Aunque las tecnologías de microprocesadores y redes digitales han reinventado fundamentalmente la forma en que los sistemas actuales de adquisición de datos manejan la información, gran parte de la información de laboratorio y de fabricación sigue comunicándose a la «antigua usanza», mediante señales eléctricas analógicas. Y para comprender de forma básica cómo funciona la transmisión de señales analógicas, primero hay que empezar por repasar los conceptos básicos de la electricidad.
Para entender cómo se transmite una señal analógica a través de un circuito, primero es importante comprender las relaciones que hacen posible la transmisión de señales analógicas. Es la relación fundamental entre el voltaje, la corriente y la resistencia eléctrica (Figura 3-1) la que permite que una corriente o un voltaje que varían continuamente representen una variable de proceso continua.
Mientras que el flujo de carga es la corriente eléctrica, el voltaje es el trabajo realizado al mover una unidad de carga (1 culombio) de un punto a otro. La unidad de voltaje se denomina a menudo diferencia de potencial o voltio (V). La unidad del Sistema Internacional de Unidades (SI) para el flujo eléctrico es el amperio (A), definido como un culombio por segundo (c/s).
Una fuente de señal de voltaje, V, hará que una corriente, I, fluya a través de una resistencia, R. La ley de Ohm, formulada por el físico alemán Georg Simon Ohm (1787-1854), define la relación:
V=IR
Aunque la mayoría de las transmisiones de señales analógicas de un solo canal utilizan variaciones de corriente continua (CC) en la corriente o el voltaje para representar un valor de datos, las variaciones de frecuencia de una corriente alterna (CA) también pueden utilizarse para comunicar información. A principios del siglo XIX, Jean Baptiste Joseph Fourier, matemático y físico Francés, descubrió que las señales de CA podían definirse en términos de ondas sinusoidales. Una onda sinusoidal se describe mediante tres magnitudes: amplitud, periodo y frecuencia. La amplitud es el valor máximo de la onda en dirección positiva o negativa, el periodo es el tiempo que tarda en completarse un ciclo de la onda y la frecuencia es el número de ciclos completos por unidad de tiempo (el recíproco del periodo).
Tipos de señales analógicas
La mayoría de las señales de adquisición de datos pueden describirse como analógicas, digitales o de pulso. Mientras que las señales analógicas suelen variar de forma suave y continua a lo largo del tiempo, las señales digitales están presentes en puntos discretos en el tiempo (Figura 3-2). En la mayoría de las aplicaciones de control, las señales analógicas varían de forma continua en un rango de corriente o tensión específico, como 4-20 mA CC o 0 a 5 V CC. Mientras que las señales digitales son esencialmente de encendido/apagado (la bomba está encendida o apagada, la botella está ahí o no está), las señales analógicas representan entidades continuamente variables, como temperaturas, presiones o caudales. Dado que los controladores y sistemas informáticos solo entienden información discreta de encendido/apagado, es necesaria la conversión de señales analógicas a representaciones digitales (lo cual se analiza en el capítulo 1).
La transducción es el proceso de cambiar la energía de una forma a otra. Por lo tanto, un transductor es un dispositivo que convierte la energía física en una señal de voltaje o corriente eléctrica para su transmisión. Existen muchas formas diferentes de transductores eléctricos analógicos. Entre los transductores más comunes se incluyen las celdas de carga para medir la deformación mediante la resistencia, y los termopares y los detectores de temperatura resistivos (RTD) para medir la temperatura mediante la medición del voltaje y la resistencia, respectivamente. Los canales de transmisión pueden ser cables o cables coaxiales.
Título de la leyenda de la imagen
For noise-resistant transmission over significant distances, the raw transducer signal is often converted to a 4-20 mA signal by a two-wire, loop-powered transmitter. The bottom value of a process variable's range, for example, a temperature, is typically designated as 4 mA, making it easy to distinguish transmitter failure (0 mA) from a valid signal. If the current source is of good quality, current loops tend to be less sensitive to noise pickup by electromagnetic interference than voltage-based signals.
Para una transmisión resistente al ruido a distancias significativas, la señal bruta del transductor se convierte a menudo en una señal de 4 a 20 mA mediante un transmisor de dos hilos alimentado por bucle. El valor mínimo del rango de una variable de proceso, por ejemplo, la temperatura, se designa normalmente como 4 mA, lo que facilita distinguir un fallo del transmisor (0 mA) de una señal válida. Si la fuente de corriente es de buena calidad, los bucles de corriente tienden a ser menos sensibles a la captación de ruido por interferencias electromagnéticas que las señales basadas en tensión.
Ruido y conexión a tierra
Al transmitir señales analógicas a través de una planta de proceso o una fábrica, uno de los requisitos más críticos es la protección de la integridad de los datos. Sin embargo, al transmitir señales analógicas de bajo nivel a través de cables, es inevitable que se produzca cierta degradación de la señal debido al ruido y las interferencias eléctricas. El ruido y la degradación de la señal son dos problemas básicos en la transmisión de señales analógicas.
El ruido se define como cualquier fenómeno eléctrico o magnético no deseado que corrompe una señal de mensaje. El ruido se puede clasificar en dos grandes categorías según su origen: ruido interno y ruido externo. Mientras que el ruido interno es generado por componentes asociados a la propia señal, el ruido externo se produce cuando fenómenos eléctricos o magnéticos naturales o artificiales influyen en la señal mientras se transmite. El ruido limita la capacidad de identificar correctamente el mensaje enviado y, por lo tanto, limita la transferencia de información. Algunas de las fuentes de ruido interno y externo son:
Interferencia electromagnética (EMI) Interferencia de radiofrecuencia (RFI) Rutas de fuga en los terminales de entrada Señales turbulentas de otros instrumentos Captación de carga eléctrica de fuentes de alimentación Conmutación de cargas de alta corriente en el cableado cercano Autocalentamiento debido a cambios en la resistencia Arcos eléctricos Rayos Motores eléctricos Transitorios e impulsos de alta frecuencia que pasan al equipo Cables: instalación y cableado inadecuados Error de conversión de señal; y Perturbaciones incontrolables del proceso.
Los cables de señal pueden captar dos tipos de ruido externo: modo común y modo normal. El ruido de modo normal entra en la ruta de la señal como un voltaje diferencial y no se puede distinguir de la señal del transductor. El ruido captado en ambos cables desde tierra se denomina interferencia de modo común.
Título de la leyenda de la imagen Los rangos típicos para las señales de datos y el ruido se muestran en la Figura 3-3. El hecho de que el ruido sea perjudicial para el correcto rendimiento del sistema depende de la relación entre la potencia total de la señal y el nivel total de ruido. Esto se conoce como relación señal-ruido. Si la potencia de la señal es grande en comparación con la señal de ruido, el ruido a menudo puede ignorarse. Sin embargo, con señales de larga distancia que operan con una potencia de señal limitada, el ruido puede interrumpir la señal por completo.
Los dispositivos accionados por corriente han sido los más ampliamente aceptados en las plantas de procesamiento, con un rango de corriente común de 4-20 mA. Las señales de corriente de bajo nivel no solo son seguras, sino que también son menos susceptibles al ruido que las señales de tensión. Si se acopla magnéticamente una corriente a los cables de conexión en la transmisión de la señal desde una fuente de corriente, no se producirá ningún cambio significativo en la corriente de la señal. Si el transductor es un dispositivo accionado por tensión, el error se añade directamente a la señal. Después de la transmisión de corriente, las señales de tensión se pueden volver a derivar fácilmente.
Aunque las interferencias internas y externas pueden ser problemáticas en el envío de señales analógicas, la transmisión de señales analógicas se utiliza ampliamente y con éxito en la industria. Los efectos del ruido se pueden reducir con un diseño de ingeniería cuidadoso, una instalación adecuada, técnicas de tendido de cables y alambres, y apantallamiento y puesta a tierra.
Una de las formas en que los ingenieros han intentado minimizar los efectos del ruido es maximizar la relación señal-ruido. Esto implica aumentar la potencia de la señal que se envía. Aunque esto funciona en algunos casos, tiene sus limitaciones. Al aumentar la señal, los efectos no lineales se vuelven dominantes, ya que la amplitud de la señal aumenta, lo que mejora la señal y el ruido en la misma proporción.
Una conexión a tierra adecuada también es esencial para el funcionamiento eficaz de cualquier sistema de medición. Una conexión a tierra inadecuada puede dar lugar a bucles de tierra potencialmente peligrosos y a la susceptibilidad a las interferencias. Para comprender los principios que intervienen en el apantallamiento y la conexión a tierra, primero hay que entender algunos términos. Una conexión a tierra es una vía conductora de flujo de corriente entre un circuito eléctrico y la tierra. Los cables de tierra suelen estar fabricados con materiales que tienen una resistencia muy baja. Dado que la corriente toma el camino de menor resistencia, los cables de tierra conectados al sistema proporcionan una referencia estable para realizar mediciones de tensión. Los cables de tierra también protegen contra señales de modo común no deseadas y evitan el contacto accidental con tensiones peligrosas. Las líneas de retorno transportan corrientes de alimentación o de señal (Figura 3-4). Un bucle de tierra es un bucle potencialmente peligroso que se forma cuando dos o más puntos de un sistema eléctrico están conectados a tierra con diferentes potenciales.
There are many different grounding techniques designed to not only protect the data being transmitted, but to protect employees and equipment. There are two ways in which all systems should be grounded. First of all, all of the measuring equipment and recording systems should be grounded so that measurements can be taken with respect to a zero voltage potential. This not only ensures that potential is not being introduced at the measuring device, but ensures that enclosures or cabinets around equipment do not carry a voltage. To ground an enclosure or cabinet, one or more heavy copper conductors are run from the device to a stable ground rod or a designated ground grid. This system ground provides a base for rejecting common-mode noise signals. It is very important that this ground is kept stable.
Existen muchas técnicas de conexión a tierra diferentes diseñadas no solo para proteger los datos que se transmiten, sino también para proteger a los empleados y los equipos. Hay dos formas en las que todos los sistemas deben conectarse a tierra. En primer lugar, todos los equipos de medición y los sistemas de registro deben conectarse a tierra para que las mediciones puedan realizarse con respecto a un potencial de tensión cero. Esto no solo garantiza que no se introduzca potencial en el dispositivo de medición, sino que también asegura que los alojamientos o armarios que rodean los equipos no conduzcan tensión. Para conectar a tierra un alojamiento o un armario, se tienden uno o varios conductores de cobre pesado desde el dispositivo hasta una varilla de tierra estable o una rejilla de tierra designada. Esta conexión a tierra del sistema proporciona una base para rechazar las señales de ruido en modo común. Es muy importante que esta conexión a tierra se mantenga estable.
La segunda conexión a tierra es para la tierra de la señal. Esta conexión a tierra es necesaria para proporcionar una referencia sólida para la medición de todas las señales de bajo nivel. Es muy importante que esta conexión a tierra esté aislada y separada de la conexión a tierra del sistema. Si una línea de retorno de señal está conectada a tierra en la fuente de señal y en la conexión a tierra del sistema, una diferencia de potencial entre las dos conexiones a tierra puede causar una corriente circulante (Figura 3-5). En este caso, la corriente circulante estará en serie con los cables de señal y se sumará directamente a la señal del instrumento de medición. Estos bucles de tierra son capaces de crear señales de ruido 100 veces mayores que la señal original. Esta corriente también puede ser potencialmente peligrosa. En una configuración de tierra de un solo punto, puede fluir una corriente mínima en la referencia de tierra. La imagen 3-6 muestra que, al conectar a tierra el cable solo en el extremo de la señal, la corriente no tiene camino, lo que elimina el bucle de tierra. 
Título de la leyenda de la imagen
Para las mediciones fuera de tierra, el blindaje o el cable de tierra se estabiliza con respecto al nivel bajo de la señal o en un punto entre los dos. Dado que el blindaje se encuentra a un potencial superior a la tierra de referencia cero, es necesario contar con un aislamiento adecuado.
Opciones de cables y alambres
Otro aspecto importante a tener en cuenta en la transmisión de señales analógicas es un sistema de cableado adecuado, que pueda reducir eficazmente las interferencias de ruido. La transmisión de señales analógicas suele consistir en cables de señal de dos hilos o cables de señal de tres hilos. En los sistemas que requieren alta precisión y exactitud, es necesario el tercer cable de señal, o protección. En la configuración de tres hilos, la protección se conecta a tierra en la fuente de señal para reducir el ruido de modo común. Sin embargo, esto no elimina todas las posibilidades de introducción de ruido. Es fundamental evitar la captación de ruido protegiendo las líneas de señal. Por ejemplo, en el caso de que la frecuencia del ruido y la señal sean iguales. En este escenario, la señal no se puede aislar/filtrar del ruido en el dispositivo receptor.
Título de la leyenda de la imagen
Por lo general, se utilizan medios de transmisión de dos hilos para transportar una señal analógica hacia o desde el área de campo. Un cable que transporta corriente y voltaje alternos puede inducir ruido en un par de cables de señal cercanos. Se creará un voltaje/ruido diferencial, ya que los dos cables pueden estar a distancias diferentes de la señal perturbadora. Existen muchas opciones de cableado diferentes para reducir la entrada de ruido no deseado en la línea. Hay cuatro tipos de cables fundamentales en la ADQUISICIÓN DE DATOS: par simple, par blindado, par trenzado y cable coaxial.
Aunque se puede utilizar cable simple, por lo general no es muy fiable para filtrar el ruido y no se recomienda. Un par blindado es un par de cables rodeados por un conductor que no transporta corriente. El blindaje bloquea la corriente interferente y la dirige a tierra. Cuando se utiliza un par blindado, es muy importante seguir las normas de conexión a tierra. Una vez más, el blindaje solo debe conectarse a tierra en una fuente, eliminando la posibilidad de corrientes de bucle de tierra.
Los pares trenzados ayudan a eliminar el ruido debido a los campos electromagnéticos al trenzar los dos cables de señal a intervalos regulares. Cualquier perturbación inducida en el cable tendrá la misma magnitud y dará lugar a la cancelación del error.
El cable coaxial es otra alternativa para proteger los datos del ruido. Un cable coaxial consta de un cable conductor central separado de un cilindro conductor exterior por un aislante. El conductor central es positivo con respecto al conductor exterior y transporta una corriente (Figura 3-7). Los cables coaxiales no producen campos eléctricos y magnéticos externos y no se ven afectados por ellos. Esto los hace ideales, aunque más caros, para la transmisión de señales.
Título de la leyenda de la imagen
Registradores gráficos Introducción a los registradores gráficos