9.1: Señales analógicas y digitales

La instrumentación es un campo de estudio y trabajo centrado en la medición y control de procesos físicos. Estos procesos físicos incluyen presión, temperatura, caudal y consistencia química. Un instrumento es un dispositivo que mide y/o actúa para controlar cualquier tipo de proceso físico. Debido a que las cantidades eléctricas de voltaje y corriente son fáciles de medir, manipular y transmitir a largas distancias, son ampliamente utilizadas para representar tales variables físicas y transmitir la información a ubicaciones remotas.

Una señal es cualquier tipo de cantidad física que transmite información. El habla audible es sin duda una especie de señal, ya que transmite los pensamientos (información) de una persona a otra a través del medio físico del sonido. Los gestos con las manos son señales, también, que transmiten información por medio de la luz. Este texto es otro tipo de señal, interpretada por tu mente entrenada en inglés como información sobre circuitos eléctricos. En este capítulo, la palabra señal se utilizará principalmente en referencia a una cantidad eléctrica de voltaje o corriente que se usa para representar o significar alguna otra cantidad física.

Una señal analógica es un tipo de señal que es continuamente variable, a diferencia de tener un número limitado de pasos a lo largo de su rango (llamado digital). Un ejemplo bien conocido de analógico vs. digital es el de los relojes: siendo analógico el tipo con punteros que giran lentamente alrededor de una escala circular, y siendo digital el tipo con pantallas de números decimales o un “de segunda mano” que sacude en lugar de girar suavemente. El reloj analógico no tiene límite físico a lo fino que puede mostrar la hora, ya que sus “manecillas” se mueven de una manera suave y pauseless. El reloj digital, por otro lado, no puede transmitir ninguna unidad de tiempo más pequeña de lo que su pantalla permitirá. El tipo de reloj con una “segunda mano” que se sacude en intervalos de 1 segundo es un dispositivo digital con una resolución mínima de un segundo.

Tanto las señales analógicas como las digitales encuentran aplicación en la electrónica moderna, y las distinciones entre estas dos formas básicas de información es algo que se tratará con mucho mayor detalle más adelante en este libro. Por ahora, limitaré el alcance de esta discusión a las señales analógicas, ya que los sistemas que las utilizan tienden a ser de diseño más sencillo.

Con muchas cantidades físicas, especialmente eléctricas, la variabilidad analógica es fácil de conseguir. Si tal cantidad física se utiliza como medio de señal, podrá representar variaciones de información con resolución casi ilimitada.

En los primeros días de la instrumentación industrial, el aire comprimido se utilizó como medio de señalización para transmitir información desde instrumentos de medición hasta dispositivos de indicación y control ubicados remotamente. La cantidad de presión de aire correspondió a la magnitud de cualquier variable que se estuviera midiendo. Se suministró aire limpio y seco a aproximadamente 20 libras por pulgada cuadrada (PSI) desde un compresor de aire a través de tubos al instrumento de medición y luego fue regulado por ese instrumento de acuerdo con la cantidad que se mide para producir una señal de salida correspondiente. Por ejemplo, un dispositivo “transmisor” de nivel neumático (señal de aire) configurado para medir la altura del agua (la “variable de proceso”) en un tanque de almacenamiento produciría una baja presión de aire cuando el tanque estaba vacío, una presión media cuando el tanque estaba parcialmente lleno, y una alta presión cuando el tanque estaba completamente lleno.

El “indicador de nivel de agua” (LI) no es más que un manómetro que mide la presión del aire en la línea de señal neumática. Esta presión de aire, al ser una señal, es a su vez una representación del nivel del agua en el tanque. Cualquier variación de nivel en el tanque puede ser representada por una variación apropiada en la presión de la señal neumática. Aparte de ciertos límites prácticos impuestos por la mecánica de los dispositivos de presión de aire, esta señal neumática es infinitamente variable, capaz de representar cualquier grado de cambio en el nivel del agua, y por lo tanto es analógica en el verdadero sentido de la palabra.

Por crudo que parezca, este tipo de sistema de señalización neumática formó la columna vertebral de muchos sistemas de medición y control industriales en todo el mundo, y todavía ve uso hoy en día debido a su simplicidad, seguridad y confiabilidad. Las señales de presión de aire se transmiten fácilmente a través de tubos económicos, se miden fácilmente (con manómetros mecánicos) y se manipulan fácilmente mediante dispositivos mecánicos que utilizan fuelles, diafragmas, válvulas y otros dispositivos neumáticos. Las señales de presión de aire no solo son útiles para medir procesos físicos, sino también para controlarlos. Con un pistón o diafragma lo suficientemente grande, se puede usar una pequeña señal de presión de aire para generar una gran fuerza mecánica, que puede usarse para mover una válvula u otro dispositivo de control. Se han realizado sistemas completos de control automático utilizando la presión de aire como medio de señal. Son simples, confiables y relativamente fáciles de entender. Sin embargo, los límites prácticos para la precisión de la señal de presión de aire pueden ser demasiado limitantes en algunos casos, especialmente cuando el aire comprimido no está limpio y seco, y cuando existe la posibilidad de fugas en los tubos.

Con la llegada de los amplificadores electrónicos de estado sólido y otros avances tecnológicos, las cantidades eléctricas de voltaje y corriente se volvieron prácticas para su uso como medios de señalización de instrumentos analógicos. En lugar de usar señales de presión neumática para transmitir información sobre la plenitud de un tanque de almacenamiento de agua, las señales eléctricas podrían transmitir esa misma información a través de cables delgados (en lugar de tubos) y no requerir el soporte de equipos tan costosos como los compresores de aire para operar:

Las señales electrónicas analógicas siguen siendo los principales tipos de señales utilizadas en el mundo de la instrumentación hoy (enero de 2001), pero está dando paso a modos digitales de comunicación en muchas aplicaciones (más sobre ese tema más adelante). A pesar de los cambios en la tecnología, siempre es bueno tener una comprensión profunda de los principios fundamentales, por lo que la siguiente información nunca quedará realmente obsoleta.

Un concepto importante aplicado en muchos sistemas de señales de instrumentación analógica es el de “cero en vivo”, una forma estándar de escalar una señal para que una indicación del 0 por ciento pueda ser discriminada del estado de un sistema “muerto”. Tomemos como ejemplo el sistema de señal neumática: si el rango de presión de la señal para el transmisor y el indicador fue diseñado para ser de 0 a 12 PSI, con 0 PSI representando 0 por ciento de la medición del proceso y 12 PSI representando el 100 por ciento, una señal recibida de 0 por ciento podría ser una lectura legítima de 0 por ciento medición o podría significar que el sistema estaba funcionando mal (compresor de aire parado, tubería rota, mal funcionamiento del transmisor, etc.). Con el punto del 0 por ciento representado por 0 PSI, no habría manera fácil de distinguir uno del otro.

Sin embargo, si tuviéramos que escalar los instrumentos (transmisor e indicador) para usar una escala de 3 a 15 PSI, con 3 PSI representando 0 por ciento y 15 PSI representando 100 por ciento, cualquier tipo de mal funcionamiento que resulte en presión de aire cero en el indicador generaría una lectura de -25 por ciento (0 PSI), que es claramente un valor defectuoso. La persona que mira el indicador podría entonces decir de inmediato que algo andaba mal.

No todos los estándares de señal se han establecido con líneas de base cero en vivo, pero los estándares de señales más robustos (3-15 PSI, 4-20 mA) tienen, y por una buena razón.

REVISAR

• Una señal es cualquier tipo de cantidad detectable utilizada para comunicar información.
• Una señal analógica es una señal que puede variarse continuamente, o infinitamente, para representar cualquier pequeña cantidad de cambio.
• Las señales neumáticas o de presión de aire solían usarse predominantemente en sistemas de señales de instrumentación industrial. Esto ha sido ampliamente reemplazada por señales eléctricas analógicas como voltaje y corriente.
• Un cero vivo se refiere a una escala de señal analógica que utiliza una cantidad distinta de cero para representar el 0 por ciento de la medición del mundo real, de modo que cualquier mal funcionamiento del sistema que resulte en un estado natural de “reposo” de presión, voltaje o corriente de señal cero se pueda reconocer inmediatamente.