Sensores Inteligentes e Instrumentación Digital David Díaz Martín Ingeniería

Laguna

la función de detección y alguna de las funciones de

procesado de señal y comunicación. Estas funciones suelen realizarse por un uP, por ello, a cualquier combinación sensor-uP se le denomina sensor inteligente.

Un sensor inteligente posee una amplia gama de funciones además de las de transducción, entre ellas podemos reseñar:

a) Acondicionamiento de señal
b) Correcciones de cero, ganancia y linealidad
c) Compensación ambiental (temperatura, humedad)
d) Escalado
e) Conversión de unidades
f) Comunicación digital
g) Autodiagnóstico
h) Detección y acción sobre el sistema al que se conecta.

Por ello los sensores inteligentes incorporan al menos algún algoritmo de control (PID, PD), memoria y capacidad de comunicación digital.

La repercusión de un sensor inteligente en un sistema electrónico de medida y control es que reduce la carga sobre controladores lógicos programables, tales como PLC, o PC, aparte de aumentar la fiabilidad del sistema.

del sensor, ya sea en tensión o en corriente, a

una señal digital.
Inconvenientes:
Ocupa mayor área de silicio
Y es muy caro con respecto a otras soluciones

Interfaces

directas sensores-microcontrolador

Llamamos interfaz directa sensor-uC aquella que no utiliza un CAD. Este tipo de interfaz interesa al menos en tres situaciones distintas.

Sensores individuales (convencionales), como una forma de simplificar el diseño del sistema de medida y reducir costos.

Sensores inteligentes que incorporen parte de la electrónica para correcciones, por ejemplo de errores por cero, ganancia y derivas térmicas, y que se conectan a un uC externo.

Sensores inteligentes que integran, mediante técnicas híbridas, un uC que realiza las compensaciones anteriores y otras mediante software, y se comunica mediante un bus digital.

Las digitalizaciones sin CAD exigen que los niveles de tensión sean compatibles (TTL en general), que los flancos de la señal estén bien definido y, en salidas de interruptores, que no haya rebotes.

osciladores, por lo que la medida del sensor, no se

realiza en tensión ni en corriente sino en frecuencia.

Podemos utilizar dos tipos

Osciladores armónicos: Generan una señal senoidal de frecuencia y amplitud determinada. En particular, hay tres tipos de osciladores con salida senoidal que han encontrado aplicación en el acondicionamiento de sensores: RC, LC y a cristal.

Osciladores de relajación: Generan señales cuadradas o triangulares y son mucho más fáciles de implementar que los armónicos


¿Cuál es la idea?
La medida del sensor provocará variaciones en la frecuencia de salida del oscilador. Calculando el valor de esta frecuencia, obtendremos el valor que ha medido el sensor.

de señal
El más utilizando es el oscilador en puente de

Wien basado en un A.O. porque presenta una mayor estabilidad frente a otros diseños.

La máxima frecuencia vendrá limitada por el A.O. y, en general, no excederá de los 100KHz.

Inconvenientes:
No permite incorporar directamente sensores de tres o cuatro terminales
Para sensores resistivos, hay un compromiso entre estabilidad y autocalentamiento del sensor

Sensores: R1, C1, R2 ó C2

de señal
Mejoras en los diseños de Osciladores RC:

de señal
Se consiguen mejoras respecto a los osciladores RC
Frecuencias

mayores a 100KHz
Estabilidad muy elevada
Mayor resolución en la medida

Oscilador LC para sensores Capacitivos: Oscilador de Colpitts:



Oscilador LC para sensores Inductivos: Oscilador de Harley:


Oscilador LC para sensores Resistivos:

No podemos incorporarlos directamente. Lo que se hace es simular una reactancia mediante un circuito activo al que se conecta el sensor, e incluir dicha reactancia en el oscilador adecuado.

de señal
Podemos aplicarlos tanto a sensores Resistivos como a

Capacitivos
Son más fáciles de implementar que los osciladores armónicos

Estructura básica:

En este tipo de estructuras, el sensor puede ser R o C

de señal
Un aspecto interesante de este tipo de osciladores es

que podemos aprovechar la evolución exponencial de carga de un condensador a través de una resistencia para linealizar sensores que dependan exponencialmente del parámetro detectado. Por ejemplo, termistores NTC.

Este circuito es un convertidor de temperatura a frecuencia lineal basado en una NTC

Acondicionadores de señal
¿Por qué

tecnología CMOS?:

En un sistema digital, la necesidad de tensiones de alimentación adicionales a la de los componentes digitales es un inconveniente.
Cuando se desea reducir al mínimo las dimensiones del circuito, conviene analizar las posibilidades de las puertas CMOS

Curiosidad:
Implementación del oscilador de relajación anterior con CMOS.

Con el oscilador de tres inversores podemos conseguir mayor estabilidad con la alimentación

problema común a todos los osciladores variables es que la

dependencia de su frecuencia de oscilación respecto a la magnitud medida no es, en general, lineal.

Por ejemplo:
Para un oscilador armónico, la frecuencia de oscilación viene dada por:


Donde X es la resistencia, inductancia o capacidad variable en respuesta a la magnitud física detectada. Esta variación de X puede ser lineal


O no lineal, de la forma (caso de ciertos sensores inductivos y capacitivos)


Luego, mediante el desarrollo de Taylor, se demuestra que la respuesta es lineal solo si α es pequeña.

osciladores variables no podemos incluir sensores del tipo:

Sensores generadores

Sensores de impedancia no variable (puentes completos de galgas extensométricas)

Por tanto, si nos vemos en la necesidad de utilizar alguno de estos dispositivos, tendríamos que recurrir a diseños como:

Conversores tension/corriente a frecuencia
Se acondiciona la señal de salida del sensor hasta obtener una tensión de baja frecuencia, y aplicar a esta el convertidor tensión-frecuencia.

Conversores directos o a periodo:
Conversión directa a frecuencia o periodo, incorporando al sensor en el propio convertidor a frecuencia.

señal
Idea:
Obtiene, a partir de una tensión o corriente de entrada,

un tren de pulsos o una señal cuadrada, o ambas compatibles con niveles lógicos ordinarios (TTL Gral.), cuya frecuencia de repetición es linealmente proporcional a la magnitud analógica medida.
Alcanzan frecuencias muy superiores a los 10MHZ

Esquema básico:

Integrador
Comparador
Monoestable de precisión
Etapa de salida
Fuente de corriente

Estos diseños constan de gran linealidad, resolución y capacidad de rechazar el ruido, pero son lentos comparados con otros métodos
El margen dinámico es otra cualidad destacada

Acondicionadores de señal
Mediante el diseño de convertidores tensión-frecuencia o corriente-frecuencia

especifico, es posible hacer una conversión directa de la magnitud detectada a frecuencia o periodo, sin necesidad de amplificación previa.
Como no existe una metodología definida para el desarrollo de estos diseños, veremos dos casos particulares que ilustran las técnicas empleadas.

Convertidor deformación-frecuencia

Este circuito consta de: un puente completo de delgas conectado a un integrador diferencial, cuya salida se lleva a un comparador, que es el que alimenta el puente.

Acondicionadores de señal
Convertidor capacidad-frecuencia:

Este circuito lo podemos aplicar cuando la

conductividad del sensor es apreciable, por ejemplo, para medir niveles de agua con un sensor capacitivo.

Interfaces directas

La forma más simple de medir una frecuencia y obtener una salida digital, es mediante un contador que cuente el número de ciclos de la señal de entrada durante un periodo de tiempo conocido, que se denomina de puerta. Entonces, el número de cuentas para una señal de frecuencia fx será:


Por tanto, la resolución vendrá dada por 1/N. Para obtener una buena resolución, N a de ser alta.

Para medir frecuencias con un uC, hacen falta dos contadores programables, uno que vaya contando el tiempo transcurrido y el otro que cuente los impulsos de la señal de entrada

Cada vez que el contador que gestiona el tiempo To acaba, debe de mandar una interrupción al uC para que este lea el número de cuentas obtenidas por el otro.

Si el margen de frecuencias del sensor va de fmin a fmáx y se desea una resolución de n bits, el tiempo de medida debe ser:

La resolución se consigue a base de mayor tiempo de medida To, durante el cual la frecuencia a medir deber permanecer constante

Interfaces directas

Para frecuencias bajas, que son las más habituales en sensores, y para márgenes de frecuencia de medida pequeña, es preferible medir su periodo y luego calcular la frecuencia. Para medir el periodo se cuentan los impulsos de una señal de reloj conocido durante el intervalo de tiempo determinado a partir de la entrada, Tx.

Donde el tiempo de medida es MTx.
Idea:

Lo ideal seria conseguir que los dos contadores comiencen a cuenta hasta que no llegue el primer flanco de la señal fx. Esto podemos conseguirlo con el siguiente circuito.

La resolución en la medida del periodo vendrá dada por la frecuencia del reloj interno del uC (fr)

Interfaces directas

Sabido como traducir el valor de la magnitud física a frecuencia variable, podemos realizar distintas operaciones en beneficio a las necesidades del sistema. Por ejemplo, un caso muy útil sería:
Supongamos la situación de sensores diferenciales. Si cada sensor se pone en un oscilador de relajación, la frecuencia de salidas serán directa o inversamente proporcionales al parámetro variable.

En lugar de medir cada frecuencia por separado durante un determinado tiempo de puerta, se pueden sumar las salidas de los contadores respectivos y medir hasta que se obtenga un numero predeterminado de cuentas

Si durante ese mismo tiempo Tn, se mide la diferencia de frecuencias:

Se obtiene que:

Por tanto, si la frecuencia de oscilación es directamente proporcional como si es inversamente proporcional al parámetro variable, la diferencia de frecuencias da una salida lineal. Si medimos la diferencia de un periodo también saldrá lineal.

Incluso si hay una interferencia aditiva

Se elimina

la interfaz con un sensor es compensar interferencias y perturbaciones

a su salida.

Sensor

Interfaz

uP

En el caso de los sensores inteligentes, esta compensación puede hacerse a través del uP. La idea es almacenar en memoria el valor de una serie de parámetros de referencia que permitan corregir el valor de salida del sensor.

Esto nos permite: Corregir errores por cero, Ganancia y, hasta cierto punto, linealidad

Sensor

Interfaz

uP

MEMO

con los sensores, una vez acondicionada, hay que comunicarla a

un receptor o dispositivo de presentación, cercano o remoto:

Medio de transmisión:

Distancias cortas:
Por hilo: cuando el receptor esta cerca o en instalaciones extensas que incluyan una instalación adecuada.
Ultrasonidos
Radiación infrarroja
Acoplamiento capacitivo o inductivo

Distancias grandes:
Telemedida vía radio

Para poder llevar a cabo la comunicación, la señal del sensor, una vez acondicionada, se modula (si es analógica) o se codifica (si es digital), para poder ser combinadas con otras que vayan a compartir el mismo medio.

continua proporcional a la magnitud medida: la distancia ha de

ser corta, porque las tensiones parásitas en bucle formado por los conductores puede falsear totalmente la medida. Utilizar cables apantallados es muy caro.

Telemedida por frecuencia: tiene mayor inmunidad a las interferencias, pero no hay normas que permitan utilizar, en un mismo sistema transmisores de distintos fabricantes. Además, las señales de frecuencias transmitidas pueden ser interferencias para otros circuitos próximos.


Es por estos inconvenientes por lo que se suele optar por estas tres soluciones:

Telemedida por corriente: bucle 4-20mA

Comunicación simultánea analógica y digital: hart

Instrumentación digital: buses de sensores

Sistema de comunicación
En

la telemedida por corriente, la magnitud medida se convierte en una corriente continua proporcional que se envía por la línea y es detectada en el otro extremo receptor midiendo la caída de tensión en una resistencia conocida.
Los valores de corriente normalizados son: 4-20, 0-5, 0-20, 10-50, 1-5, 2-10)mA
Para evitar acomplamiento inductivo se emplean un par de hilos transados.
Otra ventaja es que un mismo receptor puede explorar varios canales con distinta longitud de cable sin que esta afecte a la exactitud.
El valor de corriente habitual es de 4-20mA.
Una ventaja importante de la telemedida por corriente es que, si el transmisor es flotante, a veces es posible realizar el enlace con solo dos hilos compartidos por la alimentación y por la señal.

Sistema de comunicación
Inconvenientes de la telemedida por corriente:

Es una

red punto a punto: si hay que añadir un nuevo sensor, hay que modificar el cableado
Es una red unidireccional: no es posible interrogar al transmisor

Pero lo cierto es que, cambiar de forma directa los sistemas analógicos por sistemas digitales de mayor rendimiento sería muy caro.
Entonces, con el fin de dotar de comunicación a los sistemas analógicos nació el protocolo HART.
El disponer de comunicación digital permite tener toda la información en el propio instrumento, (fabricante, modelo, etc.),lo cual no supone una mejora en el proceso de control pero si en la puesta en marcha de la instalación y mantenimiento.

Una recomendación es mantener las señales analógicas y digitales separadas aunque utilicen el mismo medio de comunicación.

El protocolo HART emplea una modulación estándar que es compatible con los pares transados ya instalados.

Sistema de comunicación

El sistema de 4-20mA implica una doble conversión:
Si la salida del sensor es analógica, para linealizarla, detectar limites y otras operaciones, puede ser necesario digitalizarla para que la procese un uC
Si luego se debe transmitir por un bucle 4-20mA, hay que convertirla de nuevo a analógica, y convertirla de nuevo a digital en el procesador central que controla el sistema.

En la comunicación tipo bus, el canal no se emplea para una única información, sino que es compartido en ambos sentidos por diferentes sensores, lo que ayuda a reducir el coste de cableado.
La incorporación de nuevos elementos solo hay que tenerla en cuenta en el software, y no el el cableado (plug & play).
La incorporación de este nuevo sensor no exige detener el proceso, basta con transmitirle los datos de calibración, linealización, etc.
Dentro de la comunicación tipo bus, nos encontramos con tres niveles:
Protocolos de nivel físico: define la característica de la interface eléctrica y mecánica
Protocolos de nivel de enlace: definen los procedimientos para la transmisión y recepción de datos
Protocolos a nivel de aplicación: define como leer, escribir, entender y ejecutar un mensaje
Nivel usuario: es la interfaz entre el usuario y el sistema de comunicación.