Elaborado por: Ing. Daniel Lanz e Ing. Aníbal Prada
INTRODUCCIÓN [1]
La automatización y las operaciones de procesos continuos amplían el alcance y el uso de instrumentos de medición tanto en forma individual como en sistemas para el control automático y la medición de variables tales como: presión, nivel, flujo y temperatura, existentes en las instalaciones industriales. El desarrollo de la instrumentación también ha creado la necesidad de efectuar un estudio específico de las mediciones y de los dispositivos empleados para realizarlas, es por ello que el proceso de selección de los transductores es de gran importancia. Cada uno de los medidores existentes en el mercado tienen ventajas y desventajas individuales, pero ninguno incorpora todas las características de los demás. Como consecuencia, todos estos medidores deben ser usados en aplicaciones donde mejor sean adaptados. Para determinar los requisitos que exige la realización de cualquier medición física se hace indispensable el conocimiento de los principios físicos de la variable a medir, los dispositivos de medición, sus principios de operación y el dominio de aplicación, como paso previo a la selección del transductor que se utilizará en alguna aplicación particular.
CARACTERÍSTICAS Y FACTORES A CONSIDERAR[1]
CARACTERÍSTICAS Y FACTORES A CONSIDERAR[1]
La selección del instrumento adecuado es, por consiguiente, el primer paso para la obtención de resultados confiables. Entre las características más importantes que permiten valorar la calidad de un transductor, por ejemplo, se encuentran:
- Exactitud en la medición de la magnitud de la variable.
- Exactitud sobre un amplio rango de temperatura.
- Exactitud en la reproducción del evento físico en función del tiempo.
- Exactitud en la reproducción de la señal en todo el rango de frecuencia del fenómeno físico.
- Exactitud en la reproducción de la señal de salida aún en ambientes adversos de extrema humedad, temperatura, impactos y vibraciones.
- Robustez y sencillez del diseño, que le permitan ser utilizado por personal sin experiencia.
- Intercambiable.
- Compatibilidad con el acondicionador de señal y preferentemente, integrados ambos en una sola unidad.
- Reducido costo y tamaño.
- Compatibilidad con sistemas normalizados de comunicación digital y analógica.
- Funciones de autodiagnóstico, compensación y detección de fallas internas.
- Bajos requerimientos de potencia eléctrica y poco exigente en la calidad del suministro de energía.
La selección de un instrumento no es una tarea sencilla debido a los múltiples factores que deben ser considerados:
- Existe un gran número de instrumentos similares disponibles en el mercado, con características que ocasionalmente no permiten una objetiva comparación.
- Cada instalación tiene características muy particulares: temperatura, vibraciones, impactos, humedad, corrosión, etc.
- El costo del instrumento, el cual usualmente va asociado a su exactitud y robustez. Debe encontrarse un punto de equilibrio costo-calidad.
- Requerimientos de mantenimiento y confiabilidad.
- La exactitud del instrumento puede estar afectada por variables del proceso correlacionadas con la medición: viscosidad, densidad, presión o temperatura, por ejemplo.
- Debe realizarse en atención al contexto de la instalación donde será utilizado
Adicionalmente, deberá proyectarse un valor estimado confiable de los resultados y la adquisición de cualquier equipo de medición estará sujeta al análisis de su aplicación particular inmediata y futura.
PROCESO DE SELECCIÓN
El Instrumentista, después de haber seleccionado los medidores que pueden realizar la misma tarea, debe escoger comparando las características de cada uno de ellos, para que cumpla con las condiciones de operación de la aplicación en particular. Sin embargo, las especificaciones están sujetas a variaciones considerables debido a muchos factores y relaciones. Luego se debe identificar los requerimientos de medición en base a: exactitud, repetibilidad, costo, confiabilidad, instalación, mantenimiento, visualización requerida. Cada término de la lista tiene varios grados de importancia en la selección, dependiendo de los requisitos de la aplicación, pudiéndosele dar un peso a cada criterio.
- La exactitud es uno de los primeros factores a ser considerados cuando se selecciona un medidor, debido a que una variable es medida para permitir la automatización y mejorar la calidad del producto final. La exactitud de un instrumento puede depender de los parámetros de operación tales como viscosidad, densidad, conductividad, presión y temperatura; además, puede necesitar calibración inicial, la cual puede ser afectada por las condiciones de operación, para eliminar los efectos de las tolerancias de fabricación. En aplicaciones como mediciones de calidad de petróleo, la exactitud es muy importante y es la característica básica a ser considerada en la selección del instrumento de medición. Sin embargo, no se debe escoger el instrumento más exacto en cada caso particular, debido a que esto incrementa el costo del mismo y disminuye la selección. Se debe determinar la importancia de la exactitud y el efecto que tendrá en la eficiencia de la planta y la calidad del producto, pero no se debe sobre-especificar.
- En muchos procesos la repetibilidad de un instrumento es de mayor importancia que su exactitud. Por ejemplo, en un instrumento solo para medición de campo de nivel de un fluido, si el instrumento da una lectura repetitiva estable, el valor de la exactitud de la medición tiene poca importancia.
- El costo es un factor crítico en la selección de cualquier equipo. Es relativamente fácil comparar costos de adquisición para un caso determinado, pero es difícil hacer comparaciones en forma general. Las variaciones de presión y temperatura, así como los materiales de construcción tienen diferentes efectos significativos.
- La instalación de un instrumento puede ser costosa, inconveniente y algunas veces imposible. Los requisitos de instalación pueden ser los factores decisivos en la selección de un instrumento, ya que, aunque no existan problemas, los costos de instalación se deben investigar. Después de comparar los costos de los materiales, el siguiente paso es considerar el costo de la instalación en función de la complejidad y requisitos de mano de obra. Cuando la instalación se ha finalizado, el instrumento tiene que ser operado y mantenido bajo un programa de mantenimiento, hacer ajustes debido a cambios en el proceso y chequear la calibración.
- Mantenimiento y confiabilidad son otros factores críticos; los cuales varían con el tipo de instrumento y con las variaciones en las condiciones de operación. Para cuantificar los costos de operación y mantenimiento se deben considerar los siguientes factores en relación al propósito de la aplicación: tiempo de trabajo/costo relacionado; valor de los componentes usados; repuestos requeridos a mantener; efectos de mantenimiento a lo largo del tiempo sobre la operación de la planta y eficiencia. En general, después de seleccionar un medidor apropiado para una aplicación, el mismo debe ser dimensionado y especificado para cumplir con la aplicación deseada, instalado bajo condiciones aceptables y luego, mantenido en óptimas condiciones de funcionamiento a través de un programa de mantenimiento adecuado.
- Para completar la selección del instrumento, se debe hacer uso de las normas recomendadas para el tipo de instrumento específico seleccionado.
MATRICES DE SELECCIÓN[1]
A continuación se presentan las matrices de selección de diferentes tipos de transductores según su aplicación, considerando los factores mas relevantes en sus características.
A continuación se presentan las matrices de selección de diferentes tipos de transductores según su aplicación, considerando los factores mas relevantes en sus características.
- Transductores de Presión[1]
Los instrumentos de presión se clasifican en: transductores mecánicos y transductores eléctricos y estos a su vez comprenden otros dispositivos. En la tabla A, se presentan algunos trnasductores de presión y sus características para la selección de cada uno.
Tabla "A".
Selección de los Transductores de Presión:
En la selección del instrumento debe existir compatibilidad entre el proceso y el instrumento a elegir. Considerando los valores presentados en la tabla anterior tenemos que:
Según la magnitud de la Presión a Medir:
- Para presiones alta se deben utilizar:
- Tubo de Bourdon (hasta 100 000 psi).
- Para presiones medias se deben utilizar:
- LVDT, Piezoeléctrico, Potenciométrico y Strain Gage. (hasta 10 000 psi).
- Para presiones bajas se deben utilizar:
- Diafragma y fuelle (hasta 28,466 psi).
- Capacitivo (hasta 14,696 psi).
Según la Exactitud:
- Alta se deben utilizar:
- Capacitivo, LVDT y Strain Gage (0,05 % a 0,25 %)
- Media se deben utilizar:
- Tubo de Bourdon, Diafragma y Fuelle (0,5 % a 1 %)
- Baja se deben utilizar:
- Piezoeléctrico y Potenciométrico (1 %).
Consideraciones adicionales:
Al escoger un dispositivo de presión se deben considerar además las siguientes características, para tratar de acoplarlo a las exigencias requeridas por el proceso en estudio:
- Ambiente de operación.
- Sobrepresión.
- Rango de temperatura.
- Susceptibilidad a golpes y vibraciones.
- Transductores de nivel:[1]
Los transductores de nivel que son generalmente elegidos para diferentes aplicaciones son los medidores de desplazamiento y de presión hidrostática debido a su simplicidad y confiabilidad. Otras técnicas disponibles como la capacitiva y el ultrasonido, están siendo usadas como una segunda selección si las primeras opciones presentan problemas debido a que los principios de medición de estos ofrecen la posibilidad de autochequeo a todo el instrumento. Esta posibilidad es particularmente importante para incrementar la disponibilidad y confiabilidad de los sistemas de protección.
Tabla "B".
Selección de los Transductores de Nivel:
El medidor de nivel seleccionado depende de las necesidades o condiciones de operación del sistema. Considerando los valores presentados en la Tabla B tenemos que:
Según las Características del Tanque:
- Tanques Abiertos se deben utilizar:
- Se pueden utilizar todos los dispositivos mencionados.
- Tanques no Presurizados se deben utilizar:
- Indicador de Cristal, Medidor de Ultrasonido, Medidor de Desplazamiento,
Instrumentos de flotador, Manométrico y Capacitivo.
- Tanques Presurizados se deben utilizar:
- Indicador de Cristal, Capacitivo, Medidor de Ultrasonido, Medidor de
Desplazamiento, Instrumentos de flotador
Según la Exactitud:
- Alta se deben utilizar:
- Medidor de Sonda, Medidor de Presión Diferencial, Indicador de Cristal (0,5%)
- Media se deben utilizar:
- Manométrico, Caja de Diafragma, Burbujeo, Capacitivo y Ultrasonido (1 %)
- Baja se deben utilizar:
- Instrumentos de Flotador y Medidor de desplazamiento (6,349%).
En la selección de un medidor de nivel de líquidos se requiere básicamente:
- Altura del tanque.
- Rango de nivel: máximo, normal, mínimo.
- Características del fluido.
- Transductores de flujo:[1]
Utilizando las características del fluido a ser medido (claridad, conductividad y viscosidad) es posible descartar rápidamente algunos medidores y disminuir la cantidad de estos que pueden realizar la misma tarea. En la tabla "C".
Tabla “C”.
- Transductores de temperatura:[1]
A continuación se presentan algunas características de los transductores de temperatura que ayudaran en la selección de los mismos. En la tabla "D", se muestra una comparación de los diferentes transductores de temperatura.
Tabla “D”.
2. ¿Necesito acondicionamiento de señales?
Un dispositivo DAQ de uso general puede medir o generar +/-5 V o +/-10 V. Algunos sensores generan señales muy difíciles o peligrosas de medir directamente con este tipo de dispositivo DAQ. La mayoría de los sensores requieren acondicionamiento de señales, como amplificación y filtros, antes que un dispositivo de DAQ pueda medir la señal de forma efectiva y precisa.
Por ejemplo, las señales de salida de termopares en el rango de mV que requieren amplificación para optimizar los límites de los convertidores analógicos-digitales (ADCs). Además, las medidas de termopar se benefician de los filtrado de paso bajo para eliminar ruido de alta frecuencia. El acondicionamiento de señales ofrece una clara ventaja sobre los dispositivos DAQ porque mejora el rendimiento y la precisión de las medidas de los sistemas DAQ.
La tabla "E" muestra un resumen de acondicionamiento de señales común para diferentes tipos de sensores y medidas.
- Transductores de Variables No Tradicionales:[5]
Peso:
Densidad:
Humedad y Punto de Rocío:
Viscosidad y Consistencia:
Los acondicionadores de señales analógicas se utilizan siempre que se miden y se controlan la temperatura, la presión, el nivel, el flujo, el peso, la velocidad, etc. como parte de un proceso de producción continuo o por lotes. Los acondicionadores de señales analógicas ayudan a evitar que estas medidas se degraden durante su trayecto desde el sitio donde se determinan hasta la sala de control protegiéndolas frente a influencias externas o problemas ocasionados por los métodos de instalación utilizados. Entre las industrias habituales donde se utilizan figuran centrales eléctricas, producción de acero, plantas de tratamiento y depuración de aguas, producción de petróleo y gas, y procesamiento químico.
Estas señales con frecuencia se encuentran en procesos que se desarrollan en entornos industriales hostiles o expuestos a la intemperie. Estas condiciones ambientales pueden afectar considerablemente a la calidad de la señal transmitida y también pueden cambiar constantemente. Además, estos procesos industriales con frecuencia requieren que las señales puedan transmitirse con precisión a través de grandes distancias. Por todos estos motivos y muchos otros, con frecuencia es necesario realizar el acondicionamiento de las señales analógicas entre los
instrumentos de medición y el sistema de control. El acondicionamiento de las señales analógicas es una práctica utilizada desde hace mucho tiempo en numerosas industrias de procesamiento, como las de petróleo y gas, las de productos farmacéuticos y químicos, donde suelen utilizarse señales eléctricas normalizadas. Las corrientes de 0...20 mA o 4...20 mA y los voltajes de 0...10 VCC son los especificados con más frecuencia por los ingenieros de control.
Con varios dispositivos de adquisición de datos (DAQ) para escoger, puede ser difícil seleccionar el adecuado para su aplicación. En este apartado se describen cinco preguntas que usted debe hacerse al seleccionar su hardware:
1. ¿Qué tipos de señales necesito para medir o generar?
De acuerdo a las señales en su aplicación, usted puede comenzar a considerar cuál dispositivo DAQ usar.
Funciones de Dispositivos DAQ:
Los dispositivos DAQ multifunción tienen un cantidad de fija de canales, pero ofrecen una combinación entradas analógicas, salidas analógicas, entradas/salidas digitales y contadores. Los dispositivos multifunción soportan diferentes tipos de E/S, lo cual le brinda la habilidad de resolver diferentes aplicaciones que no podría un dispositivo DAQ de una sola función.
Otra opción es una plataforma modular que usted puede personalizar para sus requerimientos. Un sistema modular consiste en un chasis para controlar temporización y sincronización y una variedad de módulos de E/S. Una ventaja de un sistema modular es que usted puede seleccionar diferentes módulos que tienen fines exclusivos, para que sean posibles más configuraciones. Con esta opción, usted puede encontrar módulos que realizan una función con mayor precisión que un dispositivo multifunción. Otra ventaja de un sistema modular es la habilidad de seleccionar el número de ranuras para su chasis. Un chasis tiene un número fijo de ranuras, pero usted puede comprar un chasis que tiene más ranuras de las que usted ahora necesita para tener la habilidad de ampliar en el futuro.
Con varios dispositivos de adquisición de datos (DAQ) para escoger, puede ser difícil seleccionar el adecuado para su aplicación. En este apartado se describen cinco preguntas que usted debe hacerse al seleccionar su hardware:
- ¿Qué tipos de señales necesito para medir o generar?
- ¿Necesito acondicionamiento de señales?
- ¿Qué tan rápido necesito adquirir o generar muestreos de la señal?
- ¿Cuál es el menor cambio en la señal que necesito detectar?
- ¿Cuánto error de medida permite mi aplicación?
De acuerdo a las señales en su aplicación, usted puede comenzar a considerar cuál dispositivo DAQ usar.
Funciones de Dispositivos DAQ:
- Entradas analógicas miden señales analógicas
- Salidas analógicas generan señales analógicas
- Entradas/salidas digitales miden y generan señales digitales
- Contadores/temporizadores cuentan eventos digitales o generan pulsos/señales digitales
Los dispositivos DAQ multifunción tienen un cantidad de fija de canales, pero ofrecen una combinación entradas analógicas, salidas analógicas, entradas/salidas digitales y contadores. Los dispositivos multifunción soportan diferentes tipos de E/S, lo cual le brinda la habilidad de resolver diferentes aplicaciones que no podría un dispositivo DAQ de una sola función.
Otra opción es una plataforma modular que usted puede personalizar para sus requerimientos. Un sistema modular consiste en un chasis para controlar temporización y sincronización y una variedad de módulos de E/S. Una ventaja de un sistema modular es que usted puede seleccionar diferentes módulos que tienen fines exclusivos, para que sean posibles más configuraciones. Con esta opción, usted puede encontrar módulos que realizan una función con mayor precisión que un dispositivo multifunción. Otra ventaja de un sistema modular es la habilidad de seleccionar el número de ranuras para su chasis. Un chasis tiene un número fijo de ranuras, pero usted puede comprar un chasis que tiene más ranuras de las que usted ahora necesita para tener la habilidad de ampliar en el futuro.
2. ¿Necesito acondicionamiento de señales?
Un dispositivo DAQ de uso general puede medir o generar +/-5 V o +/-10 V. Algunos sensores generan señales muy difíciles o peligrosas de medir directamente con este tipo de dispositivo DAQ. La mayoría de los sensores requieren acondicionamiento de señales, como amplificación y filtros, antes que un dispositivo de DAQ pueda medir la señal de forma efectiva y precisa.
Por ejemplo, las señales de salida de termopares en el rango de mV que requieren amplificación para optimizar los límites de los convertidores analógicos-digitales (ADCs). Además, las medidas de termopar se benefician de los filtrado de paso bajo para eliminar ruido de alta frecuencia. El acondicionamiento de señales ofrece una clara ventaja sobre los dispositivos DAQ porque mejora el rendimiento y la precisión de las medidas de los sistemas DAQ.
La tabla "E" muestra un resumen de acondicionamiento de señales común para diferentes tipos de sensores y medidas.
Tabla "E" Acondicionamiento de Señales para Tipos de Sensores y Medidas
Si su sensor está enlistado en la tabla "E", debe considerar el acondicionamiento de señales. Usted puede añadir acondicionamiento de señales externo o decidir usar un dispositivo DAQ con acondicionamiento de señales integrado. Varios dispositivos también incluyen conectividad integrada para sensores específicos para una integración oportuna.
3. ¿Qué tan rápido necesito adquirir o generar muestreos de la señal?
Una de las especificaciones más importantes de un dispositivo DAQ es la velocidad de muestreo, la cual es la velocidad a la cual el ADC del dispositivo DAQ realiza muestreos de una señal. Las velocidades de muestreo típicas son temporizadas ya sea por hardware o software y son hasta velocidades de 2 MS/s. La velocidad de muestreo para su aplicación depende del componente de la señal de máxima frecuencia que está tratando de medir o generar.
El Teorema de Nyquist indica que usted puede reconstruir de manera precisa una señal al muestrear dos veces el componente con la frecuencia más alta. Sin embargo, en la práctica, usted debe muestrear por lo menos 10 veces la máxima frecuencia para representar la forma de su señal. Al escoger un dispositivo DAQ con una velocidad de muestreo por lo menos 10 veces la frecuencia de su señal, asegura que usted mide o genera una representación más precisa de su señal.
Por ejemplo, supongamos que usted desea medir una onda sinusoidal en su aplicación que tiene una frecuencia de 1 kHz. De acuerdo al Teorema de Nyquist, debe muestrear a 2 kHz por lo menos pero se recomienda altamente muestrear a 10 kHz para medir o generar una representación más precisa de su señal.
Una vez que conoce el componente de la señal de máxima frecuencia que desea medir o generar, puede escoger un dispositivo DAQ con la razón de muestreo apropiada para la aplicación.
Una de las especificaciones más importantes de un dispositivo DAQ es la velocidad de muestreo, la cual es la velocidad a la cual el ADC del dispositivo DAQ realiza muestreos de una señal. Las velocidades de muestreo típicas son temporizadas ya sea por hardware o software y son hasta velocidades de 2 MS/s. La velocidad de muestreo para su aplicación depende del componente de la señal de máxima frecuencia que está tratando de medir o generar.
El Teorema de Nyquist indica que usted puede reconstruir de manera precisa una señal al muestrear dos veces el componente con la frecuencia más alta. Sin embargo, en la práctica, usted debe muestrear por lo menos 10 veces la máxima frecuencia para representar la forma de su señal. Al escoger un dispositivo DAQ con una velocidad de muestreo por lo menos 10 veces la frecuencia de su señal, asegura que usted mide o genera una representación más precisa de su señal.
Por ejemplo, supongamos que usted desea medir una onda sinusoidal en su aplicación que tiene una frecuencia de 1 kHz. De acuerdo al Teorema de Nyquist, debe muestrear a 2 kHz por lo menos pero se recomienda altamente muestrear a 10 kHz para medir o generar una representación más precisa de su señal.
Una vez que conoce el componente de la señal de máxima frecuencia que desea medir o generar, puede escoger un dispositivo DAQ con la razón de muestreo apropiada para la aplicación.
4. ¿Cuál es el menor cambio en la señal que necesito detectar?
El cambio más pequeño que puede ser detectado en la señal determina la resolución que es requerida por su dispositivo DAQ. La resolución se refiere al número de niveles binarios que puede utilizar el ADC para representar una señal. Para ilustrar este punto, imagine cómo una onda sinusoidal sería representada si fuera pasada por un ADC con diferentes resoluciones. La Figura 2 compara un ADC de 3 bits y un ADC de 16 bits. Un ADC de 3 bits puede representar ocho (23) niveles de voltaje discreto. Un ADC de 16 bits puede representar 65,536 (216) niveles de voltaje discreto. La representación de la onda sinusoidal con una resolución de 3 bits se parece más a una función que a una onda sinusoidal mientras que el ADC de 16 bits ofrece una onda sinusoidal más clara.
Los dispositivos DAQ típicos tienen rangos de voltaje de +/-5 V o +/-10 V. Los niveles de voltaje que pueden ser representados son distribuidos uniformemente en todo un rango seleccionado para aprovechar toda la resolución. Por ejemplo, un dispositivo DAQ con un rango de +/-10 V y resolución de 12 bits (212 o 4,096 niveles distribuidos uniformemente) puede detectar un cambio de 5 mV, mientras que un dispositivo con 16 bits de resolución (216 o 65,536 niveles distribuidos uniformemente) puede detectar un cambio de 300 µV. Varios requerimientos de aplicación se cumplen con dispositivos que tienen 12, 16 o 18 bits e resolución. Sin embargo, si usted está midiendo sensores con pequeños y grandes rangos de voltaje, es probable que pueda beneficiarse del rango dinámico de datos disponible con dispositivos de 24 bits. El rango de voltaje y la resolución requeridos para su aplicación son factores principales en seleccionar el dispositivo adecuado.
El cambio más pequeño que puede ser detectado en la señal determina la resolución que es requerida por su dispositivo DAQ. La resolución se refiere al número de niveles binarios que puede utilizar el ADC para representar una señal. Para ilustrar este punto, imagine cómo una onda sinusoidal sería representada si fuera pasada por un ADC con diferentes resoluciones. La Figura 2 compara un ADC de 3 bits y un ADC de 16 bits. Un ADC de 3 bits puede representar ocho (23) niveles de voltaje discreto. Un ADC de 16 bits puede representar 65,536 (216) niveles de voltaje discreto. La representación de la onda sinusoidal con una resolución de 3 bits se parece más a una función que a una onda sinusoidal mientras que el ADC de 16 bits ofrece una onda sinusoidal más clara.
Gráfica de resolución de 16 Bits en comparación con resolución de 3 Bits de una onda sinusoidal.
Los dispositivos DAQ típicos tienen rangos de voltaje de +/-5 V o +/-10 V. Los niveles de voltaje que pueden ser representados son distribuidos uniformemente en todo un rango seleccionado para aprovechar toda la resolución. Por ejemplo, un dispositivo DAQ con un rango de +/-10 V y resolución de 12 bits (212 o 4,096 niveles distribuidos uniformemente) puede detectar un cambio de 5 mV, mientras que un dispositivo con 16 bits de resolución (216 o 65,536 niveles distribuidos uniformemente) puede detectar un cambio de 300 µV. Varios requerimientos de aplicación se cumplen con dispositivos que tienen 12, 16 o 18 bits e resolución. Sin embargo, si usted está midiendo sensores con pequeños y grandes rangos de voltaje, es probable que pueda beneficiarse del rango dinámico de datos disponible con dispositivos de 24 bits. El rango de voltaje y la resolución requeridos para su aplicación son factores principales en seleccionar el dispositivo adecuado.
5. ¿Cuánto error de medida permite mi aplicación?
La precisión es definida como una medida de la habilidad de un instrumento para indicar fielmente el valor de una señal medida. Este término no está relacionado con la resolución; sin embargo, la precisión nunca puede ser mejor que la resolución del instrumento. Como usted especifica la exactitud de su medida depende del tipo de dispositivo de medida. Un instrumento ideal siempre mide el valor verdadero con 100% de certeza, pero en realidad los instrumentos reportan un valor con una incertidumbre especificada por el fabricante. La incertidumbre puede depender de varios factores, como ruido del sistema, error de ganancia, error de desfase y no linealidad. Una especificación común para una incertidumbre del fabricante es la precisión absoluta. Esta especificación ofrece el error en el peor de los casos de un dispositivo DAQ en un rango específico. Un cálculo ejemplo de una precisión absoluta de un dispositivo multifunción de National Instruments es el siguiente:
Es importante notar que una precisión de instrumento no solamente depende del instrumento, sino también del tipo de señal medida. Si la señal medida es ruidosa, la precisión de la medida es afectada adversamente. Existen una amplia serie de dispositivos DAQ con diversos grados de precisión y precio. Algunos dispositivos pueden ofrecer auto-calibración, aislamiento y otros circuitos para mejorar la precisión. Mientras que un dispositivo DAQ básico puede ofrecer una precisión absoluta arriba de 100 mV, un dispositivo de mayor rendimiento con dichas características puede tener una precisión absoluta de 1 mV. Una vez que usted a comprendido sus requerimientos de precisión, usted puede escoger un dispositivo DAQ con una precisión absoluta que cumple con sus necesidades de aplicación.
La precisión es definida como una medida de la habilidad de un instrumento para indicar fielmente el valor de una señal medida. Este término no está relacionado con la resolución; sin embargo, la precisión nunca puede ser mejor que la resolución del instrumento. Como usted especifica la exactitud de su medida depende del tipo de dispositivo de medida. Un instrumento ideal siempre mide el valor verdadero con 100% de certeza, pero en realidad los instrumentos reportan un valor con una incertidumbre especificada por el fabricante. La incertidumbre puede depender de varios factores, como ruido del sistema, error de ganancia, error de desfase y no linealidad. Una especificación común para una incertidumbre del fabricante es la precisión absoluta. Esta especificación ofrece el error en el peor de los casos de un dispositivo DAQ en un rango específico. Un cálculo ejemplo de una precisión absoluta de un dispositivo multifunción de National Instruments es el siguiente:
Precisión Absoluta = ([Lectura*Error de Ganancia] + [Rango de Voltaje*Error de Desfase + Incertidumbre de Ruido)
Precisión Absoluta = 2.2 mV
Precisión Absoluta = 2.2 mV
Es importante notar que una precisión de instrumento no solamente depende del instrumento, sino también del tipo de señal medida. Si la señal medida es ruidosa, la precisión de la medida es afectada adversamente. Existen una amplia serie de dispositivos DAQ con diversos grados de precisión y precio. Algunos dispositivos pueden ofrecer auto-calibración, aislamiento y otros circuitos para mejorar la precisión. Mientras que un dispositivo DAQ básico puede ofrecer una precisión absoluta arriba de 100 mV, un dispositivo de mayor rendimiento con dichas características puede tener una precisión absoluta de 1 mV. Una vez que usted a comprendido sus requerimientos de precisión, usted puede escoger un dispositivo DAQ con una precisión absoluta que cumple con sus necesidades de aplicación.
- Presentación (BUS y PC):[4]
Los dispositivos DAQ se conectan a una PC a través de una ranura o puerto. El bus de la PC sirve como la interfaz de comunicación entre el dispositivo DAQ y la PC para pasar instrucciones y datos medidos. Los dispositivos DAQ se ofrecen en los buses de PC más comunes, incluyendo USB, PCI, PCI Express y Ethernet. Recientemente, los dispositivos DAQ han llegado a estar disponibles para 802.11 Wi-Fi para comunicación inalámbrica. Hay varios tipos de buses y cada uno de ellos ofrece diferentes ventajas para diferentes tipos de aplicaciones.
Una PC con software programable controla la operación del dispositivo DAQ y es usada para procesar, visualizar y almacenar datos de medida. Diferentes tipos de PCs son usadas en diferentes tipos de aplicaciones. Una PC de escritorio se puede utilizar en un laboratorio por su poder de procesamiento, una laptop se puede utilizar por su portabilidad o una PC industrial se puede utilizar en una planta de producción por su robustez.
Cada bus tiene distintas ventajas y es optimizado para rendimiento, latencia, portabilidad o distancia desde un servidor. Esta nota técnica examina las opciones de bus de la PC más común y describe las consideraciones técnicas que se deben tener en mente al escoger el bus adecuado para su aplicación de medida.
Preguntas que debe hacerse para escoger el Bus adecuado:
1. ¿Cuántos datos voy a estar escribiendo a través de este bus?
Todos los buses de la PC tienen un límite de la cantidad de datos que pueden ser transferidos en un cierto periodo de tiempo. Esto se conoce como el ancho de banda del bus y generalmente es especificado en megabytes por segundo (MB/s). Si las medidas de forma de onda dinámica son importantes en su aplicación, asegúrese de considerar un bus con suficiente ancho de banda.
Dependiendo del bus que escoja, el ancho de banda total puede ser compartido entre varios dispositivos o dedicado a ciertos dispositivos. El bus PCI, por ejemplo, tiene un ancho de banda teórico de 132 MB/s que es compartido entre todas las tarjetas PCI en la PC. Ethernet en Gigabits ofrece 125 MB/s compartidos entre los dispositivos en una red o subred. Los buses que ofrecen ancho de banda dedicado, como PCI Express y PXI Express, ofrecen el máximo rendimiento de datos por dispositivo.
Cuando se realizan medidas de forma de onda, usted tiene cierta razón de muestreo y resolución que necesitan ser alcanzadas dependiendo que tan rápido esté cambiando su señal. Puede calcular el mínimo ancho de banda requerido al realizar el número de bytes por muestreo (redondeado al siguiente byte), multiplicado por la velocidad de muestreo y después multiplicado por el número de canales.
Por ejemplo, un dispositivo de 16 bits (2 bytes) que muestrea a 4 MS/s en cuatro canales, debe ser
El ancho de banda de su bus necesita soportar la velocidad a la cual los datos son adquiridos y es importante notar que el ancho de banda actual del sistema será menor que los límites del bus teórico. El ancho de banda actual observado depende del número de dispositivos en un sistema y cualquier tráfico del bus adicional por sobrecarga. Si necesita escribir muchos datos en un gran número de canales, el ancho de banda debe ser la consideración más importante al escoger su bus DAQ.
2. ¿Cuáles son mis requerimientos de E/S de un solo punto?
Las aplicaciones que requieren lecturas y escrituras de un solo punto, generalmente dependen de que los valores de E/S sean actualizados inmediatamente y consistentemente. De acuerdo en cómo son implementadas las arquitecturas del bus en hardware y software, los requerimientos de E/S de un solo punto pueden ser el factor determinante para el bus que escoja.
La latencia del bus el tiempo de demora entre que la función del software controlador es llamada y el valor actual de hardware de la E/S es actualizado. Dependiendo del bus que escoja, esta demora podría oscilar entre menos de un microsegundo y algunos milisegundos.
En un sistema de control proporcional integral derivativo (PID), por ejemplo, la latencia del bus puede impactar directamente la velocidad máxima del ciclo de control.
Otro factor importante en aplicaciones de E/S de un solo punto es el determinismo, que mide qué tan regularmente la E/S puede ejecutarse a tiempo. Los buses que siempre tienen la misma latencia al comunicarse con E/S son más determinísticos que los buses que pueden variar su grado de reacción. El determinismo es importante para controlar aplicaciones ya que tiene impacto directamente en la fiabilidad del ciclo de control y varios algoritmos de control son diseñados con la expectativa de que el ciclo de control siempre se ejecute a una razón constante. Cualquier desviación de la razón esperada hace al sistema de control menos efectivo y menos confiable. Por consiguiente, al implementar aplicaciones de control de ciclo cerrado, debe evitar buses como inalámbricos, Ethernet o USB que son altos en latencia con escaso determinismo.
La parte del software que determina cómo un bus de comunicación es implementado juega una parte importante en la latencia y el determinismo del bus. Los buses y los controladores de software que tienen soporte para SOs en tiempo real proporcionan el mejor determinismo y por lo tanto le brindan el rendimiento más alto. En general, los buses internos como PCI Express y PXI Express son mejores para aplicaciones de E/S de un solo punto de baja latencia que los buses externos como USB e inalámbricos.
Una PC con software programable controla la operación del dispositivo DAQ y es usada para procesar, visualizar y almacenar datos de medida. Diferentes tipos de PCs son usadas en diferentes tipos de aplicaciones. Una PC de escritorio se puede utilizar en un laboratorio por su poder de procesamiento, una laptop se puede utilizar por su portabilidad o una PC industrial se puede utilizar en una planta de producción por su robustez.
Cada bus tiene distintas ventajas y es optimizado para rendimiento, latencia, portabilidad o distancia desde un servidor. Esta nota técnica examina las opciones de bus de la PC más común y describe las consideraciones técnicas que se deben tener en mente al escoger el bus adecuado para su aplicación de medida.
Preguntas que debe hacerse para escoger el Bus adecuado:
- ¿Cuántos datos voy estar escribiendo a través de este bus?
- ¿Cuáles son mis requerimientos de E/S de un solo punto?
- ¿Tengo que sincronizar múltiples dispositivos?
- ¿Qué tan portátil debe ser este sistema?
- ¿Cuál es la distancia entre mis medidas y mi PC?
Todos los buses de la PC tienen un límite de la cantidad de datos que pueden ser transferidos en un cierto periodo de tiempo. Esto se conoce como el ancho de banda del bus y generalmente es especificado en megabytes por segundo (MB/s). Si las medidas de forma de onda dinámica son importantes en su aplicación, asegúrese de considerar un bus con suficiente ancho de banda.
Dependiendo del bus que escoja, el ancho de banda total puede ser compartido entre varios dispositivos o dedicado a ciertos dispositivos. El bus PCI, por ejemplo, tiene un ancho de banda teórico de 132 MB/s que es compartido entre todas las tarjetas PCI en la PC. Ethernet en Gigabits ofrece 125 MB/s compartidos entre los dispositivos en una red o subred. Los buses que ofrecen ancho de banda dedicado, como PCI Express y PXI Express, ofrecen el máximo rendimiento de datos por dispositivo.
Cuando se realizan medidas de forma de onda, usted tiene cierta razón de muestreo y resolución que necesitan ser alcanzadas dependiendo que tan rápido esté cambiando su señal. Puede calcular el mínimo ancho de banda requerido al realizar el número de bytes por muestreo (redondeado al siguiente byte), multiplicado por la velocidad de muestreo y después multiplicado por el número de canales.
Por ejemplo, un dispositivo de 16 bits (2 bytes) que muestrea a 4 MS/s en cuatro canales, debe ser
El ancho de banda de su bus necesita soportar la velocidad a la cual los datos son adquiridos y es importante notar que el ancho de banda actual del sistema será menor que los límites del bus teórico. El ancho de banda actual observado depende del número de dispositivos en un sistema y cualquier tráfico del bus adicional por sobrecarga. Si necesita escribir muchos datos en un gran número de canales, el ancho de banda debe ser la consideración más importante al escoger su bus DAQ.
2. ¿Cuáles son mis requerimientos de E/S de un solo punto?
Las aplicaciones que requieren lecturas y escrituras de un solo punto, generalmente dependen de que los valores de E/S sean actualizados inmediatamente y consistentemente. De acuerdo en cómo son implementadas las arquitecturas del bus en hardware y software, los requerimientos de E/S de un solo punto pueden ser el factor determinante para el bus que escoja.
La latencia del bus el tiempo de demora entre que la función del software controlador es llamada y el valor actual de hardware de la E/S es actualizado. Dependiendo del bus que escoja, esta demora podría oscilar entre menos de un microsegundo y algunos milisegundos.
En un sistema de control proporcional integral derivativo (PID), por ejemplo, la latencia del bus puede impactar directamente la velocidad máxima del ciclo de control.
Otro factor importante en aplicaciones de E/S de un solo punto es el determinismo, que mide qué tan regularmente la E/S puede ejecutarse a tiempo. Los buses que siempre tienen la misma latencia al comunicarse con E/S son más determinísticos que los buses que pueden variar su grado de reacción. El determinismo es importante para controlar aplicaciones ya que tiene impacto directamente en la fiabilidad del ciclo de control y varios algoritmos de control son diseñados con la expectativa de que el ciclo de control siempre se ejecute a una razón constante. Cualquier desviación de la razón esperada hace al sistema de control menos efectivo y menos confiable. Por consiguiente, al implementar aplicaciones de control de ciclo cerrado, debe evitar buses como inalámbricos, Ethernet o USB que son altos en latencia con escaso determinismo.
La parte del software que determina cómo un bus de comunicación es implementado juega una parte importante en la latencia y el determinismo del bus. Los buses y los controladores de software que tienen soporte para SOs en tiempo real proporcionan el mejor determinismo y por lo tanto le brindan el rendimiento más alto. En general, los buses internos como PCI Express y PXI Express son mejores para aplicaciones de E/S de un solo punto de baja latencia que los buses externos como USB e inalámbricos.
3. ¿Tengo que sincronizar múltiples dispositivos?
Varios sistemas de medidas tienen necesidades complejas de sincronización si están sincronizando cientos de canales de entrada o múltiples tipos de instrumentos. Un sistema de estímulo-respuesta, por ejemplo, puede requerir que los canales de salida compartan los mismos relojes de muestreo y disparos en estrella que los canales de entrada para correlacionar la E/S y analizar mejor los resultados. Los dispositivos DAQ en diferentes buses ofrecen diferentes maneras de lograr esto. La manera más simple para sincronizar medidas en múltiples dispositivos es compartir un reloj y un disparo. Varios dispositivos DAQ ofrecen líneas digitales programables para importar y exportar los relojes y los disparos. Algunos dispositivos ofrecen líneas de disparo especializadas con conectores BNC. Estas líneas de disparo externas son comunes en los dispositivos USB y Ethernet, cuando el hardware DAQ es ubicado dentro de la cubierta de la PC. Sin embargo, ciertos buses tienen líneas integradas de temporización y disparo adicionales para hacer la sincronización de múltiples dispositivos lo más fácil posible. Las tarjetas PCI y PCI Express ofrecen el bus de Integración de Sistema en Tiempo Real (RTSI), en el cual varias tarjetas en un sistema de PC de escritorio pueden ser cableadas directamente dentro de la caja. Esto elimina la necesidad de cableado adicional a través del conector frontal y simplifica la conectividad de E/S.
La mejor opción de bus para sincronizar múltiples dispositivos es la plataforma PXI, incluyendo PXI y PXI Express. Este estándar fue diseñado específicamente para sincronización y disparo de alto rendimiento, con diferentes opciones para sincronizar módulos de E/S en el mismo chasis, así como sincronizar varios chasis.
La mejor opción de bus para sincronizar múltiples dispositivos es la plataforma PXI, incluyendo PXI y PXI Express. Este estándar fue diseñado específicamente para sincronización y disparo de alto rendimiento, con diferentes opciones para sincronizar módulos de E/S en el mismo chasis, así como sincronizar varios chasis.
4. ¿Qué tan portátil debe ser este sistema?
La dramática adopción del cómputo portátil es innegable y ha ofrecido nuevas maneras de innovar con adquisición de datos basada en PC. La portabilidad es un factor importante para varias aplicaciones y podría ser la razón principal para escoger un bus u otro. Las aplicaciones DAQ portátiles, por ejemplo, se benefician del hardware que es compacto y transportable. Los buses externos como USB y Ethernet son particularmente buenos para sistemas DAQ portátiles por la rápida instalación del hardware y la compatibilidad con PCs portátiles. Los dispositivos USB energizados por Bus ofrecen comodidades adicionales ya que no requieren de una fuente de alimentación separada y son apagados por el puerto USB. Usar buses de transferencia de datos inalámbrica es otra buena opción de portabilidad ya que el hardware de medida se vuelve portátil mientras que la PC se mantiene fija.
5. ¿Qué tan alejadas estarán mis medidas de mi PC?
La distancia entre las medidas que usted necesita y dónde es ubicada la PC puede variar fuertemente de una aplicación a otra. Para lograr la mejor integridad de la señal y precisión de la medida, debe colocar su hardware DAQ lo más cerca posible de la fuente de señal. Esto puede representar un reto para medidas distribuidas como aquellas usadas para monitoreo de estado estructural y monitoreo del medio ambiente. Llevar cables largos a lo largo de una fuente o planta de producción es costoso y puede dar como resultado señales con interferencias. Una solución a este problema es usar una plataforma de cómputo portátil para mover todo el sistema más cerca de la fuente de señal. Con tecnología inalámbrica, se elimina la conexión física entre la PC y el hardware de medidas y usted puede realizar medidas distribuidas y enviar los datos de regreso a una ubicación central.
Guía para Selección de los Buses Más Comunes
PREGUNTAS FRECUENTES
- ¿Qué factores se deben tomar en cuenta a la hora del dimensionamiento de un sistema de medición?
- ¿El medio ambiente en donde se va a tomar las mediciones es un factor importante a considerar para la selección de los instrumentos de medición?
- ¿El rango de comportamiento de la variable a medir es un factor importante a la hora de seleccionar el instrumento de medición adecuado?
- ¿Siempre es necesario el acondicionamiento de señales?
- ¿Cuáles son las ventajas de emplear un DAQ multifunción?
- ¿Cuánto error de medida permite mi aplicación?
PRÁCTICA
Una
planta refinadora de crudo, desea instrumentar un proceso de desasfaltación. El
citado fenómeno ocurre en un mixer, equipo que permite mezclar dos corrientes
liquidas, una de crudo altamente viscoso con sólidos en suspensión y con un
corte de agua de 25% y proveniente de un calentador con temperatura aproximada de entre 120°C a 130°C y otra de un compuesto
químico en flujo y temperatura constante que en contacto con el crudo en
temperatura y flujo adecuados desencadenan un proceso de descomposición del
cual se obtiene una mezcla de desechos sólidos y una corriente de crudo liviano.
La mezcla de crudo y químico debe estar en una
temperatura regulada de entre 125 °C y 128°C con una exactitud de 0.5%, por lo
que se necesita conocer la temperatura en el mezclador. Asimismo debe tener un
flujo regular de 50 gal/min con una exactitud de 1% cuando pasa a través del
mixer, razón por la cual debe conocerse el flujo de crudo inyectado. Una vez
que pasa la etapa de mezclado se envía al
decantador de sólidos, con la finalidad de separar por gravedad el desecho
solido de la corriente de crudo liviano. En este sentido también se desea
conocer el nivel que tendrá el decantador con una alta exactitud de 0.8%; el
mismo está formado por un recipiente cilíndrico completamente sellado y con una
presión máxima de 1500PSI que albergará
una mezcla de sólidos pesados y crudo liviano. Todas estas señales, deben ser
concentradas en una sala de adquisición de datos y control ubicada a 250mts del
proceso, desde donde se planean realizar los controles autoregulatorios del
proceso.
¿Cuáles
cree usted que son los instrumentos más adecuados para instalar en este proceso
considerando los datos expuestos?
RESULTADOS DE LA PRÁCTICA
Seguidamente, atendiendo a la medición de temperatura, se dice que el rango de regulación estará entre los 120°C y los 130°, con una exactitud de 0.5%, nuevamente acudiendo a la tabla "D", puede decirse que el más adecuado es el termómetro de CI por cuanto maneja la exactitud y el rango más acorde a la medición.
Por último, para determinar el instrumento de nivel, es necesario considerar en primer lugar la presión máxima del líquido a medir (2000 PSI para este caso), el tipo de producto dentro del recipiente (en este caso una interfaz liquida-solido) y además la exactitud de la medición (0.8%). En la medición de esta variable según la tabla "B" el instrumento más adecuado es el medidor de presión diferencial.
CUESTIONARIO
AUTOEVALUACIÓN (test)
Primero
se abordará la variable Flujo, atendiendo a la característica fundamental
aportada en la descripción, el fluido a sensar es altamente viscoso y sucio,
adicionalmente se expone que tendrá una temperatura oscilando entre los 120°C y
los 130°C. Consultando la tabla "C", puede concluirse que el medidor electromagnético
es el indicado, por cuanto permite sensar fluidos viscosos, tanto limpios como
sucios, pero además conductivos. El petróleo con corte de agua permite la
conductividad en cierta proporción.
Seguidamente, atendiendo a la medición de temperatura, se dice que el rango de regulación estará entre los 120°C y los 130°, con una exactitud de 0.5%, nuevamente acudiendo a la tabla "D", puede decirse que el más adecuado es el termómetro de CI por cuanto maneja la exactitud y el rango más acorde a la medición.
Por último, para determinar el instrumento de nivel, es necesario considerar en primer lugar la presión máxima del líquido a medir (2000 PSI para este caso), el tipo de producto dentro del recipiente (en este caso una interfaz liquida-solido) y además la exactitud de la medición (0.8%). En la medición de esta variable según la tabla "B" el instrumento más adecuado es el medidor de presión diferencial.
CUESTIONARIO
AUTOEVALUACIÓN (test)
BIBLIOGRAFÍA
[1] Capitulo 6: Selección de Instrumentos, Prof. Oscar O. Cárdenas S., ULA, Venezuela.
http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/oscaror/CursosDictados/web%20instrumentacion%20industrial/1%20transductores%20para%20procesos%20industriales/libro%20pdf/CAP%206%20Selecci%F3n.pdf
[2] Acondicionadores de señales Boletín 931, Allen Bradley.
http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/td/931-td001_-es-p.pdf
[3] ¿Qué es la Adquisición de Datos?, National Instrument.
http://www.ni.com/data-acquisition/what-is/esa/
[4] ¿Cómo escoger el Hardware DAQ Adecuado para su Sistema de Medidas?, National Instrument.
http://www.ni.com/white-paper/13655/es/
[5] Instrumentación Industrial. Antonio Creus Sole. 6ta Edición. 1998. AlfaOmega Grupo Editor.
[6] Sistemas de Medición e Instrumentación, Diseño y Aplicación. Ernest E. Doebelin. 5ta Edición. 2005. McGraw-Hill.
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