El acondicionamiento de señales garantiza la exactitud de las mediciones

Por Jack Smith

En una planta de fabricación de componentes esenciales para compañías aeroespaciales, un técnico calibra el sistema de control que mantiene temperaturas precisas dentro de los hornos que endurecen los componentes de metal durante los procesos de termotratado. En una planta de fabricación de productos electrónicos de consumo, un ingeniero de pruebas configura un sistema de adquisición de datos para llevar a cabo una serie de pruebas en un prototipo de producto durante el proceso de diseño. En una refinería petroquímica, un ingeniero de instrumentos detecta los problemas de un lazo de control de procesos para ubicar un problema intermitente.

Aunque las industrias son diferentes, estos profesionales tienen por lo menos una cosa en común. Los técnicos e ingenieros que trabajan con sistemas y equipos de automatización, instrumentación y control deben lidiar con problemas en las mediciones todos los días. Saben que los sensores convierten las características físicas de un ambiente físico o proceso en señales eléctricas que se pueden medir. Sin embargo, también son conscientes de que les pueden ocurrir muchas cosas a las señales en su camino hacia el equipo o los sistemas que requieren su entrada.

Los técnicos y los ingenieros saben que la mayoría de las industrias no son necesariamente aptas para las señales. Los lazos de puesta a tierra y el ruido pueden poner en peligro la integridad de la señal. Algunas señales de los sensores son débiles, algunas requieren conversión y algunos no pueden producir señales sin una fuente de suministro externa. Los técnicos e ingenieros que lidian con problemas en las mediciones muchas veces usan el acondicionamiento de señales para obtener, mantener y mejorar la calidad de estas mediciones.

¡Oye! Hay ruido en mi señal

Los indicadores de procesos, el equipo de adquisición y recolección de datos, los PLC, los sistemas de control de procesos y otros dispositivos de medición requieren las señales adecuadas (nada más que las señales). En otras palabras, estas señales deben ser “limpias” y sin ruido. Los motores, los variadores de frecuencia (VFD), el equipo de soldadura y los transitorios que ocurren debido a que el equipo se arranca y se detiene pueden producir ruido que puede afectar a las señales que viajan de los sensores a los dispositivos de medición correspondientes.

Las prácticas recomendadas de cableado eléctrico y de instrumentos, incluida la conexión a tierra y el blindaje adecuados, ayudan mucho a minimizar el ruido no deseado. Aunque los sistemas bien diseñados e instalados tienen menos problemas de ruido, muchas veces esto no es suficiente. Saber cuándo, dónde y cómo aplicar el acondicionamiento de señales puede ayudar a mantenerlas felices.

El acondicionamiento de señales protege a las señales deseadas de los componentes o los efectos no deseados usando aislamiento o filtración. Los dispositivos de acondicionamiento de señales usan el aislamiento para minimizar los efectos de la interferencia causada por los lazos de conexión a tierra o el ruido, que pueden afectar a la precisión de las mediciones. Los filtros están diseñados para minimizar el ruido rechazando las señales comprendidas en un rango de frecuencia específico mientras permiten que otras pasen. Por ejemplo, los filtros de paso bajo como los que se incorporan en muchos multímetros digitales y pinzas amperimétricas de Fluke bloquee de manera eficiente los componentes de ruido de alta frecuencia, como los de los VFD, en las señales de medición.

Traducir del idioma de los sensores al idioma de las mediciones

Al viajar a un país extranjero, muchos necesitamos que un traductor nos ayude a entender el idioma. Suele ocurrir lo mismo con los sensores y los dispositivos que usan sus señales. Muchos dispositivos de medición y sus sistemas relacionados son quisquillosos con los tipos de señales que requieren. Por lo tanto, las señales de los sensores se deben traducir o convertir antes de que los respectivos dispositivos de medición las puedan utilizar.

La conversión de señales es otro tipo de acondicionamiento de señales. Entre los tipos de conversión de señales se incluyen la amplificación, la atenuación, la linealización, la compensación de las uniones frías y la excitación. Algunos dispositivos de medición prefieren la tensión y otros la corriente. La mayoría de estos dispositivos requieren que las señales tengan un nivel mucho más alto del que producen la mayoría de los sensores.

Los termopares siguen siendo el ejemplo clásico de conversión de señales y en mi opinión se han convertido en el paradigma por excelencia. Lo digo porque requieren tres de los cinco tipos de conversión de señal antes mencionados: amplificación, linealización y compensación de unión fría.

Amplificación: los termopares producen tensiones en el rango de milivoltios. Sin embargo, algunos de los dispositivos de medición de temperatura con los que se usan requieren 1-5 V CC, 0-10 V CC o 4-20 mA para funcionar correctamente. La señal del termopar se debe amplificar para que sea útil.

Linealización: los termopares son notablemente no lineales. Sin embargo, otros sensores como los detectores de temperatura de la resistencia (RTD), los manómetros extensiométricos y los acelerómetros también son no lineales. Se dice que un sensor es lineal si el cambio en el valor de la señal que produce es directamente proporcional al cambio en el entorno físico o el proceso que mide. Sin embargo, cuando los sensores producen señales que no se relacionan linealmente con sus mediciones físicas, se debe utilizar la linealización.

Compensación de unión fría: la conexión entre el termopar y el terminal del dispositivo de medición también forma una unión, llamada unión fría. Si no se compensa, la unión fría producirá un error en la medición. Sin embargo, la compensación de la unión fría usa un dispositivo sensible a la temperatura, como un termistor o un diodo, para simular y aplicar la corrección adecuada.

Excitación: algunos sensores no producen tensión ni corriente y por lo tanto requieren excitación en forma de una tensión o corriente externa. Entre algunos de los sensores que quieren excitación se incluyen RTD, termistores, manómetros extensiométricos y acelerómetros.

Cómo mantener a las señales felices

Al utilizar el acondicionamiento de señales en los sistemas de medición, cada sensor necesita un acondicionador de señal individual con base en la señal que produce ese tipo de sensor. Los dispositivos y módulos de acondicionamiento de señales están disponibles para la mayoría de tipos de señales analógicas. Sin embargo, contar con repuestos de cada tipo puede ser muy costoso y difícil de manejar.

Afortunadamente, ahora contamos con acondicionadores de señal universales. Los acondicionadores de señal universales convierten, aíslan y transmiten señales desde muchos tipos de sensores así como controladores y otros dispositivos. Estos acondicionadores de señal versátiles normalmente aceptan entradas de corriente, tensión CC, termopar, RTD y resistencia. Entre las salidas de los acondicionadores de señal universales típicas se incluyen la corriente, la tensión de CC y los relés programables.

Los técnicos e ingenieros que trabajan con sistemas y equipos de automatización, instrumentación y control aplican el acondicionamiento de señales para mejorar la precisión de las mediciones y el rendimiento de los sistemas de control optimizando las señales de los sensores de procesos. Sin embargo, estos sistemas de control también deben tener un mantenimiento adecuado y calibrarse periódicamente. Afortunadamente, las herramientas de Fluke como el multímetro Fluke 789 ProcessMeter, Fluke 705, los calibradores de lazo Fluke 707y la pinza amperimétrica de mA de procesos Fluke 771 pueden ayudar a mantener la fiabilidad, precisión y seguridad de los sistemas de medición de procesos y control.

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Hasta la próxima, manténgase en "tierra firme".

Hablando técnicamente: sobre los lazos de conexión a tierra y el ruido

Los lazos de conexión a tierra y el ruido pueden causar interferencias en las señales de medición. Una conexión a tierra debe estar a potencial de conexión a tierra y con referencia a la conexión a tierra. Sin embargo, existe un lazo de conexión a tierra cuando una sola señal de control tiene dos o más conexiones a tierra en diferentes potenciales y hay una ruta de conducción entre las conexiones a tierra.

Esta diferencia en el potencial de conexión a tierra puede crear una magnitud impredecible de corriente adicional en el lazo. La corriente no forma parte de la señal deseada y, por lo tanto, distorsiona la señal y la medición. Los dispositivos de acondicionamiento de señales mantienen la integridad de la señal interrumpiendo el camino de la corriente de lazo a tierra.

El equipo industrial produce ruido eléctrico que puede afectar a las señales de medición. El ruido de modo normal habitualmente se produce en circuitos de CA entre los cables de fase neutral y “caliente”. El ruido de modo común normalmente se produce entre los cables de fase neutral y de conexión a tierra, pero también puede ocurrir entre los cables de fase caliente y de conexión a tierra.

Aunque puede producirse ruido en el modo normal, también puede ocurrir en los circuitos de medición de CC. El ruido en el modo normal es más omnipresente y causa la mayor cantidad de errores en las mediciones. Sin embargo, aislar la señal puede ayudar a evitar el ruido para que no afecte a la precisión de la medición.