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, velocidad de flujo y consistencia química. Un instrumento es un dispositivo que mide y / o actúa para controlar cualquier tipo de proceso físico. Debido al hecho de que las cantidades eléctricas de voltaje y corriente son fáciles de medir, manipular y transmitir a largas distancias, se utilizan ampliamente 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 ciertamente un tipo 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 también son señales que transmiten información por medio de la luz.

Este texto es otro tipo de señal, interpretada por su 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 utiliza para representar o significa alguna otra cantidad física.

Analógico frente a digital

Un análogo La señal es un tipo de señal que es continuamente variable, en lugar de tener un número limitado de pasos a lo largo de su rango (llamado digital ). Un ejemplo conocido de analógico frente a digital es el de los relojes:analógico es el tipo con punteros que giran lentamente alrededor de una escala circular, y digital es el tipo con pantallas de números decimales o un "segundero" que se sacude en lugar de suavemente gira.

El reloj analógico no tiene límites físicos para la precisión con la que puede mostrar la hora, ya que sus "manecillas" se mueven de manera suave y sin pausas. El reloj digital, por otro lado, no puede transmitir ninguna unidad de tiempo más pequeña de lo que permitirá su pantalla. El tipo de reloj con un "segundero" que se mueve a 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 son 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 usan tienden a ser de diseño más simple.

Para obtener una descripción general más básica de este tema, consulte este video tutorial sobre electrónica analógica y digital.

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

Sistema de instrumentación industrial

En los primeros días de la instrumentación industrial, el aire comprimido se utilizaba como medio de señalización para transmitir información desde los instrumentos de medición a los dispositivos de indicación y control ubicados de forma remota. La cantidad de presión de aire correspondía a la magnitud de cualquier variable que se midiera. Se suministró aire limpio y seco a aproximadamente 20 libras por pulgada cuadrada (PSI) desde un compresor de aire a través de un tubo hasta el instrumento de medición y luego fue regulado por ese instrumento de acuerdo con la cantidad que se estaba midiendo 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 presión de aire baja 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, siendo una señal , es, a su vez, una representación del nivel del agua en el tanque. Cualquier variación de nivel en el tanque se puede representar mediante 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 burdo que parezca, este tipo de sistema de señalización neumática formó la columna vertebral de muchos sistemas industriales de medición y control en todo el mundo, y todavía se usa 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 para controlar ellos también.

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 se puede usar para mover una válvula u otro dispositivo de control. Se han realizado sistemas completos de control automático utilizando 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 el advenimiento 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 compresores de aire para funcionar:

Las señales electrónicas analógicas siguen siendo los tipos principales de señales que se utilizan en el mundo de la instrumentación en la actualidad (enero de 2001), pero están dando paso a modos de comunicación digitales en muchas aplicaciones (más sobre este tema más adelante). A pesar de los cambios en la tecnología, siempre es bueno tener un conocimiento profundo de los principios fundamentales, por lo que la siguiente información nunca se volverá realmente obsoleta.

Live Zero

Un concepto importante aplicado en muchos sistemas de señales de instrumentación analógica es el de "cero vivo", una forma estándar de escalar una señal para que una indicación del 0 por ciento pueda discriminarse del estado de un sistema "muerto". Tome el sistema de señales neumáticas como ejemplo:si el rango de presión de la señal para el transmisor y el indicador se diseñó para ser de 0 a 12 PSI, con 0 PSI representando el 0 por ciento de la medición del proceso y 12 PSI representando el 100 por ciento, una señal recibida del 0 por ciento podría ser una lectura legítima de la medición del 0 por ciento o podría significar que el sistema estaba fallando (compresor de aire parado, tubería rota, transmisor fallando, etc.). Con el 0 punto porcentual representado por 0 PSI, no sería fácil 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 El indicador generaría una lectura de -25 por ciento (0 PSI), que es claramente un valor defectuoso. La persona que mira el indicador podrá entonces darse cuenta de inmediato de que algo anda mal.

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

REVISAR:

• Una señal es cualquier tipo de cantidad detectable que se utiliza para comunicar información.
• Un análogo La señal es una señal que se puede variar de forma continua o infinita para representar cualquier pequeña cantidad de cambio.
• Neumática , o presión de aire, las señales alguna vez fueron comunes en los sistemas de señales de instrumentación industrial. Estos han sido reemplazados en gran medida 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.