Instrumentacion digital 1

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TransmisoresDigitales

Unidad I


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ÍNDICEUNIDAD 1 : “Transmisores Digitales”

1. TRANSMISORES DIGITALES ...................................................................................... 31.1. TRASNMISOR “INTELLIGENT”:.......................................................................... 41.2. TRANSMISOR “SMART”..................................................................................... 41.3. TRANMISOR DIGITAL ....................................................................................... 5

2. DIFERENCIAS ENTRE LOS TRANSMISORES DIGITALES Y LOS ANALÒGICOS ................ 53. VENTAJAS DE LOS TRANSMISORES DIGITALES .......................................................... 54. VENTAJA DE LOS TRANSMISORES ANALOGICOS ........................................................ 65. DESVENTAJAS DE LOS TRANSMISORES ANALOGICOS ................................................ 66. TIEMPO REAL ........................................................................................................... 77. VÀLVULAS INTELIGENTES DE CONTROL .................................................................... 88. RESUMEN................................................................................................................. 99. EJEMPLOS DE APLICACIÒN: .....................................................................................1010. AUTOCOMPROBACIÓN .............................................................................................1311. GLOSARIO...............................................................................................................1412. BIBLIOGRAFÍA.........................................................................................................15


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UNIDAD 1

“TRANSMISORES DIGITALES”

Introducción

Al cambiar un instrumento analógico por uno digital se debe conocer cuáles son las nuevasposibilidades y qué limitaciones hay.Se debe conocer cuáles son las diferencias entre un transmisor o una válvula inteligente,respecto a un instrumento analógico.

Objetivos

• Diferenciar entre los instrumentos “intelligent”, “smart” y digitales.• Identificar las ventajas y desventajas de un instrumento digital con respecto a un analógico.• Definir si un instrumento digital está trabajando en tiempo real.• Enumerar las ventajas y desventajas de una válvula digital de control.

1. TRANSMISORES DIGITALES

Recordemos algunos conceptos:

• Una señal análoga varia en forma continua con respecto al tiempo.• Una señal digital tiene valores discretos, representados por números.• Una señal análoga es digitalizada con un ADC.• Debido al tiempo necesario para cuantificar una señal los instrumentos digitales no

realizan una medición continua, sólo se toman muestras (samples) de la señal.

Figura 1Conversión Analógica / Digital


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Los transmisores digitales digitalizan la señal análoga medida y utilizan un microprocesador.

Se clasifican en:

1.1. TRASNMISOR “INTELLIGENT”:

Al poseer un microprocesador realiza funciones que no hacen los analógicos: linealiza,compensa en función de otra variable medida o algoritmos y otras.

Figura 2Señales de Entrada y Salida de un Transmisor “Intelligent” o de un “Smart

1.2. TRANSMISOR “SMART”

Su salida es analógica de 4 a 20 mA, y se puede comunicar con un “hand-held”usando modulación en la salida.

Figura 3Conexión de Transmisor “Smart”


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1.3. TRANMISOR DIGITAL

Totalmente digital, inclusive la salida. Aunque puede tener salida analógica de 4 a 20mA. Los instrumentos “fieldbus” (de campo) son de este tipo.

Figura 4Señales de Entrada y Salida de un Transmisor Digital

2. DIFERENCIAS ENTRE LOS TRANSMISORES DIGITALES Y LOS ANALÒGICOS

• Los componentes electrónicos son diferentes: En un instrumento analógico se utilizancircuitos lineales como los OPAMP’s. En los instrumentos digitales se utilizamicroprocesador, convertidores ADC, y DAC si se disponen de salidas analógicas.

• La señal de salida analógica es generada en forma distinta. En un instrumento digitalproviene de un DAC.

3. VENTAJAS DE LOS TRANSMISORES DIGITALES

• Son flexibles en sus funciones: disponen de más funciones, por la facilidad de lamanipulación de números por un microprocesador. Las funciones pueden sermodificadas o ampliadas cambiando el firmware.

• La salida analógica de 4 a 20 mA es independiente del circuito de medida, su rangopuede ser distinto al del instrumento.

• La calibración y linealización son realizados digitalmente.• La linealización puede caracterizarse para ecualización de un sensor en particular.• Las técnicas digitales de acondicionamiento son más poderosas.• Compensa del drift del sensor con la ayuda de un sensor de temperatura.• Mayor exactitud.• Mayor rangeabilidad.• Autodiagnóstico.• Capacidad de comunicación, como en los instrumentos smart y digitales.

En la siguiente figura se puede apreciar la independencia del circuito de medida y el circuitode salida, los ajustes se hacen de forma independiente.


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Entrada deSensor A/D

CPU

D/APV

SeñalAnáloga

RepresentaciónDigital de PV

RepresentaciónDigital de Salida

4 a 20 mA

Ajuste de mínimoy máximo

Ajuste de mínimoy máximo

Figura 5Arquitectura de un Transmisor Digital

4. VENTAJA DE LOS TRANSMISORES ANALOGICOS

Trabajan en tiempo real. En los instrumentos digitales se toman muestras en el orden de 2 a20 muestra/s (scan time: 50 ms a 500 ms). Por lo tanto, en procesos muy rápidos no sepueden utilizar instrumentos digitales, se deben usar analógicos.

5. DESVENTAJAS DE LOS TRANSMISORES ANALOGICOS

• Necesita recalibración para cambiar el rango de medición, y es necesario experiencia.• Se necesita retirar el instrumento de la línea para calibrar.• Los componentes, como los potenciómetros, experimentan “drift”.• La linealización es fija para un solo tipo de sensor.

Las siguientes tablas comparan un transmisor analógico y uno digital, y un transmisoranalógico y un “Smart”.

Transmisor Analógico DigitalExactitud 0,25 % a 1 % 0,02 % a 0,1 %

Tabla 1Exactitud de Transmisores


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Análogo SmartRango: 0-5/30

0-25/1500-125/750

0-.83/25 ”H200-8,3/2500-33,3/1000

Exactitud:Linealidad:Histéresis

±0,2 % span±0,1 % span±0,5 % span

±0,1 % span, incluye histéresis,linealidad y repetibilidad

Estabilidad: ±0,2 % URL –6 meses

±0,1 % URL – 12 meses

Tabla 2Comparación de un Transmisor de presión Análogo y uno “Smart”

6. TIEMPO REAL

Los instrumentos analógicos trabajan en tiempo real.Los instrumentos digitales se considera que trabajan en tiempo real si “scan time” es muchomenor que las constantes de retardo del proceso controlado.El instrumento digital tiene tiempos muertos introducidos por el ADC y por el tiempo deejecución del programa del microprocesador.La transmisión digital agrega más tiempo muerto, por ser comunicación serial, y de acuerdoa la eficiencia del protocolo entre el transmisor y receptor.

En la siguiente tabla se muestra una comparación de tiempos muertos en lazos con distintostipos de transmisores:

Lazo A B CTipo de transmisor Análogo Smart

(Rosemount)Digital

(fieldbus)Razón de

actualización(Actualizaciones/s)

5,5 2,7

Tiempo muerto deltransmisor (ms)

20 400 700

Tiempo muerto delcontrolador (ms)

250 250 250

Otros tiemposmuertos (ms)

480 480 480

Tiempo muerto total(ms)

750 1130 1680

Obtenido de una publicación de Greg Hull, 1991.

Tabla 3Tiempos Muertos de Transmisores


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7. VÀLVULAS INTELIGENTES DE CONTROL

La válvula convencional presenta los siguientesproblemas:

• El posicionador neumático no provee una regulaciónmuy exacta.

• El posicionador neumático es difícil de ajustar.

El controlador digital de válvula (DVC) reemplaza alposicionador:

• El posicionador digital provee una mejor regulación.• Al tener microprocesador realiza funciones y control,

diagnóstico y comunicación con un host (PC, DCS oHand Held).

• La autocalibración de la válvula se da en pocosminutos.

• La válvula puede ser monitoreada, obteniendo información de la posición del vástago yla señal de entrada, así como alarmas de estado o de proceso.

• Fuera de servicio, pero en línea se pueden realizar pruebas como:• Histéresis• “Signature” de la válvula: Pactuador vs. desplazamiento del actuador• Respuesta a escalón

Basándose en los resultados de las pruebas y con experiencia se puede diagnosticarnumerosos problemas, y tomar la acción de mantenimiento necesaria.

En la figura siguiente se muestra el diagrama de bloques de una válvula Fisher.

Figura 7Diagrama de bloques de una Válvula Inteligente

Figura 6Válvula

Inteligente


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Las variables medidas son:

• Desplazamiento del vástago• Presión del actuador• Señal de control desde el controlador (4-20 mA)

Esta válvula utiliza protocolo Hart para comunicaciones.

8. RESUMEN

Es importante recordar:

Los transmisores digitales se clasifican en tres tipos: “intelligent”,“smart” y digital.

Las transmisores digitales presentan muchas ventajas, tienen muchacapacidad funcional al estar basados en microprocesador.

Dentro de un sistema de control hay que asegurarse que elcontrolador trabaje en tiempo real.

Las válvulas inteligentes tienen ventajas de funcionalidad,autodiagnóstico y comunicaciones.


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9. EJEMPLOS DE APLICACIÒN:

1. En la figura se muestra el diagrama de bloques de un transmisor análogo de presióndiferencial.El sensor es capacitivo, para medir la variación de capacidad se utiliza un oscilador y undemodulador. La salida del demodulador controla la corriente del transmisor.

Figura 8Transmisor Analógico de Presión Diferencial

2. En la figura se muestra un transmisor “Smart” de presión diferencial. Se compensa lamedición al medir la temperatura. Se utiliza ADC para la medición y DAC para la salidaanalógica, se utiliza un modem Bell 202 para modular la señal de salida con informacióndigital. Se observa la independencia del circuito de medición y el de salida.

Figura 9Transmisor “Smart” de Presión Diferencial


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En la tabla se muestra la información accesible remotamente de una válvula inteligente. Seobserva la información de identificación, las de diagnóstico, calibración y otras.

IdentificaciónTag (nombre)Tipo de dispositivoNúmero de serieDescripciónFechaLocal de calibraciónNivel de revisiónMensajeUnidades de Ingeniería

DiagnósticoAlarma de desviaciónError de banda dinámicaFirma válvula/ actuadorRespuesta a escalónContador de ciclosAcumulación de carreraAlarma de carreraEstado del instrumentoBandera de cambio deconfiguración

Características de E/SLímites de carreraCaracterizaciónTiempo mínimo de apertura y cierreCaracterización de la realimentaciónSalida manual

CalibraciónRango de entradaRango de carrera

FallaReiniciar modo de controlAuto comprobación para

desconexión

Variables DVCCorriente de entrada análogaPresión del actuadorCarreraTemperatura internaEstado del terminal auxiliarAlarmas de carreraProtección de escritura

Tabla 4Información disponible de una válvula inteligente


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3. A continuación se muestra la “signature” de una válvula inteligente Pactuador vs.desplazamiento del actuador. Se compara una válvula nueva con una ya usada. En loscuadros también se muestran parámetros, arriba de la válvula nueva y debajo de lausada. Con esta información se puede decidir el mantenimiento.


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10. AUTOCOMPROBACIÓN

1. ¿En un ADC de 12 bits a qué porcentaje de todo el rango de medida corresponde 1 LSb?

a) 0,0488 %b) 0,0976 %c) 0,0244 %d) 0,0122 %

2. ¿En un transmisor con rango de 0 a 150 psi con un ADC de 12 bits a cuántos psicorresponde 1 LSb ?

a) 0,0183 psib) 0,0366 psic) 0,0732 psid) 0,0091 psi

3. Calcule la rangeabilidad de los transmisores de presión analógico y “smart” que semuestran en el cuadro 2.

a) 5 y 20b) 30 y 6c) 6 y 30d) 20 y 5e) 12 y 15

Soluciones

1. c) 2. b) 3. c)


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11. GLOSARIO

ADC: Analog Digital Converter. Convertidor Análogo Digital.

DAC: Digital Analog Converter. Convertidor Digital Análogo.

Drift: variación de las características por efecto de temperatura o envejecimiento.

DCS: Distribute Control System, sistema de control distribuido.

DVC: Digital Valve Controller, controlador digital de válvula.

Fieldbus: Bus de Campo, permite la comunicación digital entre instrumentos controladores.

Firmware: software del controlador que se encuentra grabado en una memoria ROM.

Hand-held: programador manual, utilizado para configurar o programar transmisoresdigitales, controladores, válvulas digitales y PLC’s.

Host: servidor, presta servicios a otro nodo del sistema de comunicación.

Protocolo: semántica y sintaxis que debe tener el formato de datos para comunicaciónentre dos estaciones.

Signature: Pactuador vs. desplazamiento del actuador.

Scan time: tiempo de barrido, periodo en que se ejecuta cíclicamente el procesamiento enel controlador.

URL: Upper Range Limit. Límite superior del rango.


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12. BIBLIOGRAFÍA

1. TOMPSHON, Larry – Appling Intelligent Field Devices – ISA 19962. ANCRUM, Robert - Configuring & Troubleshooting Intelligent Field Devices – ISA 1996

FIN DE LA UNIDAD

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