Integridad de la Señal de Termopares y RTD: Cableado y Puesta a Tierra

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, y un ruido inducido de 200 µV produce un error de lectura de 5 °C. El presupuesto de error debe incluir el cable. El Módulo de Entrada Analógica de Alto Nivel Honeywell MC-TAIH02 y el Módulo Universal de Entrada/Salida Honeywell CC-PUIO01/C aceptan entradas de termopar y RTD directamente, pero ninguno puede detectar errores inducidos por el cable; la calibración regular del lazo es la única forma de detectarlos.

Selección del cable de extensión para termopar

Los cables de extensión para termopar 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 parasitarias de termopar en cada extremo, y el error puede superar los 20 °C. Seleccione el aislamiento correcto: PVC está clasificado para un máximo de 105 °C, XLPE para 150 °C. Para temperaturas más altas, use trenzado de fibra de vidrio o trenzado de acero inoxidable. Elija la pantalla adecuada: la serie FLK de Phoenix Contact tiene un trenzado de cobre estañado con un 85 % de cobertura. Conecte a tierra la pantalla en un solo punto, típicamente en el extremo del transmisor. Conectar a tierra en ambos extremos crea un lazo de tierra que induce ruido en los conductores de señal.

Dimensionamiento y cableado del 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, el transmisor asume que los dos cables de conexión tienen la misma resistencia; esto es válido solo si los tres cables tienen la misma longitud y calibre.

• Resistencia del cable: 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 cable tiene 1,8 ohmios y otro 2,0 ohmios, el error es de 0,1 ohmios, o 0,26 °C para Pt100. Use el mismo calibre y longitud de cable para todos los cables del RTD.
• Pantalla del cable: Seleccione cable RTD con pantalla de lámina más cable de drenaje. Conecte a tierra el cable 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 conexión a tierra

En circuitos de termopar, el cable negativo suele conectarse 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 Rosemount 644 con aislamiento y Honeywell STT3000 con aislamiento canal a canal rompen eficazmente los lazos de tierra.

En circuitos RTD, conecte a tierra la pantalla 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 conecte la barra a la red 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 de la pantalla. Mida la resistencia desde el cable de drenaje de la pantalla hasta la barra de tierra; debe ser menor a 1 ohmio. Verifique que la pantalla esté conectada a tierra en un solo punto. Desconecte la pantalla en el extremo del sensor y mida la resistencia a tierra; debe ser infinita.
• Paso 3: Mida el voltaje AC entre los cables de señal y tierra. Configure el voltímetro en rango de milivoltios AC. Más de 10 mV AC indica 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 afloja 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 montado en superficie mal instalado puede tener un tiempo de respuesta superior a 10 minutos.

Conclusión y recomendaciones

La selección del cable de señal, la conexión a tierra y la pantalla son tan importantes como la selección del sensor. Use el tipo correcto de cable de extensión para termopar. Conecte a tierra las pantallas 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 termopar de repuesto para reparaciones de emergencia. Etiquete cada cable con el número de etiqueta del sensor en ambos extremos.

Autor: Weijie Huang es un ingeniero en automatización industrial con más de 10 años de experiencia en PLC, DCS y sistemas de control.