1.3. Tipos de sistemas de medida: analógicos y digitales

Introducción

Los sistemas de medida son fundamentales en la automatización industrial porque permiten cuantificar y controlar variables físicas, como temperatura, presión, caudal o posición. Estos sistemas se clasifican, principalmente, en analógicos y digitales, de acuerdo con la forma en que representan y procesan la información proveniente del entorno físico. La elección entre uno u otro afecta a la precisión, inmunidad al ruido, capacidad de procesamiento y complejidad del sistema.

Sistemas de medida analógicos

Un sistema de medida analógico es aquel en el que la variable física medida se traduce en una señal continua, es decir, que puede adoptar infinitos valores dentro de un rango determinado. Por ejemplo, un termómetro de mercurio es un sistema analógico: la columna de mercurio sube o baja de forma continua según la temperatura, sin saltos ni interrupciones entre valores. En automatización industrial, los sensores que entregan una tensión eléctrica proporcional a la magnitud medida (como 0-10 V para temperatura) son ejemplos de dispositivos analógicos.

Ejemplo práctico 1: Un transmisor de presión con salida 4-20 mA es un sistema analógico. La corriente varía continuamente entre 4 mA (0 bar) y 20 mA (10 bar). Un receptor analógico (como un panel de aguja) puede mostrar cualquier valor intermedio.

Ejemplo práctico 2: Un potenciómetro conectado a un eje giratorio proporciona una tensión analógica proporcional al ángulo. Es común en joysticks industriales o en posicionadores manuales.

Sistemas de medida digitales

Por otro lado, un sistema de medida digital convierte la magnitud física en una señal discreta, es decir, en valores escalonados representados por cifras numéricas, generalmente en formato binario. Por ejemplo, un termómetro digital muestra la temperatura en una pantalla con números concretos, y los controladores industriales digitales (PLC) reciben señales codificadas en bits o palabras binarias. La señal digital es más robusta frente al ruido y fácil de procesar.

Ejemplo práctico 1: Un sensor de temperatura digital como el DS18B20 entrega directamente un valor numérico (en grados Celsius) a través de un protocolo OneWire. No requiere un convertidor externo.

Ejemplo práctico 2: Un encoder incremental proporciona pulsos digitales (TTL) que indican la posición o velocidad. El PLC cuenta los pulsos para determinar el desplazamiento.

Comparativa y diferencias clave

Las diferencias principales entre ambos sistemas radican en la forma de representar la información:

• Un sistema analógico trabaja con señales continuas, mientras que uno digital lo hace con señales discretas.
• Los analógicos pueden captar variaciones mínimas de la magnitud medida, mientras que los digitales sólo detectan cambios que superan el nivel de resolución determinado por el número de bits del conversor (ej. un ADC de 10 bits divide la señal en 1024 niveles).
• Los sistemas analógicos son más susceptibles al ruido y a las interferencias, ya que cualquier perturbación puede alterar la señal continua. Los digitales, en cambio, son más inmunes al ruido, ya que trabajan con niveles bien definidos (por ejemplo, 0 o 5 V para representar 0 y 1).
• La información analógica es difícil de almacenar y procesar automáticamente; la digital se manipula, transmite y almacena fácilmente mediante sistemas electrónicos y ordenadores.

Ventajas y desventajas

Las ventajas de los sistemas analógicos incluyen:

• Alta resolución, ya que pueden detectar pequeños cambios en la variable (teóricamente infinita).
• Simplicidad en el diseño para aplicaciones básicas.
• Respuesta rápida, ya que no requieren procesos de conversión.

Sin embargo, tienen desventajas como:

• Baja inmunidad al ruido y a las interferencias eléctricas.
• Dificultad para transmitir señales a largas distancias sin pérdidas o distorsiones.
• Limitaciones en el procesamiento y almacenamiento de la información.

Por su parte, los sistemas digitales ofrecen ventajas claras:

• Facilidad para almacenar, procesar y transmitir datos.
• Alta inmunidad al ruido eléctrico.
• Posibilidad de integración sencilla en sistemas de control automatizados (PLC, SCADA).
• Mayor flexibilidad y capacidad de programación (ej. filtrado digital, corrección de errores).

Entre sus desventajas se encuentran:

• Limitación de resolución, ya que la señal original se “cuantiza” en pasos discretos (error de cuantificación).
• Requiere circuitos adicionales para convertir señales analógicas a digitales (ADC) y, si es necesario, de digitales a analógicas (DAC).
• Puede haber retardos debidos a los procesos de muestreo y conversión (tiempo de muestreo, latencia).

Las aplicaciones de los sistemas analógicos suelen encontrarse en instrumentación tradicional, controladores básicos, y en situaciones donde la señal debe ser interpretada en tiempo real sin procesamiento digital. Los sistemas digitales predominan en automatización avanzada, control de procesos, registro de datos y comunicaciones industriales.

Proceso de conversión de señal (cadena de medida)

La conversión de una señal física en una magnitud medible y procesable implica varias etapas. En primer lugar, el sensor transforma la variable física (por ejemplo, temperatura) en una señal eléctrica proporcional (tensión o corriente). Si el sistema es analógico, esta señal puede enviarse directamente a un instrumento indicador, registrador o controlador analógico.

Si el sistema es digital, la señal analógica pasa por un convertidor analógico-digital (ADC), que la muestrea (toma valores en intervalos regulares) y la cuantiza (asigna valores numéricos según su nivel). El resultado es un dato digital que puede ser procesado por un microcontrolador, PLC o sistema informático. Cuando se requiere actuar físicamente sobre un proceso (por ejemplo, mover un actuador), el sistema puede convertir la señal digital de nuevo a analógica mediante un convertidor digital-analógico (DAC), cerrando así el ciclo de medida y control.

Conceptos clave:

• Muestreo: tomar valores de la señal analógica a intervalos regulares (frecuencia de muestreo). Según el teorema de Nyquist, la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia máxima de la señal para evitar aliasing.
• Cuantificación: asignar un valor discreto a cada muestra. El número de niveles depende de los bits del ADC (ej. 10 bits → 1024 niveles). La diferencia entre el valor real y el cuantificado es el error de cuantificación.
• Resolución: el cambio más pequeño detectable en la entrada. Para un ADC de N bits con rango Vref, la resolución es Vref / 2^N.

Ejemplo: Un ADC de 12 bits con referencia de 5 V tiene una resolución de 5 / 4096 = 1.22 mV. Si se mide una temperatura con un sensor que da 10 mV/°C, la resolución en temperatura será 0.122°C.