Transformaciones

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. BARRAGÁN, PIÑEROS, TORRES, TRUJILLO. TÉCNICAS DE TRANSMISIÓN DE MEDICIONES. 1

Técnicas de Transmisión de Mediciones

Barragán, Andrés. Piñeros, Juan. Torres, Sergio. Trujillo, Juan. adbarragang, jcpinerosn, sdtorresl, jctrujilloq [@unal.edu.co] Universidad Nacional de Colombia

Abstract—In this paper are presented some techniques and protocols used in industrial instrumentation, like transmitters, receivers and communication protocols of information.

Index Terms—Comunicaciones, datos, redes, protocolo, trans- misión, recepción

I. INTRODUCCIÓN

En cualquier sistema de instrumentación industrial es ne- cesario tener en cuenta ciertas consideraciones a la hora de transmitir un dato sensado de un lado a otro. Por ello, en la actualidad, se han desarrollado un sin número de protocolos que regulan la transmisión y recepción de dichos datos de una manera adecuada y estandarizada. El conocimiento de dichos protocolos representa una gran ayuda para el diseñador de ins- trumentación electrónica puesto que brinda ciertas facilidades para transmitir la información de una manera segura y rápida, proporcionando la confiabilidad y la interoperabilidad que se requieren en los sistemas de medición.

Por ello, en el presente documento se presentan algunos de los protocolos más usados actualmente, así como las técnicas de transmisión de datos usadas frecuentemente en la instrumentación industrial.

II. TRANSMISORES

II-A. Lazo de Transmisión Neumático

Un transmisor neumático es un dispositivo mecánico que convierte un desplazamiento mecánico de la variable medida en variaciones proporcionales de presión. Se utiliza para con- vertir una medida de cierta magnitud en una señal neumática representativa (proporcional) de esta medida y transmitirla a una cierta distancia a un elemento medidor, registrador o un controlador. En el sistema de transmisión neumática se utiliza aire como elemento transmisor, la distinta presión de éste, es proporcional a las variaciones de la magnitud que se mide. Así, por este procedimiento, según la presión de salida se transmitirá un valor de la variable medida. El desplazamiento mecánico o señal de entrada al transmisor la produce elelemento de medición, en respuesta a un cambio de la variable del proceso. El transmisor neumático responde a dicho movimiento generando una señal neumática variable linealmente (proporcionalmente) de 3 a 15 psi (lb/pulgada²) para el campo de medida del 0 al 100 % de la variable. En los países que utilizan el sistema métrico decimal se emplea además la señal 0,2-1 bar (1 bar = 1,02 kg/cm²) que equivale aproximadamente al estándar de transmisión de 3 a 15 psi (3 psi = 0,206 bar o 0,21 kg/cm² , 15 psi = 1,033 bar o 1,05 kg/cm²). El sistema se completa con un instrumento receptor,

situado a distancia, capaz de traducir la señal de 3 a 15 psi en una indicación del valor de la variable del proceso.

Figura 1: Sistema Tobera–Obturador.

Los transmisores neumáticos se fundamentan en el principio de operación del sistema tobera–obturador como el que se muestra en la figura 1, un relé piloto como el que se muestra en la figura 2 y un dispositivo de retroalimentación. El sistema tobera obturador consiste en un tubo con un suministro constante de presión no superior a los 25 psi (generalmente de 20 psi (1.4 kg/cm²)) que pasa por una restricción que reduce el diámetro alrededor de 0.1 mm, produciendo una caída de presión o presión diferencial para poder disponer de distintos niveles de presión de aire, y que en su otro extremo se torna en forma de tobera con un diámetro de 0.25 mm a 0.5 mm que está expuesto a la atmósfera ocasionando un escape que es regulado por un obturador el cual cumple la misión de controlar el escape proporcional a la separación entre él y la tobera, acercándose o alejándose de la tobera en función del movimiento originado por el elemento medidor. Esta variación en la presión es amplificada por el relé piloto, dando lugar a una cierta salida. De esta manera, a medida que la lámina obturadora en el sistema tobera–obturador disminuya o aumente la distancia hacia la tobera, se ocasionará un efecto inversamente proporcional sobre la presión interna que es intermedia entre la presión atmosférica y la de suministro e igual a la señal de salida del transmisor, que para la tobera totalmente cerrada equivale a 15 psi y totalmente abierta a 3 psi.

El relé piloto en el transmisor es utilizado para la obtención

de una salida eficiente, debido al flujo de diminutos volúmenes de aire que se obtienen del sistema, esto es, el relé se comporta como un amplificador de dos etapas. Éste consiste en un ob- turador que permite el paso de dos caudales de aire los cuales determinan la salida mediante los diferenciales de presión entre las superficies uno y dos logrando vencer el resorte que busca sostener la válvula cerrada, aunque realmente existe una mínima abertura que lo que nos determina los 3 psi como

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salida mínima. En la figura 3 se muestra un esquema del transmisor neumático de estándar 3 a 15 psi.

Figura 3: Esquema del transmisor neumático estándar de 3 a

15 psi.

III. LAZO DE CORRIENTE 4 - 20 MA

Figura 2: Relé Piloto.

Según la figura 3, si la paleta está suficientemente lejos de la tobera, entonces la presión manométrica es aproximadamente nula, es decir, P ≈ 0, puesto que el aire se escapa con facilidad. Sea S la superficie del diafragma del transmisor, cuando se desequilibra el sistema de palanca (obturador) con una fuerza F debida al elemento de medida, la to- bera se tapa y por ende, la presión manométrica aumenta, haciendo que el diafragma ejerza una presión hacia arriba (Fdiafragma = S Pdiafragma ), alcanzándose el equilibrio.

Este tipo de transmisores se utilizan en particular en la transmisión de presión y temperatura donde los elementos de medida tales como tubos Bourdon, manómetros de fuelle, elementos de temperatura de bulbo y capilar son capaces de generar un movimiento amplio, sea directamente o bien a través de palancas con la suficiente fuerza para eliminar el error de histéreis que pudiera producirse.

En un sistema de control de lazo cerrado, la entrada de este corresponde al valor deseado de la variable que se quiere controlar, sea temperatura, nivel, velocidad. La salida será el actuador que afecta el estado de la variable que se está controlando, y como retroalimentación será común encontrar sensores, quetomen el estado actual de la variable a controlar en el sistema.

Las señales analógicas provenientes de estos sensores son susceptibles a ruidos,por lo que no pueden transmitir su señal a distancias remotas a algún controlador, PLC, esto se resuelve colocando transmisores de lazo de corriente de 4-20 mA.

La norma lazo de corriente de 4-20mA tiene su origen en –The American nacionalStandard Institute (ANSI) y The instrumentations Systems (ISA).

La energía de una señal decae con la distancia, por lo que hay que asegurarse que llegue con la suficiente energía como para ser captada por la circuitería del receptor y además, el ruido debe ser sensiblemente menor que la señal original .

Las señales de corriente se usan porque son menos pro- pensas a los errores causados por ruido o caídas de voltaje en cables que son muy largos o variaciones de la fuente de excitación.

El lazo de corriente de 4-20 mA es un sensor robusto, inhe- rentemente insensible al ruido eléctrico, ya que el transmisor actúa como una fuente de corriente y ésta atraviesa todos los elementos conectados en serie, manteniéndose “constante” aunque las tensiones de los elementos en serie, por ejemplo, el de la fuente, varíen.

Un circuito de lazo de corriente de 4-20mA, consta de por lo menos 4 elementos: un sensor/transductor, un convertidor de tensión a corriente también llamado transmisor o acondi- cionador de señal, una fuente de alimentación para el lazo, y un receptor/monitor.

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Figura 4: Diagrama de funcionamiento del lazo de corriente 4

-20 mA.

Los sensores proveen una salida de tensión cuyo valor representa la variable física que es medida. El transmisor amplifica y acondiciona la salida del sensor, luego convierte la tensión a un nivel de corriente directa en un rango de 4-

20mA, que circula en serie a través de un lazo cerrado. El receptor/monitor, normalmente es una sección o parte de un medidor o sistema de adquisición de datos, que convierte la corriente entre 4-20mA de regreso a tensión, el cual podrá ser utilizado en algún proceso posterior.

La

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