acond Acondicionamiento de Señales Service Manual

Tutorial: Acondicionamiento de Señales

Señal

Física

Transductores

Acondicionamiento

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Computadora

Adquisición

Figura 1. El acondicionamiento de señales es un componente importante en un sistema de adquisición de datos

Introducción

Los sistemas de adquisición de datos (DAQ) basados en PC y dispositivos insertables son usados en um
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.

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Figura 2. La conexión del cable de un termopar al sistema de medición crea una junta termoeléctrica adicional, llamada junta fría.

Esta debe de ser compensada con acondicionamiento de señal.

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 cad a 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 de
50 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 1
µV, lo cual cor responde a una fracción de un grado Celsius.

RTDs

Otro popular sensor de temperatura es el resistance-temperature detector (RTD), un dispositivo que
incrementa su resistencia con la temperatura. El tipo de RTD más utilizado esta hecho de platino y cuanta
con una resistencia nominal de 100 Ω a 0 °C. Porque el RTD es un dispositivo resistivo, se debe de pasar
corriente a través del RTD para producir un voltaje que el dispositivo DAQ pueda leer. Con resistencias
relativamente bajas (100Ω) que cambian muy poco con la temperatura (menos de 0.4 Ω/°C), los RTDs
requieren de acondiconamiento de señal con fuentes de exitación de corriente altamente precisas,
amplificadores de alta ganancia y conectores para mediciones de 4 y 3 hilos.
Por ejemplo, una medición de RTD de 2 hilos como la que se muestra en la Figura 3a, incluye errors de
caída de voltaje causados por la corriente de exitación pasando por la punta resistiva RL.
Estos errores, los cuales pueden ser significativos se eliminan usando un RTD de 4 hilos, como el de la
Figura 3b. La configuración de 4 hilos usa un segundo par de cables para pasar la corriente de exitación. De
esta manera una corriente casi insignificante fluye a través de los cables del sensor y así el error de punta
resistiva es muy pequeño.

Figura 3. Errores causados por la resistencia de punta RL, se pueden minimizar usando un RTD de cuatro hilos.

Galgas Extensiométricas

La galga extensiométrica es un dispositivo comunmente usando el pruebas y mediciones mecánicas. La
galga más común, la galga extensiométrica de resistencia, consiste de una matríz de bobinas o cable muy
fino el cual varia su resistencia linealmente dependiendo de la carga aplicada al disposistivo. Cuando usted
usa una galga extensiométrica, usted pega la galga directamente al dispositivo bajo prueba, aplica fuerza y
mide la carga detectando los cambios en resistencia. Las galgas extensiométricas también son usados en
sensores que detectan fuerza, aceleración, presión y vibración.

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