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INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL

Las fuentes de ruido en las señales de instrumentación analógica

Ruido

Muchos sistemas de instrumentación implican la medición de las señales analógicas en las que el ruido puede ser un componente prominente. Las señales analógicas de instrumentación se utilizan comúnmente para fines de control en la mayoría de las instalaciones de instrumentación. Estas señales analógicas son muy susceptibles a diversas formas de ruido, que si no se controlan podrían distorsionar las señales que se transmiten a efectos de control. El resultado obvio serían sistemas de control deficientes y peligrosos con una integridad de señal muy baja que podrían ser un riezgo.

¿Qué es el ruido?

El ruido o interferencia se puede definir como señales eléctricas indeseables  que distorsionan o interfieren con una señal analógica original (o deseada) . El ruido puede provenir de fuentes tales como las corrientes y voltajes en los cables de alimentación adyacentes a los cables de señales de instrumentos, de rayos y otras sobretensiones eléctricas o transitorios, diafonía de otros cables cercanos y la interferencia de radio frecuencia. Estas formas de ruido se conocen como ruido externo.

También hay ruido interno. Vienen principalmente de ruido térmico y las imperfecciones en el diseño eléctrico. Sin embargo, el ruido más problemático para los sistemas de instrumentación es el ruido externo

Las fuentes de ruido

Las fuentes comunes de ruido en la mayoría de señales de instrumentación analógica son:

• Acoplamiento capacitivo
• El acoplamiento inductivo
• Ruido de lazos de tierra
• Impedancia de acoplamiento (o de acoplamiento de conductancia) 

Maneras de reducir el acoplamiento capacitivo en señales de instrumentación

Si los conjuntos de conductores eléctricos se encuentran demasiado cerca uno del otro, las señales eléctricas entre los cables tienden a acoplarse o interferir entre sí,  por lo tanto introducen ruido en los circuitos de señal analógica  corrompiendo así las señales en el proceso. Esto puede ser especialmente perjudicial cuando el acoplamiento o la interferencia se producen entre los conductores de alimentación de corriente alterna y el cableado de señal de bajo nivel  del instrumento tales como termopares o cables de  sensor de pH.

Hay cuatro formas de reducir el ruido inducido por acoplamiento capacitivo. Estas son:

•  El blindaje de los cables de señal de instrumentos con material de baja resistencia

•  Alejamiento de la fuente del ruido. Esto se hace generalmente asegurándose que los cables de alimentación y los cables de señal del instrumento no pasen por el mismo conducto o bandeja de cables

•  La reducción de la amplitud de la tensión de ruido (y posiblemente la frecuencia)

•  Torsión de los cables de señal del instrumento

Considere el caso cuando se instala un blindaje o malla alrededor de los cables de señal del instrumento. Las corrientes generadas por el ruido del voltaje prefieren circular por el camino de menor impedancia del blindaje en lugar de los cables de señal del instrumento. Si uno de los cables de señal del instrumento y la malla están conectado la tierra en un punto, entonces no hay flujo de corriente de señal entre los cables de señal de instrumentos y la pantalla como se muestra a continuación:

Tenga en cuenta que en el diagrama de abajo, la tensión de ruido aparece como flechas rojas que pasan a través del blindaje de baja impedancia del cable de instrumento a tierra.

En la práctica, la mayoría de los cables de señal de instrumentos en los sistemas de instrumentación están generalmente protegidos (con un material de baja resistencia) y retorcidos.

Acoplamiento inductivo en instrumentación analógica y cómo reducirla

Cuando un cable transporta una corriente eléctrica éste produce un campo magnético, y si este cable se encuentra en la proximidad de otro cable que también transporta una corriente eléctrica o una señal, el campo magnético que producen interactúan el uno con el otro, resultando en tensión de ruido que se induce en los cables. Este es el principio por el cual el acoplamiento inductivo tiene lugar en el cableado de la señal de cable de instrumentación.

Como ya sabemos, la inductancia es una propiedad intrínseca de cualquier conductor, dando lugar a que la energía se almacene en el campo magnético formado por una corriente a través del alambre. La inductancia mutua existente entre alambres paralelos forma un "puente" mediante el cual una corriente alterna que circula a través de un cable es capaz de inducir una tensión alterna a lo largo de la longitud del otro cable. Este hecho se vuelve aún más pronunciado si tenemos cables de alimentación y cables de señales de instrumentos que pasen por el mismo conducto.

Una forma sencilla de reducir el acoplamiento de señal inductiva es simplemente mediante conductores separados que lleven señales incompatibles. Por ello, los conductores de energía eléctrica y los cables de señal del instrumento casi nunca se encuentran juntos en el mismo conducto de trabajo .

El método más práctico para reducir el acoplamiento inductivo y asegurar una inmunidad a los campos magnéticos de los cables de señal del instrumento es torcer un par de cables en lugar de permitir que se encuentren a lo largo de líneas rectas paralelas. Esto reduce en gran medida los efectos de la inducción electromagnética.

La inducción electromagnética se reduce porque cuando los cables están trenzados se crean una serie de lazos en lugar de un lazo grande, entonces los efectos de inducción del campo magnético externo tienden a anularse, lo que reduce la tensión inducida por el ruido en los cables de instrumentos de la señal debido al campo magnético externo.

Los lazos de tierra y la impedancia de acoplamiento: Causas y Reducción

Los lazos de tierra

Un lazo de tierra es un camino indeseable de corriente en un circuito eléctrico. Los lazos de tierra se producen cuando el conductor de tierra de un sistema eléctrico está conectado al potencial de tierra en múltiples puntos. No sólo los lazos de tierra pueden inducir ruido en los cables de señal del instrumento, sino que en casos graves puede incluso sobrecalentar el cable de señal del instrumento y por lo tanto presentan un peligro de incendio!

El fenómeno de los lazos de tierra se ilustra en el diagrama esquemático siguiente: 

Causas de los lazos de tierra

Hay varias causas que producen los lazos de tierra en cualquier instalación de instrumentación. Algunos de ellos se detallan a continuación:

• Diferencias de potencial entre los puntos del plano de tierra a los cuales los terminales de tierra han sido conectados.
• Acoplamiento inductivo
• Acoplamiento capacitivo
• Uso de instrumentos internamente puestos a tierra dentro de un lazo ya puesto a tierra
• Pantallas de cables conectados a tierra en ambos extremos
• Termopares con conexión a tierra con transductores no aislados
• Transmisores de cuatro hilos utilizados como entrada para un instrumento receptor conectado a tierra a una conexión de tierra diferente

Hay varios métodos para impedir los lazos de tierra que introducen voltaje de ruido indeseable en los cables de señal del instrumento. Sin embargo, dos de los métodos más eficaces de reducir estos bucles de tierra son:

• Conexión a tierra de punto único
• El uso de las entradas diferenciales

La conexión a tierra en un solo punto consiste en la instalación de una conexión a tierra de instrumentación en un solo punto. Este enfoque reduce significativamente la tensión de ruido generada debido a los lazos de tierra de múltiples puntos de tierra.

Las entradas diferenciales se utilizan para anular la tensión de ruido que puede aparecer en el circuito de instrumentación.

Una forma muy efectiva de aislar completamente un sistema de instrumentación de los lazos de tierra es el uso de instrumentos con alimentación de batería. Sin embargo, debido a la limitada vida de una batería, rara vez se los utiliza.

Introducción a la distribución de alimentación y conexión a tierra del sistema

La definición de "tierra"

Hay varios significados de la palabra "tierra", lo que contribuye a la confusión y la falta de comprensión. Más comúnmente, tierra se refiere a una vía de retorno para la corriente. En energía de la red eléctrica, tierra es una conexión real a tierra para el propósito principal de protección contra rayos. La tierra de seguridad de construcción proporciona una vía de retorno específicamente para la corriente de falla. La tierra de seguridad para audio, vídeo y otros sistemas electrónicos deben estar diseñados para trabajar en conjunto con la tierra de seguridad el edificio (instalación).

Sugerencia importante: Para un correcto funcionamiento de los equipos AV, todas las tierras de seguridad del sistema electrónico deben terminar en un solo punto.

Puesta a tierra adecuada

La puesta a tierra adecuada reduce sólo UNA fuente potencial de ruido. Las mejores prácticas de diseño de ruta de suministro de señal incluyen el buen trazado del cable (mantener los cables de señal a más de 2 "de distancia de los cables de corriente alterna de potencia  cuando corren en forma paralela) y conductores retorcidos de señal. Está permitido sujetar los cables de señal a los cables de alimentación si los conductores de ambos cables están firme y uniformemente trenzados. Tanto la tierra del sistema eléctrico principal como la del sistema de interconexión de señales deben estar adecuadamente diseñadas e instaladas para lograr un sistema "libre de ruido". Las conexiones a tierra de seguridad que estén sueltas o corroídas pueden causar condiciones peligrosas y el ruido del sistema.

Tierra aislada

Una tierra aislada también se conoce como una "tierra técnica" o "punto único de tierra aislado." El equipo que está conectado a un sistema de "tierra aislada" está todavía conectado a tierra, pero la fuente de la conexión a tierra está SOLO en el panel de interruptores del circuito principal o en el primer panel después de un transformador. Este conductor de puesta a tierra aislado debe estar aislado. Puede ser empalmado al pasar por sub-paneles o cajas de empalme, pero no debe ser terminado en estos.

Barras de tierra

No cree múltiples caminos de tierra mediante el uso de barras o varillas de tierra adicionales. Conéctese a tierra sólo cuando sea necesario para la seguridad. Las puestas a tierra adicionales pueden proporcionar o crear rutas adicionales para los lazos de tierra e incrementará muy probablemente el ruido del sistema. El uso de más varillas de tierra no dará lugar a sistemas más silenciosos.

Potencia balanceada

Cuanto menos equilibradas están las capacidades parásitas internas en equipos, menos eficaz será el sistema de energía equilibrado en la reducción de las corrientes de fuga, que son una causa significativa de ruido en las interfaces de señal no balanceada. La alimentación balanceada no es una manera rentable para reducir el ruido del sistema.

Servicio eléctrico trifásico

El servicio trifásico se encuentra más comúnmente en los edificios comerciales e industriales más grandes donde hay motores, aires acondicionados y controladores de iluminación. Debido a la corriente de fuga producida por la mayoría de equipos, las cargas en cada fase por lo general acoplan una pequeña cantidad de ruido en el circuito de tierra. Debido a que estas fases están separadas por 120 grados, la frecuencia de corriente de tierra resultante se triplica. Estas corrientes de tierra se conocen como armónicos "triplicados". El servicio eléctrico dividido en sola fase, que se encuentra comúnmente en residencias y edificios comerciales más pequeñas, no sólo está libre de armónicos "triplicados", sino también puede dar como resultado al menos una reducción de 6 dB en el ruido de fondo en comparación con las tres fases. Los transformadores monofásicos deben ser utilizados con los sistemas electrónicos de potencia. El acoplamiento cruzado entre las fases se elimina cuando se utiliza sola fase.

Las señales de audio libres de zumbidos e interferencias y de video "limpias" SOLO pueden obtenerse a través de tener un camino "sin ruido" de la señal. La vulnerabilidad al ruido de la ruta de señal depende de si la interfaz de señal está equilibrada o desequilibrada. El diseño e instalación de ruta del cableado de señal deben incluir esquemas de rechazo de interferencias de ruido y de puesta a tierra eficaces. Datos útiles sobre el diseño de ruta de la señal se puede encontrar haciendo una búsqueda en Internet de "ruido electromagnético inducido", "AES48", " problema de pin 1" y "escudo SCIN."

Impedancia de acoplamiento (o conductancia de acoplamiento )

Cuando dos o más circuitos eléctricos comparten conductores comunes, puede haber cierto acoplamiento entre los diferentes circuitos. Cuando la señal de corriente de un circuito retorna a lo largo del conductor común, la misma produce un voltaje erróneo a lo largo del bus de retorno, que afecta a las otras señales. El voltaje erróneo es debido a la impedancia en el cable de retorno.

Una forma de reducir los efectos de acoplamiento por impedancia es minimizar la impedancia del cable de retorno. La segunda solución es evitar cualquier contacto entre los circuitos y utilizar retornos por separado para cada circuito individual.