Adaptar y proteger las señales de proceso digitales y analógicas

En la tecnología de medición, control y regulación (tecnología MCR), la transmisión de señales sin interferencias desempeña un papel fundamental. La transmisión de señales se ve afectada por un entorno cada vez más electrificado, sobre todo en el caso de las débiles señales de valores de medición emitidas por sensores.
Una insuficiente consideración de estas perturbaciones, fallos a la hora de adaptar sistemas o planificaciones incorrectas pueden afectar a la correcta transmisión de señales.

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Equipos para la medición de la temperatura en la industria de procesos
Refinería desde una perspectiva aérea

¿De qué señales se trata?

Las señales analógicas son señales eléctricas de tensión y corriente. Para representar una magnitud física cambiante, un sensor puede generar una tensión eléctrica o modificar la caída de tensión en el circuito de medición.
En la tecnología de instalaciones y procesos se miden típicamente las siguientes magnitudes:

  • temperatura
  • presión
  • nivel de llenado y caudal
  • oscilación/vibración
  • deformación para medición de carga
  • humedad
  • concentración de gases
  • magnitudes electrofísicas, como tensión, corriente, intensidad de campo, etc.

Estaciones de procesamiento de señales de medición

El ámbito central de la tecnología MCR es la detección electrosensorial, el procesamiento y la evaluación de datos de estados en el medio ambiente o en una instalación industrial.
La atención se centra en estas tres áreas:

  1. La obtención de la señal en el campo, como se denomina al área monitorizada que se desea controlar
  2. El acondicionamiento de la señal en el nivel Interface o directamente en el nivel de campo con ayuda de componentes electrónicos para la amplificación, la conversión y la protección contra las interferencias en el trayecto de la señal
  3. Componentes para la amplificación, la conversión y la protección contra las interferencias en el trayecto de la señal.
    Procesamiento de señales analógicas o digitales en el nivel del sistema de control por una unidad de evaluación o control.
Topología: señal analógica del sensor al sistema de control

Señal analógica del sensor al sistema de control

Acondicionadores de señal y transductores de medida

Acondicionadores de señal y transductores de medida

Los bloques electrónicos para el acondicionamiento de la señal se denominan colectivamente acondicionadores de señal, aisladores de señal o transductores de medida. Pueden tener una o varias de estas funciones:

  • amplificación
  • normalización
  • filtrado
  • separación galvánica
  • alimentación eléctrica de los componentes conectados
  • monitorización de cables

1. Amplificación de señales

Una amplificación de señales es siempre necesaria cuando una señal es demasiado débil y solo puede ser registrada de forma distorsionada o atenuada por la unidad de evaluación conectada.
Ejemplo: sin el amplificador, la carga de 320 Ω conectada al emisor de señales de medición sería superior a su carga máxima admisible de 300 Ω. El emisor de señales de medición no puede transportar esta carga y la señal de medición se distorsionaría.
Mediante la incorporación de un amplificador, la carga conectada al emisor de señales de medición es, con 70 Ω, menor que su carga máxima admisible de 300 Ω. La resistencia de entrada de 300 Ω de la unidad de evaluación tampoco sobrecarga la salida del amplificador, ya que puede transportar una carga de hasta 500 Ω. La señal de medición no resulta distorsionada.

Amplificación de señales para la solución de fallos

2. Conversión a una señal normalizada

En función de la tarea de medición, las señales de sensor analógicas pueden convertirse en señales normalizadas en un bloque Interface. Para ello, el resultado de la conversión debe ser proporcional al valor de entrada medido, para no distorsionar la medición.

Ejemplo: el sensor o emisor proporciona una señal normalizada de 4 hasta 20 mA. La unidad de evaluación requiere una señal de 0 hasta 10 V. El convertidor de señales normalizadas conectado entre el emisor y la unidad de evaluación realiza la adaptación requerida.

 Ejemplo de conversión a una señal normalizada

Ejemplo de conversión a una señal normalizada

3. Filtrado

En las líneas de transmisión de valores medidos pueden producirse corrientes parásitas, p. ej. debido a la inducción electromagnética o al efecto de las señales de alta frecuencia, en entornos industriales de, por ejemplo, convertidores de frecuencia. Las perturbaciones son especialmente fuertes cuando afectan a señales de tensión.
Ejemplo: el acondicionador de señal con función de filtro detecta y suprime las corrientes parásitas en un amplio espectro de frecuencias.
También es útil utilizar cables trenzados o apantallados. Los cables trenzados ayudan a reducir la corriente parásita inducida y los cables apantallados reflejan y absorben adicionalmente los campos eléctricos. Para prevenir las perturbaciones indicadas, una señal de tensión debe convertirse en señal de corriente.

Filtrado de señales

Ejemplo de filtrado de señales

4. Separación galvánica

Una conexión de señales con separación galvánica se denomina conexión flotante porque a través de ella no fluyen corrientes de compensación entre diferencias de potencial. La separación galvánica de los circuitos de campo y de los circuitos de mando se ha convertido en una norma en la industria de plantas y procesos.

Ejemplo
Problema: el emisor y la unidad de evaluación están puestos a tierra, pero presentan diferentes potenciales de masa. Por el bucle de corriente de tierra resultante circula una corriente de compensación Ig que falsea la señal de medición I1.

Ejemplo de bucle de corriente de tierra

Ejemplo de bucle de corriente de tierra

Después de incorporar un separador galvánico de señales, p. ej., un transmisor, en los cables de conexión para la señal de medición deja de circular corriente de compensación lg. Se mide la señal de medición I2, la cual es idéntica a la señal de medición I1.

Ejemplo: separación galvánica, sin bucle de corriente a tierra

Ejemplo de separación galvánica, sin bucle de corriente a tierra

5. Monitorización de cables

La monitorización de cables está integrada como función adicional en muchos bloques Interface. Esta función de monitorización de interrupción de cables o cortocircuitos está especificada detalladamente en las recomendaciones NAMUR NE 21 de la asociación alemana de usuarios de la técnica de la automatización en la industria de procesos (NAMUR).
El gráfico muestra de forma esquemática cómo se utiliza la monitorización de cables en toda la vía de transmisión de señales, desde el sensor hasta la unidad de evaluación.
La resistencia de 400 a 2 kΩ asegura una corriente máxima con el switch cerrado que es menor que la corriente de cortocircuito. La resistencia de 10 kΩ proporciona una corriente de reposo cuando el switch está abierto. En el caso de un salto de línea, la corriente = 0.

Monitorización de cables

Ejemplo de monitorización de cables

Alimentación eléctrica y separación de las vías de señales

En las bornas de entrada de un acondicionador de señal o una unidad de evaluación se diferencia entre entrada pasiva y activa, en función de si el sensor o el transmisor conectado dispone de una fuente de alimentación propia o de si es alimentado mediante cables de señales de sensor.

Entrada pasiva

La entrada de señales únicamente tiene la función de recibir la señal. En el ejemplo, el acondicionador de señal y la unidad de evaluación tienen entradas pasivas. El sensor o emisor activo (con cuatro conexiones) alimenta la entrada pasiva del acondicionador de señal. La entrada activa del acondicionador de señal alimenta la entrada pasiva de la unidad de evaluación.

Ejemplo de una entrada de señal pasiva

Ejemplo de una entrada de señal pasiva

Entrada activa

La entrada de señal tiene dos funciones: una es la de recibir la señal y la otra es como fuente de alimentación del emisor de señales.
En el ejemplo, el acondicionador de señal tiene una entrada activa. Alimenta al sensor o transmisor de 2 o 3 conductores. La entrada activa del acondicionador de señal alimenta la entrada pasiva de la unidad de evaluación (como en el ejemplo anterior). Es posible alimentar aquellos componentes que requieren electricidad mediante fuentes de alimentación por separado o mediante líneas de señal.

Ejemplo de entrada de señal activa

Ejemplo de entrada de señal activa

Aislamiento pasivo, alimentado en bucle de entrada

Alimentación del acondicionador de señal mediante una entrada de señal a través del emisor (alimentado en bucle de entrada).
Las vías de señales entre el sensor o el emisor activo (conexión de 4 conductores) y el acondicionador de señal no están aquí separadas de la alimentación del emisor. En este caso, el sensor/emisor activo asume la alimentación del acondicionador de señal.
El sensor/emisor debe transportar la carga total del acondicionador de señal y de la entrada de la unidad de evaluación.
Solo apto para señales de 4 a 20 mA.

Ejemplo de aislamiento pasivo, alimentado en bucle de entrada

Ejemplo de aislamiento pasivo, alimentado en bucle de entrada

Aislamiento pasivo, alimentado en bucle de salida

En este caso, el acondicionador de señal se alimenta a través de la salida de señal de la unidad de evaluación (alimentado en bucle de salida).
El recorrido de la señal entre el sensor o el emisor (conexión de 4 conductores) y el acondicionador de señal está separado de la alimentación del emisor.
El recorrido de la señal entre el acondicionador de señal y la unidad de evaluación no está separado de la alimentación de la unidad de evaluación. En este caso, la unidad de evaluación asume la alimentación del acondicionador de señal. Solo apto para señales de 4 a 20 mA.

Ejemplo de aislamiento pasivo, alimentado en bucle de salida

Ejemplo de aislamiento pasivo, alimentado en bucle de salida