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1
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECANICA Y ELÉCTRICA
Análisis de los Instrumentos
de Medición Inteligentes
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA
P R E S E N T A
ROSARIO VÁZQUEZ REYES
ASESORES:
DR. SAMUEL EDUARDO MOYA OCHOA
DR. RODRIGO LOPEZ CARDENAS
MÉXICO, D. F., 2012
2
3
Agradecimientos
A Dios por su infinito Amor y regalarme tan divinos dones como la Sabiduría, Inteligencia y Fortaleza.
A mi hijo Leonardo Vázquez Reyes, por llenar de vida mi vientre y poder sentir juntos la
satisfacción de llegar a esta meta. Gracias por iluminar mis días con tu sonrisa y ser el motor que me inspira a seguir adelante.
Te amo infinitamente, ¡Gracias por hacerme tan feliz!
A mis padres por enseñarme a no rendirme y seguir adelante; mil gracias por enseñarme a volar y
hacer de mí una mujer independiente, fuerte, trabajadora y guerrera. Gracias madre por tu tiempo
dedicado a mis estudios y llegar a la meta conmigo. ¡Mil Gracias!
A mis hermanos Nancy Vázquez, José Guadalupe Hernández y Néstor Vázquez, por su apoyo
incondicional en el transcurso de este camino y sus buenos consejos para seguir adelante. ¡Los quiero mucho!
A mi sobrina Mailen Estefani, por iluminar mis días con tu sonrisa y tu niñez, eres como una hija para mí. Te quiero mucho y te llevo siempre en mi corazón. Deseo algún día también cumplas una
meta como esta.
¡Cuenta conmigo siempre¡
A mi ahijada Abril por regalarme tan calurosos abrazos cuando me ves, deseo algún día también
cumplas una meta como esta.
¡Cuenta conmigo siempre¡
A mi gran amigo y compañero Luis Fernando , gracias por ser parte de mi vida y no dejarme
nunca caer, por estar conmigo, escucharme y ser parte de esta maravillosa experiencia de ser orgullosamente del IPN.
“Recordar es poner el corazón en la mano y volver a vivir”. ¡Te quiero mucho!
A mis asesores Dr. Samuel Moya Ochoa gracias por su tiempo, dedicación y conocimientos para orientarme en la
realización de este trabajo de TESIS. Recordare siempre sus sabios consejos y los pondré en
práctica. Dr. Rodrigo López Cárdenas gracias por su orientación en esté trabajo y buenos deseos.
Ing. Marisol Salinas Salinas gracias por brindarme su amistad y darme tan sabios consejos.
A mis maestros, gracias por su tiempo, así como sus conocimientos y sabiduría que me
transmitieron en el desarrollo de mi formación profesional.
Al Instituto Politécnico Nacional y en especial a la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica por permitirme ser parte de una generación de triunfadores y gente productiva para el
país. Por darme la oportunidad de conocer tan apreciables amigos y experiencias inolvidables.
Rosario Vázquez Reyes
4
Esta TESIS está dedicada a mi hijo
Leonardo.
Con todo mi amor.
Eres una persona muy valiente, fuerte e inteligente.
Tú puedes lograr todo aquello que en mente te propongas.
“No es fuerte aquel que nunca se cae,
sino el que tiene la capacidad de levantarse y seguir adelante”
Te amo con todo mi corazón hijo
5
Índice
Introducción…………………………………………………………………………………………………………………………………..7 Objetivo ......................................................................................................................................... 7 Justificación. .................................................................................................................................. 7 Capitulo 1.- Características de los instrumentos de Medición.......................................................... 9
1.1 Rango................................................................................................................................... 9 1.2 Alcance ................................................................................................................................ 9 1.3 Error .................................................................................................................................. 10 1.4 Incertidumbre en la medida ................................................................................................ 10 1.5 Exactitud ............................................................................................................................ 10 1.6 Precisión ............................................................................................................................ 10 1.7. Zona muerta (dead zone o dead band) ................................................................................ 10 1.8 Repetibilidad ...................................................................................................................... 11 1.9 Histéresis ........................................................................................................................... 11 1.10 Linealidad ........................................................................................................................ 11 1.11 Tiempo de respuesta ......................................................................................................... 12
Conclusiones ............................................................................................................................... 12 Capítulo 2.- Análisis del Instrumento de Medición Inteligente ..................................................... 13
2.1 Magnitudes Físicas ............................................................................................................. 13 2.1.1 Presión ........................................................................................................................ 13 2.1.2 Temperatura ................................................................................................................ 15 2.1.3 Nivel ........................................................................................................................... 16 2.1.4 Flujo ............................................................................................................................ 17 2.1.5 Otras Variables ............................................................................................................ 17
2.2. Dispositivo Analógico de Medición (sensor) ...................................................................... 19 2.3. Convertidor Analógico a Digital ........................................................................................ 21 2.4. Módulo de Control y Comunicaciones ............................................................................... 22
Conclusiones ............................................................................................................................... 27 Capitulo 3.- Dispositivos analógicos de medición ......................................................................... 28
3.1 temperatura ........................................................................................................................ 28 3.1.1 Termopar ..................................................................................................................... 28 3.1.2 RTD ............................................................................................................................ 29 3.1.3 Termistores.................................................................................................................. 31
3.2 Presión ............................................................................................................................... 34 3.2.1. Galgas Extensométricas ............................................................................................. 34 3.2.2. Condensador Variable:................................................................................................ 36 3.2.3. Transformador Diferencial de Variación Lineal (LVDT) ............................................. 38
3.3. Magnitudes físicas típicas en control en lazo cerrado ........................................................ 39 3.3.1. Sistemas de control en lazo cerrado ............................................................................. 40 3.3.1. Ejemplo de Medición de Temperatura ........................................................................ 41
Conclusiones ............................................................................................................................... 43 Capitulo 4.- Convertidor Analógico Digital .................................................................................. 45
4.1 Principio de funcionamiento ............................................................................................... 45 4.2 Proceso de Digitalización ................................................................................................... 46
4.2.1 Muestreo y retención (sample and hold, S&H) ............................................................. 47 4.2.2. Cuantificación ............................................................................................................ 50
6
4.2.3. Codificación ............................................................................................................... 52 4.3. Alternativas de Convertidor ............................................................................................... 56
4.3.1. Convertidores A/D Paralelos ....................................................................................... 56 4.3.2. Convertidores de aproximaciones sucesivas ............................................................... 58 4.3.3. Convertidores tipo servo o “tracking”. ........................................................................ 60 4.3.4. Convertidores de rampa: simple, doble, triple.............................................................. 61
4.4. Características de operación .............................................................................................. 64 Conclusiones ............................................................................................................................... 66 Capitulo 5.- Modulo de control y comunicaciones ....................................................................... 67
5.1. Tratamiento de la señal ..................................................................................................... 67 5.1.2. Multiplexores analógicos ........................................................................................... 67
5.2. Logica de control ............................................................................................................... 68 5.3. Interfaz serial .................................................................................................................... 68
5.3.1. Transmicion síncrona/asíncrona .................................................................................. 69 5.3.2. Transmisión serie........................................................................................................ 70 5.3.3. Estándar RS-232 ......................................................................................................... 71 5.3.4. Estándar RS-422 ......................................................................................................... 72 5.3.5. Estándar RS-485 ......................................................................................................... 73
5.4 Interfaz Industrial de Bus de Campo ................................................................................... 74 5.4.1. FIELBUS ................................................................................................................... 74 5.4.2.- PROFIBUS ............................................................................................................... 75 5.4.3.- PROFIBUS DP ......................................................................................................... 76 5.4.4.- PROFIBUS PA ......................................................................................................... 76 5.4.5.- PROFIBUS FMS ....................................................................................................... 77 5.4.6.- PROFInet .................................................................................................................. 77
Conclusiones ............................................................................................................................... 78 Capítulo 6. Aplicación de un Instrumento Inteligente. .................................................................. 79
6.1. Diseño de un Instrumento Inteligente ................................................................................. 79 6.2. Proceso de Control de Temperatura. .................................................................................. 81 6.3.- Simulación del Proceso. ................................................................................................... 85 6.4.- Gráficas de datos en sitio y datos remotos de la temperatura del reactor en °C. ................. 89 6.5.- Conclusiones .................................................................................................................... 91
Bibliografia……………………………………………………………………………………………………………………………………93
7
Objetivo
El objetivo de este trabajo es la recopilación, selección y estudio de información de
tecnología existente relacionada con los sensores analógicos y sensores inteligentes, su
principio de operación, el análisis de su funcionamiento, y su implementación en procesos
de control. Lo cual provee las herramientas y los elementos necesarios para sustentar la
realización de un proyecto en campo.
Justificación.
El conocimiento de las nuevas tecnologías permitirá abordar procesos de control donde las
tecnologías convencionales encuentran limitaciones, teniendo como resultados procesos
más eficientes.
Introducción.
El desarrollo tecnológico en el campo de la electrónica, hace que las empresas y los
centros de investigación dispongan de instrumentos cada vez más competitivos. Según
nuestro punto de vista, esta característica se mantendrá en tanto que el instrumento sea fácil
de utilizar, se integre sin complicaciones en un sistema de medida basado en computador y
sea flexible, es decir, que se adapte fácilmente a las necesidades de cambios en la
metodología de medida. De esta manera dispondremos de instrumentos y de sistemas de
instrumentación especializados para cada campo, abiertos a diferentes configuraciones de
medida.
Gracias a la integración del microprocesador, la moderna instrumentación del proceso le
ofrece al operador una riqueza de información adicional importante. Por ejemplo, le
proporciona información sobre el estado del sensor o transmisor, de la escala de medida, de
si se han rebasado o no los valores límite previstos, etc. Mediante una comunicación
clásica de señales de 4-20 mA, esta información, sencillamente, no puede comunicarse.
El capitulo 1 describe brevemente las principales características de los instrumentos de
medición, necesarias para conocer su funcionamiento, saber evaluarlos y realizar la
selección del adecuado instrumento.
En el capítulo 2 se da una breve introducción de los instrumentos de medición inteligentes
y una descripción de cada una de las etapas que dan el término “inteligente” a los
instrumentos de medición industrial, que se analizaran a fondo en los capítulos 3, 4 y 5. Se
mencionan los ventajas que tienen los instrumentos de medición inteligente ante los
instrumentos de medición convencional.
En el capítulo 3 se describen los dispositivos analógicos de medición (sensor) que son los
elementos primarios de los instrumentos de medición inteligente, los principales sensores
8
de acuerdo a su clasificación por la magnitud física (temperatura y presión), su
funcionamiento y sus principales aplicaciones en los procesos industriales.
En el capítulo 4 se describe el principio de funcionamiento de los convertidores analógico
digital(A/D), los cuatro procesos que influyen en la digitalización y los tipos que existen
en el mercado. Se describen los convertidores A/D que con mayor frecuencia se
encuentran en la electrónica de los instrumentos de medición inteligente.
En el capítulo 5 se describe en qué consiste el modulo de control de los instrumentos de
medición inteligente y su relevancia respecto a los instrumentos de medición
convencionales; La descripción del modulo de comunicaciones incluye la forma de
comunicación de los instrumentos de medición con los cuartos de control y los principales
estándares que se ocupan actualmente en la industria.
El capitulo 6 describe la unión de bloques del instrumento de medición inteligente que se
describen en los capítulos anteriores, así como la simulación de un proceso medición de de
temperatura en un tanque de agitación continua en donde se simula la operación de estos
instrumentos de medición inteligentes.
9
Capitulo 1.- Características de los instrumentos de Medición
Introducción
Los instrumentos de medición han llevado al operador de su participación en el sitio de
medición, supervisión y la vigilancia del proceso a centros de control situados en el propio
sitio del proceso o en un punto remoto1.
Para lograr esto, los instrumentos o sistemas de instrumentación deben seleccionarse con
sumo cuidado, esto con el fin de satisfacer cada aplicación específica; para lograr esto, se
debe tener un conocimiento profundo tanto del instrumento como del sistema a supervisar2.
Para seleccionar estos instrumentos, es necesario conocer su funcionamiento y saber
evaluarlos. Este funcionamiento y evaluación de los transmisores se basa en diferentes
características de operación, independientemente del tipo de transductor éstas siempre
estarán presentes3. Estas características de operación se encuentran en las especificaciones
del instrumento.
El termino especificaciones se usa para describir las características de un sistema de
medición, usualmente estas características se muestran en las hojas de datos de cada
instrumento. Antes de instalar cualquier equipo, es necesario contar con las hojas de
especificaciones correctas, las cuales van a colaborar al realizar la selección del adecuado
instrumento de medición4.
Los términos descritos posteriormente podrán ser una guía para identificar las
características de los instrumentos de control de procesos que se estén empleando. Los
valores correspondientes a estos términos, típicamente se encuentran en las hojas de datos,
en la sección de especificaciones del mismo.
1.1 Rango
El rango está definido como el conjunto de valores de la variable medida que están
comprendidos dentro de los límites superior e inferior de la capacidad de medida del
instrumento. Este valor se encuentra expresado estableciendo los dos valores extremos.
1.2 Alcance
El alcance se define como la diferencia algebraica entre el límite superior y el límite
inferior del instrumento.
1 Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España. Pág. 1 2 Harold E. Soisson, “Instrumentación Industrial”, Editorial Limusa. Pág. 23 2 Harold E. Soisson, “Instrumentación Industrial”, Editorial Limusa. Pág. 23 3 STEREN, “El ABC de la mecatrónica”. Pág. 8
4 V. Ordaz, Gustavo; , et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 19
10
1.3 Error
El error es la diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el
valor real de la variable medida por un instrumento patrón.
1.4 Incertidumbre en la medida
La incertidumbre en la medida es la distribución estadística de los resultados que pueden
ser atribuidos razonablemente al verdadero valor de la magnitud medida.
1.5 Exactitud
La exactitud es la cualidad de un instrumento para dar lecturas próximas al verdadero valor
de la magnitud medida.
1.6 Precisión
La precisión es definida como la tolerancia de medida o de transmisión del instrumento,
esto es, el intervalo donde es admisible que se sitúe la magnitud de la medida y define los
límites de los errores cometidos cuando el instrumento se emplea en condiciones normales
(tiempo de vida normalmente 1 año).
Cuando de desea obtener la máxima precisión del instrumento en un punto determinado de
la escala, puede calibrarse únicamente para este punto de trabajo. Los fabricantes
usualmente la especifican para todo el rango. Ver Figura 1
Figura 1.- Diferencia entre precisión y exactitud
1.7. Zona muerta (dead zone o dead band)
La zona muerta es el campo de valores de la variable operacional que no hace variar la
indicación o la señal de salida del instrumento; es decir, ante cambios de la magnitud de la
variable operacional el instrumento no produce respuestas. Viene dado en tanto % del
alcance de la medida.
Valor real
% De error de exactitud
A) Exacto pero no preciso B) Preciso pero no exacto C) Exacto y preciso
% De error de exactitud
% De error de precisión
11
1.8 Repetibilidad
La repetibilidad es la capacidad de reproducir las posiciones del instrumento (pluma, índice
o señal de salida) al medir repetidamente valores idénticos de la variable operacional en las
mismas condiciones de servicio y en el mismo sentido de variación, recorriendo todo el
campo.
1.9 Histéresis
La histéresis es la diferencia máxima que se observa en los valores indicados por el
instrumento para el mismo valor cualquiera del campo de medida, cuando la medición de la
variable recorre toda la escala en los dos sentidos, ascendente y descendente.
Este valor se expresa en tanto porciento del alcance (Span) de la medida. Lo antes descrito
se muestra en la Figura 2.
Figura 2.- Histéresis en la medición de temperatura5
1.10 Linealidad
La linealidad es la aproximación más cercana de una curva de calibración, a una línea recta
previamente establecida.
Los instrumentos ideales son lineales. De hecho, la mayoría de los sistemas instrumentales
comerciales tienen respuesta lineal. Puede ocurrir, sin embargo, que la respuesta no sea
estrictamente lineal y, por ende, que ocurra un error por no linealidad de la respuesta del
instrumento.
5 V. Ordaz, Gustavo, et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 28
Temperatura ( °C)
C
O
R
R
I
E
N
T
E
4
8
12
16
20
0
(mA)
12
1.11 Tiempo de respuesta
Debido a fenómenos de equilibrio, transporte, entre otros, la medición de cualquier variable
de proceso puede implicar una demora que debe ser definida adecuadamente.
Si la medición tiene una cinética más lenta que la de la propia variable, habrá que disponer
de sistemas complejos de predicción del valor en lugar de descansar sólo sobre la medición
instrumental.
Los tiempos de respuesta se definen en base al tiempo necesario para obtener una medida
que corresponda al 96% (o cualquier otro porcentaje) del valor final.
Conclusiones
Las características de los instrumentos de medición permiten evaluar cuál es el adecuado
para un proceso en campo específico, la capacidad de medida del instrumento para asegurar
la máxima información de la variable en proceso y los posibles errores en la salida de
instrumento. Estas características permiten que el usuario pueda calibrar el instrumento de
medición en un punto de trabajo.
13
Capítulo 2.- Análisis del Instrumento de Medición Inteligente
Introducción
Los instrumentos de medición son herramientas indispensables para mantener controladas
las variables de un proceso o sistema en forma tan exacta como se necesite para satisfacer
las especificaciones de las aplicaciones en la industria6.
Los avances en los dispositivos de medición y su incursión en procesos de control más
complejos han permitido mejorias esenciales en la calidad y la cantidad de servicios
generados por la industria y, a su vez, dando beneficios para la sociedad.
En las plantas industriales se miden las diferentes variables de proceso colocando un
instrumento que tiene integrado el sensor y el mecanismo de transducción, adaptación de
señal, transmisión, registro, indicación o control, junto al equipo de proceso7.
El término “inteligente” indica que el instrumento es capaz de realizar funciones
adicionales a la de simple transmisión de la señal del proceso8. Esté instrumento combina la
función de detección y algunas de las funciones de procesamiento de la señal y
comunicación, estas funciones adicionales suele realizarlas un (microcontrolador), esté
incluye al ADC y una combinación de sensor, se denomina a veces sensor inteligente9[5].
2.1 Magnitudes Físicas
Los instrumentos de medición se encargan de transmitir hasta los controladores las señales
eléctricas que son proporcionales a la magnitud física de la variable operacional medida, la
variable operacional es una magnitud física correspondiente10
.
El tipo de magnitud física medida clasifica a los diversos instrumentos de medición, estás
magnitudes físicas son mecánicas, térmicas, magnéticas, ópticas y químicas11
. Entre las
magnitudes físicas con mayor aplicación en la industria se encuentra la presión,
temperatura, nivel, flujo, humedad, PH, Densidad, Velocidad, entre otras12
.
2.1.1 Presión
La presión es una magnitud física que define a una fuerza que se ejerce sobre un área
determinada, por lo que se mide en unidades de fuerza por unidad de área. Esta fuerza se
puede aplicar a un punto en una superficie o distribuirse sobre ésta área13
.
6 Harold Soisson, “Instrumentación Industrial”, Editorial Limusa. Pág.1 7 Varios autores, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 226 8 Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España. Pág. 65 9 Ramón Pallas Areny, “Sensores y Acondicionadores de Señal” ,Marcombo, Barcelona(2007). Pág. 424 10 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo I. Pág.2 11
Ramón Pallas Areny, “Sensores y acondicionadores de señal”, Marcombo, Barcelona(España),2007. Pág.54 12 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo I. Pág. 3 13
Harold Soisson, “Instrumentación Industrial”, Editorial Limusa. Pág. 58
14
Cada vez que la presión se ejerce, se produce una deflexión, una distorsión o un cambio de
volumen o dimensión. Las mediciones de presión pueden ser desde valores muy bajos que
se consideran vacío, hasta miles de toneladas por unidad de área14
.
La presión se expresa en diferentes unidades, estas se utilizan dependiendo de la magnitud
de la variable, como por ejemplo la unidad PSI se usa para valores altos de presión y la
unidad de pulgadas de agua para valores bajos de presión15
. La ecuación (1) define la
presión.
(1)
La presión se expresa de forma adecuada y correcta para el sistema de unidades
internacional o para el sistema de unidades ingles en cualquiera de las siguientes unidades:
ó ó ó
Los tipos de unidades de presión difieren entre sí solamente por su punto de referencia a
presión cero. La falta de presión (vacío total) en un espacio cualquiera del universo se
conoce como presión en cero absoluto16
.
2.1.1.1 Presión absoluta
La presión absoluta se mide teniendo como referencia el cero absoluto de la presión17
. Otra
forma de conocer la presión absoluta es sumando la presión atmosférica a la presión
relativa18
.
(2)
14 Harold Soisson, “Instrumentación Industrial”, Editorial Limusa. Pág.58 15 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo IV. Pág.2 16
Control avanzado de procesos: (teoría y práctica) Escrito por José Acedo Sánchez. Pág. 26 17 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo IV. Pág.3 18
Control avanzado de procesos: (teoría y práctica) Escrito por José Acedo Sánchez. Pág. 26
15
2.1.1.2 Presión Atmosférica
La presión atmosférica se define como la presión ejercida por la atmosfera en un punto de
la corteza terrestre y varía con la altura sobre el nivel del mar, por lo que es necesario
calibrar los instrumentos de presión del equipo industrial que se transporta a zonas
geográficas de diferente altura; esto es, a mayor altitud, menor presión19
.
2.1.1.3 Presión Diferencial
Cuando se mide la diferencia de presión entre dos puntos, habitualmente con el mismo cero
de referencia, la medida se denomina presión diferencial20
.
(3)
2.1.1.4 Presión Relativa
La presión relativa es la medida de presión que inicia su escala de 0 tomando como
referencia a la presión atmosférica; es decir, es aquella medida de presión que resulta de
restarle a la presión absoluta la presión atmosférica21
.
2.1.2 Temperatura
La medida de la temperatura constituye una de las variables operacionales más comunes y
más importante en los procesos industriales22
.
La temperatura es empleada para detectar los cambios del estado físico (fases: solida,
liquida y gaseosa), que tienen las sustancias que intervienen en un proceso. La temperatura
es una indicación de qué tanta (mayor o menor) agitación tienen las moléculas o átomos
que constituyen un cuerpo. La temperatura de un cuerpo, es una propiedad que determina
su capacidad para absorber o transferir calor de su alrededor23
.
La presión y la temperatura a las que son sometidas las sustancias determinan la fase en que
se encuentran; cuando se cambia de una fase a otra se dice que se presentó un cambio de
fase o cambio de estado físico24
.
19 V. Ordaz, Gustavo , et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006.Pág. 198 20 Control avanzado de procesos: (teoría y práctica)Escrito por José Acedo Sánchez. Pág. 26 21 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo IV. Pág. 4 22
Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo V1. Pág. 2 23 V. Ordaz, Gustavo, et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 63 24
Julio de Paula, “Química Física”, Ed. Médica Panamericana, 2008. Pág. 118
16
2.1.3 Nivel
La medición de nivel es muy importante en la industria desde el punto de vista del correcto
funcionamiento del proceso, al buscar mantener esta variable constante en aquellos equipos
que así lo requieren; así como la consideración del balance de las materias primas que
entran al proceso, en comparación con los productos finales que salen del mismo25
.
Para la indicación y medición de nivel en la industria se utilizan instrumentos clasificados
en medidores de nivel de líquidos y sólidos para tanques abiertos y para tanques cerrados26
.
2.1.3.1 Nivel de líquidos
Los medidores de nivel de líquidos operan al medir directamente la altura de líquido sobre
una línea de referencia, al medir la presión hidrostática, al medir el desplazamiento
producido en un flotador por el propio líquido contenido en el tanque del proceso, al
aprovechar las características eléctricas del líquido, y al emplear la radiación de energía27
.
2.1.3.2 Nivel de sólidos
Con frecuencia es necesario medir el nivel de material sólido en procesos; por ejemplo la
medición de las astillas de madera en sitios de fábricas de papel, la materia prima sólida
para dosificación, el jabón en polvo, la cal, las semillas de arroz, el frijol, entre otros; estos
contenidos en tanques o en silos28
. Esto debido a que la industria ha ido exigiendo el
desarrollo de instrumentos capases de medir el nivel de sólidos en puntos fijos o de forma
continua29
.
Los detectores de nivel de punto fijo proporcionan una medida en uno o varios puntos fijos
determinados. Los instrumentos más empleados son el diafragma, el cono suspendido, la
varilla flexible, el medidor conductivo, las paletas rotativas y los ultrasonidos30
.
Los medidores de nivel continuo proveen una medida continua del nivel desde el punto más
bajo hasta el más alto. Los instrumentos más empleados son el medidor de peso móvil, el
medidor de báscula, el medidor capacitivo, el medidor de presión diferencial, el medidor de
ultrasonidos y el medidor de radiación31
.
25
Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo V. Pág. 3 26 V. Ordaz, Gustavo, et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006, Pág. 241 27 Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España, Pág. 193 28 V. Ordaz, Gustavo, et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006, Pág. 262 29
Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España, Pág. 213 30 Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España, Pág. 214 31 V. Ordaz, Gustavo, et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006, Pág. 262
17
2.1.4 Flujo
En la industria, la necesidad de medir las propiedades del flujo y los parámetros del flujo,
tales como presión y velocidad, es sumamente importante. Dado a que el movimiento de los
fluidos en las industrias agrícola, del petróleo, el gas, los productos químicos, de bebidas
embotelladas, de abastecimiento de agua y de aguas residuales requieren cuantiosas
inversiones anuales32
.
Dos cantidades del flujo local significativas son la presión y la velocidad; otras son la
temperatura, densidad y viscosidad. Las mediciones de flujo se clasifican de acuerdo a si el
fluido es continuo o discontinuo. Si la magnitud de una cantidad física permanece
constante con el tiempo, este valor se conoce como estado continuo; si la cantidad cambia
con el tiempo, la medición es transitoria, o discontinua33
.
2.1.4.1 Medidores Volumétricos
Los medidores volumétricos determinan el caudal en volumen del fluido. Entre los métodos
y variables que se aprovechan para medir el flujo están la presión diferencial, la velocidad,
el área variable, el desplazamiento positivo, el torbellino, fuerza, la tensión inducida y la
oscilante34
.
2.1.4.2 Medidores de caudal masa
La determinación del caudal masa puede efectuarse a partir de una medida volumétrica
compensándola para las variaciones de densidad del fluido, o bien se puede determinar
directamente aprovechando características medibles de la masa del fluido35
.
Entre los métodos y variables que se aprovechan para medir el flujo se encuentran la
compensación de presión y temperatura en medidores volumétricos, térmico, momento y
fuerza de Coriolis36
.
2.1.5 Otras Variables
En los procesos industriales se presenta una infinidad de variables que pueden tener
medición; sin embargo, la mayoría de estas variables no tienen un efecto directo en el
comportamiento del proceso, por lo cual, típicamente, son despreciadas. Entre estas
variables se tienen:
Peso37
.
32 Merle C. Potter, David C. Wiggert, “Mecánica de Fluidos” , Cengage Learning Editores, 2002.Pág. 582-583 33 Julio de Paula, “Química Física”, Ed. Médica Panamericana, 2008. Pág. 118 34 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo VII. Pág.3 35
Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España. Pág. 180 36 Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España. Pág. 91-92 37
Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España. Pág. 301
18
El peso de un cuerpo es la fuerza con que este es atraído por la Tierra. La relación
entre la masa del cuerpo, es decir, la cantidad de materia que contiene, y su peso
viene dado por la expresión:
(4)
Donde:
= peso
= masa
= aceleración debida a la gravedad
Velocidad.
La velocidad es la magnitud física que muestra y expresa la variación en cuanto a
posición de un objeto y en función del tiempo, es decir, es la distancia recorrida por
un objeto en la unidad de tiempo. Adicionalmente al tiempo, para definir la
velocidad de desplazamiento de un objeto, es preciso tener en cuenta la dirección y
el sentido del mencionado desplazamiento38
.
Densidad y peso específico39
.
La densidad o masa especifica de un cuerpo se define como su masa por unidad de
volumen, expresándose en . Como la densidad varía con la
temperatura y con la presión (en los gases), esta se especifica para un valor base de
la temperatura que en líquidos suele ser de 0°C o de 15°C y en los gases de 0°C y
para un valor estándar de la presión que en los gases es de 1 atmósfera.
El peso específico se define como el peso del fluido por unidad de volumen. Por lo
tanto entre el peso específico y la densidad existe la relación:
(5)
donde la aceleración debida a la gravedad.
Humedad y punto de roció40
.
Humedad absoluta. Se define como la cantidad de agua en kg por kg de aire seco.
Humedad relativa. Es el cociente entre la presión parcial del vapor de agua a una
temperatura . Esta es equivalente al porcentaje de humedad.
Punto de roció. Es la temperatura límite a la que el vapor de agua existe en el aire o
en el gas se condensa pasando al estado líquido.
38
Tipler Paul A., “Física para la ciencia y la tecnología”, Editorial Reverté, 2000. 39 Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España. Pág. 309 40
Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España. Pág. 322
19
La descripción a fondo de estas variables puede ser encontrada en libros y documentos de
instrumentación, y se omiten de este documento dado que se encuentra fuera del alcance
del mismo.
2.2. Dispositivo Analógico de Medición (sensor)
El hombre cuenta por naturaleza de diferentes órganos sensoriales (los sentidos), los cuales
han sido de gran ayuda para su evolución, los órganos sensoriales permiten percibir algunas
magnitudes físicas; como ejemplo, se puede saber si algo se encuentra frio, tibio o caliente
o si algún objeto se está lejos o cerca41
.
La primera etapa para la actuación del hombre es la información y se obtiene de los órganos
sensoriales, pero existen numerosas magnitudes físicas o químicas que por su naturaleza o
su magnitud nuestros sentidos no tienen acceso. Así mismo, se tiene la aseveración que
dice: “Cualquier actuación del hombre sobre el medio viene precedida por dos diferentes
etapas: la primera es la información sobre el hecho y sus circunstancia y la otra de decisión
antes de efectuar la acción”42
.
Estas limitaciones pueden evitarse haciendo uso de órganos sensoriales artificiales (los
sensores), y así poder llevar a cavo una segunda etapa que es la decisión y la acción. Para
la segunda etapa se necesita que los sensores nos proporcionen información eficiente y lo
más cercana al tiempo real al igual que lo hace el cuerpo humano43
.
Un sensor es un dispositivo capaz de dar una salida eléctrica que corresponde
proporcionalmente a una determinada magnitud física aplicada a su entrada. En un sistema
se utiliza un sensor para convertir un parámetro físico (temperatura, presión, humedad, etc.)
en un parámetro eléctrico (voltaje, corriente o resistencia)44
.
Sensor y transductor se emplean a veces como sinónimos, pero sensor sugiere un
significado más extenso: la ampliación de los sentidos para adquirir un conocimiento de
cantidades físicas que por su naturaleza no pueden ser percibidas directamente por los
sentidos45
.
Mientras que un transductor es un dispositivo que convierte la energía de una forma a otra,
interpreta la energía física en términos de corrientes o voltajes equivalentes46
. El
transductor convierte los cambios de magnitud de la variable operacional que mide en
variaciones de la señal eléctrica que representa y que busca ser proporcional a la variable
41 Concepción Pérez Conde, “Sensores ópticos”, Universidad de Valencia, 1996. 42 Concepción Pérez Conde, “Sensores ópticos”, Universidad de Valencia, 1996. 43 Concepción Pérez Conde, “Sensores ópticos”, Universidad de Valencia, 1996. 44
Ronald J. Tocci, Neal S. Widmer, “Sistemas Digitales: principios y aplicaciones”, Pearson Educación, 2003. Pág. 7 45 Ramón Pallas Areny, “Sensores y acondicionadores de señal”, Marcombo, Barcelona (España),2007. Pág. 3 46
Harold Soisson, “Instrumentación Industrial”, Editorial Limusa. Pág. 337
20
operacional a la que está directamente conectada47
. En términos de instrumentación, el
transductor presenta las siguientes características48
.
1. Medición con exactitud la magnitud del fenómeno físico
2. Reproducción con exactitud del evento físico en relación con el tiempo, idealmente no
debe tener un retardo de tiempo.
3. Reproducción de exactamente todo el rango de frecuencia del fenómeno físico.
4. Producción de datos exactos en medios ambientes extremos de humedad, temperatura,
choques o vibraciones.
5. Capacidad de proporcionar una señal de salida que sea compatible con el equipo
acondicionador de señal, sin modificar las características del suceso original.
El sensor y el transductor responden a la idea mostrada en la Figura 3 .
Figura 3 .-Diagrama a bloques de la adquisición de señal analógica
49.
El control de una variable en un proceso utiliza información sobre la misma, a través de la
medición de esta variable. La medición refiere a la conversión de la variable sensada en
alguna correspondiente análoga proporcional de la variable. Hay estándares analógicos que
se usan como medio de representación del rango de las variables en sistemas de control.
Para los sistemas eléctricos se usa un rango de corriente eléctrica conducida en alambres,
señales transmitidas del cuarto de control a la planta50
, como se muestra en la Figura 4.
Figura 4 .- Transmisión de información
51.
47 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo XI. Pág. 2 48 Harold Soisson, “Instrumentación Industrial”, Editorial Limusa. Pág. 337 49
Sensores eléctricos Escrito por Sobrevila, Marcelo Antonio 50
Gilberto Enríquez Harper, “El abc de la instrumentación en el control de procesos industriales”, Editorial Limusa, 2000. Pág. 20-24 51
Sensores eléctricos Escrito por Sobrevila, Marcelo Antonio
SENSOR AL
CONVERTIDOR
DE CORRIENTE
I a V
CUARTO DE CONTROL PLANTA
SENSOR
4-20mA
Elemento captador
de una cantidad que
se desea convertir en
eléctrica.
Sistema transformador
de la cantidad captada,
en una señal eléctrica.
Señal eléctrica de
características
adaptadas al sistema
que la requiere.
21
Los sistemas eléctricos estándar de instrumentación utilizan con frecuencia una señal
analógica que varía desde 4 hasta 20mA en corriente directa52
.
2.3. Convertidor Analógico a Digital
Los procesos que se dan en el mundo real producen señales analógicas, descritas mediante
números decimales. En los microprocesadores y en las computadoras para representar
números se utilizan patrones binarios. No es fácil guardar, manejar, comparar, calcular o
recuperar datos de manera precisa utilizando para ello tecnología analógica, las
computadoras si son capaces de realizar estas tareas rápidamente usando técnicas
digitales53
.
Por lo anterior, surgió la necesidad de contar con convertidores que permitieran vincular
entre sí a los mundos analógico y digital. Mediante los convertidores analógicos a digital
(ADC) el mundo analógico se integro a las computadoras54
.
Un sistema digital contiene como paso previo un dispositivo para convertir una señal
analógica en una señal discreta. A este dispositivo se le denomina conversor analógico-
digital (conversor A/D). La entrada, por ejemplo x(t) de un conversor A/D es una señal
analógica que puede variar en cualquier instante de tiempo continuo 55.
La adquisición de datos es definida como el proceso de transformar una señal analógica en
una señal digital, esto para su posterior tratamiento o transmisión, ver Figura 5. Un
convertidor analógico digital (ADC) recibe a su entrada una señal continua a la que trata
para presentarla a su salida en forma de código inteligible por un dispositivo digital
(microprocesador, procesador digital de señal, ordenador)56
.
Figura 5.- Transformación de señal analógica a señal digital
57
Para transmitir cierta información, se puede emplear una corriente que varié entre 4 mA y
20 mA de tal forma que la corriente que circula sea proporcional al valor de la magnitud
52 Merle C. Potter, David C. Wiggert, “Mecánica de fluidos”, Pearson Educación, 1998. Pág. 389 53 Ronald J. Tocci, Neal S. Widmer, “Sistemas Digitales: principios y aplicaciones”, Pearson Educación, 2003. Pág. 7 54 Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadores operacionales y circuitos integrados”, Pearson Educación, 1999. Pág. 399 55 Athanasios Papoulis, “sistemas y circuitos: digitales y analógicos” 56
Eduard Bertrán Albertí, ”Procesado digital de señales: fundamentos para comunicaciones y control, Volumen 2”, Ediciones UPC,2006. Pág. 597 57
http://es.wikipedia.org/wiki/Conversi%C3%B3n_digital-anal%C3%B3gica
ADC 010111010010111101011
22
que representa. Por el contrario la electrónica digital está basada en el empleo de circuitos
que trabajan con variables digitales binarias (0 ó 1) para representar esta información58
.
Las ventajas que presentan los circuitos digitales frente a los analógicos pueden resumirse
en mayor:
Inmunidad al ruido porque la información almacenada en forma digital es menos
sensible a las alteraciones producidas por la fluctuaciones no deseadas de tensión.
Precisión que los circuitos analógicos, ya que los circuitos digitales suelen trabajar con
un número de dígitos mayor que los analógicos.
Facilidad al diseñarse porque el número de operaciones básicas es reducido.
Facilidad al almacenar información.
Velocidad en el procesamiento de la información digital.
Capacidad de integración.
Estos convertidores llevan a cabo procesos de cuantificación, por el que la señal analógica
continua se transforma en un conjunto discreto de estados de salida, y codificación, el cual
asigna un conjunto de bits a cada uno de dichos estados59
.
2.4. Módulo de Control y Comunicaciones
Los instrumentos modernos generalmente ya están pensados para ser integrados en sistemas
de instrumentación, en potencia de cálculo y en operación en los ordenadores, en los
softwares y en los instrumentos programables especializados.
Un instrumento puede estar constituido por un módulo tradicional hasta un sistema basado
en ordenador, hardware y software60
. La Figura 6 muestra la tarea del
instrumento.
Figura 6.- Misión del instrumento inteligente
58
Cecilio Blanco Viejo, “Fundamentos de electrónica digital”, Editorial Paraninfo, 2005. Pág. 1 59 Jagoba Arias Pérez, José Luis Martín Gonzales “Electrónica digital”, Delta publicaciones, 2006. Pág. 315 60
Antoni Manuel “Instrumentación virtual: adquisición, procesado y análisis de señales”, Ediciones UPC, 2001. Pág. 25
Conversión
de la señal
Procesado
de la señal
Interface
de
usuario
CONTROL
DISPLAY
PERSONA INSTRUMENTO
SEÑALES DEL MUNDO
REAL
23
Los instrumentos de medición (Analógicos o Inteligentes) están conformados por un
transductor y por circuitos electrónicos los cuales convertirán las variaciones del
transductor en salidas eléctricas comprendidas entre 4 a 20 mA proporcionales a la
magnitud de la variable operacional que esta sensando, es el caso sencillo de los analógicos,
como se muestra en la Figura 7.
En el caso de los instrumentos inteligentes; esta misma señal proporcionada por el
transductor es conectada a los circuitos basados en microcontroladores, quien genera las
salidas moduladas digitalmente y enviadas en protocolos de comunicación para la
transmisión de la magnitud de la variable operacional61
, como se muestra en la Figura 8.
Figura 7.- Diagrama de Transmisor Analógico
62.
Figura 8.- Diagrama de Transmisor Inteligente
63
61
Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo XI. Pág. 2 62 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo XI. Pág. 3 63
Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo XI. Pág. 3
TRANSMISOR INTELIGENTE
Transductor Circuitos Electrónicos
Microcontroladores Variable:
*presión
*Nivel
*Caudal
*Temperatura
Salida Digital
para
Comunicación
TRANSMISOR ANALOGICO
Transductor Circuitos Eléctricos
Analógicos Variable:
*presión
*Nivel
*Caudal
*Temperatura
Ajuste de Span
Ajuste de Cero
12 o 24 VCD
4 a 20 mA
24
2.4.1. Módulo de control
El nivel de complejidad de un instrumento inteligente puede incluir al acondicionamiento
de señal, corrección de cero, ganancia y linealidad, compensación ambiental (temperatura,
humedad), escalado y conversión de unidades, comunicación (bidireccional) digital,
autodiagnóstico, decisión e incluso activación o acción sobre el sistema donde se conecta.
Estos instrumentos incluyen el sensor primario, algún algoritmo de control, memoria y
capacidad de comunicación digital64
.
Los sensores inteligentes pueden calcular prácticamente sin error la magnitud de medición
buscada, con ayuda de instrucciones memorizadas en una PROM integrada en conjunto con
él , denomidado módulo de corrección65
. Lo anterior se muestra en la Figura 9.
Figura 9.- Módulo de corrección en un sensor inteligente66
Desde el punto de vista del tratamiento de señal; se puede considerar el control como el
resultado de un procesado sencillo de la señal medida, el control realiza operaciones
algebraicas y filtradas específicas para poder conseguir los objetivos fijados por el
diseñador, donde la señal tratada es devuelta hacia el sistema como realimentación.
Se efectúa la diferencia entre la señal de referencia (normalmente introducida por el usuario
en forma de comandos) y la señal realimentada y después se genera la señal de control en
función de la señal diferencia67
.
2.4.2. Módulo de Comunicación
En un proceso automatizado, la obtención y tratamiento de la información obliga a diseñar
una infraestructura de comunicaciones. El grado de automatización depende del número de
64 Ramón Pallas Areny,“Sensores y Acondicionadores de Señal” ,Marcombo, Barcelona(2007). Pág. 425 65
Erich Zabler, “Los sensores en el automóvil BOSCH”, Reverte, 2002. Pág.10 66 Erich Zabler, “Los sensores en el automóvil BOSCH ”, Reverte,2002. Pág.10 67
Antoni Manuel “Instrumentación virtual: adquisición, procesado y análisis de señales”, Edicions UPC, 2001. Pág. 30
Ordenador
digital de
corrección
A D
Par
serie
Señal de
medición
(no corregida)
Analógica
Señal de
medición
( corregida)
Digital
D A Analógica
PROM Parámetros
modelo
25
variables de medida, el tipo de control requerido y la interactividad entre los diferentes
dispositivos que intervienen en el proceso.
La información de interés se manda a los centros de decisión para incidir en el proceso,
para lo que se requiere habilitar las plataformas de comunicación en distintos niveles, ver
Figura 10, tales como68
:
En el nivel de entradas y salidas donde se enlazan sensores y/o actuadores con equipos
de medida o control ubicados en la propia planta (buses de campo, fieldbus).
En el nivel intermedio para centralizar la información del proceso (redes de área local,
LAN).
En el nivel de enlace de secciones o departamentos ubicados en áreas geográficamente
distintas(WAN)
Figura 10.- Niveles de red industrial
69
Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan en
señales electrónicas de 4-20mA en corriente directa y digitales. La exactitud de las señales
digitales es de unas 10 veces mayor que la señal clásica de 4-20mA en corriente directa.
En lugar de enviar cada variable por un par de hilos (4-20mA en corriente directa),
transmiten secuencialmente las variables a través de un cable de comunicaciones llamado
bus; es decir, el transporte secuencial de señales eléctricas que representan información
codificada de acuerdo con un protocolo70
.
Las comunicaciones entre instrumentos se iniciaron con el puerto serie por el cual se puede
realizar la configuración del mismo71
. Las interfaces son dispositivos para adaptar la
transmisión de datos entre el ordenador y los equipos periféricos, donde las interfaces en
68 Joan Domingo Peña, “Comunicaciones en el entorno industrial”, Editorial UOC, 2003. Pág. 15 69
www.instrumentacionycontrol.net 70 Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España, Pág. 70 71
Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España, Pág. 70
Nivel de gestión
Nivel de campo
y proceso
Estaciones de trabajo,
aplicaciones en red,
supervisión del producto
Nivel de control PC´s y PLC´s
Nivel de e/s Actuadores,
sensores
PLC´s, PC´s, bloques de
e/s, controladores,
transmisores
26
serie transmiten los bits de una palabra de datos sucesivamente a través de una línea72
.
Como ejemplo, algunos de los estándares de comunicación serie asíncrona utilizados en las
comunicaciones industriales73
son:
Estándar RS-232
Estándar RS-422
Estándar RS-485
La tabla 1 muestra un análisis comparativo de algunas de las características más relevantes
de tres estándares de comunicaciones serie mencionados.
Parámetro RS-232 RS-422 RS-485
Modo de operación Simple Diferencial Diferencial
Número de dispositivos 1 emisor -1 receptor 1 emisor-10 receptores 32 emisores-32 receptores
Máx. longitud cable 15 m 1200 m 1200 m
Máx. velocidad 20 Kbps 10 Mbps 10 Mbps
Carga driver De 3 a 7 kΩ 100 Ω mínimo 60 Ω mínimo
Entrada receiver De 3 a 7 kΩ 4 kΩ 12 kΩ
Tensión modo común v v De -7 a 12 v
Tabla 1.- Análisis comparativo entre estándares de comunicación serie74
.
La descripción de los estándares de comunicación se proveerá posteriormente con detalle.
Ademas de los estadares de comunicación, las características exigidas a los distintos
dispositivos conectados a un bus de comunicaciones de campo se incorpora un sistema de
alimentación intrínsecamente seguro. Con la integración del microcontrolador, la
instrumentacion del proceso le ofrece al operador información adicional importante (estado
del sensor, escala de medida, si se han revasado o no los limites previstos, entre otros)75
.
La comunicación digital permite la comunicación por un único bus de los parámetros
transmitidos por varios dispositivos de campo, utilizando una única línea común,
denominada genéricamente como bus de datos, fieldbus. Esto reduce drásticamente el
número de hilos de enlace de la instalación y ahora un elevado número de entradas/salidas
en los equipos de control76
, como se muestra en la Figura 11 (b).
72 Peter Bastian, “Electrotecnia: ciclos formativos”, Ediciones AKAL, 2001. Pág. 374 73 Antoni Manuel “Instrumentación virtual: adquisición, procesado y análisis de señales”, Edicions UPC, 2001. Pág.73 74Antoni Manuel “Instrumentación virtual: adquisición, procesado y análisis de señales”, Edicions UPC, 2001. Pág.75 75 Joan Domingo Peña “Comunicaciones en el entorno industrial”, editorial UOC, 2003. Pág. 24-25. 76
Joan Domingo Peña “Comunicaciones en el entorno industrial”, editorial UOC, 2003. Pág. 24-25.
27
Figura 11.-Instalación eléctrica realizada con producto a) convencional y de b) campo
77
Para lograr una comunicación digital se debe contemplar que exista y sea aceptado un bus
de campo estándar, lo que garantizará que los instrumentos de distintos fabricantes que lo
incluyan puedan operar conjuntamente.
Esto produce un movimiento hacia los denominados transmisores inteligentes de campo
(Smart transmitters), transmisores que ofrecen una comunicación digital por medio de una
línea de enlace de señal analógica de 4-20mA, en la que el elemento de campo transmite la
informacion digital superponiéndola sobre la señal analógica de 4-20mA78
.
Conclusiones
En comparación con los instrumentos de medición convencionales, los instrumentos de
medición inteligente ofrecen una mejoria para la medicion de diferentes variables fisicas.
Los instrumentos de medición “inteligente” tienen incluido dentro de su circuiteria al
sensor analógico, que junto con una circuiteria electronica, entrega una corriente de 4 a
20mA proporcionales a la variable medida; esta señal analógica es transmitida hacia el
microcontrolador. El microcontrolador es el principal componente que ofrece la conversión
analogico- digital, el modulo de control y el modulo de comunicación, por lo que el
microcontrolador es el encargado de dar el plus a los instrumentos de medición
convencionales y convertirlo así en “inteligente”.
77 Joan Domingo Peña “Comunicaciones en el entorno industrial”, editorial UOC, 2003. Pág. 24-25. 78
Joan Domingo Peña “Comunicaciones en el entorno industrial”, editorial UOC, 2003. Pág. 24-25.
Controlador lógico programable
Módulos de entrada/salida
Bastidor de conexión clasificada
Protección contra explosión
Bastidor de conexión clasificada
Equipo de terminales
Controlador lógico programable
Módulos de entrada/salida
Equipo de terminales
Alimentación
(a) (b)
28
Capitulo 3.- Dispositivos analógicos de medición
Introducción
Un sistema analógico contiene dispositivos que manipulan cantidades físicas representadas
de manera analógica. La salida en los dispositivos analógicos de medición puede variar en
un rango continuo de valores. La información está en la amplitud, representada mediante un
voltaje, una corriente o un movimiento de un medidor que es proporcional al valor de esa
cantidad 79
.
El estudio de un gran número de sensores se clasifica de acuerdo con la magnitud medida;
en consecuencia, se habla de sensores de temperatura, presión, caudal, humedad, posición,
velocidad, aceleración, fuerza, par, entre otras80
.
Este capítulo describe los instrumentos de medición para temperatura y presión. Para la
medición de la temperatura se presentan el termopar, el rtd y los termisores; mientras que
para la medición de la presión, se tienen las galgas extensométricas, el condensador
variable y los transformadores diferenciales de variación lineal o LVDT.
3.1 temperatura
Para la medición de la temperatura se presentan el termopar, el rtd y los termisores, los
cuales se describen en esta sección.
3.1.1 Termopar
Las Termocuplas (termopares) son transductores Temperatura-f.e.m. que depende de la
generación de tensión eléctrica en el punto de unión de dos metales diferentes cuando este
punto de unión se somete a una temperatura81
.
Los sensores termoeléctricos se basan en dos efectos reversibles. Se trata del efecto Peltier
y del efecto Thompson82
.
El termopar consiste de dos conductores metálicos diferentes cuyas uniones (unión de
medida o caliente y unión de referencia o fría) se mantienen a distinta temperatura83
, 84
, este
comportamiento se muestra en la Figura 12.
79 Ronald J. Tocci, Neal S. Widmer, “Sistemas digitales: Principios y aplicaciones”, Pearson Educación, 2003. Pág. 4-6 80 Ramón Pallas Areny, “Sensores y Acondicionadores de Señal”, Marcombo, Barcelona (2007). Pág. 5 81 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo VII. Pág. 11 82
Ramón Pallas Areny, “Sensores y Acondicionadores de Señal”, Marcombo, Barcelona (2007). Pág. 273 83 Harold Soisson, “Instrumentación Industrial”, Editorial Limusa. Pág.148 84
Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España. Pág. 254
29
Figura 12.- Diagrama de un sistema de termopar típico. Por cortesía de Honeywell, Inc
85
En el punto de unión del metal A con el metal B genera una tensión eléctrica en milivoltios
que aumenta en la medida que la temperatura en el punto de unión de los dos metales se
incrementa. Esta generación de energía eléctrica es continua y proporcional a la
temperatura de la unión y se genera siempre que exista una diferencia de temperatura con la
unión de referencia. Esta unión de referencia será el punto donde se conecta al circuito
electrónico86
.
El símbolo de termopar y su circuito equivalente como una fuente de tensión variable por
temperatura87
se muestran en la Figura 13.
Figura 13.- Símbolo y circuito equivalente de un termopar
88
3.1.2 RTD
El RTD (del inglés: resistance temperature detector) es un sensor de temperatura resistivo
metálico de coeficiente térmico positivo muy utilizado para la medición de temperatura de
medios y superficies89
.
El fundamento del RTD es la variación de la resistencia de un conductor con la
temperatura, ver Figura 14. En un conductor, al aumentar la temperatura las vibraciones de
los átomos alrededor de la posición de equilibrio de los electrones disponibles para la
conducción son mayores, los electrones se dispersan y se reduce su velocidad media. Esto
85 Harold Soisson, “Instrumentación Industrial”, Editorial Limusa. Pág.149 86 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo VII. Pág.11 87
Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo VII. Pág.12 88 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo VII. Pág.12 89
Miguel A. Pérez García, Juan C. Álvarez et al, Instrumentación Electrónica, Thomson, España (2004). Pág.255
I
I
Metal A
Metal B
Temperatura
I
I
Cabeza de
conexión
Alambre de extensión M
Instrumento
Medidor en la unión
de medición
A
B
T
Unión viva o de
detección
(unión caliente)
Unión de referencia
30
implica un coeficiente de temperatura positivo, es decir, un aumento de la resistencia con la
temperatura90
.
El RTD está conformado por un elemento que consiste usualmente en un arrollamiento de
hilo muy fino del conductor bobinado entre capas de material aislante y protegido con un
revestimiento de vidrio o cerámica91
.
Figura 14.- Circuito equivalente de un RTD
92
Los materiales que se usan normalmente en las sondas de resistencia son el platino y el
níquel. El platino es el elemento más adecuado desde el punto de vista de precisión y
estabilidad, pero también es el más caro.
La sonda más utilizada es la Pt-100 (resistencia de 100 ohmios a 0 ºC). El níquel es menos
costoso que el platino y posee una resistencia más elevada con una mayor variación por
grado; sin embargo tiene la desventaja de la falta de linealidad en su relación resistencia-
temperatura.
El cobre es barato y estable pero tiene el inconveniente de su baja resistividad. Se añade la
Tabla 2 como ejemplo93
. Los sensores de platino de película fina son mucho más
económicos que los de hilo bobinado y sus prestaciones son casi de igual calidad94
.
Metal Resistividad
Coeficiente
temp.
Intervalo
útil de
temp.
min.
de hilo
mm
Costo
relativo
Resis.
Sonda a
0° , ohmios
Precisión
Platino 9.83 0.00385 200 a 950 0.05 Alto 25,100,130 0.01
Níquel 6.38 0.0063 a 0.0066 150 a 300 Medio 100 0.50
Cobre 1.56 0.00425 200 a 120 Bajo 10 0.10
Tabla 2- Termorresistencias95
.
El RTD es el sensor de temperatura más utilizado tanto en aplicaciones industriales como
domésticas, en los controladores de temperatura de frio y calor, en los coches, en los hornos
domésticos, climatizadores y cámaras climatizadas de precisión96
. Una aplicación de los
90 Ramón Pallas Areny, “Sensores y Acondicionadores de Señal” ,Marcombo, Barcelona(2007). Pág. 68 91 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo II. Pág. 21 92 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo VII. Pág.12 93 Juan Carlos Maraña, “Instrumentación y control de procesos”, Curso de formación. Pág. 41 94
Ramón Pallas Areny, “Sensores y Acondicionadores de Señal” ,Marcombo, Barcelona(2007). Pág. 71 95 José Acedo Sánchez, “Control avanzado de procesos: (teoría y práctica)”, Ediciones Díaz de Santos, 2003. Pág. 81 96
Miguel A. Pérez García, Juan C. Álvarez et al, Instrumentación Electrónica, Thomson, España (2004). Pág.213
Temperatura
I
I
31
elementos resistivos de platino es la medida de la velocidad de un fluido en la denominada
anemometría de hilo caliente97
.
3.1.3 Termistores
Los termistores son semiconductores electrónicos98
, tienen las características de cambiar su
valor de resistencia en ohmios en la medida que son expuestos a los cambios de
temperatura99
. Los termistores utilizados son los de coeficiente de temperatura negativos y
los termisores de coeficiente de temperatura positivos.
Los Termistores NTC (Negative Temperature Coefficient) tienen la condición de disminuir
su valor de resistencia en la medida que se incrementa la temperatura a la que es expuesta,
como se muestra en la Figura 15 (A),mientras que los termistores PTC (Positive
Temperature Coefficient) incrementan su valor de resistencia en ohmios en la medida que
se incrementa la temperatura a la que es sometido100
, como se muestra en la Figura 15 (B).
Figura 15.- Curvas características para un termistor NTC (A) y PTC (B)
101
Los termistores se fabrican con oxido de níquel, manganeso, hierro, cobalto, cobre,
magnesio, titanio y otros metales, y están encapsulados en sondas y en discos102
.
3.1.3.3. Tipos de termistores
Los termistores se encuentran catalogados en directamente calentados o indirectamente
calentados. En los termisores directamente calentados, el calor que recibe proviene de la
temperatura ambiente a la que está expuesto, o de la propia que genera el paso de la
corriente por el termistor o ambas, ver Figura 16 (A). En los termisores indirectamente
calentados el calentamiento es producido por un elemento calefactor de tipo eléctrico, en
97 Ramón Pallas Areny,“Sensores y Acondicionadores de Señal” ,Marcombo, Barcelona(2007). Pág. 71 98 Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España. Pág. 251 99 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo II. Pág. 23 100
Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo II. Pág. 23 101 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo II. Pág. 23 102
Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España. Pág. 251
NTC
(A) R(T)
100
1
25 °C 100 °C
T
PTC
1
100
70 °C 100 °C
T
(B) R(T)
32
este caso los efectos de la temperatura ambiente son mínimos ó nulos debido a que el
calefactor y el termistor se encuentran en una cápsula al vacío103
, ver Figura 16 (B).
Figura 16.- Símbolos del termistor: A) Directamente calentado B) Indirectamente calentado
104
El termistor tiene características básicas, entré estas se incluyen la resistencia fría, la
resistencia caliente, la resistencia contra temperatura, el voltaje contra corriente y corriente
contra tiempo105
.
Resistencia fría: La resistencia se mide a una temperatura ambiente, en donde la
corriente que pasa por el termistor no causa ningún autocalentamiento apreciable.
En esta temperatura, el termistor posee el valor de resistencia fría de 150 Ω. Un
apelativo es resistencia a cero potencia106
.
Resistencia caliente: Es el valor de resistencia que tiene el termistor cuando es
calentado por algún elemento calefactor. En termistores con coeficiente de
temperatura negativo: (valor de resistencia caliente) (valor de resistencia fría), y
en termistores de coeficientes de temperatura positivo: (valor de resistencia caliente)
(valor de resistencia fría)107
.
Resistencia contra temperatura: Es la respuesta del termistor a cambios de
temperatura108
.
Voltaje contra corriente: La curva corriente-voltaje de un termistor se observa en la
Figura 17, donde se tiene una resistencia positiva (entre cero y el punto - ) con
un incremento grande de voltaje y corriente casi constante hasta , y se tiene una
resistencia negativa (entre los puntos - y - ) con un incremento de la
corriente al nivel máximo permitido , donde con un nivel de voltaje 109.
103 Gustavo V. Ordaz et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 130 104 Gustavo V. Ordaz et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 130 105 Gustavo V. Ordaz et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 130 106
Gustavo V. Ordaz et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 131 107
Gustavo V. Ordaz et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 131 108
Gustavo V. Ordaz et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 131 109
Gustavo V. Ordaz et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 132
T
Termistor
T
Elemento calefactor
A B
33
Figura 17. Curva voltaje-corriente del termistor
Corriente contra tiempo: Un retardo térmico aparece en los termistores cuando le
aplicamos un voltaje, la corriente que pasa a través de éste no alcanza su valor
instantáneo, sino hasta un tiempo después.
3.1.3.4. Aplicaciones
En las aplicaciones de los termistores directamente calentados se encuentran aquellas
relativas a la medida, control y compensación de temperatura. Para los termistores
indirectamente calentados se tienen las medidas de caudal, nivel y vacío (método Pirani) y
el análisis de la composición de gases.
Estos son casos donde varía la conductividad térmica del medio alrededor del termistor,
también se usan en el control automático de volumen y potencia, en la creación de retardos
de tiempo y la supresión de transitorios110
.
En la Figura 18 se muestra un medidor de flujo, ya sea líquido o gas, en donde también se
emplea un circuito puente y en donde dos de sus brazos son termistores. Uno de ellos está
midiendo directamente el caudal y el otro se encuentra en una pequeña cámara de
referencia, en este caso, la medición dependerá del cambio en la disipación, debido al
autocalentamiento en el termistor , que está en función de la velocidad de flujo del
líquido o gas que esté circulando en la tubería111
.
110 Gustavo V. Ordaz et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 226 111
Gustavo V. Ordaz et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 139
34
Figura 18.- Aplicación de los termistores en el nivel de flujo
112.
3.2 Presión
Para la medición de la presión, se tienen las galgas extensométricas, el condensador
variable y los transformadores diferenciales de variación lineal o LVDT.
3.2.1. Galgas Extensométricas
Las galgas extensométricas son transductores eléctricos de efecto piezorresistivo113
[6], se
basan en la variación de la resistencia de un conductor o un semiconductor cuando es
sometido a un esfuerzo mecánico114
.
Las galgas extenciométricas se basan en la variación de longitud y de diámetro, y por lo
tanto de resistencia, que tiene lugar cuando un hilo de resistencia se encuentra sometido a
una tensión mecánica por la acción de una fuerza o presión.
Existen dos tipos de galgas (ver Figura 19), las galgas cementadas y sin cementar, las
primeras están formadas por varios bucles de hilo muy fino que están pegados a una hoja
base de cerámica, papel o plástico; en las segundas los hilos de resistencia descansan entre
un armazón fijo y otro móvil bajo una ligera tensión inicial115
.
112 Gustavo V. Ordaz et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 140 113
Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras 114 Ramón Pallas Areny,“Sensores y Acondicionadores de Señal” ,Marcombo, Barcelona(2007). Pág. 60 115
Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España. Pág. 98
Tubería
R3
R4
R1
R5
R2 Flujo T
M1
Ajuste
de cero
Calibración
Voltaje de alimentación
T
35
Figura 19.- Galgas extensométricas (a) cementadas (b) sin cementadar
116
Las aplicaciones de las galgas incluyen:
Medidores de presión, la presión estira o comprime los hilos, según sea la
disposición que el fabricante haya adopta, modificando la resistencia de los mismos.
Medidores de caudal
Medidor de placa que consiste en una placa instalada directamente en el centro de la
tubería y sometida al empuje o fuerza de impacto del fluido. La fuerza dinámica del
fluido sobre la placa es transmitida a través de una palanca a un puente de
Wheatstone de cuatro galgas extensiométricas activas que proporciona una señal de
salida de 4-20 mA c.c. compatible con el protocolo HART
3.2.1.3. Extensométros metálicos
En la aplicación de los extensómetros se utiliza una constante de proporcionalidad K con
valores de 2 a 4. Este factor es la relación de transferencia o sensibilidad que relaciona la
entrada de deformación mecánica con la salida unitaria de cambio de resistencia117
.
Esta relación causa-efecto, se conoce con el nombre de factor de galga: cociente entre el
cambio fraccional de la resistencia eléctrica y la tensión . Esta relación puede expresarse
a partir de la función118
:
(6)
Donde:
116
Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España. Pág. 99 117 Harold Soisson, “Instrumentación Industrial” 118
Francisco CorbI Soler, “Biomecánica del pie”, Lulu.com, 2008. Pág.45
(b)
Fuerza
Armadura
Base Flexible
Fuerza Fuerza
Hilo de conexión Base Flexible
Hilo Activo Hilos Activos
Armazón
(a)
36
3.2.1.4. Extensométros semiconductores
La galga extensométrica de semiconductor cambia de resistencia (bajo el principio de
piezoresistencia) con la tensión gracias a cambios en la estructura cristalina que varían la
movilidad de los electrones119
, pueden tener factores de carga que van de 45 a 200. Este
factor se puede expresar como:
(7)
Donde = relación de Poisson
=módulo de Young
=coeficiente piezorresistivo longitudinal
Los dos primeros términos representan el cambio de resistencia debido a los cambios
dimensionales, el último representa el cambio de resistividad causado por la
deformación120
.
3.2.2. Condensador Variable:
El sensor capacitivo se basa en la variación de capacidad (capacitancia eléctrica) para
almacenar carga eléctrica en un condensador, al desplazarse una de sus placas por la
aplicación de la magnitud física121
,122
. Los sensores capacitivos permiten la medida de
cualquier magnitud que se pueda convertir en un desplazamiento, como puede ser la
presión, la fuerza o par, o la aceleración, si se aplica a un sistema inercial123
.
Un condensador eléctrico consiste en dos conductores (placas metálicas) separados por un
dieléctrico (solido, líquido o gaseoso), o el vacío. Cuando las placas están casi juntas, un
capacitor puede almacenar más carga eléctrica que cuando las placas están muy
separadas124
.
La relación entre la carga , , y la diferencia de potencial, , entre ellos viene descrita por
su capacidad, Esta capacidad depende de la disposición geométrica de los
conductores y del material, dieléctrico, dispuesto entre ellos, .
En la Figura 20, la fuerza que ejerce la magnitud sobre el área de la placa A comprime el
dieléctrico que esta contenido entre las dos placas del condensador y con ello modifica la
distancia (d) entre las placas A y B modificando la capacidad (C) del condensador, tal como
se observa en la Figura 21.Esta acción de la magnitud permite tener una distancia variable
119 Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España. Pág. 321 120 Harold Soisson, “Instrumentación Industrial” 121 Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España. Pág. 97 122
Gustavo V. Ordaz et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 226 123 Ramón Pallas Areny, “Sensores y Acondicionadores de Señal”, Marcombo, Barcelona (2007). Pág. 181 124
Ramón Pallas Areny, “Sensores y Acondicionadores de Señal”, Marcombo, Barcelona (2007). Pág. 173
37
entre placas cada vez que la acción de la presión varié y con ello una capacitancia
variable125
.
Figura 20.- Condensador variable
126
Figura 21.- Variación de la distancia entre placas
127
En la Figura 22 se muestra un transductor de presión basado en las propiedades de un
capacitor. El transductor contiene dos placas metálicas: una placa llamada estator, se
mantiene estacionaria; la otra placa es un diafragma que se deforma y por consiguiente se
mueve hacia el estator cuando aumenta la presión del proceso, de esta manera cambia la
capacitancia del dispositivo y se desbalancea el circuito puente, produciendo cambios en la
salida de voltaje del circuito128
.
Figura 22.- Transductor de presión tipo capacitivo y circuito puente
129
125 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo II. Pág. 16 126 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo II. Pág.16 127
Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capítulo II. Pág.16 128 Gustavo V. Ordaz, et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 227 129
Gustavo V. Ordaz, et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 228
Estator
Presión de referencia Voltaje de salida
Placa del diafragma
Presión de proceso
d
Presión Presión
Dieléctrico
d
Placa A
Placa B
38
3.2.3. Transformador Diferencial de Variación Lineal (LVDT)
El Transformador diferencial de variación línea (LVDT) es un transductor electromecánico,
que produce una salida eléctrica proporcional al desplazamiento del núcleo móvil
separado130
. Si se energiza la bobina central o primaria con una corriente alterna, se induce
un voltaje en las dos bobinas externas.
En la configuración del transformador, las bobinas externas o secundarias se conectan en
serie y opuestas, de manera que los dos voltajes inducidos tienen una fase contraria. La
salida neta del transformador es la diferencia de estos dos voltajes131
, ver Figura 23.
Figura 23.- Transductor de presión con elemento tipo fuelle
132
Si se mueve el núcleo a partir del punto de equilibrio, el voltaje inducido en la bobina hacia
la que se mueve el núcleo aumenta y el voltaje de la bobina opuesta disminuye133
. El LVDT
se monta en varias clases de dispositivos mecánicos; por ejemplo el tubo de Bourdon, o
mediante un diafragma, fuelle o cápsula134
.
Con un arreglo mecánico adecuado puede indicar una presión manométrica, absoluta o
diferencial, o bien, cantidades derivadas, como un vacío o flujo. Cada una de estas formas
de medición se basa fundamentalmente en la distorsión del miembro elástico, de manera
que la posición relativa del punto móvil con respecto a una referencia fija constituye una
medida de la presión135
. Se utiliza en acelerómetros y sistemas detecto de vibración136
.
Se pueden aplicar a los instrumentos basados en un flotador, siempre y cuando los
devanados sean herméticos. Los rotámetros y los detectores de nivel se prestan fácilmente a
este uso. Las células de carga y los medidores de par, donde se produce un desplazamiento
muy pequeño, pueden emplear también un LVDT como sensor137
.
130 Harold Soisson, “Instrumentación Industrial”, Editorial Limusa. Pág.352 131 Harold Soisson, “Instrumentación Industrial”, Editorial Limusa. Pág. 352 132 V. Ordaz, Gustavo, et al, “Medición y Control de Procesos Industriales”, Instituto Politécnico Nacional, 2006. Pág. 230 133 Harold Soisson, “Instrumentación Industrial”, Editorial Limusa. Pág. 352 134 Ramón Pallas Areny, “Sensores y Acondicionadores de Señal”, Marcombo, Barcelona (2007). Pág. 199 135
Harold Soisson, “Instrumentación Industrial”, Editorial Limusa. Pág. 354 136 Ramón Pallas Areny, “Sensores y Acondicionadores de Señal”, Marcombo, Barcelona (2007). Pág. 201 137
Ramón Pallas Areny, “Sensores y Acondicionadores de Señal”, Marcombo, Barcelona (2007). Pág. 202
Presión de entrada
Fuelle
Voltaje de salida
B2 B1
Extracción Ca
Convertidor CA - CD
Núcleo magnético
39
Los elementos de inductancia variable usan el transformador diferencial variable lineal
(LVDT= linear Variable Diferencial Transformer) que provee una señal en corriente alterna
proporcional al movimiento de una armadura de material magnético situada dentro de un
imán permanente o una bobina que crea el campo magnético.
Al cambiar la posición de la armadura, por un cambio en la variable de medición, varía el
flujo magnético. Esta variación del flujo da lugar a una corriente inducida en la bobina que
es proporcional al grado de desplazamiento de la armadura móvil138
.
3.3. Magnitudes físicas típicas en control en lazo cerrado
El objetivo del control de procesos es mantener en determinado valor de operación las
variables del proceso tales como: temperatura, presiones, flujos, compuestos, entre otras;
los procesos industriales son muy dinámicos, cambian continuamente debido a los muchos
tipos de perturbaciones por lo que se necesita que los sistemas de control vigilen continua y
automáticamente las variaciones que se pueden controlar139
.
Los sistemas de control han asumido un papel cada vez más importante en el desarrollo y
avance de la civilización moderna y la tecnología, se encuentran en gran cantidad en todos
los sectores de la industria140
. Antes de analizar los sistemas de control, deben definirse
ciertos términos básicos141
:
La variable controlada es la cantidad o condición que se mide y controla (mantener
constante o con cambios mínimos), comúnmente es la salida (resultado) del sistema. Su
valor debe seguir al set-point.
La variable manipulada es la cantidad o condición que el controlador modifica para
afectar el valor de la variable controlada. A través de esta se debe corregir el efecto de
las perturbaciones y es una condición de la materia o energía que entra al proceso.
La variable de perturbación es toda variable que tiene influencia sobre la variable
controlada pero no puede ser modificada directamente por la variable manipulada.
La variable medida es toda variable cuyo valor es necesario registrar y monitorear.
Controlar significa medir el valor de la variable controlada del sistema y aplicar la
variable manipulada al sistema para corregir o eliminar una desviación del valor
medido a partir de un valor deseado.
Una planta es el ambiente donde se encuentran los equipos, tal vez un conjunto de las
partes de una maquina que funcionan juntas y donde se lleva a cabo el proceso a
controlar.
Los procesos industriales son la sucesión de cambios graduales (en el tiempo) de
materia y energía, que conducen a un resultado o propósito determinados. Los procesos
138 Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España. Pág. 97 139
Carlos A. Smith, “Control Automático de Procesos”, Editorial Limusa. Pág. 17 140 Benjamin C. Kuo, “Sistemas de Control Automático”, Pearson Educación 1996. Pág. 2 141
Katsuhico Ogata, “Ingeniería de Control Moderna”, Editorial Prentice Hall, 2003. Pág. 2-3
40
industriales tienen como función la de transformar, semielaborar, elaborar, las materias
primas que sirven de entrada al proceso y convertirlos en salidas del mismo.
Un sistema es una combinación de componentes que actúan juntos y realizan un
objetivo determinado. La palabra sistema debe interpretarse como una implicación de
sistemas físicos, biológicos, económicos y similares.
3.3.1. Sistemas de control en lazo cerrado
Un sistema que mantienen una relación prescrita entre la salida y la entrada de referencia,
comparándolas y usando la diferencia como medio de control, se denomina sistema de
control retroalimentado.
Los sistemas de control realimentados se denominan también sistemas de control en lazo
cerrado. En un sistema de control en lazo cerrado, se alimenta al controlador la señal de
error de actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la señal de
realimentación, a fin de reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor
conveniente142
. Un diagrama a bloques de un sistema de control en lazo cerrado se muestra
en la Figura 24.
Figura 24.- Sistema de control en lazo cerrado y variables involucradas143
142 Katsuhico Ogata, “Ingeniería de Control Moderna”, Editorial Prentice Hall, 2003. Pág. 7 143
Henry Antonio Mendiburu Díaz, “Automatización medioambiental”, INDECOPI-PERU. Pág.7
DETECTOR DE
ERRORES Y
CONTROLADOR
ELEMENTO
FINAL DE
CONTROL
(ACTUADOR)
PROCESO
ERROR VARIABLE
MANIPULADA
SALIDA
VARIABLE
PERTURBADORA
PERTURBACIÓN
ELEMENTO DE
MEDICION
(SENSOR) VARIABLE DE
REFERENCIA
VARIABLE
MEDIDA VARIABLE
CONTROLADA
41
3.3.1. Ejemplo de Medición de Temperatura
Para aclarar las ideas expuestas, considere un intercambiador de calor en el cual el fluido en
proceso se calienta mediante vapor de condensación, esto se ilustra en la Figura 25.
Figura 25.- Intercambiador de calor
144
El propósito es calentar el fluido que se procesa, de una temperatura dada de entrada , a
cierta temperatura de salida, , que se desea; el medio de calentamiento es vapor de
condensación y la energía que gana el fluido en proceso es igual al calor que libera el
vapor.
El objetivo es controlar la temperatura de salida del proceso para mantenerla en el valor
que se desea, para lograr este objetivo se debe diseñar e implementar un sistema de
control145
. Los pasos son los siguientes:
Medir la temperatura de salida del proceso, esto se hace mediante un sensor
(termopar, dispositivo de resistencia térmica, termómetros, termistores, etc.).
El sensor se conecta físicamente al transmisor, el cual capta la salida del sensor y la
convierte en una señal lo suficientemente intensa como para transmitirla al
controlador.
El controlador recibe la señal, que está en relación con la temperatura, la compara
con el valor que se desea (set-point) y, según el resultado de la comparación, decide
qué hacer para mantener la temperatura en el valor deseado.
El controlador envía otra señal al elemento final de control (válvula de vapor), el
cual, a su vez, maneja el flujo de vapor.
144 Henry Antonio Mendiburu Díaz, “Automatización medioambiental”, INDECOPI-PERU. Pág.8 145
Carlos A. Smith, “Control Automático de Procesos”, Editorial Limusa. Pág. 18
TRANSMISOR
SALIDA DE AGUA
CALIENTE A
CONTROLADOR ACTUADOR
VALVULA
DE VAPOR
ENTRADA
DE VAPOR
ENTRADA
DE AGUA
FRIA
SET- POINT
SENSOR DE TEMPERATURA
(TERMOPAR)
42
Si la temperatura esta por arriba del valor deseado, se cierra la válvula de vapor
para cortar el flujo del mismo.
Si la temperatura esta por abajo del valor deseado, se abre un poco más la válvula
de vapor para aumentar el flujo del mismo.
En los pasos anteriores se presentan los cuatro componentes básicos de todo sistema de
control, estos son:
1. Sensor, que también se conoce como elemento primario.
2. Transmisor, el cual se conoce como elemento secundario.
3. Controlador, que es el “cerebro” del sistema de control. 4. Elemento final de control, frecuentemente se trata de una válvula de control, bombas
de velocidad variable, transportadores y motores eléctricos.
El control en lazo cerrado aparece en el diagrama de bloque de la Figura 26. La información
de la variable controlada de proceso se capta por medio de un sistema de medición adecuado
y se utiliza como entrada al controlador. Un dispositivo detector de error compara la señal
de entrada con la referencia (temperatura deseada), cualquier diferencia hace que el
controlador genere una señal de salida para corregir el error146
.
Figura 26.- Control a lazo cerrado del intercambiador de calor
147
Var. Controlada Si ingresa fluido fría y sale fluido caliente, entonces se busca controlar la
temperatura del fluido que sale, cuya temperatura estará dado por un set-point.
Var. Manipulada El calor dentro del intercambiador depende del suministro de vapor caliente,
cuyo actuador es la válvula de vapor.
Var. Perturbadora No se conoce la temperatura ni la presión del agua que ingresa, por tanto, estos
pueden afectar a la salida.
Var. Medida Se mide la temperatura del fluido de salida del intercambiador.
Tabla 3.- Descripción de las variables del intercambiador de calor148
146
José Acedo Sánchez, “Control Avanzado de Procesos: teoría y práctica”, Ediciones Días Santos, 2003. Pág. 158 147 Henry Antonio Mendiburu Díaz, “Automatización medioambiental”. Pág.8 148
Henry Antonio Mendiburu Díaz, “Automatización medcioambiental”. INDECOPI-PERU Pág.7
PROCESO VAPOR
VARIABLE
MANIPULADA
ACTUADOR
FLUIDO
ELEMENTO PRIMARIO
(TERMOPAR)
TRANSMISOR
SET-POINT CONTROLADOR
VARIABLE
CONTROLADA
PERTURBACION
43
Conclusiones
Los instrumentos de medición inteligentes contienen un dispositivo de medición analógico,
también denominado sensor. Este sensor es el elemento primario que está en contacto
directo con la magnitud física y es el que provee la magnitud eléctrica (resistencia, voltaje o
corriente) que será transformada de una magnitud a otra por el transductor, entregando una
señal analógica a la circuitería eléctrica interna del instrumento. Dependiendo de nuestro
proceso es el tipo de sensor que se ocupara y por lo tanto el tipo de instrumento de
medición inteligente que utilizaremos. Entre las magnitudes físicas con mayor aplicación en
la industria se encuentra la presión y la temperatura.
45
Capitulo 4.- Convertidor Analógico Digital
Introducción
En los procesos industriales se producen señales analógicas que varían constantemente, con
velocidad lenta o rápida. Las señales analógicas tienen la información en su amplitud o
duración, de modo que para procesarlas con circuitos digitales, primero hay que
digitalizarlas. Los procesos analógicos se describen por medio de números decimales, los
microprocesadores y las computadoras utilizan patrones binarios.
La tecnología analógica no es fácil de almacenar, manipular, comparar, calcular o recuperar
información con exactitud. En cambio, las computadoras pueden efectuar estas tareas
rápidamente y hacerlo con precisión en una cantidad casi ilimitada de datos, empleando
técnicas digitales. Así nació la necesidad de los convertidores para interrelacionar el mundo
analógico con el digital.
La adquisición de datos es el proceso de transformar una señal analógica en señal digital
para su posterior tratamiento o transmisión, este sistema de adquisición de datos se
compone de una parte que capta una señal analógica externa que se desea medir (sensores y
transductores) y de un bloque de tratamiento y acondicionamiento con circuitos de
multiplexado analógico y convertidores analógicos-digitales (CAD o A/D)149
.
Un convertidor analógico-digital (CAD) es un dispositivo que convierte una señal
analógica de entrada en una salida digital. Realiza las funciones de cuantificación y
codificación; hay modelos que incluyen un muestreador previo (sampling converters), otros
incorporan un multiplexor analógico, y otros incluyen ambos150
.
4.1 Principio de funcionamiento
En el proceso de conversión analogico-digital se quiere convertir una magnitud analógica
(típicamente tensión), el convertidor A/D contendrá como primera etapa un muesteador
(circuitos sample & hold , en inglés) que admitirá muestras de la señal de entrada y las
almacenará durante un tiempo suficiente para realizar la conversión. El convertidor A/D
obtiene una representación de infinitos valores de tensión de entrada con un numero
finito de bits151
.
Digitalizar equivale a comparar la tensión que se va a convertir, con una serie de niveles
de tensión fijos, cada uno de cuales tiene asignado un código digital especifico (un conjunto
de unos y ceros), en formato serie o paralelo. Los niveles de comparacion se obtienen a
partir de una tensión continua de referencia el cual es estable con el tiempo, la
temperatura y la tensión de alimentación152
.
149 Eduard Bertrán Albertí, “Procesado digital de señales: fundamentos para comunicaciones y control, Volumen 2”, Ediciones UPC, 2006. Pág. 597 150
Ramón Pallas Areny, “Adquisición y distribución de señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 255 151 Rubio Sola, Jose Antonio, “Diseño de circuitos y sistemas integrados”, Ediciones UPC, 2003. Pág. 332 152
Ramón Pallas Areny, “Instrumentos electrónicos básicos”, Editorial Marcombo, 2006. Pág. 2
46
Si se dispone de símbolos binarios (uno y cero) para expresar la salida, se pueden formar
códigos(o palabras) diferentes, de modo que hacen falta niveles de comparación,
que determinan intervalos de tensión. Entonces, se dice que el convertidor tiene una
resolución de bits153
. La resolución de un convertidor analógico a digital se difine de dos
maneras. La primera es por el número máximo de códigos de salida digital, esta expresion
es la mostrada en la ecuacion154
:
ó (8)
La segunda manera se define como la razón de cambio del valor en el voltaje de entrada
que se necesita para cambiar en 1 LSB (bit menos significativo) la salida. Si se conoce el
valor del voltaje de entrada a escala completa (tensión máxima de entrada o tensión de
fondo de escala) que se requiere para producir una salida digital de todos los unos, es
posible calcular la resolución mediante la ecuacion 155
.
ó
(9)
4.2 Proceso de Digitalización
La digitalización consiste en realizar de forma periódica medidas de la amplitud (tensión)
de una señal analógica, redondear sus valores a un conjunto finito de niveles
preestablecidos de tensión (conocidos como niveles de cuantificación) y registrarlos como
números enteros en cualquier tipo de memoria o soporte. Los cuatro procesos que
intervienen en la conversión analógica-digital son: muestreo, retención, cuantificación,
codificación.
La validez del proceso de conversión analógico-digital depende del teorema de Nyquist.
Este teorema nos indica que debemos tomar muestras a una frecuencia doble de la máxima
frecuencia que tiene la señal a muestrear156
.
El efecto en la conversión analógico-digital es la existencia de aliasing en la señal digital,
esto es, señales de frecuencia superior a la permitida por el muestreo. La eliminación de
estos efectos viene dada por el uso de una correcta frecuencia de muestreo y por la
utilización de filtros a la entrada del conversor A/D157
.
Cualquier convertidor A/D que realice la conversión de señales que varían de forma
continua en el tiempo necesita como etapa previa un circuito que tome muestras de la señal
153 Ramón Pallas Areny, “Instrumentos electrónicos básicos”, Editorial Marcombo, 2006. Pág. 2 154 Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”, Editorial Prentice-Hall, 2003. Pág. 412 155 Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”, Editorial Prentice-Hall, 2003. Pág. 412 156 Jagoba Arias Pérez, José Luis Martín González, “Electrónica digital”, Delta Publicaciones, 2006. Pág. 308 157
Jagoba Arias Pérez, José Luis Martín González, “Electrónica digital”, Delta Publicaciones, 2006. Pág. 308
47
a convertir y las mantenga almacenadas el tiempo que dure la conversión158
. Este circuito
está tiene los procesos de muestreo (en inglés, sampling) y retención (en inglés, hold).
4.2.1 Muestreo y retención (sample and hold, S&H)
El tiempo necesario para la cuantificación y la codificación de señales depende de la
resolución deseada, del método de conversión y de la velocidad de los componentes
empleados. El A/D no sólo debe ser lo suficientemente rápido de acuerdo con el criterio de
Nyquist, sino que además debiera hacer la conversión de forma instantánea, pues de lo
contrario se tiene una incertidumbre en la amplitud de la señal adquirida159
.
Un amplificador de muestreo y retención (S&H) soluciona este problema al tomar una
muestra de la tensión de entrada y almacenarla en un condensador durante el tiempo que
dure la conversión. La salida del A/D corresponde entonces al valor de la entrada en el
instante de muestreo y el tiempo de conversión vendrá limitado solamente por el criterio de
Nyquist160
.
4.2.1.1 Muestreador
El muestreador consiste en un interruptor que se cierra cada T segundos para admitir una
señal de entrada, ver Figura 27 (a). La función del muestreador es convertir una señal
continua en el tiempo (análoga) en un tren de pulsos de los instantes de muestreo 0, T,
2T…., en donde T es el periodo de muestreo, ver Figura 27 (b). La Figura 27 muestra el
diagrama a bloques y las señales de salida del muestreador161
.
Figura 27.- a) Muestreador b) Señales de entrada y salida del muestreador
162
158 Rubio Sola Jose Antonio, “Diseño de circuitos y sistemas integrados”, Ediciones UPC, 2003. Pág. 333-334 159 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 235 160
Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 237 161 García Jaimes Luis Eduardo, “Control Digital: Teoría y Práctica”, Editorial Medellín, 2009. Pág. 5 162
García Jaimes Luis Eduardo, “Control Digital: Teoría y Práctica”, Editorial Medellín, 2009. Pág. 8
-5T -4T -3T –2T –T 0 T 2T 3T 4T 5T -5T -4T -3T –2T –T 0 T 2T 3T 4T 5T
(t)
-5T -4T -3T –2T –T 0 T 2T 3T 4T 5T
X(t) X*(t)
a)
X (t) X*(t) b)
48
El periodo de muestro T es un parámetro de diseño que se selecciona en funcion de un
compromiso estre varios factores163
:
El tiempo de cálculo del procesador. Cuanto menor sea el periodo más potente debe
ser el procesador.
No es conveniente tomar un periodo demasiado bajo comparado con la dinamica del
proceso.
La perdida de información en el muestreo: si el periodo es demasiado elevado
comparado con la dinámica del proceso, se pierde mucha información de la señal
muestreada, por lo que el comportamiento del sistema puede ser malo.
La respuesta a perturbaciones: Entre una medición de la salida y la siguiente el
proceso funciona en bucle abierto (u constante). Si actúa una perturbación su efecto
no se podrá compensar hasta que se vuelva a medir la salida. Devido a esto para
compensar perturbaciones es mejor un periodo de muestro bajo.
4.2.1.2 Retenedor
Este dispositivo tiene como finalidad convertir la señal muestreada en una señal continua lo
más aproximada a la señal aplicada al muestreador, ver Figura 28. El retenedor más
elemental convierte la señal muestreada en una señal que es constante entre dos instanates
de muestreo consecutivos, este tipo de retenedor se conoce como “retenedor de orden cero
(ZOH)” y su exactitud depende de la magnitud del periodo de muestreo164
.
Figura 28.- a) Conjunto muestreador- retenedor b) señales entrada-salida en el muestreador-
retenedor165
El circuito de muestreo y retención muestra la señal de entrada y la memoriza de forma
analógica (retención)166
. El esquema básico del circuito de muestreo y retencion se
muestrea en la Figura 29.
163
García Jaimes Luis Eduardo, “Control Digital: Teoría y Práctica”, Editorial Medellín, 2009. Pág. 16 164 García Jaimes Luis Eduardo, “Control Digital: Teoría y Práctica”, Editorial Medellín, 2009. Pág. 7 165
García Jaimes Luis Eduardo, “Control Digital: Teoría y Práctica”, Editorial Medellín, 2009. Pág. 8
X*(t) X (t) ZOH
Muestreador Retenedor
m*(t)
X (t) X*(t)
0 T 2T 3T 4T 5T 0 T 2T 3T 4T 5T
m*(t)
0 T 2T 3T 4T 5T
a)
b)
49
Figura 29.- Esquema básico de un circuito de muestreo y retención
167
El circuito muestreador y retenedor (S&H) o el amplificador seguidor y retenedor de la
Figura 30 se hace con dos amplificadores operacionales, un capacitor retenedor (CH) y un
interruptor (señal de control). Este amplififcador está conectado entre una señal de entrada
analógica y una entrada en un convertidor analógico a digital168
.
Figura 30.-Amplificador de muestreo y retención
169
En el funcionamiento del circuito (ver figura 30), cuando el interruptor S se cierra, por
efecto de una señal alta en la entrada lógica, el condensador CH se carga al voltaje de
entrada Vin, debido a que el amplificador operacional A1 está configurado como un
seguidor de voltaje.
El amplificador A1 tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia en la salida
lo cual permite que el condensador CH se cargue y descargue rápidamente, de tal forma que
mientras el interruptor S permanezca cerrado, el voltaje a través del condensador CH sigue
al voltaje de entrada V1.
166 Enrique Mandado Pérez, “Instrumentación electrónica”, Editorial Marcombo, 1995. Pág. 89 167 Enrique Mandado Pérez, “Instrumentación electrónica”, Editorial Marcombo, 1995. Pág. 89 168 Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”, Editorial Prentice-Hall, 2003. Pág. 449 169 Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”, Editorial Prentice-Hall, 2003. Pág. 449
A1 A2
+V
-V
+V
-V
Vin
in
ADC
CH
Señal de control,
muestra/establecimiento
S
INTERRUPTOR
Elemento de
memoria Señal de
control
50
Al desactivar la señal lógica de muestreo, el interruptor se abre pero, el condensador sigue
cargado al voltaje existente al momento de la apertura puesto que la impedancia de entrada
al amplificador operacional A2 es muy elevada. Como el amplificador A2 está configurado
como un seguidor de voltaje, su tensión de salida también sigue fija en el valor que tenía el
voltaje del condensador en el momento que reprodujo el muestreo170
.
El amplificador muestreador y retenedor actúa para mantener constante Vent (almacenado en
CH) mientras el convertidor analógico a digital lleva a cabo la conversión. El tipo de
conversión del convertidor analógico a digital limita el tiempo de apertura del amplificador
muestreador y retenedor que puede hacerse mucho menor que el tiempo de conversión. El
tiempo de apertura es el que transcurre entre la instrucción de retención y la apertura del
interruptor171
.
4.2.2. Cuantificación
La cuantificación es la conversión de una señal en tiempo discreto con valores continuos en
una señal en tiempo discreto con valores discretos (señal digital). La cuantificación es un
proceso en el que siempre se produce una pérdida de información, esto se fundamenta en
que, al existir un número limitado de niveles, a distintos valores continuos se les asigna un
mismo valor discreto por lo que no se pueden obtener los valores originales a partir de los
valores cuantificados172
.
En la adquisición de señales, la cuantificación la realiza el A/D, en estos casos la señal de
partida es a veces, pero no siempre, una señal muestreada173
. La cuantificación de una señal
consiste en transformar el valor de una muestra temporal de la misma para que pueda ser
representado mediante un número finito de bits. Este hecho es divido a dos razones
principales174
:
1. La resolución de los A/D tienen un valor típico entre 8 y 24 bits, que aunque suele
aumentar, resulta siempre finito.
2. Los microprocesadores y la memoria manejan un tamaño de palabra finito, que
obligan a limitar la resolución en el proceso de cuantificación.
Para el proceso de cuantificación se divide todo el rango de tenciones de entrada del A/D en
varios niveles (niveles de cuantificación) y a cada uno de ellos se asocia un código binario,
al haber un número de niveles finito se producirá un error que corresponde a la diferencia
entre el valor real de la señal analógica y el valor discreto que le es asignado175
. Este error
170 García Jaimes Luis Eduardo, “Control Digital: Teoría y Práctica”, Editorial Medellín, 2009. Pág. 9 171 Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”, Editorial Prentice-Hall, 2003. Pág. 449 172 Emilio Soria Olivas, “Tratamiento Digital de Señales: Problemas y Ejercicios Resueltos”, Pearson educación, 2003. Pág. 5 173 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 175 174 Luis Ignacio Eguiluz Morán, “Potencia en régimen no-sinusoidal”, Editorial Universidad de Canabria, 2003. Pág. 182 175 José Rafael Lajara Vizcaíno, José Pelegri Sebastián, “LabView: Entorno gráfico de programación ”, Marcombo, 2007. Pág. 164
51
se denomina error de cuantificación, su valor es
LSB, ver Figura 31 (b); al
incrementar la cantidad de bits se logra una mejor resolución y el error de cuantificación es
menor.
El codigo digital asignado a una tensión concreta es el correspondiente al intervalo definido
por los niveles inmediatamente inferior y superior a dicha tensión. Ls intervalos tienen un
ancho uniforme, denominado intervalo de cuantificación, .En un CAD 1 LSB176
:
(10)
Para minimizar los efectos negativos del error de cuantificacion, se utilizan las distintas
técnicas de cuantificación que a continuación se describen.
4.2.2.1. Cuantificacion uniforme
Un cuantificador uniforme es aquel en el que se distribuyen uniformemente los umbrales de
decisión para un margen dinamico determinado de la señal de entrada177
.
En la Figura 31 se representa gráficamente un proceso de cuantificación uniforme. En este
ejemplo, al conjunto de valores de la entrada entre 0 y ( ) se les ha
asignado el nivel o estado 1; a los valores entre y ( ) el estado
2; a los valores entre y ( ) el estado 3; y en general, a los
valores entre ( y ( se les ha asignado el estado .
El ultimo estado no incluye el valor de entrada , sino que corresponde al intervalo
178.
176 Ramón Pallás Areny, “Instrumentos Electrónicos Básicos”, Editorial Marcombo, 2006. Pág. 4 177
Marcos Faúndez Zanuy, “Tratamiento digital de voz e imagen y aplicación a la multimedia”, Editorial Marcombo, 2000. Pág. 40 178
Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 175
52
Figura 31.- (a) Cuantificación uniforme y (b) Error de Cuantificación del convertidor A/D
4.2.2.2. Cuantificación no uniforme
La cuantificación no uniforme o no lineal se aplica cuando se procesan señales no
homogéneas que se sabe van a ser más sensibles en una determinada banda concreta de
frecuencias.
Las señales reales no suelen ser presentar distribución uniforme, y en este caso interesa
conseguir que el error de cuantificación sea más pequeño para los valores de entrada más
probables, incrementando el error en los valores de entrada con menor probabilidad.
Estos cuantificadores reciben el nombre de no uniformes, puesto que el paso de
cuantificación no es el mismo en todo el margen dinámico179
.
4.2.3. Codificación
La codificación es el proceso de representar de forma biunívoca cada uno de los estados de
salida (finitos) del cuantificador por un símbolo elegido de un alfabeto finito. Cuando el
alfabeto consta sólo de las cifras 1 o 0, y la posición de cada cifra dentro de un número se
corresponde con una potencia entera de 2, se habla de códigos binarios (bits)180
.
179
Marcos Faúndez Zanuy, “Tratamiento digital de voz e imagen y aplicación a la multimedia”, Editorial Marcombo, 2000. Pág. 43 180
Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 185
0 Q 2Q 3Q 4Q 5Q
1
2
3
4
5
6
Estado de
salida
(a)
x
+Q/2
- Q/2
x (b)
53
4.2.3.1. Códigos binarios unipolares
Los códigos binarios unipolares se utilizan para representar cantidades unipolares, es decir
con un signo predefinido. Los más comunes son le binario natural, el NBCD y el Gray181
.
Código binario natural. En este código cada bit corresponde a una potencia sucesiva
de 2, de acuerdo con su posición en el número.
(11)
Donde . es el bit más significativo (MSB) y es el bit menos significativo
(LSB). Por ejemplo,
Códigos BCD. Decimal codificado en binario, en los códigos BCD los bits se agrupan
de cuatro en cuatro, de manera que cada grupo representa una cifra de la cantidad
expresada en código decimal. Cuando el peso de cada bit dentro de un grupo es el
mismo que en el código binario natural, es decir, 8-4-2-1 de izquierda a derecha, se
habla de código NBCD (BCD Natural). Otros pesos empleados son 2-4-2-1, 5-4-2-1 y
5-3-1-1 equivalentes a una cifra de 0 a 9. Un ejemplo de NBCD se muestra a
continuación:
Código Gray. De un número al siguiente en código binario natural, la mitad de las
veces cambia más de 1 bit. Hay códigos donde de un número al siguiente siempre
cambia sólo un bit y se denominan códigos de distancia unidad. Si del mayor al menor
número también cambia un solo bit, se dice que el código es cíclico. El código Gray, o
binario reflejado es un código de distancia unidad y cíclico, cada posición no
corresponde a una potencia de 2.
Códigos complementarios. Estos códigos consisten en la inversión bit a bit(o
complemento lógico) de los números de otro código. En la Tabla 4se presenta el
código binario (natural) complementario y el código NBDC complementario.
Numero Binario Binario NBCD NBCD Gray
181
Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 185-187
Numero en código
decimal
Numero en código
decimal
Código binario natural
Código binario natural Numero en código
decimal
BCD Natural (NBCD)
54
Decimal Natural complementario complementario
0 0000 1111 0000 1111 0000
1 0001 1110 0001 1110 0001
2 0010 1101 0010 1101 0011
3 0011 1100 0011 1100 0010
4 0100 1011 0100 1011 0110
5 0101 1010 0101 1010 0111
6 0110 1001 0110 1001 0101
7 0111 1000 0111 1000 0100
8 1000 0111 1000 0111 1100
9 1001 0110 1001 0110 1101
10 1010 0101 (1 0000) (0 1111) 1111
11 1011 0100 (1 0001) (0 1110) 1110
12 1100 0011 (1 0010) (0 1101) 1010
13 1101 0010 (1 0011) (0 1100) 1011
14 1110 0001 (1 0100) (0 1011) 1001
15 1111 0000 (1 0101) (0 1010) 1000
Tabla 4.- Palabras (o “números”) de 4 bits en diversos códigos unipolares182
4.2.3.2. Códigos binarios bipolares
La representación digital de cantidades que puedan tomar valores positivos o negativos
exige tener en cuenta su signo ( ), una forma de hacerlo es mediante un bit adicional,
por ejemplo que ocupe la posición más a la izquierda en el número binario. En la Tabla 6
se muestra en ejemplo de estos códigos183.
Código binario con complemento a dos. El complemento a dos de un número binario
se define como aquel número que sumado al original da resultado 0 (para un número
concreto de bits). Las cantidades positivas se representan como en binario natural
añadiendo un bit 0 a la izquierda. Las cantidades negativas se representan haciendo el
complemento a 1 de cada bit del número binario que representa la cantidad positiva, y
sumando 1. Como algoritmo para representar una cantidad negativa – mediante
bits en código binario con complemento a dos, se puede emplear la relación La Tabla 5 muestra un ejemplo:
Representación de un número con 4 bits en
código binario con complemento a uno
Representación de un número con 4 bits en código
binario con complemento a dos
0111
0111 1000
Numero binario en positivo
Complemento a 1
182 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 185-187 183
Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 187-190
55
Tabla 5. Representación de un número con 4 bits en código binario con complemento184
Una ventaja de este código es que permite hacer restas simplemente a base de sumar
los números positivos y negativos. Por ello es un sistema de codificación que
emplean muchos .
Código binario con complemento a uno. En este código las cantidades positivas se
representan como en binario natural, y las cantidades negativas se representan haciendo
el complemento a uno de cada bit de la palabra que representa la cantidad positiva.
Código binario decalado (offser binary). El código binario decalado es similar al
código binario con complemento a dos, pues sólo cambia el bit de mayor peso (MSB),
que ahora es 1 para las cantidades positivas y 0 para las negativas. La cantidad “cero”
se considera positiva. Es un código muy fácil de realizar, y por ello es uno de los
favoritos en CAD que acepten entradas bipolares. El algoritmo para pasar un número
de bits de binario natural a binario decalado es . Así, por ejemplo,
para la representación de es , y la representación de
es
Código binario con signo añadido. En este código, también llamado binario
simétrico, las cantidades positivas se representan como en binario natural y se las
precede de un 0. Las cantidades negativas se representan igual pero se las precede de
un 1. La cantidad “cero” puede representar indistintamente con un 1 o un 0 a la
izquierda. Se utiliza poco por que dificulta las operaciones aritméticas.
Fracción decimal Complemento a
dos
Complemento a uno Binario decalado Signo añadido
+ 127/128 01111111 0111111 11111111 11111111
+ 96/128 01100000 0110000 11100000 11100000
+ 64/128 01000000 0100000 11000000 11000000
+ 32/128 00100000 0010000 10100000 10100000
0 00000000 0000000 10000000 10000000
1111111 00000000
- 32/128 11100000 1101111 01100000 00100000
- 64/128 11000000 1011111 01000000 01000000
- 96/128 10100000 1001111 00100000 01100000
- 127/128 10000001 1000000 00000001 01111111
- 128/128 10000000 - 00000000 -
Tabla 6.- Algunos códigos bipolares cuando se emplean 8 bits185
184 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág.187-190 185
Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág.187-190
56
4.3. Alternativas de Convertidor
En la Tabla 7 se presenta una clasificación de la que seguidamente se describen algunos de
los tipos más frecuentes.
Tabla 7.- Clasificación de los convertidores A/D
186.
4.3.1. Convertidores A/D Paralelos
Los A/D tipo flash reciben este nombre debido a su capacidad de realizar una conversión
rápida mediante la comparación de la entrada con cada nivel de cuantificación, un
conversor flash de bits de resolución requiere comparadores187
.
Los denominados convertidores “flash” son un tipo de A/D paralelo que consisten, para
bits de resolución, en un divisor de tensión con tomas intermedias; cada toma se
conecta a un comparador analógico de alta velocidad, cuya otra entrada va conectada a la
tensión a convertir188
, Figura 32.
Un voltaje de referencia y una red resistiva establece una resolución por LSB, donde
cada división de tensión está conectada a la entrada – de los comparadores. Se aplica un
voltaje de entrada analógica a las entradas de todos los comparadores.
Las salidas de estos comparadores se detienen en un sistema de cerrojos (registro), donde se
llevan a un codificador de prioridad generando un código binario que representa la entrada
analógica189
. Un ejemplo se muestra en la Figura 33 .
186 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 269 187 Eduard Bertrán Albertí, “Procesado Digital de Señales: Fundamentos para comunicaciones y control”, Ediciones UPC, 2010. Pág. 605 188 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 269 189
Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”,
Tipo Ejemplo
1 Convertidores A/D directos
1.1 Sin realimentación
1.2 Con realimentación
1.2.1Bit a bit
1.2.2No bit a bit
2 Convertidores A/D indirectos
2.1 Sin realimentación
2.1.1 Por intervalo de tiempo
2.1.2 Por frecuencia
2.2 Con realimentación
Paralelos (“Flash”)
Aproximaciones sucesivas
CAD tipo servo (tracking)
Rampa simple
Doble rampa, triple rampa
Convertidor V/F
57
El proceso de cuantificación se lleva a cabo mediante la comparación de la señal analógica
a convertir, con unos valores fijos de tensión impuestos por el voltaje de referencia.
Estos valores fijos de tensión están aplicados a la entrada inversora de los comparadores,
haciendo que estos mantengan su salida en un determinado valor190
. Cuando se aplica una
tensión a la entrada, todos los comparadores cuya tensión de referencia es menor que la
entrada dan un “1” a su salida, mientras que aquellos cuya tensión de referencia es mayor
dan un “0”. El codificador da entonces la palabra digital correspondiente191
.
Figura 32.- CAD tipo flash
192
Se puede observar en la que las dos resistencias de los extremos son de valor diferente al
resto, con ello se busca una anchura de código determinada en los extremos de la escala.
Las resistencias de los extremos son de un valor mitad que las demás por lo que el paso al
primer valor digital partiendo de cero, ocurrirá para un rango de la tensión analógica de
entrada mitad que el paso entre dos códigos consecutivos cualesquiera, pertenecientes al
rango de entrada193
.
Editorial Prentice-Hall, 2003. Pág. 445 190 Jose Manuel Miguelañez García, “Referencia Digital Para Técnicos en Mantenimiento de Aeronaves”. Pág. 193 191 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 269 192
Eduard Bertrán Albertí, “Procesado Digital de Señales: Fundamentos para comunicaciones y control”, Ediciones UPC, 2010. Pág. 605 193
Jose Manuel Miguelañez García, “Referencia Digital Para Técnicos en Mantenimiento de Aeronaves”. Pág. 194
-
+
-
+
-
+
CODIF
De
Lineas
LATCH
Y
BUFFER
Reloj
Comparadores
1
2
MSB
LSB
Registro
58
Figura 33.- CAD tipo flash de 3 bits
194
La principal ventaja de estos convertidores es que son muy rápidos, tienen tiempos de
conversión del orden de pocos nanosegundos, algunas desventajas son195
:
Si es el número de bits del convertidor se necesitan comparadores. En la
práctica, esto limita el número de bits a 8.
Como los comparadores deben ser muy rápidos consumen mucha energía.
Poseen una gran capacidad de entrada, lo que limita su trabajo a altas frecuencias.
4.3.2. Convertidores de aproximaciones sucesivas
En la actualidad, la técnica más empleada es la realimentación, que en esencia consiste en
capturar la salida obtenida y a través de un convertidor D/A para realimentar la otra entrada
del circuito comparador196
.
En la Figura 34 se muestran los elementos básicos de un convertidor de este tipo. Este
consta de un convertidor digital analógico, un comparador y un registro de aproximación
sucesiva (SAR)197
. El núcleo de este convertidor es un registro de control (SAR)198
.
194 Jose Manuel Miguelañez García, “Referencia Digital Para Técnicos en Mantenimiento de Aeronaves”. Pág. 194 195 Cecilio Blanco Viejo, “Fundamentos de electrónica digital”, Editorial Paraninfo, 2005. Pág. 373 196 Pablo Alcade San Miguel, “Electrónica”, Editorial Paraninfo, 2009. Pág. 370 197
Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”, Editorial Prentice-Hall, 2003. Pág. 436 198
Jose Manuel Miguelañez García, “Referencia Digital Para Técnicos en Mantenimiento de Aeronaves”. Pág. 196
Reloj
Comparadores
Registro
MSB
Tensión analógica Vin Salida digital
000 001 010 011 100 101 110 111
LSB
+
+
+
-
-
-
CODIF
De
7
Líneas
LATCH
Y
BUFFER
1
2
7
13/14 Vref
11/14 Vref
1/14 Vref
9/14 Vref
7/14 Vref
5/14 Vref
3/14 Vref
59
Figura 34- Diagramas de bloques de un convertidor A/D por aproximaciones sucesivas de 3 bits
199.
Para variar la tensión de salida del convertido D/A, se conecta a sus entradas digitales un
Registro de Aproximaciones Sucesivas (SAR: Successive Approximation Register). Este
registro es una especie de contador que va tomando valores que se aproximan al valor final
por etapas: primero el valor mitad del rango, si el valor a medir está por encima sube el
valor en una cuarta parte del rango, si está por debajo, lo baja en la misma proporción y así
sucesivamente200
.
Se requiere un mínimo de tres terminales de control: inicia la conversión, da inicio la
secuencia de conversión A/D, fin de conversión indica cuándo se termina la conversión y
una terminal externa de reloj establecen el tiempo para completar cada conversión201
. La
operación del circuito se realiza de la siguiente manera:
La orden de inicia conversión inicia el ciclo de conversión analogico a digital y el
registro de aproximación sucesiva (SAR) conecta la secuencia de números digitales, un
número por cada bit, a las entradas del CDA. Se aplica al CDA un a entrada 10…00, y
luego se van probando los bits de menor peso.
El CDA transforma cada número digital en una salida analogica .
El voltaje analógico de entrada se compara con , comenzando con el bit más
significativo(MBS) y terminan con el bit menos significativo(LBS). El comparador le
dice a SAR cuando es mayor o menor que la salida del CDA, . Para cada bit de
la salida debe efectuarse una comparación.
El MSB del registro, se carga con un 1, y los bits restantes se ponen a 0, el SAR queda
1000…0. Este valor es la mitad del número máximo de valores que se puede
199 Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”, Editorial Prentice-Hall, 2003. Pág. 437 200 Aitzol Zuloaga Izaguirre, Armando Astarloa Cuéllar “Sistemas de procesamiento digital”, Delta Publicaciones, 2008. Pág. 224-225 201 Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”, Editorial Prentice-Hall, 2003. Pág. 437
CAD de
3 bits
Comparador
Registro de aproximación sucesiva
(SAR)
D0
D1
D2
Salida
digital
paralela
Reloj de entrada Inicio de conversión
Final de conversión
Entrada
analógica
60
tener en el SAR con el número de bits dado. Este valor es convertido a analógico
mediante un CDA interno. Si el voltaje analogico de entrada es menor que , (a) el
MSB del SAR se pone a 0 (valor en ese instante: 0000…0), en caso contrario (b)
permanece en 1 (1000…0)202
.
El siguiente impulso de reloj pone a 1 el BIT de peso inmediatamente inferior al MSB, [(a)
0100…0, (b) 1100…0] y se procede a realizar una nueva comparación. La conversión se
completa cuando se procesan todos los bits del SAR y el equivalente digital de está
ahora presente en la salida digital del registro. El proceso anterior llanado ciclo de
conversión , debe realizarse para cada muestra de la señal analogica de entrada203
, 204
.
Se necesita un pulso de reloj para que el SAR compare cada bit. No obstante, casi siempre
se requiere un pulso adicional para restablecer el registro antes de llevar a cabo la
conversión. El tiempo que tarda una conversión analógica a digital dependerá tanto del
periodo del reloj como del número de bits 205
. La relación es
(12)
El tiempo de conversión aumenta al hacerlo la resolución deseada, pero es independiente de
la amplitud de la entrada. El algoritmo de aproximaciones sucesivas ofrece velocidad y
complejidad, y es el más frecuente cuando no se trata de obtener una exactitud muy
elevada. Hay modelos de 8, 12, 14 y 16 bits, con tiempos de conversión entre 1 y 100 206
.
Un inconveniente de este método es su no linealidad si la entrada varía durante el tiempo de
conversión. Estos convertidores son muy susceptibles al ruido y la variación se debe a
ruido superpuesto. Para evitar esta variación se precede al CAD con un amplificador
S&H207
.
4.3.3. Convertidores tipo servo o “tracking”.
Este convertidor se basa en un contador binario tipo Up-Down, cuya salida se conecta a un
CDA. En la Figura 35 se muestran los elementos básicos del CAD tipo servo. Su
funcionamiento es continuo, ya que busca continuamente un nulo entre la salida del CDA y
la tensión de entrada (“sigue” a la tensión de entrada, de ahí el nombre de “tracking” o
servo)208
.
202 Jose Manuel Miguelañez García , “Referencia Digital Para Técnicos en Mantenimiento de Aeronaves”. Pág. 196 203 Jose Manuel Miguelañez García , “Referencia Digital Para Técnicos en Mantenimiento de Aeronaves”. Pág. 196-197 204 Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”, Editorial Prentice-Hall, 2003. Pág. 437 205 Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”, Editorial Prentice-Hall, 2003. Pág. 438 206
Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 271 207 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 272 208
Eduard Bertran Albertí, “Señales y sistemas de tiempo discreto”, Ediciones UPC, 2003. Pág. 10
61
Figura 35.- Diagrama de bloques de un CAD tipo servo “tracking”
209
Al iniciar la conversión, el contador se pone a cero y su salida se va incrementando hasta
que rebasa el valor de la entrada. Comparando la tensión de salida del convertidor D/A con
la tensión de entrada, se obtiene un valor que es detectado por el comparador que
determina si hay que incrementar (up) o decrementar (down) al contador.
La velocidad (SR, Slew Rate) de la señal de entrada que el sistema realimentado puede
seguir, está limitada por la frecuencia de reloj , pues la salida del CAD sólo se incrementa
o decrementa 1 LSB a cada ciclo de reloj. Si la tensión de fondo de escala es ,
tendremos210
.
(13)
4.3.4. Convertidores de rampa: simple, doble, triple
En los denominados convertidores de rampa, la magnitud intermedia es el intervalo de
tiempo de carga o descarga de un condensador. En el caso de rampa simple, se integra la
tensión de referencia hasta que la salida del integrador iguala a la tensión de entrada, el
tiempo que dura la conversión depende del valor de la muestra analogica 211
. El
diagrama de bloques de este convertidor se muestra en la Figura 36.
El metodo es contar los ciclos de un reloj de frecuencia fija, durante un periodo de tiempo
según la tension analogica de entrada que queremos convertir. En el modo retención o
conversión de la muestra se cierra comenzando la integración de una tesión de
209 Jose Manuel Miguelañez García , “Referencia Digital Para Técnicos en Mantenimiento de Aeronaves” , Editor Jose Manuel Miguelañez García. Pág. 196 210 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 272 211
Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 274
CAD
COMP CONTADOR REVERSIBLE
MSB
B
LSB
Entrada
analógica
&1
&2
CLK
Up
Down
Salida
digital
paralela
62
referencia negativa ( ) a la entrada inversora del integrador, nos dará a la salida de éste
una rampa positiva ( )212
.
Mientras sea menor que , la salida del comparador será alta, haciendo que la señal
de reloj CLK incremente la cuent del contador. Cuando la rampa alcance el valor de la
muestra , el comparador cambiara de estado, haciendo que la puerta AND quede inhibida
no pasen más impulsos de reloj hacia el contador. Esto hace que el contador quede
enclavado en un cuenta proporcional a la tensión .
Figura 36.- Diagrama a bloques del CAD tipo rampa simple
213
En los convertidores de doble rampa se integra la señal de entrada , constante, en un
condensador durante un tiempo prefijado , y luego se descarga el condensador hasta
cero, empleando una corriente conocida determinada por la tensión de referencia , el
esquema de bloques se muestra en la Figura 37. A las fases de operación se les da el
nombre de fase integradora de señal y fase integradora de referencia 214.
Figura 37.- Esquema de bloques simplificado de un CAD de doble rampa
215.
212 Jose Manuel Miguelañez García , “Referencia Digital Para Técnicos en Mantenimiento de Aeronaves” , Editor Jose Manuel Miguelañez García. Pág. 199 213 Jose Manuel Miguelañez García , “Referencia Digital Para Técnicos en Mantenimiento de Aeronaves” , Editor Jose Manuel Miguelañez García. Pág. 199 214 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 274 215
Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 275
R
Unidad de
Control
Contador
-
+
+
-
Salida
digital
C
CONTADOR
S/H
S
+
- R
-
+
Señal de
control
CLK
Comparador
Integrador
63
Fase integradora de señal
La unidad de control conecta a un integrador para iniciar la fase . La salida del
integrador aumenta o disminuye según la polaridad de . Si es negativo, aumenta
como se aprecia en la . La unidad de control fija (pulsos de reloj) que determina la carga
del capacitor. Al finalizar la unidad de control desconecta y conecta al
integrador. Esta acción termina y comienza 216. En esta fase, la tensión en el
condensador alcanza un valor217
(14)
Donde es la constante de tiempo del integrador.
Fase integradora de referencia
Al iniciarse la fase la unidad de control conecta al integrador, de manera que
tiene la polaridad opuesta a . En consecuencia, establece la corriente de descarga y
llevará el integrador otra vez a cero(descarga del condensador a cero) . Dado que es
constante, la salida del integrador disminuirá a velocidad constante218
(pendiente
constante). Esta descarga dura un tiempo tal que219
(15)
La conversión del voltaje analógico se produce durante como sigue. La unidad de
control conecta el reloj a un contador al iniciarse la fase . Cuando llega a cero un
comparador le indica a la unidad de control que termine la fase y el reloj se desconecta
del contador. El valor alcanzado se convierte en la salida digital, es proporcional a y ,
por lo tanto mismo a 220.
El tiempo que dura la descarga es proporcional a la amplitud de la entrada, Figura 38. De
las ecuaciones(14) y (15) se obtiene la siguiente relación
(16)
216 Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”, Editorial Prentice-Hall, 2003. Pág. 434 217 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 274 218 Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”, Editorial Prentice-Hall, 2003. Pág. 434 219
Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 274 220 Robert F. Coughlin, Frederick F. Driscoll, “Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados Lineales”, Editorial Prentice-Hall, 2003. Pág. 434
64
Figura 38.- Tiempo de descarga en función de la amplitud de la entrada de un convertidor A/D de
doble rampa221
Un inconveniente de este método es su lentitud, que aumenta al hacerlo la resolución
deseada. Una solución para mejorar la velocidad es el denominado método de la triple
rampa que consiste en emplear dos fuentes de corriente distintas durante la fase de
descarga. Primero se drena una corriente elevada para los MSB y luego se drena una
corriente menor para los LSB222
.
4.4. Características de operación
Los parámetros que especifican los fabricantes para los convertidores A/D se dividen en
tres tipos: de entrada, de salida y de relación salida-entrada223
. Las características de
entrada se especifican como:
El número de canales
El margen de entrada (valor máximo y mínimo). Valores entre los que puede estar
comprendidos la tensión analógica de entrada224
.
El tipo de señal(tensión/corriente, unipolar/bipolar)
Tensión de referencia, , que puede ser interna o externa, a partir de la cual se
obtiene el intervalo de cuantificación.
Mientras que las características de salida se especifican:
Resolución. La resolución puede venir dada por el número de bits de la palabra
digital de salida. Ésta se define como el menor cambio que se debe producir en la
señal analógica de entrada para tener un cambio perceptible en el código de salida.
Esta magnitud define el LSB (bit menos significativo) utilizado como unidad de
221 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 275 222 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 275 223
Eduard Bertrán Albertí, “Procesado Digital de Señales: Fundamentos para comunicaciones y control”, Ediciones UPC, 2010. Pág. 598-600 224
Jose Manuel Miguelañez García, “Referencia Digital Para Técnicos en Mantenimiento de Aeronaves”. Pág. 202
Vent**
Vent*
Pendiente constante
T1
T2*
T2**
t
**
*
65
referencia. Si se dispone de un convertidor de bits, se tienen códigos digitales
posibles.
, donde es el valor de fondo de escala.
El código de salida (binario natural, BCD…..).
La velocidad de salida (bit rate) en conversores de salida en serie.
Sensibilidad a la temperatura. Indica los efectos que los cambios de temperatura
ejercen sobre la salida del convertidor225
.
Las características de la relación entrada-salida se especifican:
Tiempo de conversión. Indica el tiempo transcurrido entre el instante en que se da
la orden de conversión y aparición a la salida del convertidor de la completa
representación digital del valor analógico de entrada.
Precisión. La precisión viene dada por diferentes parámetros226
:
- Error de linealidad. Se define como la diferencia de anchura de los escalones
entre cambios sucesivos de código, esto es, comprueba que cuando el código se
incrementa cantidades iguales también lo haya hecho la variable analógica de
entrada.
- Error de cuantificación. Es la máxima desviación de un CAD ideal con respecto
a una transferencia perfectamente lineal, expresada en LSB. El error puede ser
de LSB.
- Error de histéresis: Es el ancho de la ventana de histéresis que se establece
alrededor de cada conmutación, expresado en LSB y es razonable esperar que
sea 1 LSB. Ver Figura 39.
Figura 39.- Error de histésis en un conversor analógico digital
- Error de cero (offset error). Definido como la diferencia entre le valor de offset
nominal y el real.
- Error de ganancia(gain error). Definido como la diferencia entre la pendiente de
la curva de transferencia rela y la ideal, en ausencia de otros errores.
225 Jose Manuel Miguelañez García, “Referencia Digital Para Técnicos en Mantenimiento de Aeronaves”. Pág. 202 226
Federico Miraya, “Conversores D/A y A/D”, Universidad Nacional de Rosario, 2004. Pág. 33-36
A
D
66
- No-linealidad diferencial. Definida como la anchura de peso de cuantificación
real y el valor ideal de un LSB.
- No-linealidad integral. Definida como la desviación d elos valores de la función
de transferencia real con la ideal cuando los errores de cero y ganancia son
nulos.
- Monotonicidad. Es un parámetro garante de que el conversor no cambie de
polaridad, de forma que no se puedan presentar dos salidas para una misma
entrada.
Frecuencia de conversión: Es la cantidad de conversiones por segundo que es
capaz de efectuar un conversor A/D.
Frecuencia de reloj: Frecuencia de oscilador que envía pulsos para la operación del
conversor.
Conclusiones
En la mayoría de los microcontroladores se encuentra incluido un convertidor A/D, mismo
que se encarga de encarga de convertir la señal analógica (4-20mA) en una señal digital
proporcional a la magnitud física medida. El microcontrolador incluye una etapa de
muestreo, cuantificación y codificación, características que son programadas de acuerdo a
las variables físicas que se vallan a trabajar. El microcontrolador y la circuitería previa para
la adquisición de datos son parte de la circuitería electrónica del instrumento inteligente.
67
Capitulo 5.- Modulo de control y comunicaciones
5.1. Tratamiento de la señal
El sistema de adquisición de datos se compone de una parte que capta una señal externa de
la cual se desea una medida (sensores y transductores) y de un bloque de tratamiento y
acondicionamiento (circuitos de multiplexación analógica, filtros antialiasing, muestro y
retención(S&H) y convertidores analógicos-digitales)227
.
La rápida velocidad de conversión de algunos CAD y de la relativa lentitud de la mayoría
de las magnitudes físicas medidas, en particular en control de procesos, se piensa en
diseños donde muchos canales analógicos compartan un mismo convertidor. Los elementos
empleados para la multicanalización son los denominados multiplexores228
.
Los microcontroladores que incorporan un convertidor analógico/digital pueden procesar
señales analógicas. Suelen disponer de un multiplexor que permite aplicar a la entrada del
convertidor diversas señales analógicas precedentes de terminales diferentes del circuito
integrado229
.
5.1.2. Multiplexores analógicos
Un multiplexor analógico es un dispositivo capaz seleccionar una de entre varias entradas
analógicas y encaminarla hacia su salida, que es única. Consta de un conjunto de
interruptores analógicos cuyas salidas están conectadas a un mismo punto, y de un circuito
de control capaz de seleccionar y activar el interruptor deseado a partir de un código digital.
En la se muestra un multiplexor analógico de ocho canales230
.
El multiplexor de la Figura 40 retiene el código de selección de canal en un latch “cerrojo”,
dispone de entradas de borrado de la dirección (reset), inhibición el dispositivo(enable) y
transferencia de la dirección seleccionada(write) 231
.
El proceso de la adquisición consiste en ir multiplexando en el tiempo las diferentes señales
de entrada, de tal manera que se toma una muestra de una de las señales (la que este
seleccionada en ese momento). Durante el tiempo de esa conversión, es seleccionada otra
de las señales de entrada para ser muestreada, y así sucesivamente.
Todo el proceso debe estar perfectamente sincronizado para saber a qué señal corresponde
la muestra tratada en cada instante. Del proceso de sincronización y control se encarga el
microcontrolador232
.
227 Eduard Bertran Albertí, “Señales y sistemas de tiempo discreto”, Univ. Politéc. De Catalunya, 2003. Pág. 621 228 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 275 229
Enrique Mandado Pérez, “Sistemas Electrónicos Digitales”, Editorial Marcombo, 2007. Pág. 657 230 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 275 231
Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 275
68
Figura 40.- Esquema funcional y tabla del multiplexor analógico de ocho canales
233.
5.2. Logica de control
Es el conjunto de operaciones lógicas y estructuras de control que determinan el orden de
ejecución de las instrucciones de un programa. La lógica de control puede estar escrita en
diferentes lenguajes y ejecutar tanto en el cliente como en servidor o en ambos a la vez.
La mayoría de los programas constan de varios ciclos en los que una serie de pasos se
repite hasta alcanzar un requisito específico y varias pruebas para determinar qué acción se
realiza de entre varias posibles.
Entre los requisitos, se implica la transferencia de control a la dirección de una instrucción
que no sigue de inmediato de la que se está ejecutando actualmente. Una transferencia de
control puede ser hacia adelante, para ejecutar una serie de pasos nuevos, o hacia atrás,
para volver a ejecutar los mismos pasos234
.
5.3. Interfaz serial
Dentro de la monitorización y el control de los procesos industriales, la comunicación
directa en serie mediante lazos de corriente 4-20mA se ha ampliado con la inclusión de las
computadoras, que permite, con estándares de transmisión, la gestión de sistemas de
adquisición de datos y el mando de PLC (Programmable Logic Controllers ).
232 Jose Manuel Miguelañez García , “Referencia Digital Para Técnicos en Mantenimiento de Aeronaves” , Editor Jose Manuel Miguelañez García. Pág. 202 233
Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 275 234 Peter Abel, “Lenguaje ensamblador y programación para IBM PC y compatibles”, Pearson Educación, 1996. Pág. 12
V+ V- GND
DECODIFICADOR
A2 A1 A0 EN
D
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
A2 A1 A0 EN
Interruptor ON
X X X X -I- 1 Mantiene la condición de
conmutación previa
X X X X X 0 NINGUNO(latches borrados)
X X X 0 0 1 NINGUNO
0 0 0 1 0 1 1
0 0 1 1 0 1 2
0 1 0 1 0 1 3
1 0 0 1 0 1 4
1 0 0 1 0 1 5
1 0 1 1 0 1 6
1 1 0 1 1 1 7
1 1 1 1 0 1 8
69
Los estándares de transmisión serie se definen fundamentalmente por dos razones: la
necesidad de transmitir datos a largas distancias donde están ubicados los diferentes
sensores y de generar una interfaz estándar que facilite la comunicación entre los diferentes
equipos235
.
En la transmición simple, los datos son transmitidos por un solo cable referenciado a masa,
así, a causa de su simplicidad y bajo costo, resulta útil para la transmisión de datos a cortas
distancias y ambientes poco ruidosos, ya que la línea de tierra por la cual devuelve la
corriente(terminal de referencia) forma parte del sistema y, por lo tanto, es susceptible a la
influencia de otros canales de transmisión (diafonía).
La transmisión diferencial utiliza para cada señal dos cables de interconexión entre receptor
y transmisor, de tal manera que la corriente circula en sentidos opuestos a cada cable, y el
efecto para el receptor es la lectura de la tension entre ambos cables. La línea de
transmisión se puede utilizar de diferentes maneras236
:
Simplex: La comunicación es en un solo sentido, con un emisor y un receptor.
Half-duplex: La comunicación es posible en ambos sentidos, pero no
simultáneamente.
Full-duplex: La comunicación es posible en ambos sentidos y simultaneamente.
5.3.1. Transmicion síncrona/asíncrona
Considerando la transmicion de caracteres (bytes), se dice que la transmisión es asíncrona
cuando éstos pueden transmitirse en cualquier instante, aisladamente o en grupos, y no hay
ninguna coordinación temporal estricta entre emisor y receptor (para ello cada carácter
lleva asociada información de autosincronización, que puede consistir en los llamados bit
de inicio –usualmente un bit “0”- y bit de parada – usualmente uno o más bits “1” )237
,
como se muestra en la Figura 41.
Figura 41.- Ejemplo de transmisión asíncrona
238.
235 Antoni Manuel “Instrumentación virtual: adquisición, procesado y análisis de señales”, Edicions UPC, 2001. Pág.71 236 Antoni Manuel “Instrumentación virtual: adquisición, procesado y análisis de señales”, Edicions UPC, 2001. Pág.72 237
Xavier Hesselbach Serra, Jordi Altés Bosch, “Análisis de redes y sistemas de comunicaciones”, Univ. Politéc. De Catalunya, 2002. Pág. 23 238
Marcos Faúndez Zanuy, “Sistemas de Comunicaciones”, Editorial Marcombo, 2001. Pág. 210
Información transmitida
Bit de
inicio
Bit de
parada
1 0 0 1 1 0 0
V
t
70
Por el contrario, la transmisión es síncrona cuando siempre existe una coordinacion
temporal precisa entre emisor y receptor y los caracteres se transmiten continuamente sin
ningún bit adicional de sincronización.
Se emplea un reloj altamente preciso en ambos extremos y siempre que todos los patrones
de bits de datos sean de la misma longitud, se sabe que que el comienzo de cada uno sigue
inmediatamente después de cada carácter anterior. Los datos se transfieren en bloques y no
por carácter239
, como se muestra en la Figura 42.
Figura 42.- Transferencia síncrona de datos
240.
5.3.2. Transmisión serie
En la transmisión de datos lo habitual es organizarlos o agruparlos en unidades de
información denominadas caracteres. El receptor debe ser capaz de reconocer un
determinado paquete de bits como un carácter. Según el método de empaquetamiento, la
transmisión en serie puede ser síncrona o asíncrona241
.
La transmisión serie es el modo más común de transmisión y consiste en que todos los bits
se transmiten secuencialmente por un único canal de datos. Este tipo se emplea cuando la
distancia entre el emisor y el receptor es grande, en orden a economizar medios de
transmisión242
.
Generalmente la comunicación serie es una comunicación de tipo asíncrono. A
continuación presentamos algunos de los estándares de comunicación serie asíncrona más
utilizados en las comunicaciones industriales243
.
Dado que en un la comunicación entre la CPU y sus periféricos se hace vía un bus
(sistema paralelo), en la transmisión serie en sistemas basados en hay que convertir la
información paralelo en información serie y viceversa. Esta conversión se realiza mediante
dispositivos designados genéricamente como USART (Universal Synchronous/
239 Enrique Herrera Pérez, “Tecnologías y redes de transmisión de datos”, Editorial Limusa, 2003. Pág. 38 240 Enrique Herrera Pérez, “Tecnologías y redes de transmisión de datos”, Editorial Limusa, 2003. Pág. 38 241 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 275 242
José Manuel Huidobro Moya, “Sistemas telemáticos”, Editorial Paraninfo, 2005. Pág. 75 243 Antoni Manuel “Instrumentación virtual: adquisición, procesado y análisis de señales”, Edicions UPC, 2001. Pág.73
SYN (Carácter
único de
sincronización)
Datos del usuario (Muchos bits en bytes)
SYN SYN
71
Asynchronous Receiver Transmitters). Hay modelos que sirven sólo para transmisión
asíncrona (UART) o síncrona (USRT)244
.
En muchos microcontroladores se encuentra integrado y en algunos casos puede ser
configurado para una comunicación asíncrona o síncrona con registros de funciones
especiales (TX-- y RX--)245
.
Los USART son dispositivos con entradas y salidas compatibles TTL y, por lo tanto, no
pueden ser conectados directamente a las líneas de comunicación por que no tienen los
niveles de tensión, corriente y potencia necesarios.
Hacen falta generadores de reloj y receptores de línea y diversos modelos comercializados
están previstos para cumplir las diferentes normas de transmisión. En la Tabla 8 se resumen
las características principales de las tres interfaces que hasta el momento han alcanzado un
mayor uso246
.
5.3.3. Estándar RS-232
Por interfaz (interface) se entiende un dispositivo (circuito convertidor, adaptador, etc.) que
sirve para conectar o enlazar dos equipos, al objeto de que intercambien información. La
necesidad de disponer en cada equipo de una interfaz normalizada es evidente, ya que de
otra manera sería imposible conectar equipos de distintos fabricantes247
.
La institución de normalización americana (EIA) diseño la norma RS-232 que regula el
protocolo de la transmisión de datos, el cableado, las señales eléctricas y los conectores en
los que debe basarse una conexión RS-232, la comunicación realizada con el puerto serie es
una comunicación asíncrona(no se transmite el reloj de bit con un circuito especifico248
[47]), donde la información es determinada por el emisor y el receptor al estructurar la
conexión mediante la correspondiente programación de sus puertos serie249
.
El estándar RS-232 o “Recommended Standard” 232 se define en las especificaciones
ANSI (American National Standard Institution) como “la interfaz entre el equipo terminal
de datos(DTE) y un equipo de comunicación de datos(DCE) utilizando un intercambio
binario en modo serie” 250
, se describen las diferentes reglas para realizar una comunicación
serie simplex entre dos dispositivos distantes entre sí, por ejemplo los digitales y diferentes
sistemas de medida e instrumentos de laboratorio(véase la Figura 43) 251
.
244 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 324 245 Aitzol Zuloaga Izaguirre, Armando Astarloa Cuellár, “Sistemas de procesamiento digital”, Delta Publicaciones, 2008. Pág. 220 246 Ramón Pallas Areny, “Adquisición y Distribución de Señales”, Editorial Marcombo, 1993. Pág. 324 247 José Manuel Huidobro Moya, “Sistemas telemáticos”, Editorial Paraninfo, 2005. Pág. 75 248 Josep M. Barcelo Ordinas, “Estructura de redes de computadores”, Editorial UOC, 2009. Pág. 66 249 Juan Desongles Corrales, “Ayudantes Técnicos, opción informativa”, Temario Volumen II, MAD-Eduforma, 2005. Pág. 244 250 “EQUIPOS MICROINFORMATIVOS”, Editorial Paraninfo, Pág. 48 251
Antoni Manuel “Instrumentación virtual: adquisición, procesado y análisis de señales”, Edicions UPC, 2001. Pág.73
72
Figura 43.- Conexión de un instrumento de medida vía RS-232 al ordenador
252
Ahora el estándar es conocido como el EIA/TIA-232-E, en que EIA significa “Electronic
Industries Association” y TIA, “Telecommunications Industry Association”. Las
caracteristicas más relevantes que definen el estándar son253
:
Velocidad máxima de transmisión de datos de 20 Kbits/s y actualmente con
aplicaciones que aumentan la velocidad hasta 116 Kbits/s, muy por encima de la
norma.
Capacidad de carga máxima: La revisión “C” definía la longitud máxima de 15 m,
las revisiones “D” y “E” ya expresan la longitud máxima entre 15 y 20 m en función
de la carga capacitiva de la línea, 2.500 pF.
Dispone de tres conductores: uno de transmisión, otro de recepción y un tercero de retorno
de corriente común para ambos tipos de datos. El cable actúa como una antena que irradia
señales a los circuitos proximos y es suceptible de recibir señales indeceadas procedentes
de fuentes externas y debe apantallarse en las instalaciones inductriales254
.
5.3.4. Estándar RS-422
Fue diseñado para satisfacer las demandas de mayor distancia y mayor velocidad de
transmisión con la incorporación de las ventajas de lazo de corriente a las prestaciones del
estándar RS-232. Puede alcanzar los 1200 m, a una velocidad máxima de 10 Mbaud la
distancia queda limitada a 60 m. La transmisión es simplex con línea balanceada utilizando
un par de hilos trenzados255
256
. Se basa en la transmisión de señales de tensión
diferenciales (balanceadas) mediante dos hilos, sin punto de referencia o masa, como se
muestra en la Figura 44. Los unos y ceros se transmiten en forma de diferencia de tensión
252 Antoni Manuel “Instrumentación virtual: adquisición, procesado y análisis de señales”, Edicions UPC, 2001. Pág.74 253 Antoni Manuel “Instrumentación virtual: adquisición, procesado y análisis de señales”, Edicions UPC, 2001. Pág.74 254
Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España, p. 70 255 Antoni Manuel “Instrumentación virtual: adquisición, procesado y análisis de señales”, Edicions UPC, 2001. Pág.74 256
Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España, p. 71
73
entre los dos conductores del circuito, presentando inmunidad a los ruidos eléctricos y
permitiendo una mayor distancia entre conexiones257
.
Figura 44.- Principio de tratamiento de señales balanceadas
258
5.3.5. Estándar RS-485
Este estándar está diseñado para comunicaciones bidireccional multipunto (half-duplex) y
se aplica cuando el número de estaciones es menor de 32 y sea prioritario garantizar al
máximo la integridad de los datos transmitidos. La distancia de comunicación máxima es
de 1200 m y velocidad de transmisión 10 Mbit/s259
260
.
El estándar RS-485 es una evolución del RS-422 que puede incrementarse a 10,000m
mediante repetidores de señal. Esta variante es una de las más extendidas en sistemas de
comunicación industrial, Profibus es el máximo exponente de este estándar261
.
La Tabla 8 muestra un análisis comparativo de lagunas de las características más
relevantes tres estándares de comunicaciones serie mencionados.
Parámetro RS-232 RS-422 RS-485
Modo de operación Simple Diferencial Diferencial
Número de dispositivos 1 emisor -1 receptor 1 emisor-10 receptores 32 emisores-32 receptores
Máx. longitud cable 15 m 1200 m 1200 m
Máx. velocidad 20 Kbps 10 Mbps 10 Mbps
Carga driver De 3 a 7 kΩ 100 Ω mínimo 60 Ω mínimo
Entrada receiver De 3 a 7 kΩ 4 kΩ 12 kΩ
Tensión modo común v v De -7 a 12 v
Tabla 8.- Análisis comparativo entre estándares de comunicación serie262
.
257 Aquilino Rodríguez Penin, “Sistemas Scada 2ª edición”, Marcombo, 2007. Pág. 259 258 Aquilino Rodríguez Penin, “Sistemas Scada 2ª edición”, Marcombo, 2007. Pág. 259 259 Antoni Manuel “Instrumentación virtual: adquisición, procesado y análisis de señales”, Edicions UPC, 2001. Pág.75 260
Antonio Creus Sole, “Instrumentación Industrial”, Marcombo, Barcelona, España, p. 71 261 Aquilino Rodríguez Penin, “Sistemas Scada 2ª edición”, Marcombo, 2007. Pág. 259 262
Antoni Manuel “Instrumentación virtual: adquisición, procesado y análisis de señales”, Edicions UPC, 2001. Pág.75
74
5.4 Interfaz Industrial de Bus de Campo
El uso de microcontroladores para conformar la electrónica de los transmisores inteligentes
permite que a través del cable de alimentación eléctrica se transporte las señales del
protocolo de comunicaciones que existe entre la tarjeta maestra instalada en el PLC y los
transmisores inteligentes conectados en campo; deberán describir una red de
comunicaciones abiertas, digital, multipunto y sistemas de comunicación digital, serial,
bidireccional263
.
5.4.1. FIELBUS
Con objeto de unificar criterios y comunicación de los nuevos elementos con tecnología
digital, en 1993 se emite el estándar IEC-1158 ( International Electrotechnical
Commission), que define el nivel físico de transmisión- recepción de datos en términos de
velocidades de comunicación, codificación de la señal, número de unidades en el bus,
alimentación, etc. Los protocolos basados en el estándar IEC-1158 reciben en nombre
genérico de Fieldbus264
.
Estos protocolos de comunicación utilizan tres de las siete capas del modelo OSI: Capa
aplicación, Capa Enlace y Capa Física (1) 265
. El estandar ISA-SP50 “Compatilidad de
Señal en Intrumentos Eléctricos”, pretende definidir una interfase común entre
componentes de medida electronicos y/o sistemas de control, y el objetivo es la
armonización del estándar de bus de campo IEC-1158266
.
Capa 1. La Capa Física está contemplada en el estándar ANSI/ISA-S50.02, Parte
2267
:
- Intercambio de datos serie, Half Duplex
- Cable de par trenzado apantallado o fibra óptica
- Velocidad normalizada a: 31.25 Kb/s, 1 Mb/s, 2.5 Mb/s
- Topología de bus, árbol (31.25 Kb/s)
- Punto a punto
- Hasta 32 nodos
- La alimentacion de dispositivos mediante el propio cable es posible
- Código Manchester, con una modulación de corriente especifíca
- Estructura de trama (preámbulo, datos del nivel enlace y delimitadores del
mensaje)
- Ha evolucionado hacia Ethernet 100 Mb/s
263 Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo XI Pág. 28,33 264 José Acedo Sánchez, “Control avanzado de procesos: Teoría y práctica”, Ediciones Díaz de Santos, 2002. Pág. 150 265
Jesús Enrique Otero Ramos, Instrumentación Industrial en Instalaciones Petroleras, Capitulo XI Pág. 31 266 Aquilino Rodríguez Penin, “Sistemas SCADA”, Marcombo, 2007. Pág. 284 267
Aquilino Rodríguez Penin, “Sistemas SCADA”, Marcombo, 2007. Pág. 285
75
Capa 2. La Capa de Enlace está contemplada en el estándar ANSI/ISA-S50.02,
Parte 3: “Definicion del servicio de Enlace de Datos” y Parte 4: “Especificaciones
del Protocolo de Enlace de Datos”268
.
1. MAC ISA/SP50 se ocupa del arbitraje y accesa al medio:
- Principio Maestro-Esclavo
- El Maestro es nodo activo
- Los Esclavo sólo pueden responder a su Maestro
- Acceso al medio utilizando el método de polling y paso de testigo
(token passing).
- Cada trama incluye direcciones de emisor y receptor
- Código de redundancia cíclica (CRC) para detección de los errores
de datos
2. LLC ISA/SP50 soporta los dos tipos de mensajes:
- Mensajes operativos, de poco volumen, indicados para transmitir
información crítica en el tiempo, tal como variables o comandos.
- Mensajes de fondo, voluminosos, para operaciones no críticas, tales
como el diagnostico o la configuración
Capa 7. La capa de Aplicación está contemplada en el estándar ANSI/ ISA-S50.02,
Parte 5 “Definición de Servicios de la Capa de Aplicación ” y Parte 6
“Especificaciones del Protocolo de la Capa de Aplicación”, aparecen dos tipos de
conexión269
:
- Cliente-Servidor: Comunicaciones acíclicas entre sistemas (grandes
volúmenes de información).
- Productor-Consumidor: Comunicaciones cíclicas de datos de control y
mando(poco volumen).
5.4.2.- PROFIBUS
PROFIBUS es internacionalmente un protocolo de comunicación abierto para buses de
campo, lo que proporciona óptima protección para los vendedores y para las inversiones de
los usuarios. Sus áreas de aplicación incluyen procesos de fabricación y automatización270
.
PROFIBUS proporciona una solución para tareas de comunicación Maestro/Esclavo y
Perfiles de protocolo de las industrias de Automatización de Procesos, Seguridad y Control
de Movimiento; está introducido en todos los niveles de automatización, desde la
comunicación al nivel de máquina (actuadores, sensores), hasta sistemas complejos que
gestionan grandes cantidades de datos271
.
La comunicación de proceso o de campo (PROFIBUS DP, PROFIBUS PA) sirve para
conectar equipos de campo a un sistema de automatización, HMI o de control. La conexión
268 Aquilino Rodríguez Penin, “Sistemas SCADA”, Marcombo, 2007. Pág. 285-287 269 Aquilino Rodríguez Penin, “Sistemas SCADA”, Marcombo, 2007. Pág. 287 270
Andrés García Higuera, “El control automático en la industria”, Univ. de Castilla La Mancha, 2005. Pág. 212 271
Aquilino Rodríguez Penin, “Sistemas SCADA” , Marcombo, 2007. Pág. 327
76
se puede establecer a través de interfaces integradas en la CPU o a través de módulos de
interfaz (IM) y módulos de comunicaciones (CP, CM). Con PROFIBUS normalizado según
IEC 61158/61784 se ofrece un sistema de bus de campo potente, abierto y robusto con
tiempos de reacción cortos y los siguientes protocolos272
.
5.4.3.- PROFIBUS DP
PROFIBUS DP (Periferia Descentralizada) sirve para conectar unidades periféricas
descentralizadas, es un perfil para el intercambio de datos entre los dispositivos maestros y
maestros/esclavos existentes en una red de comunicación industrial.
El perfil DP tiene definido únicamente los niveles 1 y 2 del modelo ISO/OSI,
contemplando un nivel de usuario que dispone del servicio de enlace con el nivel 2 de
OSI/OSI. La implementación de la capa física de DP se realiza con EIA RS485 a través de
par trenzado o fibra óptica273
.
La solución DP contempla tres versiones (DP-V0, DP-V1 Y DP-V2) para adaptarse a un
amplio rango de aplicaciones274
.
DP-V0. Las funciones de maestro DP (DP-V0) comprenden las funciones
configuración, parametrización, ejecución cíclica de lectura de datos de entrada y
escritura de salidas, lectura de datos de diagnóstico.
DP-V1. Las funciones DP (DP-V 1) permiten ejecutar, paralelamente al intercambio
de datos cíclico, también funciones Read y Write acíclicas, así como el acuse de
alarmas.
DP-V2. Las funciones de maestro DP (DP-V2) comprenden las funciones modo
isócrono y comunicación de datos directa entre esclavos DP.
5.4.4.- PROFIBUS PA
PROFIBUS PA (Process Automation) está basado en la versión DP-V1, amplía
PROFIBUS DP con transmisión de seguridad intrínseca según la norma internacional
IEC 61158-2275
[52], que posibilita la conexión de dispositivos de campo en zonas con
riesgo de explosión en las que se requiere una red intrínsecamente segura y donde la
alimentación de los dispositivos se realiza a través de la propia línea de enlace276
.
El acoplo a la red DP se realiza a través de acopladores de segmento (DP/PA link), tal como
se muestra en la Figura 45.
272 https://eb.automation.siemens.com 273 Joan Domingo Peña, “Comunicaciones en el entorno industrial”, Editorial UOC, 2003. Pág. 140 274
https://eb.automation.siemens.com 275 https://eb.automation.siemens.com 276
Joan Domingo Peña, “Comunicaciones en el entorno industrial”, Editorial UOC, 2003. Pág. 140
77
Figura 45.- Acoplo de segmentos DP Y PA
277
5.4.5.- PROFIBUS FMS
PROFIBUS FMS es un protocolo orientado al intercambio de grandes cantidades de datos
entre autómatas. Generalmente, la transmisión de datos es de tipo acíclico (controlada por
programa)278
.
Tiene definido únicamente los niveles 1, 2 y 7 del modelo de referencia OSI de ISO.
PROFIBUS FMS fue el precursor de PROFIBUS DP y, viene siendo progresivamente
sustituido por PROFInet para comunicación sobre redes Ethernet, en los niveles de
dirección y producción279
.
5.4.6.- PROFInet
PROFInet es un perfil moderno pensado para acercar ciertas funcionalidades de la
automatización al nivel de dirección en las industrias. Basado en Ethernet, con topología de
bus y protocolo de acceso al medio CSMA/CD (Carrier sense múltiple Access/collision
detection), permite la integración de buses de campo (en particular PROFIBUS) de forma
simple y sin realizar modificación alguna280
.
277 Joan Domingo Peña, “Comunicaciones en el entorno industrial”, Editorial UOC, 2003. Pág. 141 278
Aquilino Rodríguez Penin, “Sistemas SCADA”, Marcombo, 2007. Pág. 327 279 Joan Domingo Peña, “Comunicaciones en el entorno industrial”, Editorial UOC, 2003. Pág. 140 280
Joan Domingo Peña, “Comunicaciones en el entorno industrial”, Editorial UOC, 2003. Pág. 141
PLC Sensores
24 V
Enlace DP/PA
PROFIBUS DP
EX
Bifurcación en T
Actuador 1
Actuador 2
Zona de riesgo de explosión
PROFIBUS PA
78
Conclusiones
Una de las principales razones por el que se ocupan instrumentos de medición inteligentes
es su capacidad de entregar la información de la medición en forma digital. Esta
información digital permite interactuar con la tecnología de redes industriales y mandar
información hacia los cuartos de control sin que el operador este cerca del proceso. Gracias
a la integración del microcontrolador en los instrumentos de medición inteligente, se puede
mandar de forma digital la información a grandes distancias. Esta información es mandada
a un bus de datos a través de alguno de los diferentes protocolos de comunicación industrial
que se utilizan actualmente en campo, reduciendo así el cableado por cada uno de los
instrumentos, costos y la dependencia total o parcial del operario en proceso. El utilizar un
bus de datos para la comunicación permite que no se pare el proceso en caso de que alguno
de los instrumentos fallara y mandar una alarma al cuarto de control.
79
Capítulo 6. Aplicación de un Instrumento Inteligente.
Introducción
La necesidad de instrumentos de medición con características adicionales ha sido la
motivación de este trabajo. El análisis de estas características mostró la necesidad de
entender la variable de medida, al elemento de medición, la conversión de analógico a
digital, a la lógica de control y al procesamiento para lograr las comunicaciones. El cual,
posteriormente a su identificación, se estudiaron con mayor detalle, incluyéndose en
diferentes partes de este trabajo.
Por lo anterior, el enfoque de este capítulo es mostrar la propuesta de diseño de un
instrumento de medición considerando las características estudiadas; esto con el fin de
cubrir necesidades específicas en una aplicación propuesta la cual posteriormente se
describirá.
6.1. Diseño de un Instrumento Inteligente
El instrumento inteligente propuesto consta de un sensor analógico, un convertidor
analógico digital, un circuito que realiza la lógica de control y un módulo de
comunicaciones. Pero con mayor detalle, durante la propuesta del instrumento de medición
inteligente, se identificó y se clasificó en los siguientes elementos:
1. Sistema Básico de Medición.
2. Sistema de Conversión,
3. Lógica de Control
4. Transmisión de Datos.
El sistema básico de medición está conformado por el bloque típico de instrumentación,
una magnitud a medir tal como la temperatura y la presión y un elemento sensor que
proporciona una salida de 4 a 20 mA o de 0 a 5 volts, los cuales se muestran en esquema en
la Figura 46.
M
SALIDA ANALOGICA
4 – 20mA
SUMINISTRO DE
ENERGIA
ELEMENTO
SENSOR
MAGNITUD FISICA
INSTRUMENTO DE
MEDICIÓN CONVENCIONAL INSTRUMENTO DE
MEDICION ELECTRICA
80
Figura 46.- Sistema básico de medición
Por el lado del la conversión, se propone una etapa de conversión de la señal analógica
procedente del sistema básico de medición a digital, esto mediante un convertidor
analógico a digital, el esquema propuesto se aprecia en la Figura 47.
Figura 47.- Convertidor analógico a digital
Así mismo, en la etapa de lógica de control, se encontró la necesidad de incluir un módulo
de procesamiento de datos, el cual podría estar conformado por un microcontrolador o por
un microprocesador, el cual depende de las necesidades de procesamiento. Para el diseño
básico que está en estudio, el uso de un microcontrolador es suficiente. La Figura 48
muestra el esquema propuesto para el microcontrolador.
Figura 48- Modulo de control
Similarmente, se encontró la necesidad de incluir un módulo que realizará la transmisión de
datos; esta transmisión debería realizarse a través de un bus de datos que permitiera
alcanzar distancias mayores a las convencionales que permiten los instrumentos de
medición analógicos. Para lo cual, se propuso que esta transmisión fuera en comunicación
serial (RS485 o RS232) o por un medio Ethernet con una identificación IP. La Figura 49
muestra el esquema del módulo propuesto.
Ordenador
digital de
corrección
A D
Par
serie
Señal de
medición
(no corregida)
Analógica
Señal de
medición
(corregida)
Digital
D A Analógica
PROM Parámetros
modelo
V
I
ADC 010111010010111101011
SEÑAL ANALOGICA
4-20mA
SEÑAL ANALOGICA
0 – 5 V CD
0
SEÑAL DIGITAL
0
81
Figura 49.- Modulo de comunicaciones
Atendiendo lo anterior con un diseño planeado, es posible unir la salida de cada bloque con
la entrada del siguiente, como se muestra en la Figura 50.
Figura 50.- Diseño del Instrumento de medición inteligente
Esto permitiendo a su vez, el diseño de un instrumento de medición inteligente, el cual fue
el objetivo de este trabajo.
6.2. Proceso de Control de Temperatura.
Para aplicar la propuesta, se toma como referencia el ejemplo en relación a la Simulación
de un tanque de reacción con agitación continúa del capítulo 9 en la sección 9.5., del libro
Control Automático de Procesos de Smith Corripio. El objetivo consiste en utilizar el
diseño propuesto en la sección 6.1.
MICROCONTROLADOR
BUS DE DATOS
VCC
0 - 5V 4 – 20mA V
I
MAGNITUD
FISICA
SENSOR
ANALÓGICO
CONVERTIDOR
A/D
MODULO DE
CONTROL
MODULO DE
COMUNICACIONES
ELEMENTO
SENSOR
INSTRUMENTO DE MEDICIÓN INTELIGENTE
MICROCONTROLADOR
BUS DE DATOS
Ordenador
digital de
corrección
Par
Serie
SEÑAL DIGITAL
USART
82
Se requiere el diseño de un instrumento de medición que mida la temperatura del tanque de
agitación continua, convierta la variable medida a su valor correspondiente en grados
centígrados; y posteriormente la transfiera mediante una conexión de datos a una estación
de control remota para su almacenamiento, ver figura.
Figura 51.- Tanque de reacción con agitación continúa.
Suponiendo que tanto el reactor y el casquillo están combinados perfectamente, que los
volúmenes y las propiedades físicas son constantes y que las pérdidas de calor se
desprecian, las ecuaciones del modelo son:
Balance de masa del reactivo A
Donde:
Es la concentración de reactivo en el reactor,
Es la concentración del reactivo en la alimentación,
Es la razón de alimentación,
Es el volumen del reactor ,
Es el coeficiente de razón de reacción,
Balance de energía en el contenido del reactor
Donde:
RS-485
Cuarto de control
Receptor
Alimentación TT
21
TRC
21
TY
21 FC
TC
V
CA
T
b
m
TFIJO F
CAi
Ti
T
VC
pA
TC
FC
TC i
Producto
Refrigerante AO
Control
Comunicación 101001011101 Medición
Cuarto de control a:
Distancia: 1200 mtrs.
Retraso: 10 a 20 mseg.
F
CA
T
83
Es la concentración de reactivo en el reactor,
Es la temperatura de alimentación en el reactor,
Es la temperatura de alimentación,
Es la temperatura del casquillo,
Es la razón de alimentación,
Es el volumen del reactor ,
Es el coeficiente de razón de reacción,
Es el calor de la reacción; se supone constante,
Es la densidad del contenido del reactor,
Es la capacidad calorífica de los reactivos,
Es el coeficiente de transferencia de calor,
Es el área de transferencia total de calor,
Balance de energía en el casquillo
Donde:
Es la temperatura de alimentación en el reactor,
Es la temperatura del casquillo,
Temperatura de entrada del enfriador,
Es la capacidad calorífica de los reactivos,
Es el coeficiente de transferencia de calor,
Es el área de transferencia total de calor,
Es el volumen del casquillo,
Es la densidad del enfriador,
Calor especifico del enfriador,
Es la razón de flujo del enfriador,
Coeficiente de razón de reacción
Donde:
Es la temperatura de alimentación en el reactor,
Es el coeficiente de razón de reacción,
Es el parámetro de frecuencia de Arrhemius, Es la energía de activación de la reacción,
Es la constante de la ley de los gases ideales, 8314.39,
84
Retardo en el sensor de temperatura (TT21)
Donde:
Es la temperatura de alimentación en el reactor,
Es la señal del transmisor en una escala de 0 a 1
Es el rango calibrado del transmisor,
Es el límite inferior del rango del transmisor,
Es la constante de tiempo del sensor de temperatura,
Controlador proporcional-integral con retroalimentación (TRC21)
El modelo del controlador proporcional-integral (PI) es la implementación
“retroalimentación de reajuste” de la acción de integración.
Donde:
Es la constante de integración del controlador,
Es la variable de retroalimentación de reajuste del controlador.
Es la señal de salida del controlador en una escala de 0 a 1
Donde:
Es el rango calibrado del transmisor,
Es el límite inferior del rango del transmisor,
Es la temperatura fija a la que se desea mantener el reactor,
Es la variable de retroalimentación de reajuste del controlador.
Es la señal de salida del controlador en una escala de 0 a 1
Es la ganancia del controlador, sin dimensiones
Es la señal del transmisor en una escala de 0 a 1
Límites de la señal de salida del controlador y transmisor
La señal b del transmisor y la señal m de salida del controlador son normalizadas, es decir,
se expresan como fracciones de rango, lo cual hace que el modelo sea válido para
instrumentación electrónica, digital y neumática.
85
Válvula de control de porcentaje igual (aire para cerrar)
Donde:
Es la razón de flujo del enfriador,
Es la señal de salida del controlador en una escala de 0 a 1
Es el flujo máximo a través de la válvula de control,
Es el parámetro de ajuste en rango de la válvula.
En este modelo del reactor y de su controlador de temperatura, las variables de estado son
CA, T, Tc, b e Y. Las variables de entrada al modelo son F, CAi , Ti, Tci y Tfijo
. Un punto que
vale la pena hacer notar es que, para el análisis del comportamiento del controlador,
algunas de las variables auxiliares son más importantes que algunas de las variables de
estado; por ejemplo, la salida del controlador, m, o razón de enfriador, Fc, son de mayor
interés que la temperatura del casquillo, Tc, y la variable de retroalimentación de reajuste,
Y.
6.3.- Simulación del Proceso.
Para hacer la simulación del reactor se deben determinar los parámetros del modelo y las
condiciones iniciales. En la práctica, los parámetros del modelo se obtienen a partir de las
especificaciones del equipo y de los diagramas de tubería e instrumentación. A
continuación se trabaja con los siguientes parámetros del reactor.
= 7.08
= -9.86 x 10´
= 19.2
= 1.815 X 105
= 5.40
= 1.82
= 1000
= 4184
= 20
= 0.020
= 80 °
= 20
= 50
= 0.0744 = 1.182 X10´
= 3550
Las variables de entrada y las condiciones de diseño son las siguientes:
86
= 2.88
= 66 °
= 27 °
= 7.5 X 10-3
= 88 °C
Para efectuar la simulación del proceso, se realiza cada uno de los bloques en Simulink,
Figura 52, quedando los bloques de cada uno de los procesos de la siguiente manera:
Figura 52.- Simulación del proceso en Simulink
A continuación se desglosa cada bloque de la simulación.
Balance de masa del reactivo A
Como variable de entrada se tiene la concentración de reactivo en la alimentación CAi,
dicha concentración mantiene la concentración del reactivo en el reactor CA en un nivel,
en función del volumen del reactor y la razón de alimentación, como se ve en la Figura 53.
Figura 53.- Bloque: Balance de masa del reactivo
87
Balance de energía en el contenido del reactor
Como variable de entrada se tiene la temperatura de alimentación y junto con los
parámetros modelo, las condiciones iniciales y otras variables de estado controladas tienen
la función de mantener la temperatura del reactor a una temperatura fija de 88 °C, como se
muestra en la Figura 54. Esta temperatura es tomada por un instrumento de medición
inteligente que tiene la función de transmitir la señal a un cuarto de control.
Figura 54.- Bloque: Balance de energía en el contenido del reactor
Balance de energía en el casquillo
Teniendo como variable de entrada la temperatura del reactor y variable auxiliar la razón de
flujo del enfriador, se regula la temperatura el casquillo para cumplir con el control de la
temperatura del reactor, esto se muestra en la Figura 55.
Figura 55.- Balance de energía en el casquillo
Coeficiente de razón de reacción
Este coeficiente de razón de reacción está en función de la variación de la temperatura del
reactor, este coeficiente influye en mantener el balance de masa del reactivo y de la
temperatura en estado estacionario del reactor.
88
Figura 56.- Bloque: Coeficiente de razón de reacciónRetardo en el sensor de temperatura
(TT21)
Este bloque tiene la función de tener como salida la señal del transmisor a una escala de 0 a
1, esto es, la temperatura del reactor expresada en fracciones de rango, esto se muestra en la
Figura 57.
Figura 57.- Bloque: Retardo en el sensor de temperatura
Controlador proporcional-integral con retroalimentación (TRC21)
El propósito de la simulación es ajustar el controlador a las condiciones de operación de
diseño, esto es, mantener la temperatura del reactor a una temperatura de 88°C. La variable
de estado de este bloque es la señal normalizada del sensor de temperatura, se debe
normalizar el punto de control del controlador y dar una señal de salida normalizada de 0 a
1, este bloque se muestra en la Figura 58.
Figura 58.- Bloque: Controlador proporcional-integral con retroalimentación
Válvula de control de porcentaje igual (aire para cerrar)
En la característica del flujo de porcentaje igual se produce un cambio muy pequeño en el
flujo al inicio del desplazamiento del vástago de la válvula, pero conforme este se deslice
hasta el 100% el flujo aumentara considerablemente, esto se muestra en la Figura 59.
89
Figura 59.- Bloque: Válvula de control de porcentaje igual (aire para cerrar)
Transmisor remoto
El instrumento de medición inteligente realiza la lógica de control y la transmisión serial de
la señal de la temperatura, como se muestra en la Figura 60. La temperatura del reactor
responde a la ecuación, esta señal se digitaliza para su transmisión al cuarto de control.
Figura 60.- Bloque: Transmisor remoto
Receptor Remoto
Este bloque recibe la señal muestreada de la temperatura del reactor, en el cuarto de
control se guardan estos datos o se realiza alguna estrategia de control, este bloque se
muestra en la Figura 61.
Figura 61.- Bloque: Receptor Remoto
6.4.- Gráficas de datos en sitio y datos remotos de la temperatura del reactor en °C.
La grafica de la Figura 62, es la grafica de la temperatura del reactor a una elevación de 2 °C
en el punto de control que nos muestra el ejemplo en el libro. Esta grafica es la respuesta de
la medición del sensor de temperatura.
90
Figura 62.- Grafica del ejemplo en libro, datos en sitio
La grafica de la Figura 63 se obtiene de la simulación del proceso en Simulink, es la señal
del sensor de temperatura del reactor que se obtiene a la salida del bloque que se muestra en
la Figura 54. Esta señal es digitalizada por el instrumento de medición inteligente para su
posterior transmisión serial de acuerdo al bloque de la Figura 60.
Figura 63.- Grafica de datos en sitio de la temperatura del reactor, simulación.
La grafica de la Figura 64 se obtiene de la simulación del proceso en Simulink, es la señal
digitalizada que representa la temperatura del reactor y es recibida por el Receptor Remoto
del bloque de la Figura 61. Esta señal presenta un retardo a la entrada debido a la distancia
a la que es transmitida.
Figura 64.- Grafica de datos en el Receptor Remoto, simulación.
La grafica de la Figura 65 se obtiene de la simulación del proceso en Simulink, esta grafica
representa la comparación de la señal de temperatura del reactor a la salida del sensor en
sitio y la señal digitalizada recibida por el Receptor Remoto en el cuarto de control. Se
puede observar que la señal transmitida digitalmente pierde muy poca información, tiene
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Tiempo, seg.
Tem
pera
tura
, °C
.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Tiempo, seg
Tem
pera
tura
, °C
91
retardo de tiempo muy pequeño y un desplazamiento de señal por la distancia a la que es
transmitida.
Figura 65.- Comparación de grafica de datos en sitio y remotos
Grafica de datos en sitio Grafica de datos remotos
6.5.- Conclusiones
En la simulación del proceso se observo la similitud de estabilización de la temperatura en
el reactor que muestra el ejemplo del libro. Esta simulación permitió dar un ejemplo la
medición de la temperatura en el reactor y la transmisión de la señal de la temperatura a un
cuarto de control; siendo estas tareas las principales que realizan instrumentos de medición
inteligente.
93
Bibliografía
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