Transmisores Digitales

UNIDAD I

TransmisoresDigitales

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ndiceUnidad I : Transmisores Digitales

1. TRANSMISORES DIGITALES ...................................................................................... 11.1. TRASNMISOR INTELLIGENT : .......................................................................... 21.2. TRANSMISOR SMART..................................................................................... 21.3. TRANMISOR DIGITAL ....................................................................................... 3

2. DIFERENCIAS ENTRE LOS TRANSMISORES DIGITALES Y LOS ANALGICOS ................ 33. VENTAJAS DE LOS TRANSMISORES DIGITALES .......................................................... 34. VENTAJA DE LOS TRANSMISORES ANALGICOS ........................................................ 45. DESVENTAJAS DE LOS TRANSMISORES ANALGICOS ................................................ 46. TIEMPO REAL ........................................................................................................... 57. VLVULAS INTELIGENTES DE CONTROL .................................................................... 68. RESUMEN................................................................................................................. 79. EJEMPLOS DE APLICACIN : ..................................................................................... 810. AUTOCOMPROBACIN .............................................................................................1111. GLOSARIO...............................................................................................................1212. BIBLIOGRAFA.........................................................................................................13

Tecsup Virtu@l Instrumentacin Digital y Redes Industriales

Pag. 1 Unidad I

UNIDAD I

TRANSMISORES DIGITALES

INTRODUCCIN

Al cambiar un instrumento analgico por uno digital se debe conocer cules son las nuevasposibilidades y qu limitaciones hay.Se debe conocer cules son las diferencias entre un transmisor o una vlvula inteligente,respecto a un instrumento analgico.

OBJETIVOS

Diferenciar entre los instrumentos intelligent, smart y digitales. Identificar las ventajas y desventajas de un instrumento digital con respecto a un analgico. Definir si un instrumento digital est trabajando en tiempo real. Enumerar las ventajas y desventajas de una vlvula digital de control.

1. TRANSMISORES DIGITALES

Recordemos algunos conceptos:

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

realizan una medicin continua, slo se toman muestras (samples) de la seal.

Figura 1Conversin Analgica / Digital


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Los transmisores digitales digitalizan la seal anloga medida y utilizan un microprocesador.

Se clasifican en:

1.1. TRASNMISOR INTELLIGENT :

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

Figura 2Seales de Entrada y Salida de un Transmisor Intelligent o de un Smart

1.2. TRANSMISOR SMART

Su salida es analgica de 4 a 20 mA, y se puede comunicar con un hand-heldusando modulacin en la salida.

Figura 3Conexin de Transmisor Smart


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1.3. TRANMISOR DIGITAL

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

Figura 4Seales de Entrada y Salida de un Transmisor Digital

2. DIFERENCIAS ENTRE LOS TRANSMISORES DIGITALES Y LOS ANALGICOS

Los componentes electrnicos son diferentes: En un instrumento analgico se utilizancircuitos lineales como los OPAMPs. En los instrumentos digitales se utilizamicroprocesador, convertidores ADC, y DAC si se disponen de salidas analgicas.

La seal de salida analgica 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 ms funciones, por la facilidad de lamanipulacin de nmeros por un microprocesador. Las funciones pueden sermodificadas o ampliadas cambiando el firmware.

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

La calibracin y linealizacin son realizados digitalmente. La linealizacin puede caracterizarse para ecualizacin de un sensor en particular. Las tcnicas digitales de acondicionamiento son ms poderosas. Compensa del drift del sensor con la ayuda de un sensor de temperatura. Mayor exactitud. Mayor rangeabilidad. Autodiagnstico. Capacidad de comunicacin, 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

SealAnloga

RepresentacinDigital de PV

RepresentacinDigital de Salida

4 a 20 mA

Ajuste de mnimoy mximo

Ajuste de mnimoy mximo

Figura 5Arquitectura de un Transmisor Digital

4. VENTAJA DE LOS TRANSMISORES ANALGICOS

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 rpidos no sepueden utilizar instrumentos digitales, se deben usar analgicos.

5. DESVENTAJAS DE LOS TRANSMISORES ANALGICOS

Necesita recalibracin para cambiar el rango de medicin, y es necesario experiencia. Se necesita retirar el instrumento de la lnea para calibrar. Los componentes, como los potencimetros, experimentan drift. La linealizacin es fija para un solo tipo de sensor.

Las siguientes tablas comparan un transmisor analgico y uno digital, y un transmisoranalgico y un Smart.

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

Tabla 1Exactitud de Transmisores


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Anlogo SmartRango: 0-5/30

0-25/1500-125/750

0-.83/25 H200-8,3/2500-33,3/1000

Exactitud:Linealidad:Histresis

0,2 % span0,1 % span0,5 % span

0,1 % span, incluye histresis, linealidady repetibilidad

Estabilidad: 0,2 % URL 6 meses

0,1 % URL 12 meses

Tabla 2Comparacin de un Transmisor de presin Anlogo y uno Smart

6. TIEMPO REAL

Los instrumentos analgicos 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 deejecucin del programa del microprocesador.La transmisin digital agrega ms tiempo muerto, por ser comunicacin serial, y de acuerdoa la eficiencia del protocolo entre el transmisor y receptor.

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

Lazo A B CTipo de transmisor Anlogo Smart

(Rosemount)Digital

(fieldbus)Razn de

actualizacin(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 publicacin de Greg Hull, 1991.

Tabla 3Tiempos Muertos de Transmisores


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7. VLVULAS INTELIGENTES DE CONTROL

La vlvula convencional presenta los siguientesproblemas:

El posicionador neumtico no provee unaregulacin muy exacta.

El posicionador neumtico es difcil de ajustar.

El controlador digital de vlvula (DVC) reemplaza alposicionador:

El posicionador digital provee una mejor regulacin. Al tener microprocesador realiza funciones y

control, diagnstico y comunicacin con un host(PC, DCS o Hand Held).

La autocalibracin de la vlvula se da en pocosminutos.

La vlvula puede ser monitoreada, obteniendoinformacin de la posicin del vstago y la seal deentrada, as como alarmas de estado o de proceso.

Fuera de servicio, pero en lnea se pueden realizar pruebas como: Histresis Signature de la vlvula: Pactuador vs. desplazamiento del actuador Respuesta a escaln

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

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

Figura 7Diagrama de bloques de una Vlvula Inteligente

Figura 6Vlvula

Inteligente


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Las variables medidas son:

Desplazamiento del vstago Presin del actuador Seal de control desde el controlador (4-20 mA)

Esta vlvula 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 vlvulas inteligentes tienen ventajas de funcionalidad,autodiagnstico y comunicaciones.


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9. EJEMPLOS DE APLICACIN :

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

Figura 8Transmisor Analgico de Presin Diferencial

2. En la figura se muestra un transmisor Smart de presin diferencial. Se compensa lamedicin al medir la temperatura. Se utiliza ADC para la medicin y DAC para la salidaanalgica, se utiliza un modem Bell 202 para modular la seal de salida con informacindigital. Se observa la independencia del circuito de medicin y el de salida.

Figura 9Transmisor Smart de Presin Diferencial


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En la tabla se muestra la informacin accesible remotamente de una vlvula inteligente. Seobserva la informacin de identificacin, las de diagnstico, calibracin y otras.

IdentificacinTag (nombre)

Tipo de dispositivoNmero de serie

DescripcinFecha

Local de calibracinNivel de revisin

MensajeUnidades de Ingeniera

DiagnsticoAlarma de desviacin

Error de banda dinmicaFirma vlvula/ actuador

Respuesta a escalnContador de ciclos

Acumulacin de carreraAlarma de carrera

Estado del instrumentoBandera de cambio de

configuracin

Caractersticas de E/SLmites de carreraCaracterizacin

Tiempo mnimo de apertura y cierreCaracterizacin de la realimentacin

Salida manualCalibracin

Rango de entradaRango de carrera

FallaReiniciar modo de control

Auto comprobacin para desconexinVariables DVC

Corriente de entrada anlogaPresin del actuador

CarreraTemperatura interna

Estado del terminal auxiliarAlarmas de carrera

Proteccin de escritura

Tabla 4

Informacin disponible de una vlvula inteligente

3. A continuacin se muestra la signature de una vlvula inteligente Pactuador vs.desplazamiento del actuador. Se compara una vlvula nueva con una ya usada. En loscuadros tambin se muestran parmetros, arriba de la vlvula nueva y debajo de lausada. Con esta informacin se puede decidir el mantenimiento.


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10. AUTOCOMPROBACIN

1. En un ADC de 12 bits a qu 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 cuntos psicorresponde 1 LSb ?

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

3. Calcule la rangeabilidad de los transmisores de presin analgico y smart que semuestran en el cuadro 2.

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

Soluciones

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


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11. GLOSARIO

ADC: Analog Digital Converter. Convertidor Anlogo Digital.

DAC: Digital Analog Converter. Convertidor Digital Anlogo.

Drift: variacin de las caractersticas por efecto de temperatura o envejecimiento.

DCS: Distribute Control System, sistema de control distribuido.

DVC: Digital Valve Controller, controlador digital de vlvula.

Fieldbus: Bus de Campo, permite la comunicacin 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, vlvulas digitales y PLCs.

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

Protocolo: semntica y sintaxis que debe tener el formato de datos para comunicacinentre dos estaciones.

Signature: Pactuador vs. desplazamiento del actuador.

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

URL: Upper Range Limit. Lmite superior del rango.


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12. BIBLIOGRAFA

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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