Sensores Inteligentes

El término 'Smart Sensor' se ha utilizado por varios investigadores en varios contextos diferentes, desde sensores que incorporan unos pocos dispositivos activos para proporcionar una señal de calidad, a sensores integrados que incorporan un bloque sofisticado de circuito electrónico con parte analógica y digital que permite convertir un sensor pasivo en un sensor inteligente.

El sensor inteligente se define como un dispositivo capaz de:

1) Proporcionar una señal digital.

2) Comunicar a través de un bus digital bidireccional.

3) Ejecutar funciones y órdenes lógicas.

Además, es deseable que el sensor inteligente realice tanto estas funciones como la compensación de parámetros secundarios (por ejemplo. la temperatura), la prevención y detección de fallos, auto-test y autocalibración. El desarrollo de estos sensores aumentará mucho las capacidades de muchos sistemas del control y la instrumentación en lo que respecta a la comunicación con el mundo externo.

La “Fig. 1.” muestra el diagrama de bloques de los elementos de un sistema de medida y control electrónico típico. Los sensores proporcionan información analógica al sistema, esta información se acondiciona antes de pasar al microprocesador. El procesador interpreta la información, realiza las actuaciones necesarias y aplican esas decisiones vía los actuadores. Los sensores representan, en este esquema la conexión más débil en el desarrollo de la mayoría de los próximos sistemas de instrumentación y control de nuevas generaciones

3.1 EL NACIMIENTO

El primer sensor inteligente nació como una solución al problema de compensación de temperatura en los elementos estaban realimentados y conectados a un inversor para crear un oscilador. La frecuencia de salida era proporcional a la constante de tiempo RC, y por ende a la presión. Tiempo después Toyota Research presentó otro sensor de presión similar. Ambas empresas, sin imaginárselo, estaban empezando una revolución sin par en las tecnologías de sensado, que aun hoy continúa.

La siguiente generación la introdujo nuevamente Honeywell en los años 80. La presentó en dos aplicaciones: Una para el control de procesos (ST3000), y otra para aplicaciones aeroespaciales. Ambos estaban formados por un grupo de sensores multiplexados, conectados a un convertidor V IF (tensión/frecuencia) La frecuencia obtenida la procesaba un microprocesador tipo DSP, y la salida se llevaba a un convertidor D/ A. La salida era acorde al estándar analógico de 4 mA a 20 mA. El software tenía compensación de la presión estática, calibración remota del rango, direccionalidad y diagnóstico. Los sensores eran de presión diferencial estática y temperatura en el caso del control de procesos, y presión absoluta y temperatura en el caso aeroespacial.

En la presente década se ha multiplicado el desarrollo de sensores integrados aplicables en el ámbito industrial, desarrollados por investigadores y académicos, aunque su precio elevado ha llevado a centrarse arquitecturas simple y mejorar los procesos de integración.

3.2 EVOLUCIÓN DE LOS SENSORES INTELIGENTES

En la “Fig. 2.” se representan varias generaciones de sensores, desde los de tercera generación hasta los de quinta generación. Para ello primeramente se comparará con sensores no inteligentes.

Los dispositivos de primera generación no tienen electrónica asociada, mientras que los sensores de segunda generación forman parte de sistemas puramente analógicos con un control remoto del sensor.

Por otra parte los sensores de tercera generación, que son en los que se basan la mayoría de los sistemas actuales, la primera etapa de amplificación se realizan en el módulo del sensor o en el mismo chip. Así, la señal que aportan los mismos es una señal analógica de alto nivel, codificado, con una variación de tensión o como una señal de frecuencia variable. Esta señal se convierte a digital y posteriormente se procesa mediante un microprocesador.

La cuarta generación de sensores se caracteriza por que la mayor parte de la electrónica, tanto analógica como digital, está en un chip, permitiendo, así, el direccionamiento del sensor y en algunos casos el autotest mediante comunicación entre el sensor y el microcontrolador.

Los sensores de quinta generación, en los que la conversión de datos se realiza en el módulo del sensor, para que la conexión bidireccional entre el microcontrolador sea digital. Estos dispositivos se pueden compensar, digitalmente, utilizando PROMs. Este tipo de sensores está caracterizado por varios atributos: comunicación bidireccional de datos y ordenes, transmisión totalmente digital, procesamiento digital local, testeo propio, algoritmos definidos por usuario y algoritmos de compensación.

3.4 QUE DEBE TENER UN SMART SENSOR

Un sensor inteligente debe ser diseñado de tal manera que su aplicación no resulte difícil. Debería tener una salida estándar, disminución del offset, deriva y alinealidades. Podrían autocalibrarse y autotestearse periódicamente. La salida de estos sensores no necesariamente es digital, sino que también puede ser en señales analógicas normalizadas.

Lamentablemente el precio de estos elementos aun no es asequible a cualquier usuario. Por este motivo se han incrementado los estudios relacionados con la conversión a frecuencia o digital directa, ya que se eliminan directamente los elementos intermedios entre el sensor y un microprocesador.

Las ventajas de la conversión a digital son entre Otras:

1.- La salida digital no lleva dimensión.

2.- Su resistencia al ruido y las interferencias permite colocar los sensores fácilmente interfasados con el Pc.

3.5 ARQUITECTURA GENERAL DE UN SENSOR INTELIGENTE

La implementación de sensores inteligentes requiere la inclusión de tres partes principales. Estos son: el procesamiento de la señal, el control y manipulación de las señales digitales y la comunicación con el exterior mediante un bus.

• Procesado de señal

Las señales que registran los sensores normalmente son bajas en amplitud

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