CALIBRACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL Asunción de Jesús Bolaina Pérez Ingeniería Mecatrónica Instituto Tecnológico Superior de Comalcalco Comalcalco, Tabasco, México [email protected] Resumen— Este ensayo aborda la importancia de los procesos en la instrumentación y el control, con el objetivo de obtener mediciones precisas y confiables. La calibración se utiliza para asegurarse de que la señal del sensor es proporcional a la variable física que se está midiendo, mientras que el acondicionamiento se utiliza para preparar la señal del sensor para su procesamiento por parte del sistema de control o adquisición de datos. I. INTRODUCCIÓN En el ámbito de la instrumentación y el control, es necesario realizar la medición de diferentes variables físicas, como la temperatura, la presión, el caudal, entre otras. Para ello, se utilizan diferentes sensores que convierten la variable física en una señal eléctrica, la cual debe ser procesada y analizada para obtener la información requerida. Sin embargo, antes de que se pueda utilizar esta señal, es necesario realizar un proceso conocido como calibración y acondicionamiento de señal. En este ensayo, se explicará en detalle qué es la calibración y el acondicionamiento de señal, por qué es necesario realizarlo y cómo se lleva a cabo. Además, se discutirán algunos de los principales problemas que pueden surgir durante este proceso y cómo se pueden solucionar. II. DESARROLLO DE CONTENIDOS A. Calibración de señal La calibración de señal es un proceso que se lleva a cabo para asegurarse de que el valor medido por un sensor es preciso y confiable. En otras palabras, la calibración consiste en ajustar el sensor para que la señal de salida sea proporcional a la variable física que se está midiendo. Para llevar a cabo la calibración de un sensor, se utilizan patrones de referencia con valores conocidos y precisos. Estos patrones se utilizan para comparar la salida del sensor con el valor real de la variable física que se está midiendo. Si existe una diferencia entre la salida del sensor y el valor de referencia, se realiza un ajuste en el sensor hasta que la salida sea la correcta. El proceso de calibración generalmente implica el uso de un patrón de referencia trazable a una norma nacional o internacional. Este patrón se utiliza como una señal de referencia para comparar la señal medida del instrumento. La calibración se lleva a cabo utilizando un procedimiento documentado y establecido, que especifica los métodos y equipos utilizados para la calibración. El procedimiento de calibración también establece la frecuencia de calibración recomendada y los límites de tolerancia aceptables para la señal medida. La calibración de señal se realiza en varios tipos de dispositivos de medición, como osciloscopios, multímetros, transductores de presión, termómetros, medidores de caudal, entre otros. La calibración se realiza con cierta frecuencia para asegurarse de que los dispositivos de medición sigan produciendo resultados precisos y confiables. Es importante señalar que la calibración debe ser realizada en condiciones similares a las del entorno de medición en el que se utilizará el instrumento. Por ejemplo, si el instrumento se utilizará en un entorno con una temperatura elevada, la calibración debe realizarse a esa misma temperatura para garantizar que la señal medida sea precisa en el entorno real de uso. La calibración puede ser realizada por el fabricante del instrumento o por un laboratorio de calibración independiente. Los laboratorios de calibración independientes están acreditados para realizar calibraciones de acuerdo con los estándares nacionales o internacionales. La acreditación garantiza que el laboratorio cumple con los requisitos de competencia técnica, equipos de calibración y procedimientos documentados, para ello se deben seguir los siguientes procesos de acondicionamiento: Procesos que presenta un acondicionamiento de señal. La calibración de señal es un proceso importante para garantizar que los dispositivos de medición produzcan resultados precisos y confiables. Aquí hay algunos aspectos clave a considerar: 1. Frecuencia de calibración: la frecuencia con la que se debe calibrar un dispositivo de medición depende del tipo de instrumento y del entorno en el que se utiliza. En general, se recomienda calibrar los dispositivos de medición al menos una vez al año, aunque en algunos casos se puede requerir una calibración más frecuente. • Filtrado: Un acondicionador de señal puede utilizarse para eliminar el ruido y las interferencias electromagnéticas de la señal del sensor. Esto puede hacerse mediante el uso de filtros de paso bajo, paso alto o paso banda. • Conversión de la señal: Un acondicionador de señal puede utilizarse para convertir la señal del sensor en una forma que pueda ser procesada por el sistema de control o adquisición de datos. Esto puede hacerse mediante la conversión de una señal analógica a una señal digital o viceversa. • Compensación de la temperatura: Un acondicionador de señal puede utilizarse para compensar los cambios en la señal del sensor debido a cambios en la temperatura ambiente. • Evaluación y funciones inteligentes: Para aportar beneficios adicionales al usuario y al proceso, los acondicionadores de señal modernos cuentan con funciones especiales de evaluación de señales y preprocesamiento de datos medidos. Así, ayudan a monitorizar y evaluar alarmas y avisos de forma rápida y directa, mediante una salida eléctrica conmutada. Otras funciones inteligentes adicionales, como los canales de cálculo internos, se encargan de realizar operaciones matemáticas, como sumar señales de sensores, u operaciones tecnológicas como, por ejemplo, actuar como un controlador PID. Estas funciones ayudan a que el sistema reaccione más rápido y reducen la carga de trabajo del control de la máquina. • Aislamiento de la señal: Un acondicionador de señal puede utilizarse para proteger la señal del sensor de las interferencias electromagnéticas generadas por otros equipos cercanos. • Adaptación de la impedancia: Un acondicionador de señal puede utilizarse para asegurar que la señal del sensor tenga la impedancia adecuada para su procesamiento posterior. • Linealización: Determinados acondicionadores de señal pueden llevar a cabo una linealización, si las señales que proporciona un sensor no tienen una correspondencia del todo lineal con la magnitud física. Para ello, llevan a cabo un proceso de interpretación de la señal mediante software. Es habitual en el caso de las señales de termopares. Este método se emplea para B. Acondicionamiento de señal obtener una mayor exactitud, porque no todos los sensores son El acondicionamiento de señal se lleva a cabo para totalmente lineales. Los parámetros para la linealización se asegurarse de que la señal de salida del sensor sea compatible evalúan durante la calibración del sensor y se indican en el con el sistema de control o adquisición de datos que se protocolo de calibración del sensor. utilizará para procesar la señal. • Amplificación: Un acondicionador de señal puede utilizarse El acondicionamiento de señal puede incluir diferentes para aumentar la amplitud de la señal del sensor para que pueda etapas, como la amplificación, el filtrado y la conversión de la ser procesada por el sistema de control o adquisición de datos. señal. La amplificación se utiliza para aumentar la señal de • Interfaces: Los convertidores de señal deben transmitir las salida del sensor para que pueda ser detectada por el sistema señales de los sensores hasta el control de la máquina, utilizando de control. El filtrado se utiliza para eliminar el ruido y otras para ello interfaces y protocolos estándar. Las interfaces pueden interferencias electromagnéticas que puedan afectar la señal. ser analógicas o digitales. Las interfaces analógicas típicas son La conversión de señal se utiliza para convertir la señal señales de tensión (+/-10 V) o corriente (+/-20 mA), que son analógica del sensor en una señal digital que se puede procesar fáciles de manipular pero que tienen el inconveniente de que fácilmente por el sistema de control o adquisición de datos. cada señal requiere un cableado independiente. Las interfaces digitales modernas están diseñadas como interfaces de bus basadas en Ethernet (Profinet, Ethercat, Ethernet/IP) y permiten Funciones de un acondicionador de señal Las funciones de un acondicionador de señal pueden variar conectar varios componentes con un solo hilo. De este modo se dependiendo del tipo de señal que se esté midiendo y del simplifica el cableado y se puede transmitir información sistema de control o adquisición de datos que se esté adicional; por ejemplo, información de diagnóstico de los utilizando. A continuación, se describen algunas de las componentes, que es muy importante para reducir los tiempos de parada y para acelerar el mantenimiento. funciones comunes de un acondicionador de señal: 2. Procedimiento de calibración: el procedimiento de calibración varía según el tipo de dispositivo de medición. En general, la calibración implica comparar la señal del dispositivo de medición con una señal de referencia conocida y ajustar los parámetros del dispositivo de medición para que coincida con la señal de referencia. 3. Equipos de referencia: los equipos de referencia se utilizan para generar señales de referencia precisas y confiables para la calibración. Estos equipos de referencia deben ser de alta calidad y estar calibrados con una trazabilidad establecida a un estándar nacional o internacional. 4. Certificación de calibración: después de que se realiza una calibración, se emite un certificado de calibración que documenta el proceso de calibración y los resultados obtenidos. Este certificado puede ser necesario para cumplir con los requisitos de calidad y los estándares de la industria. 5. Incertidumbre de medición: la incertidumbre de medición es un indicador de la precisión de un dispositivo de medición y es una parte importante de la calibración. La incertidumbre de medición se refiere al rango de valores posibles que podrían representar la verdadera medición, y se expresa como un intervalo de confianza. 6. Condiciones ambientales: las condiciones ambientales, como la temperatura, la humedad y la presión atmosférica, pueden afectar la precisión de los dispositivos de medición. Es importante calibrar los dispositivos de medición en las mismas condiciones ambientales en las que se utilizarán. Es importante destacar que la calibración de los sensores debe realizarse regularmente, ya que los sensores pueden desviarse con el tiempo debido a diferentes factores como la temperatura, la vibración, la humedad, entre otros. Además, la calibración también puede verse afectada por el envejecimiento del sensor o por la presencia de interferencias electromagnéticas. Problemas comunes en la calibración y el acondicionamiento de señal A pesar de que la calibración y el acondicionamiento de señal son procesos críticos para obtener mediciones precisas y confiables, pueden surgir algunos problemas durante estos procesos. Algunos de los problemas más comunes incluyen la falta de linealidad del sensor, la interferencia electromagnética y la falta de estabilidad del sistema. La falta de linealidad del sensor se produce cuando la salida del sensor no es proporcional a la variable física que se está midiendo. Esto puede ocurrir debido a errores en el diseño o la fabricación del sensor, o debido a factores externos como la temperatura o la humedad. Para solucionar este problema, es necesario realizar una calibración cuidadosa y utilizar patrones de referencia precisos para ajustar el sensor. La interferencia electromagnética puede afectar la señal del sensor y causar errores en la medición. Las fuentes comunes de interferencia electromagnética incluyen la radiación electromagnética de otros dispositivos electrónicos cercanos, los campos electromagnéticos generados por motores y maquinaria, y las corrientes parásitas inducidas por campos magnéticos. Para solucionar este problema, es necesario utilizar técnicas de filtrado y apantallamiento para proteger la señal del sensor de las interferencias electromagnéticas. La falta de estabilidad del sistema se produce cuando el sistema de medición no es capaz de mantener una medición constante en el tiempo. Esto puede ocurrir debido a fluctuaciones en la fuente de alimentación, cambios en la temperatura ambiente o en la humedad, o debido a errores en el diseño o la implementación del sistema de medición. Para solucionar este problema, es necesario realizar una calibración regular y utilizar componentes de alta calidad para construir el sistema de medición. III. CONCLUSIONES La calibración y el acondicionamiento de señal son procesos críticos para obtener mediciones precisas y confiables en el ámbito de la instrumentación y el control. La calibración se utiliza para asegurarse de que la señal del sensor es proporcional a la variable física que se está midiendo, mientras que el acondicionamiento se utiliza para preparar la señal del sensor para su procesamiento por parte del sistema de control o adquisición de datos. Aunque pueden surgir algunos problemas durante la calibración y el acondicionamiento de señal, estos problemas se pueden solucionar utilizando técnicas adecuadas de calibración, filtrado y apantallamiento, y utilizando componentes de alta calidad para construir el sistema de medición. En resumen, la calibración y el acondicionamiento de señal son procesos críticos que deben llevarse a cabo cuidadosamente para obtener mediciones precisas y confiables. Al asegurarse de que la señal del sensor esté calibrada correctamente y que esté acondicionada adecuadamente para su procesamiento, se puede garantizar que los sistemas de medición funcionen correctamente y que se obtengan resultados precisos y confiable. IV. REFERENCIAS [1] M. M. Castillo, F. V. Ramírez, y A. J. Hernández, " Acondicionamiento y calibración de señales" Revista Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia, no. 70, pp. 25-36, Oct. 2013. [2] A. López, "Calibración de Sensores y Acondicionamiento de Señales," Tesis de Maestría, Universidad de Sevilla, España, 2010. [3] J. López, "Acondicionamiento y Calibración de Señales para la Medición de Distorsiones Armónicas en Sistemas Eléctricos de Potencia," Tesis de Maestría, Universidad de Zaragoza, España, 2009. [4] M. Ruiz, "Calibración y Acondicionamiento de Señales para la Medición," Tesis de Doctorado, Universidad de Valladolid, España, 2012. [5]«HBK Company,» HBM, [En línea]. Available: https://www.hbm.com/es/7339/que-es-un-acondicionador-desenal-funciones. [Último acceso: 07 03 2023].
