Integridad de la Señal de Termopares y RTD: Cableado y Puesta a Tierra
Guía para ingenieros de campo sobre cables de extensión para termopares, dimensionamiento de cables RTD, prácticas de apantallamiento y filosofía de puesta a tierra para una medición precisa de la temperatura.
Por qué importa la integridad de la señal
Un RTD Pt100 Clase A tiene una tolerancia de ±0,15 °C a 0 °C. Un termopar Tipo K tiene una tolerancia de ±2,2 °C a 500 °C. Estas precisiones no tienen sentido si el cable de señal introduce más error. Las señales de termopar están en el rango de milivoltios: un error de 1 °C corresponde a 40 µV. Un ruido inducido de 200 µV produce un error de lectura de 5 °C.
El presupuesto de error debe incluir el cable. Si las uniones del cable de extensión están a diferentes temperaturas, se forma una unión parásita. Use conectores de termopar con unión aislada para minimizarla. Honeywell STT3000 y Emerson Rosemount 644 no pueden detectar errores inducidos por el cable. La calibración regular del lazo es la única forma de detectarlos.
Selección de cable de extensión para termopares
Los cables de extensión para termopares usan conductores de aleación que coinciden con la curva de FEM del termopar. Usar cable de cobre común anula el propósito: el cobre genera uniones parásitas de termopar en cada extremo, y el error puede superar los 20 °C.
Seleccione el aislamiento correcto. El PVC está clasificado para un máximo de 105 °C. El XLPE está clasificado para 150 °C. Para temperaturas más altas, use trenzado de fibra de vidrio o sobretrenzado de acero inoxidable. Elija el apantallamiento adecuado: la serie FLK de Phoenix Contact tiene un trenzado de cobre estañado con 85 % de cobertura. Ponga a tierra el apantallamiento en un solo punto, típicamente en el extremo del transmisor. Poner a tierra en ambos extremos crea un lazo de tierra que induce ruido en los conductores de señal.
Dimensionamiento y cableado de RTD
Los sensores RTD usan una excitación de corriente constante de 1 mA. Las configuraciones de tres y cuatro hilos compensan la resistencia del cable. En un RTD de tres hilos, dos cables se conectan a un extremo y uno al otro. El transmisor asume que los dos cables de un mismo extremo tienen la misma resistencia; esto es válido solo si los tres cables tienen la misma longitud y calibre.
Use el mismo calibre y longitud de cable para todos los conductores del RTD. Un cable de cobre de 0,5 mm² tiene 36 miliohmios por metro. Para 50 metros, la resistencia es de 1,8 ohmios por cable. Si un conductor tiene 1,8 ohmios y otro 2,0 ohmios, el error es de 0,1 ohmios, o 0,26 °C para Pt100.
Seleccione cable RTD con apantallamiento de lámina más conductor de drenaje. Ponga a tierra el conductor de drenaje en un solo punto. Para áreas peligrosas, use cable con certificación IS y chaqueta azul. Una capacitancia excesiva del cable (>200 nF/km) puede hacer que la barrera IS oscile y produzca lecturas falsas.
Filosofía de puesta a tierra
En circuitos de termopares, el conductor negativo suele estar conectado a tierra en el transmisor para reducir el ruido en modo común. Sin embargo, si la funda del termopar también está conectada a tierra en el punto de medición, se forma un lazo de tierra. La solución es un transmisor aislado. Emerson 644 con aislamiento y Honeywell STT3000 con aislamiento canal a canal rompen los lazos de tierra.
En circuitos RTD, conecte a tierra el apantallamiento solo en el extremo del transmisor. El elemento RTD generalmente no está conectado a tierra; conectarlo aumenta el riesgo de lazos de tierra. Si la funda del RTD está conectada a tierra en la conexión del proceso, use un transmisor con entrada aislada. Use una barra de tierra de punto único en cada caja de conexiones y conéctela a la malla de tierra de la planta con un solo conductor, no en cadena.
Reducción de ruido paso a paso
Paso 1: Desconecte el sensor y mida el voltaje en circuito abierto. Para un termopar, use un voltímetro con impedancia de entrada >1 MΩ. La lectura debe ser estable dentro de ±10 µV. Para un RTD, use un óhmetro de cuatro hilos; la lectura debe ser estable dentro de ±0,05 ohmios.
Paso 2: Verifique la continuidad del apantallamiento. Mida la resistencia desde el conductor de drenaje del apantallamiento hasta la barra de tierra; debe ser menor a 1 ohmio. Verifique que el apantallamiento esté conectado a tierra en un solo punto. Desconecte el apantallamiento en el extremo del sensor y mida la resistencia a tierra; debe ser infinita.
Paso 3: Mida el voltaje de CA entre los cables de señal y tierra. Configure el voltímetro en rango de milivoltios AC. Valores superiores a 10 mV AC indican interferencia electromagnética. Pase el cable de señal al menos a 300 mm de distancia de cables de potencia.
Paso 4: Instale un aislador de señal si no se pueden eliminar los lazos de tierra. Phoenix Contact MINI Analog Pro ofrece aislamiento triple con error <0,1 %. Rompe todos los lazos de tierra y proporciona rechazo de ruido en modo común hasta 2 kV.
Solución de problemas de lecturas falsas
Salto repentino a la lectura máxima indica circuito abierto. Verifique la conexión en la cabeza del sensor; la vibración puede aflojar los terminales de tornillo. Apriete todos los terminales al torque especificado (típicamente 0,5 N·m para cable de 1,5 mm²).
Desplazamiento constante indica tipo de termopar incorrecto. Verifique la configuración del transmisor. Un Tipo K configurado como Tipo J lee aproximadamente 50 °C menos a 500 °C. Un RTD configurado como “Cu10” en lugar de “Pt100” lee 26 veces más que la temperatura real.
Respuesta lenta indica mal contacto térmico. Para un RTD montado en termopozo, use un elemento con resorte. Para un termopar montado en superficie, use una almohadilla sensora con adhesivo de alta conductividad térmica. Un termopar mal montado en superficie puede tener un tiempo de respuesta superior a 10 minutos.
Conclusión y recomendaciones
La selección del cable de señal, la puesta a tierra y el apantallamiento son tan importantes como la selección del sensor. Use el tipo correcto de cable de extensión para termopares. Ponga a tierra los apantallamientos en un solo punto. Use RTD de tres o cuatro hilos para tramos mayores a 30 metros. Aísle el transmisor si no se pueden evitar los lazos de tierra. Mantenga cable de extensión para termopares de repuesto para reparaciones de emergencia. Etiquete cada cable con el número de etiqueta del sensor en ambos extremos.
