Niveles de señal y puntos de test

Introducción: el lenguaje de las máquinas

En un sistema automatizado, la información viaja a través de señales que representan magnitudes físicas: temperatura, presión, posición, etc. Los puntos de test son accesos diseñados para medir dichas señales sin interferir en el proceso. Comprender los niveles de señal (0-10 V, 4-20 mA, 24 V digital, bar, L/min) y las unidades asociadas es esencial para el diagnóstico, la puesta en marcha y el mantenimiento predictivo. Esta lección aborda las señales eléctricas, neumáticas e hidráulicas, los sensores más comunes, los estándares de interfaz y la correcta selección de puntos de test.

graph LR A[Sensor Campo] -->|Señal Eléctrica| B{Tipo} B -->|Digital 24V| C[ON/OFF] B -->|4-20 mA| D[Conversión Lineal] B -->|0-10 V| E[Conversión Lineal] D --> F[Variable Física] E --> F F --> G[0-10 bar] F --> H[0-100 °C] F --> I[0-200 L/min] C --> J[Estado: Abierto/Cerrado] style A fill:#3498db,color:#fff style D fill:#27ae60,color:#fff style E fill:#16a085,color:#fff style F fill:#e74c3c,color:#fff

Señales eléctricas: digitales y analógicas

Las señales eléctricas son el soporte principal de información en la industria. Deben cumplir con los niveles definidos en la norma IEC 61131-2 para asegurar la compatibilidad entre dispositivos.

Señales digitales (binarias)

Representan estados de dos valores: activo/inactivo, presente/ausente. En la práctica industrial, el nivel alto (lógico 1) suele ser 24 V CC (con tolerancia +20%/-15%), y el nivel bajo (lógico 0) 0 V (hasta 5 V en algunas familias). La corriente típica para una entrada digital es de 5-10 mA. Ejemplo: un final de carrera conecta 24 V a la entrada del PLC cuando es accionado. La medición en el punto de test (borna del PLC) con multímetro debe dar ≈24 V en estado alto y <2 V en estado bajo.

Señales analógicas

Representan una magnitud física de forma continua. Los estándares más extendidos son:

0-10 V: Muy común en entornos de bajo ruido y distancias cortas (<50 m). La impedancia de entrada típica es >10 kΩ. Ejemplo: un sensor de humedad 0-10 V = 0-100% HR.
4-20 mA (lazo de corriente): Estándar industrial por su inmunidad al ruido y capacidad de detectar rotura de cable (0 mA = fallo). El rango de 4-20 mA se convierte linealmente a la variable física. Por ejemplo, un transmisor de presión 4-20 mA = 0-10 bar. La carga máxima suele ser 500-750 Ω. La medición se realiza en serie (amperímetro) o midiendo la caída de tensión en una resistencia de precisión (250 Ω da 1-5 V).

graph TD A[Corriente Medida
Ejemplo: 12 mA] --> B[Calcular Proporción] B --> C["(12-4)/(20-4) = 0.5"] C --> D[Rango del Sensor
0-200 L/min] D --> E["Caudal = 0.5 × 200"] E --> F[Resultado: 100 L/min] style A fill:#3498db,color:#fff style C fill:#27ae60,color:#fff style F fill:#e74c3c,color:#fff

Ejemplo práctico: Conversión señal - variable física

Un transmisor de caudal con salida 4-20 mA está calibrado para 0-200 L/min. Si medimos 12 mA, la corriente está al 50% del rango (12-4)/(20-4) = 8/16 = 0,5. Por tanto, el caudal es 0,5 * 200 = 100 L/min. Esta operación la realiza internamente la entrada analógica del PLC o un módulo de adquisición.

Instrumentos de medida eléctrica

Multímetro digital: Para medir tensión, corriente y resistencia. Debe tener categoría de seguridad CAT III/IV para entornos industriales.
Pinza amperimétrica: Permite medir corriente sin interrumpir el circuito. Ideal para lazos de 4-20 mA.
Osciloscopio portátil: Para analizar formas de onda, detectar ruido o verificar comunicaciones serie.

Señales neumáticas e hidráulicas: presión y caudal

En los sistemas de potencia fluida, las señales pueden ser neumáticas (aire comprimido) o hidráulicas (aceite). Las magnitudes fundamentales son la presión y el caudal.

Presión: unidades y rangos

La unidad más común en Europa es el bar (1 bar = 100 kPa = 0,1 MPa). En la industria anglosajona se usa el psi (libras por pulgada cuadrada; 1 bar ≈ 14,5 psi). Los rangos típicos en neumática son 4-10 bar, mientras que en hidráulica pueden alcanzar 200-350 bar. Los puntos de test neumáticos/hidráulicos se ubican en racores con válvula de cierre para conectar un manómetro portátil sin perder presión.

graph LR A[Sistemas de Presión] --> B[Neumática] A --> C[Hidráulica] B --> B1[Rango: 4-10 bar] B --> B2[Aplicación: Actuadores,
Válvulas, Pinzas] C --> C1[Rango: 50-350 bar] C --> C2[Aplicación: Prensas,
Máquinas Herramienta] B1 --> D[Manómetro 0-16 bar] C1 --> E[Manómetro 0-400 bar] style A fill:#2c3e50,color:#fff style B fill:#f39c12,color:#000 style C fill:#e74c3c,color:#fff style D fill:#27ae60,color:#fff style E fill:#c0392b,color:#fff

Caudal: unidades y medición

Se expresa en L/min (litros por minuto) o m³/h. En neumática, los caudalímetros de área variable (rotámetros) son comunes. En hidráulica, se emplean caudalímetros de turbina o ultrasónicos. Muchos sensores industriales convierten el caudal en señal analógica 4-20 mA o en pulsos (frecuencia proporcional).

Ejemplo práctico: Punto de test neumático

En una unidad de mantenimiento (filtro-regulador-lubricador), se instala una toma de presión tipo "Schrader". Un técnico conecta un manómetro digital y verifica que la presión es 6,2 bar, dentro del rango de trabajo (6 ±0,5 bar). Esta medición confirma que no hay fugas ni obstrucciones aguas arriba.

Punto de test neumático con manómetro digital conectado mediante válvula de aguja, mostrando 6,2 bar, junto a rotámetro — Figura 2: Punto de test neumático con manómetro digital. **Fuente:** Archivo técnico / **Licencia:** CC BY-NC 4.0

Sensores industriales y estándares de interfaz

La selección del sensor adecuado y su correcta integración determina la fiabilidad de la medida.

Tipos de sensores según la señal de salida

Digitales (PNP/NPN): Los sensores de proximidad inductivos (detectan metales) o capacitivos (detectan cualquier material) suelen tener salida PNP (conmutan el positivo) o NPN (conmutan negativo) a 24 V. Es crítico verificar la compatibilidad con la entrada del PLC.
Analógicos (4-20 mA, 0-10 V): Los transmisores de presión, temperatura, caudal, nivel.
Salida por pulsos: Caudalímetros de turbina o encoders incrementales (frecuencia proporcional a velocidad).
Inteligentes (IO-Link, Modbus, Profibus): Transmiten digitalmente el valor y parámetros de configuración. IO-Link es el estándar más extendido para sensores en campo.

graph TB A[Interfaces de Sensores] --> B[4-20 mA] A --> C[0-10 V] A --> D[IO-Link] A --> E[Modbus RTU] B --> B1[+ Inmunidad ruido
+ Detección rotura
- Un valor/par] C --> C1[+ Sencillo
+ Bajo costo
- Distancia corta] D --> D1[+ Bidireccional
+ Diagnóstico
- Necesita maestro] E --> E1[+ Multidrop
+ Estándar abierto
- Velocidad limitada] style A fill:#2c3e50,color:#fff style B fill:#27ae60,color:#fff style C fill:#16a085,color:#fff style D fill:#3498db,color:#fff style E fill:#9b59b6,color:#fff

Estándares de interfaz: comparativa

**Tabla 1:** Características de interfaces comunes
Interfaz	Ventajas	Limitaciones
4-20 mA	Inmunidad a ruido, detección de rotura	Un solo valor por par, necesita alimentación
0-10 V	Sencillo, bajo costo	Sensible a caídas de tensión, distancias cortas
IO-Link	Comunicación bidireccional, diagnóstico	Requiere maestro IO-Link
Modbus RTU	Multidrop, estándar abierto	Velocidad limitada en largas distancias

Criterios para la ubicación de puntos de test

Un punto de test debe permitir la medición sin interferir en el proceso. Las buenas prácticas incluyen:

Accesibilidad: Situados en la parte frontal de armarios, con suficiente espacio para conectar pinzas o manómetros.
Identificación clara: Etiquetado con la magnitud (p. ej., "PT-101 Presión entrada bomba") y el rango esperado.
Seguridad: Bornes con separación adecuada y categoría de sobretensión. En neumática/hidráulica, válvulas de cierre para conectar/desconectar sin pérdida de presión.
Protección contra sobretensiones: En exteriores, se recomienda usar descargadores de sobretensión en los puntos de test eléctricos.

Recuerda

Al realizar mediciones en puntos de test, es fundamental identificar correctamente la magnitud y la unidad asociada, seleccionar el instrumento con el rango adecuado y respetar las normas de seguridad (desconectar alimentación si es necesario, usar equipos de protección individual).

Tendencias Actuales 2026

Los puntos de test inalámbricos están ganando terreno: sensores con interfaz Bluetooth o WirelessHART permiten tomar medidas sin contacto físico, ideales para equipos rotativos o de difícil acceso. La digitalización de señales con IO-Link y el estándar NAMUR NE 43 (para señales 4-20 mA con información de diagnóstico) son ya omnipresentes en nuevas instalaciones.

Aplicaciones con Raspberry Pi

Una Raspberry Pi 4B con un módulo de entradas analógicas (por ejemplo, ADS1115 de 16 bits) puede leer sensores 4-20 mA mediante una resistencia de precisión (250 Ω) y convertir la corriente a variable física. Con un script en Python y una pantalla táctil, se puede construir un punto de test virtual que muestre en tiempo real presión, temperatura y caudal, y registre históricos para mantenimiento predictivo.

Aplicaciones con Arduino

Un Arduino Uno con pantalla LCD y un potenciómetro puede simular un punto de test didáctico: convierte la tensión de 0-5V (simulando un sensor) en unidades de ingeniería (presión, nivel) y las muestra. Es ideal para prácticas de laboratorio donde los alumnos aprenden la relación entre señal eléctrica y variable física.

💼 Caso Práctico Industrial

Contexto: Un transmisor de presión con salida 4-20 mA está calibrado para 0-16 bar. En un punto de test, se mide una corriente de 10,5 mA con una pinza amperimétrica.

Problema: ¿Qué presión representa esa corriente?

Pregunta: Calcula la presión en bar.

🍓 Ejercicio con Raspberry Pi

Contexto: Se conecta un sensor 4-20 mA a una entrada analógica de un ADS1115 mediante una resistencia de 250 Ω. El ADS1115 mide la tensión en la resistencia.

Pregunta: Si el ADS1115 lee 2,5 V, ¿cuál es la corriente y qué indica (suponiendo rango 0-100 L/min)?

🐍 Ejercicio Python - Estructuras de control

Contexto: Se tiene una lista de corrientes medidas [4.2, 8.5, 12.0, 19.8] mA. El rango del sensor es 0-200 m³/h (4-20 mA).

Pregunta: ¿Qué línea de código convierte correctamente la lista a caudal usando comprensión de listas?

**Tabla 2:** Resumen de señales, unidades e instrumentos
Tipo	Señal típica	Unidad	Instrumento de medida
Digital	24 V / 0 V	-	Multímetro (V DC)
Analógica eléctrica	4-20 mA, 0-10 V	bar, °C, m³/h, etc.	Multímetro (mA/V), pinza amperimétrica
Neumática	Presión 4-10 bar	bar, psi	Manómetro, transductor
Hidráulica	Presión hasta 350 bar	bar, MPa	Manómetro hidráulico
Caudal	4-20 mA o pulsos	L/min, m³/h	Caudalímetro, pinza amperimétrica

Niveles de señal y unidades en los puntos de test