INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL.
En el mundo moderno de hoy, el objetivo superior de cada directorio de planta o propietario de planta industrial es lograr la producción más segura y máxima de sus equipos, maquinaria y dispositivos. Con el fin de alcanzar ese objetivo, una de las principales medidas que sigue es instalar buena instrumentación en la planta. Cuando caminamos a través de una planta industrial moderna, nos encontramos con muchos transmisores, medidores, válvulas de control, motores, electroválvulas, etc. Todo esto no es nada más que instrumentación.
Pero el hecho es que la instrumentación no puede hacer nada sola. Se necesita algo de cerebro que pueda supervisar constantemente las lecturas proporcionadas por esta y tome acciones en consecuencia para operar los elementos finales de control como válvulas, motores, etc. Al mismo tiempo, estas acciones deben asegurarse para hacer funcionar estos dispositivos en los parámetros óptimos para garantizar su salud y larga vida. Aquí es donde el mundo del control entra en juego.
El sistema de control permite que la instrumentación opere de una manera para que de una producción más segura y óptima. Hoy en día, ésta es totalmente automática. Una vez configurada, pone su planta industrial entera en las pantallas de la sala de control.
CONTROL DE PROCESOS. TRANSDUCTORES Y SEÑALES DE CAMPO.
Transductor es todo dispositivo o elemento que convierte una señal de entrada en una de salida pero de diferente naturaleza física. Normalmente se desea transformar señales de las variables físicas o químicas que deseamos medir, en magnitudes eléctricas que son las que manejamos con más facilidad en instrumentación. La salida del transductor es una función conocida de la magnitud de entrada y la relación entre ambas (magnitud a medir y salida del transductor) puede no ser lineal, aunque se busca que lo sea para simplificar su tratamiento.
Aunque lo más habitual es que una de las dos formas de energía que intervienen en el proceso de transducción sea eléctrica, no siempre es cierto. Pensemos por ejemplo en los micrófonos ópticos en los que el sonido produce deformaciones en una lámina metálica en la que se refleja un haz luminoso. La señal de salida es una variación en el brillo del haz reflejado que posteriormente será convertida mediante un fotodetector (que no es más que un transductor electroóptico) a una señal eléctrica.
La señal eléctrica tal como la proporciona un transductor no es, en general, directamente utilizable por un sistema de adquisición de datos conectado a un ordenador. Por eso suele someterse a estas señales a una serie de procesos típicos. Estos pueden ser entre otros: aislamiento, acoplo de impedancias, cambios de nivel o tipo de la señal, amplificación, filtrado, linealización, cálculos varios (p. ej. √), etc. Estos procesos pueden efectuarse en el propio transductor, en el sistema de adquisición de datos o en un punto intermedio.
Uno de los procesos deseados suele ser la amplificación o conversión de la señal al rango de tensión usual en los sistemas de adquisición de datos (0 a 10V); esto puede requerir una atenuación para señales más elevadas, o una amplificación apropiada para las de niveles bajos. Otro es su transformación al rango habitual de corriente en proceso de datos de campo (4 a 20 mA), para poder transmitirlos por cable trenzado a distancia. La transmisión en corriente proporciona una notoria inmunidad al ruido ya que la información no es afectada por caídas de tensión en la línea, impulsos parásitos, resistencias o voltajes inducidos por contaminación electromagnética, etc.
Uno de los procesos deseados suele ser la amplificación o conversión de la señal al rango de
tensión usual en los sistemas de adquisición de datos (0 a 10V); esto puede requerir una atenuación
para señales más elevadas, o una amplificación apropiada para las de niveles bajos. Otro es su
transformación al rango habitual de corriente en proceso de datos de campo (4 a 20 mA), para
poder transmitirlos por cable trenzado a distancia. La transmisión en corriente proporciona una
notoria inmunidad al ruido ya que la información no es afectada por caídas de tensión en la línea,
impulsos parásitos, resistencias o voltajes inducidos por contaminación electromagnética, etc.
Desde el punto de vista de las señales que proporcionan estos transductores se pueden clasificar en:
1) Transductores de resistencia variable
2) Transductores de reactancia variable (capacitivos o inductivos)
3) Transductores generadores de carga
4) Transductores generadores de tensión
5) Transductores generadores de corriente
6) Transductores digitales
En esta pequeña lista no están incluidos todos los tipos posibles pero sí los más habituales.
Los dos primeros son de tipo pasivo (no generan señal, sólo la transforman, el resto se consideran activos (sí generan señal). El hecho de que generen una señal no implica necesariamente que deban ser alimentados de forma externa. Como ejemplo tenemos los transductores piezoeléctricos que generan una tensión entre sus dos extremos, cuando son sometidos a presión o deformación.
Para su introducción en un sistema de instrumentación con osciloscopios digitales o conexión a ordenador, los que generan señal no presentan problemas ya que pueden ser conectados directamente al ordenador. Hay materiales que permiten variar su resistencia como respuesta a casi cualquier fenómeno físico: temperatura, presión, humedad, etc., por lo que la variedad de este tipo de transductores es inmensa.
Transductores de resistencia variable
Son muy populares y se utilizan en la medida de numerosas variables, ya que es la salida de aquellos que utilizan potenciómetros lineales de cursor deslizante, galgas extensiométricas, termómetros resistivos (termorresistencias RTD y termistores), magnetorresistencias, esistencias dependientes de la luz (LDR), higrómetros resistivos, etc.
Para obtener una señal de salida se deben tener en cuenta dos fenómenos, el primero es la necesidad de una alimentación eléctrica ya que la resistencia en sí no genera ninguna señal y el segundo es que esta alimentación influye en la salida por el posible autocalentamiento del transductor.
La medida de la resistencia se puede hacer de forma directa, es decir, como una aplicación de la ley de Ohm midiendo la corriente que la atraviesa a una cierta tensión o la tensión que cae en ella a una corriente constante. Pero el método más usado por ser el más preciso y sensible es el que utiliza un puente de Wheatstone. Su salida se realiza a través de un amplificador diferencial que proporciona una señal en tensión, que es la más usada como entrada de un sistema de adquisición de datos conectado a un ordenador personal.
Transductores de reactancia variable (capacitivos o inductivos)
Los transductores capacitivos son muy usados cuando se quiere detectar desplazamientos muy pequeños (hasta 10-9cm.), ya que poseen una gran estabilidad y precisión. También se utilizan para medida de niveles de líquidos conductores o dieléctricos, medida de espesores de dieléctricos, etc. Los transductores inductivos son muy usados ya que se incorporan en muchos equipos que los usan como transformadores de desplazamientos en señales eléctricas. Se suelen dividir en tres grupos principales: los de reluctancia variable, los de corrientes de Foucault y los transformadores diferenciales (LVDT).
La medida en estos transductores se debe realizar en alterna y por lo tanto a continuación, deberá haber un sistema de conversión de alterna a continua, que puede ser de valor eficaz, de valor medio o de pico. La medida propiamente dicha se puede hacer por medio de un divisor de tensión aplicando directamente la ley de Ohm, utilizando un puente de alterna o un oscilador de frecuencia variable. En cualquier caso su paso a tensión continua es necesario para su utilización en un sistema de adquisición de datos por ordenador.
Transductores generadores de carga
En realidad los transductores generadores de carga son generadores de corriente pero en estado de reposo poseen resistencias muy altas y por lo tanto corrientes muy bajas. Son muy usados para medida de radiación, células fotoeléctricas, células de ionización, transductores piezoeléctricos. Su medida depende del transductor y del uso que se desee de la medida. Si se desea una medida continua se utilizan amplificadores, convertidores tensión-corriente o amplificadores de carga. Pero si se desea analizar los impulsos (número, tensión máxima, etc.) deberán utilizarse amplificadores y analizadores de impulsos.
Transductores generadores de tensión
Estos transductores están bastante extendidos. Destacan los termopares, pHmetros, medidores Redox, etc. Además, numerosos equipos que no generan esta salida directamente del sensor, la presentan en su salida por medio de conversiones electrónicas internas. La ventaja que presentan es que no necesitan ninguna acción para su introducción en sistemas de adquisición de datos por ordenador salvo quizás, una adaptación de niveles de tensión. Su desventaja es la transmisión a distancia ya que ésta puede ser afectada por ruidos.
Transductores generadores de corriente
Existen numerosos transductores que presentan salida en corriente, ya que es la salida más extendida en equipos de instrumentación para la transmisión de señales de campo (4-20 mA), por lo que la transformación en tensión de estas señales es una práctica muy generalizada, antes de introducirlas en el sistema de adquisición de datos que suele trabajar en tensión. La conversión corriente-tensión se realiza simplemente usando una resistencia de precisión.
Transductores digitales
Estos transductores son muy utilizados en equipos electromecánicos para indicar acciones, por ejemplo finales de carrera, interruptores de diferentes magnitudes, alarmas, etc. Desde el punto de vista de su introducción al ordenador no presentan más problema que la adaptación de sus niveles de tensión.
SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS
Introducción
Los sistemas digitales de control se utilizan ampliamente debido a su bajo coste en comparación con los analógicos. Presentan ventajas en cuanto a inmunidad al ruido, precisión y facilidad de implementar funciones complejas. El principal inconveniente es que tienen una respuesta más lenta, aunque para la mayoría de las aplicaciones esto no es un inconveniente. Los sistemas de control de procesos con realimentación computarizada se utilizan en muchas industrias para controlar sus distintos procesos de fabricación. En el mundo físico, las variables son continuas y es preciso transformarlas, amplificarlas y convertirlas a variables digitales para que un sistema digital las pueda procesar. Los sistemas de adquisición de datos realizan todas estas funciones. En otras palabras, los sistemas de adquisición y conversión de datos se usan para procesar señales analógicas y convertirlas en digitales para su posterior procesamiento o análisis mediante computador o en nuestro caso en un ordenador personal.
En general, un sistema de adquisición de datos toma una magnitud física tal como presión, temperatura, posición, etc. y la convierte en una tensión o corriente eléctrica que será posteriormente muestreada y cuantificada (digitalizada). Una vez conseguido esto, todo el posterior tratamiento de la señal se realiza por circuitos electrónicos digitales.
En principio tiene lugar un tratamiento electrónico y al terminar éste, la señal se convierte en digital mediante un convertidor o conversor A/D (analógico/digital). Esta salida digital puede ir a diferentes sistemas digitales tales como un ordenador, un controlador digital, un transmisor de datos digital, etc.
Un circuito completo de adquisición de datos se indica en la figura (1) con todos los componentes fundamentales y sus interconexiones.
Fig. 1 Esquema general de un sistema de adquisición de datos
La entrada al sistema (el parámetro físico a medir), se convierte en una magnitud eléctrica
por el transductor y ésta se lleva a la entrada del amplificador. La misión de éste es preparar la señal de salida del transductor al nivel de tensión necesario (1 a 10V) para atacar al siguiente circuito analógico. Sigue al amplificador un filtro activo paso baja, usado para eliminar los componentes de alta frecuencia o ruido de la señal. En ocasiones se puede necesitar hacer con la señal alguna operación no lineal en cuyo caso ésta se puede hacer antes o después del filtrado.
A continuación, la señal va a un multiplexor analógico en el que cada canal de entrada es conectado secuencialmente a la salida durante un periodo de tiempo especificado. De esta forma los circuitos que siguen al multiplexor son compartidos secuencialmente por un cierto número de señales analógicas.
La salida del multiplexor analógico va a un circuito de muestreo y retención ('sample and
hold'), el cual muestrea la salida del multiplexor en un momento determinado y mantiene el nivel de tensión en su salida hasta que el conversor (A/D) realiza la conversión.
Por último, la programación y secuencia de tiempos de la operación se realiza por los circuitos de control que a partir de las salidas digitales de control, procedentes del ordenador personal, controla al multiplexor, 'sample and hold' y conversor A/D.
Veamos a continuación algunos principios en los que se basa la conversión analógico-digital de la información.
Cuantificación y codificación
La conversión A/D es en su forma conceptual básica un proceso de dos pasos: cuantificación y codificación.
Cuantificar es el proceso de convertir una entrada analógica continua en una serie de niveles discretos de salida. Estos niveles se pueden identificar por una serie de números, en general como un código binario. La operación de cuantificar una señal se ilustra por la figura (2) que muestra la transferencia de las tensiones continuas a valores discretos con ocho estados de salida correspondientes a un conversor A/D de tres dígitos. Los ocho estados binarios tienen asignada la secuencia de números binarios desde el 000 al 111. El número de estados de salida para una codificación binaria de un convertidor A/D es 2n donde n es el número de bits. Por lo tanto, un convertidor de ocho bits tendrá 256 estados de salida y uno de 12 bits, 4096.
Fig. 2 Cuantificación de una señal continua
Esta función cuantificadora tiene algunas características importantes:
- Su resolución, que es el número de estados de salida expresados en bits (en este caso, 3 bits).
- Los niveles de decisión analógica o niveles de umbral; en el caso de la figura 2, los valores de 0.625, 1.875, 3.125, 4.375, 5.625 y 8.125. Hay 2n-1 puntos de decisión analógica.
- Los niveles de decisión están colocados a medio camino entre el centro de los puntos de las palabras del código y que en el caso de la figura 2 corresponden a los valores de tensión 1.25, 2.50, 3.75, 5.00, 6.25, 7.50 y 8.75 V.
La distancia entre los niveles de decisión codificados se expresa por Q (intervalo de cuantificación). Si para todo el rango de variación de la señal analógica de entrada, restamos ésta de la salida (niveles discretos), obtendremos una señal de error. Este error llamado error de cuantificación es intrínseco del proceso (no se puede eliminar por tanto) y depende del número de niveles de cuantificación o resolución del cuantificador. La salida por tanto se puede considerar como la entrada analógica con un ruido (el de cuantificación) asociado a ella.
Un conversor A/D hace las operaciones de cuantificar y codificar una señal en un tiempo determinado. El tiempo requerido para hacer una medida o conversión se denomina generalmente 'tiempo de apertura' (ta ). La velocidad de conversión requerida en un caso particular depende de la variación temporal de la señal a convertir y del grado de resolución requerido. El tiempo de apertura se puede considerar como una incertidumbre de tiempo (error) en hacer una medida y resulta en una incertidumbre en amplitud si la señal está cambiando durante ese tiempo. Como se ve en la figura 3, la señal de entrada al convertidor A/D cambia ΔV durante el tiempo de apertura ta en que la conversión se efectúa. El error puede ser considerado como un error en amplitud o un error en tiempo. Los dos están relacionados como sigue:
donde,  es la velocidad de cambio en el tiempo de la señal de entrada.
Si a partir de aquí obtuviéramos el tiempo necesario para digitalizar una determinada frecuencia de señal con un cierto grado de resolución veríamos que para convertir una señal de variaciones relativamente lentas (p. ej. 1 KHz) con una moderada resolución (10 bits), se requiere un conversor A/D extremadamente rápido (tiempo de apertura no superior a 160 nseg.) y por tanto muy caro. Pero este problema se puede resolver de una manera muy simple y barata usando un circuito 'sample and hold', el cual reduce el tiempo de apertura considerablemente al tomar un muestreo rápido de la señal y mantener su valor durante el tiempo requerido para la conversión.
Fig. 3 Relación entre el tiempo de apertura y la incertidumbre de amplitud
Muestreo y "aliasing"
La operación de muestreo está indicada en la figura 4 en la que vemos una señal analógica (a) y un tren de impulsos de muestreo (b). El resultado del proceso de muestreo es el mismo que obtendríamos al multiplicar la señal analógica de entrada por un tren de impulsos de amplitud unidad. La señal modulada resultante se ve en la parte (c) donde la amplitud de la señal analógica está contenida en la envolvente de los impulsos.
El propósito del muestreo es utilizar de una forma eficiente los equipos procesadores de datos y facilitar la transmisión de los mismos. Un simple SAD (sistema de adquisición de datos), por ejemplo, puede utilizarse para transmitir varios canales analógicos basándose en el muestreo de forma secuencial, con la ventaja respecto al sistema antieconómico de utilizar varios canales de transmisión para enviar continuamente varias señales.
Si la señal analógica es muestreada y memorizada (mantenida) entre los impulsos de muestreo, el resultado es el indicado en la figura 4 (d). Este es el trabajo que realiza un circuito llamado de muestreo y retención ('sample and hold'). En los equipos de proceso de datos para vigilancia y control de procesos, puede ser suficiente muestrear el estado del proceso solamente una vez cada cierto tiempo, realizando el cálculo y corrección oportunos y a continuación liberar el computador para otras tareas.
No se debe olvidar que el objeto de sistemas de conversión de datos es la reconstrucción fiel de la señal a partir de los datos adquiridos. Será necesario saber cada cuanto tiempo se debe tomar una muestra de una señal para no tener pérdidas de su información. Si una señal es lenta, se puede extraer toda su información fácilmente al muestrear de forma que no haya cambio, o éste sea muy pequeño, entre cada muestra. Habrá una pérdida de información si hay un cambio significativo en la amplitud de la señal entre cada muestra. La frecuencia con que se debe muestrear una señal para no perder información de la misma viene dada por el teorema de muestreo ('Sampling Theorem'):
"Si el espectro de frecuencias de una señal analógica no contiene componentes de frecuencia superiores a fc, la señal original puede ser completamente recuperada sin distorsión, si es muestreada a un ritmo de al menos 2fc muestras por segundo".
Fig. 4 Operación de muestreo:
a) Señal analógica a muestrear
b) Tren de impulsos de muestreo
c) Señal modulada
d) Señal muestreada y mantenida |
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El teorema de muestreo se puede ilustrar con el espectro de frecuencias de la figura 5. La figura 5(a) muestra el espectro de una señal continua con componentes de frecuencia limitadas por la frecuencia fc.
Fig. 5 Espectro en frecuencia de la señal muestreada
Cuando esta señal es muestreada a un ritmo fs el proceso de modulación da como resultado el espectro mostrado en la figura 5(b). Aquí debido a que el ritmo de muestreo no es suficiente, algunas de las componentes de alta frecuencia de la señal se pliegan en el espectro. Este efecto es el llamado plegado de frecuencias ('frequency folding'). En el proceso de recuperación de la señal original, las componentes de frecuencias plegadas causan distorsión y no se pueden separar o distinguir de la señal original.
Se elimina el plegado de frecuencias usando una frecuencia de muestreo suficientemente alta o filtrando la señal original para eliminar las componentes de frecuencia mayor de fc/2.
En la práctica no obstante, hay siempre algún plegado de frecuencias debido al ruido y filtros no ideales. Debe tratarse de reducir este efecto a proporciones despreciables.
Otro efecto consecuencia del plegado es conocido como 'aliasing'. La figura 6 ilustra esto mostrando una señal periódica que se muestrea a un ritmo menor que dos veces por ciclo. Las amplitudes de muestreo indican unidas por una línea de puntos que evidentemente tiene un periodo bastante diferente de la señal original y es una 'alias'. En esta figura puede verse que si la forma de onda es muestreada al menos dos veces por periodo como requiere el teorema de muestreo, la frecuencia original se mantiene.
Fig. 6 Efecto de aliasing
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