Sensores analógicos frente a digitales: factores de coste a tener en cuenta

Qué es un sensor digital?

Los sensores digitales son un componente vital en el mundo de la tecnología moderna y la adquisición de datos. Desempeñan un papel fundamental en la captación de diversos fenómenos físicos y su conversión en señales digitales que pueden procesarse, analizarse y utilizarse para multitud de aplicaciones. Para comprender realmente las diferencias entre sensores analógicos y digitales, es esencial entender el concepto de sensores digitales.

En esencia, un sensor digital es un dispositivo que mide una magnitud física (como la temperatura, la presión, la luz o la humedad) y, a continuación, cuantifica esa medición en un formato digital. En otras palabras, toma datos físicos analógicos y los convierte en valores digitales discretos, a menudo en forma de código binario (0s y 1s).

Sensores digitales

Aquí tiene algunas características clave de los sensores digitales:

1. Salida discreta

   Los sensores digitales producen valores de salida discretos y cuantizados. Estos valores suelen representarse en código binario, lo que los hace aptos para ser procesados por sistemas digitales, microcontroladores y ordenadores.

2. Exactitud y Precisión

   Los sensores digitales son conocidos por su alta Precisión y Exactitud. Pueden proporcionar mediciones altamente fiables y coherentes, lo que resulta crucial en aplicaciones en las que la integridad de los datos es primordial.

3. Procesamiento digital de señales

   Muchos sensores digitales incorporan funciones de procesamiento digital de señales. Esto significa que pueden realizar tareas como la calibración, el filtrado y la compresión de datos, lo que los hace versátiles y adaptables a diversas aplicaciones.

4. Interfaces de comunicación

   Los sensores digitales suelen incorporar interfaces de comunicación como I2C, SPI o UART, que les permiten conectarse fácilmente con otros dispositivos digitales o microcontroladores. Esto facilita la transferencia de datos y la integración en sistemas más grandes.

5. Compatibilidad con microcontroladores

   Los sensores digitales son idóneos para su uso con microcontroladores y sistemas digitales. Pueden interconectarse directamente con estos dispositivos, lo que simplifica el proceso de integración.

6. Características mejoradas

   Los sensores digitales a menudo ofrecen características adicionales como registro de datos, funcionalidad de reloj en tiempo real y compatibilidad con interfaces gráficas de usuario, lo que los hace ideales para aplicaciones complejas.

En general, los sensores digitales son los favoritos por su precisión, exactitud y adaptabilidad en una amplia gama de Aplicaciones, desde industriales y científicas hasta de electrónica de consumo. Han revolucionado la adquisición de datos al proporcionar datos fiables y cuantificados que pueden procesarse y analizarse fácilmente en el ámbito digital.

Sensores analógicos

Qué es un sensor analógico?

Un sensor analógico es un tipo de sensor que mide una cantidad o fenómeno físico y proporciona una señal de salida que es directamente proporcional a la cantidad que se está midiendo. En otras palabras, los sensores analógicos producen señales de salida continuas y analógicas que representan el valor preciso del parámetro medido sin ningún tipo de discretización o conversión digital.

Las principales características de los sensores analógicos son:

1. Salida continua

   Los sensores analógicos proporcionan una señal de salida que varía continuamente con los cambios en el parámetro medido. Por ejemplo, un sensor de temperatura puede emitir una señal de tensión o corriente que varía suavemente a medida que cambia la temperatura.

2. Salida de tensión o corriente

   Los sensores analógicos suelen producir señales de salida en forma de tensión o corriente. La magnitud de la señal corresponde a la magnitud del parámetro medido. La Precisión de los sensores analógicos puede verse influenciada por factores como el ruido y las condiciones ambientales.

3. Precisión limitada

   Los sensores analógicos tienen limitaciones en cuanto a precisión y exactitud en comparación con sus homólogos digitales. La Precisión de los sensores analógicos puede verse influenciada por factores como el ruido y las condiciones ambientales.

4. Conexión directa

   Los sensores analógicos suelen conectarse directamente a dispositivos de medición analógicos o a convertidores analógico-digitales (ADC) si se necesitan datos digitales. Un ADC convierte la señal analógica en un formato digital para su posterior procesamiento y análisis.

5. Aplicaciones

   Los sensores analógicos se utilizan habitualmente en aplicaciones que requieren una monitorización continua y en tiempo real de magnitudes físicas. Algunos ejemplos de sensores analógicos son los termopares, las galgas extensométricas y los transductores de presión.

Los sensores analógicos son valiosos en situaciones en las que se necesitan datos precisos en tiempo real, y la continuidad inherente de su salida es esencial. Se suelen utilizar en campos como la automatización industrial, la supervisión medioambiental y la investigación científica.

En contraste con los sensores digitales, que cuantifican los datos en valores discretos, los sensores analógicos proporcionan una representación directa de la magnitud física medida. La elección entre sensores analógicos y digitales depende de los requisitos específicos de la aplicación, de las necesidades de precisión y de la capacidad de procesar y analizar datos continuos.

Diferencias en el coste de los sensores analógicos.

Diferencias de coste directo

El coste de los sensores analógicos frente a los digitales puede variar en función de varios factores, como el tipo de sensor, su aplicación prevista y las características y tecnología específicas implicadas. En general, los sensores digitales pueden ser más caros que los analógicos por las siguientes razones:

Precisión y exactitud

1. Precisión y exactitud

   Los sensores digitales suelen proporcionar una mayor precisión y exactitud, que pueden ser esenciales en muchas Aplicaciones. Conseguir este nivel de rendimiento puede requerir componentes y tecnología más avanzados, lo que puede aumentar el coste.

2. Procesamiento de señales

   Los sensores digitales suelen incluir capacidades de procesamiento de señales integradas y, en ocasiones, microcontroladores o procesadores para procesar y transmitir los datos. Estos componentes adicionales pueden aumentar el coste.

3. Características y complejidad

   Los sensores digitales pueden ofrecer una gama más amplia de características, como calibración, registro de datos, interfaces de comunicación (por ejemplo, I2C, SPI, USB) y compatibilidad con microcontroladores o sistemas digitales. Estas características pueden encarecer los sensores.

4. Interfaz y compatibilidad

   Los sensores digitales suelen requerir interfaces y protocolos específicos, que pueden necesitar componentes o software adicionales para su integración, lo que puede aumentar el coste global.

5. Fabricación y tecnología

   El proceso de fabricación de los sensores digitales puede ser más complejo, y pueden requerir una tecnología más avanzada, lo que conlleva mayores costes de producción.

Sin embargo, es importante tener en cuenta que la diferencia de costes puede variar significativamente en función del tipo de sensor y la aplicación específicos. Los sensores analógicos pueden seguir siendo más rentables en algunos casos, especialmente cuando no se requieren características de alta precisión y complejidad.

Al comparar sensores analógicos y digitales para una aplicación específica, es esencial tener en cuenta sus requisitos y su presupuesto para determinar qué tipo de sensor es la opción más rentable para sus necesidades.

Qué significa esto? Un ejemplo de la vida real

El sistema de supervisión Rotronic ofrece la integración de sensores con salidas tanto digitales como analógicas. Para este ejemplo, examinaremos más de cerca la temperatura.

Sensor analógico: T30-0001 (Pt100)

Un Pt100, también conocido como termómetro de resistencia de platino o detector de temperatura de resistencia de platino (RTD), es un tipo de sensor de temperatura que se basa en la resistencia eléctrica del platino para medir la temperatura. El "Pt" en Pt100 significa "platino", y el "100" indica que la resistencia del sensor es de 100 ohmios a 0 grados Celsius (32 grados Fahrenheit).

Las características principales de un sensor Pt100 son:

• Relación Resistencia-Temperatura

  Los sensores Pt100 se basan en el principio de que la resistencia eléctrica del platino cambia con la temperatura. A medida que la temperatura aumenta o disminuye, la resistencia del sensor Pt100 varía de forma predecible y lineal.

• Alta Precisión

  Los sensores Pt100 son conocidos por su alto nivel de Precisión y exactitud a la hora de medir la temperatura. Son capaces de proporcionar lecturas de temperatura fiables en una amplia gama de Aplicaciones.

• Amplio Rango de Temperatura

  Los sensores Pt100 pueden medir temperaturas en un amplio rango, desde muy por debajo del punto de congelación hasta varios cientos de grados centígrados. Suelen utilizarse en aplicaciones criogénicas y de alta temperatura.

• Respuesta lineal

  La relación resistencia-temperatura de los sensores Pt100 es casi lineal, lo que facilita su calibración y su uso en diversos sistemas de medición de temperatura.

• Estabilidad

  Los sensores Pt100 son estables a lo largo del tiempo y pueden mantener su precisión durante periodos prolongados, lo que los hace adecuados para la monitorización a largo plazo y las aplicaciones críticas.

• Versatilidad

  Los sensores Pt100 pueden utilizarse en una gran variedad de sectores, incluidos el control de procesos industriales, la investigación científica, la supervisión medioambiental y los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC).

• Los sensores Pt100 pueden utilizarse en una gran variedad de sectores, incluidos el control de procesos industriales, la investigación científica, la supervisión medioambiental y los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC).

Los sensores Pt100 vienen en diferentes configureciones, siendo las más comunes el Pt1000, que tiene una resistencia de 1000 ohmios a 0 grados Celsius, y el sensor Pt100, como se mencionó anteriormente, con una resistencia de 100 ohmios a 0 grados Celsius. La elección entre Pt100 y Pt1000 depende de la aplicación específica y del nivel de sensibilidad y precisión requerido.

En resumen, un Pt100 es un sensor de temperatura muy preciso y versátil que utiliza la relación resistencia-temperatura del platino para medir la temperatura en un amplio rango de temperaturas y que se utiliza habitualmente en diversas aplicaciones industriales y científicas.

Sensor digital: RMS-TCD-S-001

La Rotronic RMS-TCD es una sonda de temperatura digital. Se digitaliza una Pt100. Para digitalizar la salida de un sensor de temperatura Pt100 (un termómetro de resistencia de platino), Rotronic utiliza un convertidor analógico-digital (ADC) para convertir el valor de resistencia analógico en un formato digital que puede ser procesado y utilizado por un microcontrolador, un ordenador u otros sistemas digitales.

• Digitalización del sensor Pt100.
• Conexión del sensor Pt100

  El sensor Pt100 está conectado a un circuito de medición. Los sensores Pt100 suelen tener una resistencia de 100 ohmios a 0°C (32°F). La resistencia cambia con la temperatura según una curva bien definida.

• Convertidor analógico-digital (ADC)

  El ADC convertirá la señal analógica de la Pt100 en una señal digital. El ADC define factores como la resolución requerida, la frecuencia de muestreo y la interfaz.

• Microcontrolador

  La salida del ADC se conecta a un microcontrolador que procesa y almacena los datos digitales de temperatura. El microcontrolador también puede realizar otros cálculos si es necesario, como convertir la lectura de resistencia en una lectura de temperatura utilizando la curva resistencia-temperatura conocida de la Pt100, incluida la compensación de temperatura.

• Calibración y Linealización

  Rotronic calibra y linealiza las lecturas de Pt100 utilizando temperaturas de referencia y valores de resistencia conocidos para corregir cualquier no linealidad en la respuesta del sensor.

• Procesamiento y visualización de datos

  El software del microcontrolador procesa, almacena y muestra los datos de temperatura. La interfaz de usuario o protocolo de comunicación (MODBUS RTU a través de UART) se utiliza para transferir los datos a un ordenador, registrador de datos o dispositivo de visualización para su monitorización y análisis.

Transmisión de datos.

En el caso de Rotronic, esto significa que los datos de ajuste y calibración se almacenan en la propia sonda RMS-TCD. Cuando se conecta a otro dispositivo, esto significa que la sonda no pierde precisión.

Pérdida de Precisión en dispositivos analógicos

Los dispositivos analógicos, incluidos los sensores y los equipos de medición, pueden experimentar diversos factores que pueden provocar una pérdida de precisión. Es importante conocer estos factores para mantener la precisión y fiabilidad de los sistemas analógicos. A continuación se indican algunas fuentes comunes de pérdida de precisión en dispositivos analógicos:

• Efectos de la temperatura

  Muchos componentes y sensores analógicos son sensibles a los cambios de temperatura. Las variaciones de temperatura pueden provocar cambios en la resistencia, la capacitancia y otras propiedades eléctricas, lo que provoca imprecisiones en las mediciones.

• Ruido

  El ruido eléctrico procedente de fuentes como interferencias electromagnéticas (EMI), interferencias de radiofrecuencia (RFI) y otros dispositivos electrónicos puede introducir errores en las señales analógicas. Este ruido puede distorsionar la señal y afectar a la precisión de la medición.

• Deriva

  Los componentes como resistencias, condensadores y transistores pueden sufrir una deriva con el tiempo. La deriva se refiere a cambios graduales, a menudo unidireccionales, en las características del dispositivo. Esto puede provocar una pérdida de precisión lenta pero constante.

• No linealidad

  Muchos dispositivos analógicos presentan no linealidad, lo que significa que su respuesta no es perfectamente proporcional a la señal de entrada. Las no linealidades pueden provocar errores de medición, especialmente cuando se requiere una gran precisión.

• Envejecimiento

  Los componentes analógicos pueden envejecer con el tiempo, lo que puede provocar cambios en sus propiedades. Esto puede afectar a la Precisión y al rendimiento del dispositivo.

• Variaciones en la Alimentación

  Las fluctuaciones o el ruido en la tensión de alimentación pueden afectar a la precisión de los dispositivos analógicos. Las variaciones de tensión pueden afectar a la tensión de referencia, provocando errores de medición.

• Factores ambientales externos

  Factores externos como la humedad, la presión y la tensión mecánica pueden influir en la precisión de los sensores y componentes analógicos. Estas condiciones ambientales deben tenerse en cuenta y controlarse en determinadas aplicaciones.

• Tolerancias de los componentes:

  Las tolerancias de fabricación de los componentes pueden introducir variaciones en el rendimiento.

• Errores en el acondicionamiento de la señal:

  Los errores en los circuitos de acondicionamiento de la señal, incluidos amplificadores, filtros y multiplexores, pueden propagarse por el sistema y afectar a la precisión general.

Para mitigar los errores de acondicionamiento de la señal, se llevan a cabo calibraciones de bucle. Las calibraciones de bucle en sensores analógicos se llevan a cabo para garantizar la precisión y fiabilidad del sistema de medición. A continuación se indican varias razones clave por las que las calibraciones de bucle son importantes para los sensores analógicos:

• Verificación de Precisión

  Los sensores analógicos, como los sensores de temperatura Pt100 o los sensores de presión, pueden experimentar deriva, desgaste o envejecimiento con el paso del tiempo. Las calibraciones de bucle ayudan a verificar que la salida del sensor sigue siendo precisa comparándola con valores de referencia conocidos. Esto es crucial en Aplicaciones donde se requieren mediciones precisas.

• Detección de errores

  Las calibraciones pueden revelar errores en el sensor o en el sistema de medición. Si la salida del sensor se desvía significativamente de los valores esperados durante la calibración, puede indicar problemas como degradación del sensor, ruido eléctrico o problemas de acondicionamiento de la señal que requieren atención.

• Corrección de no linealidades

  Muchos sensores analógicos muestran un comportamiento no lineal, en el que su respuesta no es perfectamente lineal con respecto al parámetro medido. Las calibraciones de bucle pueden incluir la creación de curvas o tablas de calibración para corregir estas no linealidades y proporcionar lecturas precisas en todo el Rango de medida.

• Compensación de deriva

  Las calibraciones de bucle permiten detectar y compensar la deriva en la salida del sensor. La deriva se refiere a cambios lentos y graduales en las características del sensor a lo largo del tiempo. Al identificar la deriva y realizar los ajustes necesarios, se puede mantener la precisión del sensor.

• Cambios ambientales

  Los sensores analógicos pueden verse afectados por factores ambientales como las fluctuaciones de temperatura o la humedad. Las calibraciones de bucle ofrecen la oportunidad de tener en cuenta estos cambios y garantizar que las mediciones del sensor sigan siendo precisas en condiciones variables.

• Garantía de calidad

  En aplicaciones críticas como el control de procesos industriales, la asistencia sanitaria o la industria aeroespacial, es esencial mantener un alto nivel de garantía de calidad. Las calibraciones periódicas de bucle ayudan a cumplir las normas de calidad y los requisitos reglamentarios, garantizando que las mediciones sean siempre precisas y fiables.

• Seguridad

  En algunas Aplicaciones, la Seguridad es primordial. Por ejemplo, en una planta química, unas mediciones de temperatura incorrectas podrían provocar condiciones inseguras. Las calibraciones de bucle ayudan a garantizar que las mediciones críticas para la seguridad sean siempre fiables.

• Optimización

  Las calibraciones pueden ayudar a optimizar el rendimiento de todo el sistema de medición, que puede incluir ajustes de sensores, acondicionamiento de señales y procesamiento de datos. Esto puede dar lugar a operaciones más eficientes y precisas.

• Integridad de los datos

  La fiabilidad y precisión de los datos de los sensores es fundamental para el análisis de datos, el control de procesos y la toma de decisiones. Las calibraciones de bucle contribuyen a la integridad de los datos mediante la verificación de la precisión de las lecturas de los sensores.

Calibración de bucle

En general, las calibraciones de bucle desempeñan un papel vital en el mantenimiento del rendimiento y la integridad de los sistemas de medición basados en sensores analógicos. Proporcionan un medio para detectar, corregir y compensar errores y desviaciones, garantizando que la salida del sensor siga siendo precisa y fiable a lo largo del tiempo.

Conclusión

Para concluir, incluso si el precio inicial de las sondas digitales es más alto, los costes totales de las sondas digitales pueden ser menores que con las sondas analógicas debido a todas las ventajas que las sondas digitales ponen sobre la mesa.

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