Conceptos Fundamentales de Instrumentación y Acondicionamiento de Señal

Repaso Esencial de Instrumentación y Acondicionamiento de Señal

1. Diferencia entre Sensor y Transductor (Pregunta Clásica)

• Sensor: Está en contacto directo con la magnitud física que se desea medir.
• Transductor: Convierte la magnitud física detectada por el sensor en una señal eléctrica.

Nota: Muchas veces se aceptan como sinónimos, pero esta distinción es importante en entornos técnicos.

2. Señal Analógica 4–20 mA (Imprescindible)

Esta es una pregunta casi segura en cualquier evaluación de instrumentación.

• 4 mA: Representa el 0 % del rango medido (conocido como cero vivo).
• 20 mA: Representa el 100 % del rango medido.
• < 4 mA: Indica una condición de fallo (ej. cable roto, sensor sin alimentar).
• > 20 mA: Indica una condición de error o saturación.

Ventajas frente a la señal de tensión (Voltaje):

• Menos sensible al ruido electromagnético.
• Ideal para la transmisión a largas distancias.
• Permite la detección de fallos (gracias al cero vivo).

Si le preguntan por qué se utiliza la señal 4–20 mA, esta es la respuesta fundamental.

3. Comparativa: RTD vs. Termopar (Comparación Típica)

RTD (Detector de Temperatura por Resistencia, ej. Pt100)

• Mide la temperatura basándose en el cambio de resistencia.
• Ofrece una alta precisión.
• Necesita una corriente de excitación para funcionar.
• Opera en un rango de temperatura medio.
• El circuito típico asociado es el Puente de Wheatstone.
• Pt100: Su resistencia es de 100 Ω a 0 °C.

Termopar

• Se basa en el Efecto Seebeck.
• Genera una tensión directamente proporcional a la diferencia de temperatura.
• No necesita excitación externa.
• Generalmente menos preciso que un RTD.
• Cubre un rango de temperatura muy alto.
• Mide la diferencia de temperatura entre dos uniones.

Preguntas típicas de contraste:

• ¿Cuál usaría para precisión? → RTD.
• ¿Para temperaturas muy altas? → Termopar.

4. Puente de Wheatstone (Muy Importante)

Este concepto es crucial tanto en teoría como en la resolución de problemas.

• Es un circuito diseñado para detectar pequeñas variaciones de resistencia.
• Se utiliza comúnmente con:
  • RTD
  • Galgas extensiométricas
  • Células de carga
• En equilibrio: La tensión de salida es 0 V.
• Si una resistencia cambia, aparece una tensión de salida medible.

Pregunta típica: ¿Para qué se usa principalmente? → Para acondicionar sensores resistivos.

5. Galgas Extensiométricas y Célula de Carga (Muy Frecuente)

• Su resistencia eléctrica cambia al deformarse (estirarse o comprimirse).
• Se montan típicamente en configuración de Puente de Wheatstone.
• Son sensibles a la temperatura, por lo que requieren compensación térmica.
• Su aplicación principal es la medida de peso o fuerza.

Frase clave para examen: “Una célula de carga está formada por galgas extensiométricas conectadas en puente de Wheatstone”.

6. Acondicionamiento de Señal (Pregunta Teórica)

El acondicionamiento es necesario porque la señal bruta del sensor suele ser débil o incompatible con el sistema de adquisición (ej. PLC).

Funciones típicas del acondicionamiento:

• Amplificar (aumentar la magnitud de la señal).
• Filtrar (eliminar interferencias).
• Convertir señales (ej. de resistencia a corriente).
• Linealizar (corregir desviaciones no lineales).
• Aislar (proporcionar aislamiento galvánico).

Pregunta típica: ¿Por qué es necesario acondicionar la señal? → Porque la señal del sensor es débil o no compatible con el PLC.

7. Amplificadores Operacionales (Lo Básico)

Solo se espera que conozca las configuraciones esenciales:

• Amplificador inversor.
• Amplificador no inversor.
• Amplificador diferencial.

Clave: Sirven para amplificar señales pequeñas y son muy usados después de los Puentes de Wheatstone.

8. Filtros (Concepto Clave)

Los filtros se utilizan para eliminar frecuencias no deseadas de la señal.

• Filtro Pasa-Bajo: Elimina el ruido rápido (alta frecuencia).
• Filtro Pasa-Alto: Elimina la componente continua (DC) o variaciones muy lentas.

Fórmula que suele caer (Frecuencia de corte):

$$f_c = \frac{1}{2\pi RC}$$

Pregunta típica: ¿Por qué filtrar una señal? → Para mejorar la relación señal/ruido.

9. Encoder Incremental (Casi Seguro)

Es un sensor digital utilizado para medir posición o velocidad.

• Canales:
  • A y B: Determinan el sentido de giro.
  • Z: Indica una vuelta completa (referencia).
• Se conecta a un contador rápido (HSC) en el PLC.

Pregunta típica: ¿Cómo se detecta el sentido de giro? → Por el desfase entre las señales A y B.

10. Calibración (Pregunta de Definición)

Errores comunes que se evalúan:

• Error de cero (desplazamiento del punto inicial).
• Error de span (pendiente incorrecta).
• No linealidad.
• Histéresis.

Definición clave: Calibrar es ajustar la relación entrada–salida de un instrumento para que sea precisa y predecible dentro de su rango operativo.

Aplicación Práctica: Módulo de Adquisición de Datos

Se describe un módulo de galgas extensiométricas aisladas (ej. Adam 3016). Según sus especificaciones:

• Recibe señales de bajo nivel (milivoltios) provenientes del puente de Wheatstone.
• Proporciona una salida estándar industrial (0–20 mA o 0–10 V), lo cual implica un proceso de acondicionamiento.
• El módulo suministra la tensión de excitación necesaria para el funcionamiento del puente de Wheatstone y la galga.
• Dispone de aislamiento galvánico, lo que mejora la protección y la inmunidad al ruido, permitiendo una conexión segura del sensor al PLC.