcional): utiliza o valor da corrente da malha para acionar uma válvula um alarme ou outro tipo de elemento de controle. Por exemplo, o valor de 4 mA pode sinalizar para o atuador fechar completamente uma válvula, enquanto o valor de 20 mA pode sinalizar a abertura total da válvula.
- Fonte de alimentação (normalmente 24 Vdc): fornece energia ao transmissor e a outros equipamentos da malha.
- Elemento receptor/leitor: pode ser um CLP (controlador lógico programável), indicador ou outro sistema que que interpreta o valor do sinal de corrente e o disponibiliza para outros sistemas ou mostra o valor visualmente através de um display.
A corrente flui em série por todos os elementos. Por isso, qualquer interrupção ou curto-circuito afeta todo o loop e o valor da corrente. O dimensionamento adequado da alimentação e o aterramento correto são fundamentais para garantir a integridade do sinal.
Caso algum dos elementos da malha de controle 4-20 mA apresente erros no controle ou leitura de corrente, é possível utilizarmos um calibrador de malha para verificar qual elemento está em falha e possivelmente corrigir o problema através de uma calibração e ajuste do equipamento.
Leia também: Como funciona um calibrador de malha e suas principais aplicações
O sinal 4-20 mA e a norma NAMUR 43
A recomendação NAMUR NE 43 foi desenvolvida pela associação NAMUR, que reúne usuários da indústria de processos, principalmente na Alemanha. Essa norma sugere uma padronização importante para interpretar falhas e estados especiais no sinal 4-20 mA.
No sinal 4-20 mA, o intervalo entre 4 e 20 mA representa a faixa normal de medição. A NAMUR NE 43 complementa esse padrão ao definir limites fora dessa faixa que podem ser utilizados para indicar medições abaixo ou acima dos limites de faixa, ou para indicar estados de falha.
Mais especificamente, a norma NAMUR NE 43 especifica que correntes entre 3,8 e 4,0 mA podem ser utilizadas para indicar valores normais abaixo do limite inferior da faixa de medição do equipamento (underrange) e valores de 20,0 até 20,5 mA indicam valores normais acima do limite superior da faixa (overrange).
Isso permite que equipamentos com sinal 4-20 mA indiquem medições de -1,25 % (correspondente a 3,8 mA) até 103,125 % (correspondente a 20,5 mA) da faixa ao invés de 0 % até 100 %.
Além disso, correntes iguais ou abaixo de 3,6 mA podem ser utilizadas pelos transmissores para indicar falhas (alarme em corrente baixa ou alarme baixo). Em especial, um valor de 0 mA significa que o circuito está aberto.
Correntes iguais ou acima de 21,0 mA também podem indicar falhas (alarme em corrente alta ou alarme alto) ou significam que o está em curto-circuito.
A sinalização de alarme pode ocorrer quando o instrumento identifica um problema em alguma de suas partes (por exemplo, no seu elemento sensor) ou algum erro na sua configuração que impede o seu funcionamento correto.
A opção de alarme em corrente baixa ou alta dá flexibilidade aos transmissores e os sistemas de medição de sinal 4-20 mA: nem todos transmissores são capazes de se manterem ligados com correntes abaixo de 3,6 mA, e, portanto, podem optar por apenas sinalizarem alarmes em corrente alta. Por outro lado, nem todos os sistemas de medição são capazes de medir correntes acima de 21 mA, e por isso podem optar por utilizar transmissores com alarme em corrente baixa para permitir a detecção de falhas.
Finalmente, a NAMUR NE 43 especifica que as correntes entre 3,6 e 3,8 mA e entre 20,5 e 21,0 mA são utilizadas como “zonas mortas” que permitem a criação de uma margem de segurança para evitar que erros na saída de corrente pelo transmissor ou na leitura da corrente pelo receptor façam com que um alarme ou falha no circuito seja detectado por engano. É importante notar que para que um transmissor seja compatível com a NAMUR NE 43, ele não deve gerar sinais de corrente dentro das margens de segurança (entre 3,6 e 3,8 mA ou entre 20,5 e 21,0 mA).
Isto é, a saída de corrente do transmissor deve saturar (“travar”) em 3,8 mA e 20,5 mA, e deve apenas gerar correntes menores que 3,8 mA ou maiores que 20,5 mA quando estiver em alarme, situação na qual o sinal deverá ser igual ou menor que 3,6 mA ou igual ou maior que 21,0 mA.
Essa padronização facilita o diagnóstico automático por parte dos sistemas de controle (como CLPs e DCS), aumentando a confiabilidade e a segurança das plantas industriais.
Assim, a NAMUR NE 43 não altera o padrão 4-20 mA em si, mas o complementa com uma faixa de medição extra e com diretrizes para interpretação de condições anormais de forma uniforme entre fabricantes e usuários. Essa convenção é especialmente útil para manter a interoperabilidade entre instrumentos de diferentes marcas e melhorar a capacidade de resposta a falhas no campo.
Diferença entre sinal 4-20 mA, 0-20 mA e sinal em tensão
Embora o sinal 4-20 mA seja o mais utilizado, existem outras variações:
- 0-20 mA: não permite detecção de falha (0 mA pode ser um valor real ou resultado de circuito aberto), nem sinalização sobreposta à alimentação (instrumentação a 2 fios), visto que em 0 mA não haveria corrente fluindo na malha e equipamento iria desligar.
- 10-50 mA: padrão antigo, não mais utilizado na grande maioria dos instrumentos modernos, mas que ainda pode ser encontrado em alguns processos específicos. Funciona da mesma forma que o sinal 4-20 mA, porém por trabalhar com correntes mais altas, possui maior consumo de energia.
- Sinais em tensão (ex: 0-10 V, 1-5 V, 0-5 V): mais suscetíveis a desvios no sinal por conta da resistência do cabo, e mais suscetíveis a ruídos eletromagnéticos. Além disso, não podem ser sobrepostos à alimentação da malha, requerendo 1 ou 2 cabos extras para sinalização da tensão.
Na indústria, o sinal 4-20 mA é preferido por ser mais robusto e confiável em ambientes com alta interferência eletromagnética, e grandes distâncias de cabos, e que requerem baixo consumo de energia.
Leia também: Transmissores de pressão 4 a 20 mA e 0 a 10 V: principais diferenças entre os sinais de saída
Convertendo o sinal 4-20 mA em um sinal de tensão
Uma outra vantagem do sinal 4-20 mA é que podemos facilmente convertê-lo em um sinal de tensão. Isso é útil quando nossa malha de controle não possui um equipamento capaz de ler correntes, mas apenas um leitor de tensão. Por exemplo, o CLP utilizado na malha pode estar com todas as entradas de corrente utilizadas, mas com entradas de tensão disponíveis.
Para realizar a transformar o sinal 4-20 mA em tensão, basta adicionarmos um resistor em série na malha, lembrando a Lei de Ohm:
V = I ⋅ R
Ou seja, a tensão V (em volts) através do resistor é igual à corrente I (em amperes) da malha multiplicada pela resistência R (em ohms) do resistor.
Sabemos que os valores da corrente I irão variar entre 4 mA e 20 mA em uma malha de controle com sinal 4-20 mA. Sendo assim, se escolhermos um resistor de 250 Ω, a tensão irá variar entre 250 Ω ⋅ 4 mA = 1 V e 250 Ω ⋅ 20 mA = 5 V. Ou seja, com o resistor de 250 Ω ligado em série, o sinal 4-20 mA será convertido em um sinal 1-5 V.
Se escolhermos um resistor de 500 ohms, os limites da faixa serão dobrados, resultando em um sinal de tensão de 2-10 V.
Três observações importantes são necessárias sobre esse tipo de conversão:
- É importante escolhermos um resistor capaz de suportar a potência que será dissipada neles, caso contrário ele poderá esquentar e ser danificado, comprometendo a malha de controle. A potência máxima pode ser calculada como o quadrado da corrente máxima vezes a resistência. Por exemplo, no caso do resistor de 250 Ω, a potência máxima será de (20 mA ⋅ 20 mA) ⋅ 250 Ω = 100 mW.
- O resistor que utilizamos deve ter uma certa precisão, caso contrário o sinal de tensão terá um erro alto. Por exemplo, se utilizarmos um resistor de 250 Ω com tolerância de 10%, os valores da tensão medida poderão variar em até 10% da faixa esperada. Por conta disso, é recomendado a utilização de resistores com tolerância igual ou inferior a 1%, e evitar o uso desse tipo de método em malhas de controle que exigem alta exatidão nas medições.
- O valor do resistor utilizado não deve ser alto. Ele deve ser mantido abaixo de 500 Ω, e de preferência limitado em 250 Ω. Caso o resistor possua alta resistência, isso poderá impossibilitar o controle da corrente pelo transmissor, comprometendo a malha.
Boas práticas para instalação de loops com sinal 4-20 mA
A correta instalação de loops de corrente 4-20 mA é fundamental para garantir a integridade do sinal e a confiabilidade das medições.
Pequenos descuidos podem gerar interferência ou quedas de sinal.
A seguir, destacamos algumas boas práticas que devem ser adotadas em projetos e manutenções envolvendo esse tipo de sinal:
- Separe fisicamente os cabos de sinal de fontes de radiação eletromagnética, como motores elétricos e seus cabos de alimentação, antenas emissoras e máquinas com chaveamento de alta tensão, pois mesmo sinais de corrente podem sofrer com interferência eletromagnética caso esteja próximo de fontes extremas de ondas eletromagnéticas.
- Utilize cabos blindados para reduzir interferências.
- Certifique-se de que a fonte de alimentação seja adequada para alimentar os instrumentos da malha 4-20 mA, possuindo tanto a tensão de alimentação adequada, quanto a potência necessária para alimentar todos os instrumentos conectados. Lembrando que com uma alimentação 24 V, cada malha 4-20 mA irá consumir até 20 mA ⋅ 24 V = 480 mW.
- Realize testes de continuidade e polaridade antes de energizar a malha.
- Use conectores e bornes de qualidade para garantir contato firme e baixa resistência nas interligações da malha.
Quando adotar transmissão digital em vez de sinal 4-20 mA
Embora o 4-20 mA continue sendo amplamente utilizado, transmissões digitais via protocolos como HART, PROFIBUS PA, Modbus ou FOUNDATION Fieldbus (FF) oferecem recursos adicionais:
- Diagnóstico remoto detalhado dos instrumentos
- Configuração remota via software
- Transmissão de múltiplas variáveis
- Registro de eventos e alarmes
Por isso, a tendência é que sistemas modernos combinem sinal 4-20 mA com protocolos digitais sobrepostos (como no caso do protocolo HART), unindo robustez e flexibilidade.
Leia também: Protocolos de comunicação: HART, PROFIBUS PA e FOUNDATION FIELDBUS, quais as diferenças entre eles?
O sinal 4-20 mA como base da automação industrial moderna
Apesar da evolução dos protocolos digitais, o sinal 4-20 mA continua sendo a espinha dorsal da instrumentação industrial.
Sua simplicidade, confiabilidade, grande base instalada e compatibilidade com diversos equipamentos o tornam ideal para ambientes com alta exigência de estabilidade e operação ininterrupta.
Compreender como esse padrão de sinal funciona, suas vantagens e como aplicá-lo corretamente é uma competência essencial para qualquer profissional da área de instrumentação e automação.
Produtos Sensycal com sinal de saída 4-20 mA:
