2.2 Acondicionamiento de señales

La señal de salida del sensor de un sistema de medición en general se debe procesar de una forma adecuada para la siguiente etapa de la operación  La se;al puede ser, por ejemplo, demasiado peque;a, y seria necesario amplificarla; podría contener interferencias que eliminar; ser no lineal y requerir su linealizacion; ser analógica y requerir su digitalizacion; ser digital y convertirla en analógica  ser un cambio en el valor de la resistencia, y convertirla a un cambio en corriente; consistir en un cambio de voltaje y convertirla en un cambio de corriente de magnitud adecuada, etcétera. Si todas estas modificaciones se les designa en general con el termino acondicionamiento de se;al.

Los sistemas de adquisición de datos (DAQ) basados en PC y dispositivos insertables son usados en un amplio rango de aplicaciones en los laboratorios, en el campo y en el piso de una planta de manufactura. Típicamente, los dispositivos DAQ insertables son instrumentos de propósito general diseñados para medir señales de voltaje.El problema es que la mayoría de los sensores y transductores generan señales que debe acondicionar antes de que un dispositivo DAQ pueda adquirir con precisión la señal. Este procesamiento al frente, conocido como acondicionamiento de señal, incluye funciones como amplificación, filtrado, aislamiento eléctrico y multiplexeo. Es así que la mayoría de los sistemas DAQ basados en PC incluyen algún tipo de acondicionamiento de señal además del dispositivo DAQ y la PC, como lo muestra la Figura 1.Sistemas de switcheo al frente también incrementan la funcionalidad de su sistema de medición y automatización. Switcheo de propósito general le proporciona control digital de la presencia o ausencia de su señal en el sistema, como la alimentación a un motor. Configuraciones de multiplexores/matríz de relevadores controlan la fuente y ruta de las señales en su sistema o actúan como multiplexores para dispositivos como multímetros digitales (DMMs).

Acondicionamiento de Transductores

Los transductores son dispositivos que convierten fenómenos físicos como temperatura, carga, presión o luz a señales eléctricas como voltaje y resistencia. Las características de los transductores definen muchos de los requerimientos de acondicionamiento de señales de un sistema DAQ.

Termopares o Termocuplas

El transductor más utilizado para medir temperatura es el termopar o termocupla. Aunque el termopar es económico, resistente y puede operar en un amplio rango de temperatures, el termopar requiere de acondicionamiento de señal especial.Un termopar opera bajo el principio de que una junta de metales no similares genera un voltaje que varía con la temperatura.Además al conectar el cable del termopar al cable que lo conecta al dispositivo de medición se crea una junta termoeléctrica adicional conocida como junta fría. Entonces el voltaje medido, V MES incluye el voltaje del termopar y los voltajes de junta fría (V CJ) (Vea Figura 2). El método para compensar estos voltajes de junta fría no deseados es conocido como compensación de junta fría.La mayoría de los productos de acondicionamiento de señal de National Instruments compensan las juntas frías usando un sensor adicional, como un termistor o sensor IC. Este sensor es colocado en el conector de señales o bloque terminal para medir la temperatura ambiente en la junta fría directamente. El software después puede calcular la compensación apropiada para los voltajes termoeléctricos indeseados.

Sensitividad y ruido son otros factores importantes a considerar cuando se miden termopares.Las salidas de los termopares son muy pequeñas y cambian de 7 a 50µV por cada grado (1 °C) de cambio en temperatura haciendo a las señales muy suseptibles a los efectos de ruido eléctrico. Es por esto que los acondicionadores de termopares incluyen filtros de ruido paso bajo para suprimir el ruido de 50 y 60 Hz. Además incluyen amplificadores de instrumentación de alta ganancia para aumentar el nivel de la señal.Amplificar la señal del termopar también incrementa la resolución o sensitividad de la medición. Por ejemplo, un típico dispositivo DAQ con un rango de entrada de ADC de ±10 V y una ganancia en tarjeta de50 tiene una resolución de 98 µV. Esto corresponde a aproximadamente 2 °C para un termopar tipo J o K. Al añadir un acondicionamiento de señal con una ganancia adicional de 100, la resolución incrementa a 1µV, lo cual corresponde a una fracción de un grado Celsius.

 Acelerómetros

Los acelerómetros son dispositivos usados para medir aceleración y vibración. El dispositivo consiste de una masa conocida pegada a un elemento piezoeléctrico. A medida que el acelerómetro se mueve, la masa aplica fuerza al crystal generando una carga. Al leer esta carga se puede determinar la aceleración. Los acelerómetros son direccionales, esto quiere decir que solo miden aceleración en un eje. Para monitorear aceleración en tres dimensiones, use un acelerómetro multi eje. Existen acelerómetros de dos tipos, pasivos y activos. Los acelerómetros pasivos envían la carga generada por el elemento piezoeléctrico. Ya que la señal es muy pequeña, los acelerómetros pasivos requieren de un amplificador para amplificar las señal. Los acelerómetros activos incluyen circuitería interna para convertirla carga del acelerómetro a una señal de voltaje, pero requieren de una fuente constante de corriente para alimentar el circuito.

Señales de corriente

Muchos de los dispositivos y transmisores que se usan en aplicaciones de control y monitoreo de procesos generan una señal de corriente, normalmente de 0 a 20 mA o de 4 a 20 mA. Las señales de corriente se usan porque son menos propensas a los errores causados por ruido o caídas de voltaje en cables que son muy largos. Los acondicionadores de señal convierten las señales de corriente a señales de voltaje al pasarla corriente a través de una resistencia de precisión (Vea Figura 8). El voltaje que resulta (V= ISR)después puede ser digitalizado.