Sin entrar en un montón de condicionamientos analógicos sofisticados, creo que la solución que propongo debería funcionar para usted. Pero tendrá que agregar un cable más a su cable.
Tienes dos problemas,
1) La caída de voltaje en los conductores de energía es demasiado alta y el voltaje final en su dispositivo es demasiado bajo para una operación adecuada.
2) La caída de voltaje en el cable de masa del sensor agregará una compensación a sus señales analógicas. Esto degrada su precisión, introduciendo posiblemente un error significativo en sus mediciones.
Mi enfoque sería instalar un regulador lineal de 5V en su dispositivo. Ahora alimenta tal vez +12 V por el cable de alimentación y se reduce al voltaje deseado en su sensor.
La fuente de alimentación que alimenta ese regulador está flotando. Es decir: NO comparte una conexión a tierra con su sistema hasta que se conecta al sensor, justo en el sensor. Este es el cable adicional que mencioné anteriormente.
Ahora tiene 5 cables libres que vienen del sensor: el cable de tierra de la señal más 4 señales analógicas.
simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab
He mostrado un bloque regulador de voltaje genérico. Deberá agregar los capacitores de derivación apropiados y elegir la pieza más adecuada; el 7805 puede no ser la mejor para sus propósitos.
Habrá una diferencia de potencial de voltaje entre el cable de masa de la señal y el cable negativo de su fuente de alimentación. Esta diferencia de voltaje es la razón por la cual es importante que la conexión a tierra de esta fuente de alimentación solo esté conectada a su sensor.
Debido a que no fluye ninguna corriente en el cable de conexión a tierra de la señal, sus señales analógicas se presentan en su dispositivo de medición con la máxima precisión.