10.- Simulación de sistema de medición


10.      SIMULACIÓN DE SISTEMA DE MEDICION


Realizado por:

Guirael Surga

Omar Castillo


CONTENIDO 


SIMULACIÓN
La simulación es el proceso de diseñar un modelo de un sistema real y llevar a término experiencias con él, con la finalidad de comprender el comportamiento del sistema o evaluar nuevas estrategias dentro de los límites impuestos por un cierto criterio o un conjunto de ellos para el funcionamiento del sistema.

MODELO.
Es la representación de un objeto, proceso, sistema de una forma diferente a si mismo, en este caso el modelo es un conjunto de relaciones matemáticas o lógicas representativas a su comportamiento o a su estructura.

Las áreas de aplicación para la simulación son numerosas y entre las cuales se encuentran las siguientes:

  • Diseño y Análisis de Sistemas de Producción, Transporte, Financieros, Económicos, Políticos entre otros.
  • Evaluación de Software y Hardware.
  • Diseño de Sistemas de Comunicación y Protocolos.
  • Evaluación de Sistemas de Armamento Militar o sistemas Tácticos.
  • Diseños de Sistemas de Iluminación. 
    Para nuestro caso usaremos el software de simulación (PROTEUS) para simular el comportamiento de un sistema de medición.

    Las Etapas del proceso de medición explican los mecanismos necesarios para la simulación de un sistema de medición con un enfoque general para el proceso de adquisición y visualización de datos. El sistema de medición presentado, toma en cuenta todas las etapas desde la variable física hasta la visualización del operador. 

    Un sistema de adquisición de datos son subsistemas que nos permiten tomar señales físicas del entorno y convertirlas en datos que posteriormente podremos procesar y presentar. A veces el sistema de adquisición es parte de un sistema de control, y por tanto la información recibida se procesa para obtener una serie de señales de control. Se presenta a continuación la estructura de un proceso de medición, en este diagrama podemos ver los bloques que la componen.

    Figura 1. Proceso de Medición.


    Los bloques representados en la figura 1 se describen a continuación:


    Señal Física o Proceso:  Es la variable a medir y controlar.

    Transductor: Es un dispositivo que convierte un tipo de energía (o señal) en otro tipo de energía. Por ejemplo una RTD convierte señal de calor en electricidad.

    Acondicionamiento: Es el procesamiento de la señal emitida por el transductor para adecuarla o mejorar su calidad. Esto es debido a que algunas de las señales emitidas por los transductores requieren adecuación de sus características originales y mejorarlas, en algunos casos se usa filtración, linealización, validación,  amplificación  o reducción de la señal, en algunos casos requieren circuitos basados en el puente de Wheastone o se utilizan circuitos con amplificadores operacionales.

    Convertidor Analógico / Digital: Es la etapa que se encarga de realizar la conversión de una señal Analógica en una señal digital de n bits.

    Adecuación unidades de ingeniería: debido a que la información suministrada por el convertidor A/D son dígitos binarios los cuales no se entienden fácilmente por el operador se realizan conversiones por unidades de ingeniería representativas del proceso.

    Visualización de la medición: Es la interfaz Hombre Maquina (IHM) la cual convierte la información suministrada en información visual o auditiva entendible para el ser humano. Tales como, display, registrador o monitor.


    Tomando en cuenta esta información podemos definir que una medición es entonces, el acto de asignar un valor específico a una señal física. Dicha señal física es la variable medida. Por lo tanto un sistema de medición es una herramienta utilizada para cuantificar la variable medida.

    El elemento fundamental de un sistema de instrumentación, es el elemento sensor. La función del sensor es percibir y convertir la entrada (variable física) percibida por el sensor, en una variable de la señal de salida.

    El sensor (transductor) es un elemento físico que emplea algún fenómeno natural por medio del cual percibe la variable a ser medida. El transductor, convierte esta información percibida en una señal detectable, la cual puede ser eléctrica, mecánica, óptica, u otra. El objetivo es convertir esta información en tal forma que pueda ser utilizada en las siguientes etapas para obtener la señal deseada por el operador.


    Un instrumento de medición es un dispositivo que transforma una variable física o química de interés, que se denomina variable medida, en una forma apropiada para registrarla o visualizarla o simplemente detectarla, llamada medición o señal medida.

     Es necesario tomar en cuenta que para cualquier sensor, tanto su simulación como su uso físico se deben tomar en cuenta las condiciones originales del sensor, sus valores de salida máximos, mínimos e intermedios para obtener la mejor calibración y presición con los resultados dependiendo támbien del ambiente de trabajo.




    Las variables físicas o químicas a medir o controlar pueden ser:
     1. Variables físicas:
    • Presión
    • Temperatura.
    • Flujo.
    • Nivel.
    • Vibración.
    • Peso.
    • Velocidad.
    • Humedad.

    2. Variables químicas:
    • Explosividad.
    • PH.
    • Conductividad Eléctrica.
    • Gas.

    Teniendo en cuenta también que existen muchas otras variables.
    Para los tipos de variables más comunes se requiere tomar en cuenta los siguientes tipos de sensores los cuales son clave para la medición de las siguientes variables del proceso.

    Sensores de Temperatura:

    En la siguiente tabla se muestran algunos tipos de sensores utilizados para la medición de la temperatura con sus respectivas características, a pesar de que los termómetros de Vidrio, bulbo y bimetálicos se usan normalmente para medición local es bueno conocerlos, ya que hasta los momentos se siguen usando.

    Sensores de Presión:

    Presión absoluta, relativa o diferencial o con Indicador local: Bourdon o manómetro en U de estos podemos decir que se dividen en:

    1. Sensores mecánicos Tubo Bourdon (Tipo C, Espira y Hélice)
    • Fuelle
    • Diafragma

    2. Sensores electromecánicos
    • Sensor capacitivo.
    • Sensor de galgas extensiométricas.
    • Sensor inductivo
    • Sensor piezoeléctrico


    Sensores de Flujo o Caudal

    1. Medidores de presión diferencial

    • Placa orificio
    • Tubo Venturi
    • Tubo Pitot
    • Medidores de impacto

    2. Medidores de velocidad
    • Medidor de turbina
    • Medidor electromagnético
    • Medidor Vortex
    • Rotámetro
    • Medidor de ultrasonidos
    3. Medidores másicos
    • Medidor másico térmico
    • Medidor de Coriolis
    4. Medidores volumétricos
    • Medidor de desplazamiento positivo
    Sensores de Nivel
    1. Indicadores locales
    • Vidrio
    • Magnético
    2. Transmisores de nivel en líquidos
    • Desplazamiento (flotador)
    • Presión diferencial
    • Burbujeo
    • Radioactivo
    • Capacitivo
    • Ultrasonidos
    • Conductivímetro
    • Radar
    • Servoposicionador

     OBJETIVOS
    Presentar la metodología para realizar la simulación de un proceso de medición.

     OBJETIVOS ESPECÍFICOS
    Simular mediante el uso de PROTEUS el proceso de medición de una variable de interés.

    Elaborar una página de internet que contenga la suficiente información para explicar de forma clara y precisa la Simulación del Sistema de Medición.


    PREGUNTAS FRECUENTES
    ¿Cómo se hace la medición?
    Se toma una muestra de la variable física a medir, se valida el valor tomado tomando en cuenta los factores externos que pueden afectar la muestra, luego se convierte ese valor analógico al digital con un convertidor Analógico/Digital, se utilizan las unidades de ingeniería y luego se muestra al usuario por medio de cualquier interfaz hombre Maquina.

    ¿Qué variables puedo simular en esta página?
    En la práctica se simulo una medición de temperatura, pero el procedimiento es para cualquier tipo de medición (Flujo, Temperatura, presión, velocidad, vibración, entre otros). 

    ¿Qué rangos puedo medir?
    Los rangos siempre dependerán de las variables a medir y del tipo de transductor a utilizar.

    ¿Por qué existen varios tipos de termopares ejemplo tipo K, J, S?
    Debido a que cada una tiene una curva de comportamiento especificó pero tienen rango de que son lineales y estos son los recomendados para el trabajo de medición.

    ¿Para qué requiero realizar una medición?
    Para saber el status de una variable que es necesario saber su condición o para controlarla por medio de un lazo de control el cual necesitara esa medición para tomar las acciones necesarias.

    ¿Por qué tengo que simular una medición?
    Es necesario realizar simulaciones de procesos antes de implantarlos, ya que el costo de una simulación es ínfimo comparado con el costo de un error en las especificaciones de los equipos al momento de la construcción.

    ¿Qué es una IHM?
    IHM es una Interfaz Hombre-Máquina y es aquel software y/o Hardware que puede servir de comunicación entre el humano y la máquina.

     ¿Son necesarias las Unidades de Ingeniera?
    Si, debido a que los convertidores A/D convierten la señal analogica en digital la cual es interpretada para los equipos digitales pero es necesaria esa traducción de dígitos binarios a valores conocidos relacionados con los parámetros de las variables a medir.
     
    PRÁCTICA

    ALCANCE DE LA PRÁCTICA

    Simular en PROTEUS un proceso de medición para la variable temperatura usando una termocupla tipo K.

    DESARROLLO

    SIMULACION EN PROTEUS DE UN SISTEMA DE MEDICION PARA LA VARIABLE TEMPERATURA


    Figura 2. Modelo en Proteus para simular un sistema de medición para temperatura.

    La figura 2, representa el esquema usado para simular en PROTEUS un proceso de medición para la variable temperatura. En la parte derecha de la figura está representado el bloque correspondiente al “transductor”; constituido por el modelo de una termocupla tipo “K” con la junta de referencia a 0°C. En el centro de la figura se encuentra el bloque “acondicionador de señal” el cual se encarga de adecuar los mili voltios de entrada  a un voltaje de salida propicio para ser suministrado a la entrada analógica cero (AD0) de la tarjeta ARDUINO UNO; usada en esta simulación para desarrollar los bloques “conversor analógico digital A/D”, “adecuación de las unidades de ingeniería” y “visualización de la medición”. El modelo en PROTEUS de la tarjeta ARDUINO UNO y el Terminal de Visualización de la variable de proceso está esquematizado en la figura 3.

     Figura 3. Esquema en PROTEUS para simular la tarjeta ARDUINO UNO y el Visualizador de la Variable de Proceso.


     El bloque Transductor está constituido por el modelo en Proteus de un termopar tipo K representado en la figura 4. Consta de un terminal positivo (+) y un negativo (-) donde se mide la fuerza electromotriz (fem) en unidades de milivoltios (mV); los cuales, son proporcional a la temperatura a la que es expuesta la “unión” de los dos alambres (marrón y azul) del termopar. En el modelo se ajusta la temperatura de proceso mediante los botones que contienen las flechas que indican subir y bajar. La temperatura ajustada se observa en la pantalla (recuadro verde). La unión fría o de referencia de la termocupla es identificada en el modelo como CJ (Cool Junction) y se conecta a tierra para indicar que está a cero grados Centígrado (0°C). De esta manera,  la salida de la termocupla en mV coincidirá con las tablas (mV - °C) para termocuplas tipo K, existentes.



    Figura 4.  Modelo de una termocupla tipo K en PROTEUS.

    El bloque encargado del Acondicionamiento de la Señal (representado en la figura 5) está compuesto por un amplificador AD 8495, diseñado especialmente para termocuplas tipo K. El rango de trabajo es de -150 °C a 410 °C; es decir, cuando la termocupla envía a la entrada (IN) del bloque acondicionador, -4.93 mV, en representación de una temperatura igual a -150 °C, el acondicionador tendrá a la salida (OUT) 0.5 V. Cuando la termocupla mida una temperatura de 410 °C, el voltaje a la entrada del acondicionador de la señal será de 16,82 mV y a la salida será de 3,3 V. El AD8495 tiene una respuesta lineal de 5mV/°C y un error máximo de ± 2°C. El voltaje de salida para este amplificador está definido mediante la siguiente ecuación:
    VOUT = (TMJ × 5 mV/°C) + VREF    ………….... Ecu. 1
    dónde TMJ es la temperatura de proceso medida por la junta de la termocupla y el VREF es el voltaje de referencia equivalente a la temperatura ambiente de la junta fría de compensación. Para nuestro caso este voltaje es de 1.25 Vdc, equivalente a 31°C. Por ejemplo, si tenemos una temperatura en el proceso de 410°C y VREF de 1.25 V entonces el voltaje de salida del AD 8495 será:


    VOUT = (410°C × 5 mV/°C) + 1.25 V
    VOUT = 2.05V + 1.25V
    VOUT = 3.3 V
     


    Figura 5. Bloque de Acondicionamiento de Señal usando el modelo

    del amplificador AD 8495.




    Una vez, que la señal está acondicionada, viene la etapa de conversión analógica digital (A/D), la etapa de adecuación de las unidades de ingeniería y la de visualización.  Estas etapas fueron definidas en el microprocesador ARDUINO UNO mediante el siguiente programa:
     
    1.  #include <LiquidCrystal.h> //Incluir esta libreria para poder usar el lcd

    2.

    3.  int Ana1 = A0; //Entrada analogica de Termocupla tipo K
    4.  LiquidCrystal lcd(12,11,5,4,3,2); //Definimos la pantalla LCD
    5.  int Temp = 0;
    6.  char Grados = 'º';
    7.
    8.  void setup(){

    9.  Serial.begin(9600);

    10.          lcd.begin(16,2);

    11.          pinMode(13,OUTPUT);
    12.          digitalWrite(13, HIGH); //Activamos la retroiluminacion
    13.          }
    14.           
    15.          void loop(){
    16.          Temp = analogRead(Ana0); //Leemos el valor de la entrada analogica
    17.           
    18.          // Primero transformamos la lectura analógica de tensión a un valor de temperatura
    19.          Temp = ((Temp -1.25)/0.005)/1024.0;
    20.          Serial.print("Grados: ");//Mostramos los grados en el serial
    21.          Serial.print(Temp);
    22.          Serial.print(Grados);
    23.          Serial.println("C");
    24.            
    25.          //Mostramos los grados en la pantalla LCD
    26.          lcd.setCursor(0,0); //Con este comando decimos en que linea queremos escribir
    27.          lcd.print("Temperatura: ");
    28.          lcd.setCursor(0,1);
    29.          lcd.print(Temp);
    30.          lcd.setCursor(3,1);
    31.          lcd.print("°C");
    32.           
    33.          delay(100); //Al ser temperatura no hace falta leerlo tan seguido
    34.          }
     


    Figura 6. Pinout Tarjeta Arduino Uno usada para la conversión analógico (A/D), definir las unidades de ingeniería y indicación por pantalla de la temperatura.


    Los resultados obtenidos en la simulación del proceso de medición para la variable temperatura, usando el software PROTEUS está plasmado en la tabla 1. En la columna “Temperatura Simulada” está indicada la temperatura de proceso simulada en °C. En la columna “Termocupla (mV)” se indica los mV por Tabla y los generados por el Transductor (Termocupla tipo K) de acuerdo a la temperatura simulada. En la columna “Salida AD 8495 (Vdc)” se indica el valor “Teórico” calculado mediante la ecuación 1 y la “Real ” que es la medida a la salida del AD 8495, de acuerdo a la temperatura simulada. La columna “Temperatura Indicada °C” es la indicación o visualización de la temperatura del proceso que queremos determinar. Por último, tenemos la columna que representa el “Error %” calculado mediante la siguiente ecuación:

    Error % = ((TI-TS)/TS) x 100%  …….. Ecu. 2

    donde TI es la Temperatura Indicada y TS es la Temperatura Simulada.

    Tabla 1.  Resultados de la Simulación.


    BIBLIOGRAFÍA
    1.      Shannon, Robert; Johannes, James D. (1976).Systems Simulation: The Art And Science. IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics. 6(10). pp. 723-724.
    2.      Wim Van de Kamp. (2005) Teoría y Práctica de Medición de Niveles. Endress+Hauser, España.
    3.    Endress+Hauser FLOWTEC, AG. (2011) Medición de Caudal. Endress+Hauser, España
    4.    Douglas A. Skoog / James J. Leary. (1998) Análisis instrumental, España. 4ta edición.
    5.    Carlos Bordóns Alba. (2000) Tecnología del Control, Internet.
     7.   Vanesa Salazar. http://rcmcomputointegrado.blogspot.com/2012/05/proyecto-arduino-sensor-de-temperatura.html#!/2012/05/proyecto-arduino-sensor-de-temperatura.html
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