Condicionamiento de Señal y Transmisión en la Medición de Temperatura

Las señales de salida producidas por sensores de medición de temperatura requieren condicionamiento para convertirlos a una forma utilizable para su procesamiento posterior. El condicionamiento de señales consiste en:

• Amplificación;
• Aislamiento de la señal;
• Compensación de error;
• Linealización;
• Excitación.

Aunque el condicionamiento es esencial para la precisión de la medida, exactitud es también dependiente de factores tales como la transmisión de la construcción y la señal del sensor. Las impurezas en el metal de los dispositivos de detección pueden dar lugar a gradientes de temperatura que presentan error, y la distancia de transmisión puede afectar la calidad de la señal. Además, los atributos del sensor de medición así como el método utilizado para la transmisión pueden desempeñar un papel en las características de la señal.

La mayoría de los dispositivos sensores de temperatura exhiben un grado de no linealidad. Cada uno tiene un modo diferente de operación y sus propios requisitos de condicionamiento de señales únicos. Los termopares funcionan con el efecto Seebeck, que ocurre cuando dos metales diferentes se unen en un extremo y abren en el otro, creando una tensión en circuito abierto. La tensión es una función directa de la diferencia de temperatura entre la unión de los metales y el punto medido sobre los metales. La tensión de Seebeck depende de la composición del termopar. Las salidas son no-lineales para las mediciones de temperatura, y cada tipo de termopar exhibe su propia no linealidad distintiva. Además, las curvas de calibración indican que la no linealidad de los termopares resulta en mayor error sobre un rango más amplio de temperatura.

Un RTD es construido de un metal, tales como cobre o platino, que aumenta en la resistencia con el aumento de temperatura. Pueden ser alambre rebobinado o película delgada. Los RTDs de alambre rebobinado consisten en alambre en espiral alrededor de un aislador cilíndrico de cerámica o de vidrio. Los sensores de película delgada tienen una película de material aplicado a un aislador de cerámica que está cortado hasta que la resistencia es el valor preferido. La resistencia versus la curva de la temperatura de un RTD es no lineal. En casos donde el rango de medición es estrecho, la no linealidad posiblemente puede ser ignorada. Sobre un rango del 0 a 1000° C, los RTDs tienen una precisión del ±0,5 a 1°C.

Los termistores están hechos de óxidos metálicos y pueden tener un coeficiente de temperatura negativo o positivo. Los termistores de coeficiente de temperatura negativa muestran un no lineal, disminución de la resistencia con el aumento de las temperaturas, y los termistores de coeficiente de temperatura positiva muestran un lineal, aumento de resistencia con el aumento de las temperaturas. Los termistores exhiben una sensibilidad mucho mayor y la respuesta de señal a cambios en la temperatura de los termopares o los RTDs y, por lo tanto, son capaces de alcanzar exactitudes más altas. Sin embargo, el rango de temperaturas de funcionamiento de los termistores es mucho más estrecho.

Los sensores de temperatura infrarrojos miden la temperatura centrando la cantidad de radiación infrarroja emitida desde un objeto a los sensores, que convierten a una señal eléctrica. La cantidad de energía infrarroja emitida por un objeto es directamente proporcional a su temperatura. Puesto que el sensor no está en contacto con el proceso de medición, los sensores infrarrojos son útiles para aplicaciones de muy alta temperatura donde no funcionan otros tipos de sensores, o para procesos en movimiento tales como preparación de alimento en una cinta transportadora.

La transmisión analógica utiliza una señal continua que varía con amplitud para transmitir información. Se utiliza con mayor frecuencia con señales estándar de proceso, tales como el 4 a 20 mA, el 0 a 10 V y el 0 a 1V. El rango del 4 a 20 mA es el más comúnmente utilizado como puede viajar la distancia más larga sin degradación y es relativamente inmune al ruido externo. Se emplea con frecuencia como una variable de proceso para la salida del sensor de temperatura. Una vez que el transmisor recibe la salida procedente del sensor, lineariza la señal basada en la curva de calibración para el tipo específico de sensor. Entonces, convierte la tensión linearizada a la señal de corriente de 4 a 20 mA. La señal puede ser procesada más por un dispositivo de grabación o un controlador. Los termopares y RTDs producen señales bajos de milivoltios que son susceptibles a la interferencia. La señal del 4 a 20 mA es mucho más robusta y capaz de transmitirse a larga distancia sin la interferencia de ruido. Además, el uso de la variable de 4 mA para el valor más bajo hace que sea fácil distinguir insuficiencia de transmisor de una señal legítima.

La Ethernet es otra forma de transmisión en serie diferencial de alta velocidad que soporta hasta 1 GB por segundo de transmisión. Generalmente requiere un controlador dedicado y se utiliza extensivamente para los usos industriales, comerciales y caseros y constituye la base para las comunicaciones de Internet de hoy. Se utilizan diferentes esquemas de codificación para permitir que la medición real de información se transmita entre máquinas o, en algunos casos, a nivel mundial, utilizando la infraestructura de la Internet. El TCP/IP es un protocolo ampliamente utilizado en los sistemas Ethernet, proporcionando seguridad de transmisión de datos entre dos dispositivos y conexiones Ethernet son compatibles con un gran número para el mecanismo de cifrado para garantizar la seguridad de los datos.

Los dispositivos de sensores de temperatura no lineal requieren que las señales están condicionadas para liberalización y compensación de error. Además, se debe compensar la baja salida de milivoltios de termopares y RTDs por amplificación. La precisión de la señal depende también de la transmisión. La conversión de la salida del sensor a una salida de proceso del 4 a 20 mA proporciona una señal más robusta capaz de ser transmitida a través de largas distancias con poca interferencia. La transmisión digital y Ethernet proporciona transferencia de la señal a grandes distancias y a tasas más altas.