Doce termopares, cinco kilómetros y ningún cable nuevo: medir temperatura en una central nuclear

El problema

En una tubería de una central nuclear española había que controlar la temperatura en un anillo de 12 termopares repartidos por su perímetro, y ver esas lecturas en el centro de control de la central, a unos 5 km de distancia. El encargo tenía cuatro condiciones que, juntas, descartaban casi cualquier solución comercial:

• Acceso una vez al año. La tubería estaba en una zona a la que solo se podía entrar durante la parada de recarga de combustible. Lo que se instalara tenía que funcionar un año entero sin que nadie lo tocara.
• Radiación. La zona tenía cierto nivel de radiactividad, un entorno en el que la electrónica compleja envejece y falla antes.
• Nada de cristal de cuarzo. La central no permitía en esa ubicación equipos con osciladores de cuarzo, el componente que marca el ritmo de casi cualquier microcontrolador, ordenador o equipo de comunicaciones. La radiación puede desplazar la frecuencia de estos resonadores, y la central no quería depender de ellos.
• Ningún cable nuevo. No se podía tender ni un solo hilo de control entre la zona y la sala de control.

El camino: dos cables que ya estaban ahí

La primera pieza del puzle no fue electrónica, sino documental: revisando la instalación encontramos dos cables en desuso que ya unían esa zona con el centro de control. No eran cables de instrumentación modernos ni había forma de añadir más, así que el sistema entero tenía que viajar por ellos. Eso marcó el diseño: una única señal, robusta y capaz de recorrer 5 km sin degradarse.

La arquitectura: un módulo sensor y un módulo receptor

El sistema se dividió en dos equipos unidos por los cables existentes:

• El módulo sensor, junto a la tubería, con las entradas de los 12 termopares.
• El módulo receptor, en el centro de control, a 5 km, que recibe la señal y entrega la temperatura de cada termopar.

Como no se podían mandar 12 señales a la vez por un solo par, la solución fue mandarlas una detrás de otra, siempre en el mismo orden, y repetir el ciclo cada segundo. Es lo que en telecomunicaciones se llama multiplexación por división en el tiempo.

El módulo sensor: un reloj sin cuarzo

Sin cuarzo no había microcontrolador posible, así que el ritmo del sistema lo marcaba un temporizador 555, el veterano integrado que oscila con una simple red de resistencias y condensador (lo contamos en el artículo sobre el 555). Ese reloj hacía avanzar la secuencia: en cada paso, un multiplexor analógico conectaba un termopar distinto a la etapa de medida.

Un termopar entrega muy poca tensión, del orden de decenas de microvoltios por grado (ver cómo funciona un termopar), así que cada canal se amplificaba y se leía con un convertidor analógico-digital de precisión de 14 bits. El valor leído se convertía en una corriente de 4 a 20 mA, proporcional a la tensión del termopar, y esa corriente era la que salía por el cable hacia la sala de control.

La filosofía era la contraria a la habitual hoy: en lugar de un procesador que lo hace todo, pocos componentes, sencillos y bien conocidos, cada uno con una sola función. Menos piezas significa menos cosas que puedan fallar en un año sin acceso.

Por qué 4⁠–⁠20 mA para recorrer 5 km

Una tensión que viaja 5 km llega mermada por la resistencia del cable y contaminada por el ruido que recoge por el camino. Una corriente, no: en un lazo cerrado, la corriente es la misma en todos sus puntos, así que el receptor mide exactamente lo que el emisor envía, mientras la fuente tenga tensión suficiente para vencer la resistencia del cable. Además:

• Es poco sensible al ruido, porque el lazo tiene baja impedancia.
• Tiene «cero vivo». El valor mínimo es 4 mA, no 0. Si el receptor ve 0 mA, sabe que el cable se ha cortado y no lo confunde con una temperatura baja.
• Solo necesita un par de conductores, justo lo que daban los cables existentes.

Con 14 bits, el rango de 16 mA se reparte en 16.384 escalones de aproximadamente 1 µA: resolución de sobra para una medida de temperatura.

La trama de 1 segundo y el valor tampón

El receptor tiene que saber, en cada instante, qué termopar está recibiendo. Si se desincroniza un solo paso, atribuiría la temperatura del termopar 5 al 6, y así con todos. Y el reloj de un 555, al no ser de cuarzo, no es exacto: su frecuencia varía algo con la temperatura y el envejecimiento de sus componentes.

La solución fue organizar la señal en tramas de 1 segundo. Cada trama empieza con 0,1 segundos de un valor tampón, un nivel fijo y reconocible que no corresponde a ninguna medida, y a continuación vienen los 12 termopares en orden, cada uno durante una fracción igual de los 0,9 segundos restantes (unos 75 ms). El receptor busca el tampón, se sincroniza con él y cuenta los canales a partir de ahí. Como el tampón llega en cada trama, la sincronización se corrige cada segundo y la deriva del reloj nunca llega a acumularse.

El módulo receptor

En el centro de control, la corriente de 4⁠–⁠20 mA se convertía en una tensión de 0 a 5 V con una resistencia de precisión y su acondicionamiento. A partir de ahí, el receptor detectaba el tampón, separaba los 12 valores de la trama y convertía cada uno en temperatura según la curva del termopar. El resultado: la temperatura de los 12 puntos del anillo, actualizada cada segundo, a 5 km de la tubería y sin un metro de cable nuevo.

El resultado

El proyecto fue un éxito y el sistema sigue funcionando hoy en la central. La lección que nos dejó es que las restricciones no siempre se resuelven con más tecnología: a veces la respuesta es una electrónica más sencilla, pensada a fondo para el entorno en el que tiene que trabajar. Elegir la solución empieza por escribir bien los requisitos, incluidos los que parecen menores, como en las revisiones de diseño de cualquier proyecto.