Optimizando el rendimiento de un sistema de sensores

Para mantener alta resolución y exactitud en un sistema de medición basado en sensores o transductores, el diseñador debe tener cuidado en la selección de la fuente de excitación para el transductor – y el esquema de cableado de campo usado para transportar la señal analógica de bajo nivel desde el transductor al convertidor A/D. Este artículo se enfocará en métodos de excitación dc aplicables a aplicaciones basadas en sensores y en la medición de las señales de bajo nivel del sensor usando convertidores A/D sigma-delta con alta resolución y exactitud.

Los sensores y transductores se clasifican en activos o pasivos. Los sensores pasivos, tales como termopares, son dispositivos de dos puertos que directamente transforman energía física en energía eléctrica, generando señales de salida sin la necesidad de una fuente de excitación. Los sensores típicos basados en resistencias, tales como RTDs (detectores de temperatura-resistencia) y medidores de tensión requieren un voltaje para excitación en orden de producir una señal eléctrica. Para una fuente de excitación, el diseñador del sistema se enfrenta con el desafío de medir la señal de salida y abordar los problemas que puedan ir surgiendo. Por ejemplo, la resistencia del cableado y captación de ruido están entre los mayores problemas asociados a las aplicaciones basadas en sensores. Una gran variedad de técnicas de medida están disponibles para par empleo bajo demanda de rendimiento óptimo desde sistemas de medición.

Técnicas de cableado y excitación

Los transductores pueden excitarse usando una corriente o voltaje controlados. En sistemas de adquisición de datos, no es común ver excitación de voltaje-constante usado para sensores de presión, a la vez que la excitación de corriente-constante se usa para excitar sensores resistivos tales como RTDs o termistores. En ambientes industriales ruidosos, la excitación actual es preferible generalmente por su mejor inmunidad al ruido.

Dos factores principales para seleccionar una fuente de excitación realzarán el rendimiento del sistema total. Primero, resolución: la magnitud de la excitación será suficiente para el cambio mínimo en las variables medidas para producir una salida del transductor que es lo bastante grande como para superar el ruido y compensar el sistema. Segundo, nivel de potencia: si el sensor es resistivo, el diseñador debe asegurar que el efecto auto calentamiento de la corriente de excitación fluyendo a través del transductor no afecta adversamente los resultados medidos.

Las operaciones ratiometric son muy poderosas; permiten medición y control – usando la alimentación analógica del sistema como referencia – para obtener exactitud independiente de la estabilidad de las referencias de voltaje o alimentación de la excitación. Debido a que el rechazo del suministro de potencia de la mayoría de los ADCs es bastante alto, desviaciones en el voltaje del suministro de potencia no afecta negativamente la medición.

Los circuitos no ratiometric son especialmente convenientes para aplicaciones que requieren mediciones respecto a una referencia absoluta – o donde un simple convertidor sirve para una gran variedad de entradas analógicas no relacionadas. Ya que cambios en referencia o excitación no se eliminan sino que se reflejan en la medición, se requieren para la mayoría de las aplicaciones referencias exactas, precisas y estables.

En el diseño de sistemas de adquisición de datos de alta resolución, los diseñadores tendrán siempre en mente la efectividad en costes de la operación ratiometric donde su uso sea factible.

Puede emplearse una gran variedad de configuraciones de cableado cuando se conectan a sensores resistivos tales como RTDs y termistores en aplicaciones de medición de temperatura. El motivo de existir diferentes configuraciones es que la resistencia del cableado puede introducir errores de medición significativas si no se toman precauciones adecuadas para eliminarlas, particularmente en aplicaciones de RTD de 100-Ω de baja resistencia.

En circuitos RTD, una corriente controlada (usualmente constante) pasa a través del sensor, un resistor cuya resistencia se incrementa gradualmente, repetiblemente y aproximadamente lineal con la temperatura. Cuando su resistencia se incrementa, su caída de voltaje se incrementa y, aunque pequeña, puede medirse sin dificultad.

En una aplicación ideal, el voltaje medido no sólo incluye el incremento en la resistencia del sensor en sí misma.

Si el sensor es remoto y el cable es muy largo, esta fuente de error será significativa en aplicaciones RTD, donde el valor del sensor nominal es de Ω o 1 kΩ, los cambios incrementales son del orden de 0,4 %/°C. Las aplicaciones de termistores, donde los valores de resistencia del sensor nominal son más altos que los de RTDs, tienden a ser menos sensibles a la resistencia.

Bibliografía: Optimizing the performance of a sensor system. Analog.com
Palabras clave: Design of high-resolution data-acquisition systems

Ejemplo de aplicación de la tecnología inalámbrica en una cementera

La compañía CalPortland incluye una red inalámbrica auto-organizada de instrumentación de campo que fiablemente controla el proceso usado para reducir emisiones de NOx en el interior de un horno de cemento rotatoria. NOx es un subproducto del proceso pyro implicado en el procedimiento químico de fabricación de cemento. La red inalámbrica incluye transmisores de temperatura inalámbricos, un transmisor DP inalámbrico, y una puerta de enlace inalámbrica inteligente. CalPortland elige tecnología inalámbrica porque es la mejor solución para cumplir aplicaciones desafiantes. La rotación, temperatura extrema, y localización del horno, hizo que la solución cableada fuese impracticable. Con un horno rotatorio, la adición continuada de instrumentación de variables de proceso para optimizar la estrategia de control es abrumadora. La opción inalámbrica permitió movimiento de los indicadores del proceso para varias posiciones en el horno para la estrategia de control. El mantenimiento mínimo de la opción inalámbrica también asegura fiabilidad de las señales del proceso para un mayor control del proceso. Con un horno rotatorio, la adición continuada de instrumentación de variables de procesos para optimizar la estrategia de control llega a ser abrumadora. La opción inalámbrica permite movimientos de los indicadores de proceso para varias posiciones en el horno para el desarrollo de la estrategia de control. El mantenimiento mínimo de la opción inalámbrica asegurará fiabilidad de las señales para un mayor control del proceso. La compañía usa un proceso de reducción no-catalítica selectiva (SNCR) mediante el cual se rocía amoniaco en el horno para controlar emisiones de NOx. Se necesita controlar la temperatura del amoniaco, los gases del proceso y el vacío ligero del horno. Se ha intentado usar un anillo colector alrededor del horno para controlar estos parámetros pero el desgaste por fricción rompe los aisladores y aísla la señal del proceso. Instalando esta red inalámbrica, podemos ser capaces de controlar y tratar el NOx en el horno exitosamente cuando no hay otra alternativa. El uso de la tecnología inalámbrica permite cumplir con las regulaciones de las emisiones NOx y mejorar el control del proceso. La instalación de cuatro dispositivos en el horno se completó en un día. El transmisor DP se instaló en el recubrimiento de inyección para medir el vacío extremadamente vacío en el horno. Los transmisores de temperatura se instalan en diferentes localizaciones alrededor del horno. La red auto-organizada transmite señales de forma fiable a una puerta de enlace inalámbrica inteligente a pesar del hecho de que se instalen en los lados opuestos del horno. La visión línea-de-vista se bloquea a veces entre algunos dispositivos y la puerta de enlace pero ningún dato se pierde. La puerta de enlace se integra con el sistema de control PLC existente en la planta.

Bibliografía: Wireless helps cement plant comply with air quality regulation. Automation October 2009Palabras clave: Selective Non-Catalytic Reduction (SNCR)

El nuevo Plan E apoya las licitaciones internacionales

Nos es grato informar que el nuevo Plan E incluye partidas que esta vez sí son importantes para salir de la crisis. Adjuntamos nota informativa del ICEX:

Ante la necesidad de facilitar la exportación en un momento en que la misma ha de contribuir de forma fundamental a la recuperación de nuestra economía, se pondrán en marcha un conjunto de medidas (financieras, de información y de formación) de impulso a la exportación.

Las medidas de carácter financiero comprenden la reforma del Convenio de Ajuste Recíproco de Intereses (CARI) para incentivar la concesión de crédito a la exportación, la flexibilización del seguro de crédito a la exportación por cuenta del Estado (gestionado por CESCE); un nuevo Plan África de Exportación de Infraestructuras dotado con 100 millones de euros; y varias iniciativas destinadas a las PYMES como una línea FAD-PYME de 40 millones de euros y la línea CESCE-PYME para facilitar un acceso de éstas a los seguros de crédito a la exportación a un coste más reducido. Estas PYMES serán también las principales beneficiarias del nuevo Plan de Apoyo a la Internacionalización dotado con 25 millones de euros.

Este paquete incluye asimismo otra serie de medidas de información, como la creación del Centro de Atención Unificado al Comercio Exterior (CAUCE) que asesorará a las empresas respecto a los instrumentos de promoción y apoyo a la internacionalización; la puesta en marcha del Centro de Asistencia al Inversor/Exportador (CAI) para las empresas con dificultades en sus licitaciones o inversiones en terceros países; el Plan LICITA que contribuirá a mejorar el aprovechamiento de las oportunidades de negocio que se generan por las Instituciones Financieras Multilaterales; y el Portal de Información sobre Barreras al Comercio que contribuirá a la difusión y eliminación de las mismas.

Por último, dentro de este paquete, y en relación con la necesidad de potenciar la formación de las empresas, en especial las PYMES, en materia de internacionalización, se pondrá en marcha el Plan de Formación para la Internacionalización de la PYME.

Una introducción a la termografía de infrarrojos para aplicaciones mecánicas

La termografía de infrarrojos es el proceso que usa imágenes térmicas para detectar la radiación infrarroja (calor) que es emitida por un objeto. La tecnología permite a los operadores validad operaciones normales y, más importante aún, localizar anomalías térmicas (modelos anormales de calor invisible al ojo) que indica posibles fallos, defectos o ineficiencias dentro de un sistema o máquina.

En este artículo vamos a centrarnos en las aplicaciones de la termografía de infrarrojos en los sistemas mecánicos que comúnmente aparecen en la industria.

Si bien los sistemas de imágenes infrarrojos son relativamente fáciles de usar, interpretar las imágenes tomadas con este equipo pueden ser complejas y desafiantes. Con formación y experiencia, sin embargo, puede obtenerse una información relevante de las cámaras que ayude a los gestores de activos y al personal de mantenimiento a mejorar los sistemas y equipos mientras controlan o mejoran la calidad de los productos.

Cuando se inspeccionan equipos mecánicos con tecnología infrarroja, se necesitan ciertas condiciones. Es también importante tener unos sólidos conocimientos sobre radiometría básica y transferencia de calor, conocimientos sobre cómo operan los equipos, además de unos sólidos antecedentes sobre las capacidades y limitaciones de las cámaras infrarrojas. Como con cualquier tipo de tecnología, la formación apropiada es esencial para operar adecuadamente estos sistemas.

Las inspecciones de equipos mecánicos con termografía infrarroja cubren una gran variedad de sistemas, tales como motores, equipos rotatorios, trampas de vapor, material refractario, niveles de tanques y mucho más. La mayoría de estas inspecciones desenfatizan tomar medidas de temperaturas absolutas y en vez de ello se concentran en comparar modelos térmicos totales para comparar la salud de los activos.

Las inspecciones generales, donde mediante termografía se captura un mapa térmico de un tipo de equipo particular, es uno de los usos más valiosos de la tecnología, ya que las inspecciones subsiguientes se comparar con el mapa original para detallar cualquier cambio que esté ocurriendo a lo largo del tiempo.

Control de motores

Si bien hay muchas formas de controla las condiciones eléctricas y mecánicas de un motor, las imágenes térmicas se han probado como una de las herramientas más útiles. Sabemos que el calor se crea de muchas formas – por fricción excesiva, alta resistencia eléctrica, reducción de aire o fluidos de refrigeración y problemas con el flujo de corriente del motor. Si se detecta un problema, en forma de una imagen térmica anormal vista en la imagen infrarroja – un método de ensayo adicional tal como análisis de vibraciones, ultrasonidos o análisis de circuitos de motores – deberá buscarse un método adicional que ayudará a detectar la causa de la anomalía.

El calentamiento anormal, tal como el que ocurre en acoplamientos desalineados, puede preceder a una vibración detectable. Una gran variedad de asuntos relacionados con el sistema eléctrico de los motores puede tener un modelo térmico asociado. Un fallo interno debido a la avería del aislamiento del devanado del motor puede incrementar la temperatura del motor incluyendo la carcasa. A menudo, cuando la trayectoria del flujo de aire de refrigeración se bloquea en un motor, el aislamiento del devanado también falla.

Inspección de rodamientos

La inspección de rodamientos es otra aplicación útil para la termografía infrarroja. La fricción anormal en los rodamientos, generando calor, causa que la temperatura superficial del rodamiento se eleve. Esta imagen térmica, cuando se detecta, es una imagen potencial de problemas del engranaje, sobre todo por falta o exceso de lubricación, o también por fallo del rodamiento. La tecnología infrarroja es especialmente útil para inspeccionar equipos de alta velocidad, incluyendo transportadores elevados.

Control de aislamiento

La termografía se usa también para controlar la temperatura de aislamiento refractario de alta temperatura, tal como horno o calderas rotatorias. Los modelos térmicos detectados en estos casos pueden usarse para controlar la condición del aislamiento o incluso calcular el espesor del refractario restante. Este tipo de control es muy valioso cuando se planifican paradas de mantenimiento y la reparación en un área problemática es catastrófica o costosa.

Trampas de vapor

Cuando el coste de la energía se incrementa, las trampas de vapor son otra aplicación en la que la termografía puede proporcionar ahorros valiosos. Esto se consigue detectando fallos de las trampas que se quedan pegadas abiertas.

Aislamiento de líneas de proceso

Las líneas de proceso pueden inspeccionarse con tecnología infrarroja. Aplicaciones tales como detectar bloqueo de líneas, control de temperaturas, localizar aislamiento perdido o dañado pueden llevarse a cabo con tecnología infrarroja con pocas excepciones.

Niveles de gases

Finalmente, una de las aplicaciones más fáciles de la termografía es localizar niveles de gases, líquidos, sólidos fluidizados y lodos en tanques, recipientes y silos. Aunque la mayoría de los tanques de almacenamiento tienen medidores para detectar niveles, estos sensores a menudo fallan y necesitan confirmación independiente.

Bibliografía: An intro to infrared thermography for mechanical applications. ReliablePlant October 2009.

Nuevo LEDs de alta intensidad efectivo en costes

Los ingenieros de diseño que buscan LEDs de alta intensidad efectivos en costes pueden revisar el nuevo rango de Dominant Semiconductor.

La firma ha desvelado la nueva serie H de LEDs de nitruro-galio-indio, que están diseñados para reemplazar su rango previo de componentes N.

Los dispositivos de 5 mm operan con corrientes de 20 mA y proporcionan milicandelas (mcd) para LEDs azules y 12.000 mcd para versiones de verde verdadero.

Dos ángulos de visión están disponibles – 70/35 grados o 100/40 grados – en orden de que los LEDs se beneficien de un amplio rango de aplicaciones, incluyendo iluminación interior o exterior, señalización, displays de colores, iluminación trasera e indicadores.

El nuevo rango XLamp XP-C de LEDs puede alcanzar por encima de 100 lúmenes de iluminación en cada dispositivo.

Fuente: Rapid

Nuevo sistema para detectar líquidos en las maletas

Las restricciones a transportar líquidos en aerolíneas comerciales pueden levantarse con el desarrollo de un sistema que puede rápidamente identificar sustancias peligrosas en las maletas de pasajeros. Investigadores alemanes de Forschungszentrum Jülich han desvelado que son capaces de conseguir esto usando un sistema óptica que detecta todos los líquidos existentes y futuros en la quinta parte de un segundo.

Esta técnica usa ondas electromagnéticas que son capaces de reflejar información sobre la dinámica molecular interna de una sustancia. El método se denomina espectroscopía de Hilbert y opera en el rango de frecuencias de 10 GHz a 1 THz.

Este rango es lo que diferencia este sistema de otros dispositivos de detección. Los detectores existentes se basan en gran medida en la teoría electromagnética, pero también están restringidos a trabajar en la escala de gigahertz más baja y sólo pueden analizar ciertas características de la estructura molecular del líquido.

Los investigadores en Jülich han superado este problema usando un dispositivo nano-eléctrico conocido como Josephson junction. De esta forma se acumulan las frecuencias de luz reflejadas del líquido cuando se exponen a radiación electromagnética monocromática. Como resultado, el dispositivo es capaz de rastrear bajas y altas frecuencias para proporcionar la huella detallada del líquido.

La alarma sobre este tipo de explosivos saltó cuando en 2006 un grupo terrorista intentó detonar explosivos líquidos basados en peróxidos en una aeronave que viajaba desde el Reino Unido.

Es muy difícil distinguir entre peróxido de hidrógeno y agua. Ambas sustancias tienen composición química tan similar que parecen exactamente la misma. Las tecnologías desarrolladas desde entonces aún tienen problemas para identificar la diferencia entre los dos líquidos sin separarles de las maletas.

Numerosas tecnologías compiten entre sí basadas en técnicas infrarrojas y gigahercios convencional, espectroscopía de rayos X de baja energía y el efecto Raman. Pero esta nueva tecnología tiene como novedad que puede identificar los líquidos independientemente del contenedor.

Bibliografía: System detects liquids in luggage. Superconductor Science and Technology. October 2009

Redes inalámbricas en una plataforma del mar del norte

El uso de sensores de temperatura inalámbricos para detectar pérdidas de caudal presentan una solución de bajo coste para incrementar la productividad en una plataforma marina.

La red se desplegó en la Gullfaks offshore oil gas facility en el mar del norte. El objetivo era corregir un problema de pérdida de presión que causaba pérdidas de caudal en los pozos. Este problema no se detecta fácilmente y origina graves pérdidas financieras. Para resolver el problema se eligieron redes de sensores de temperatura que pueden predecir la pérdida de caudal en los pozos.

Antes de su despliegue, la solución se ensayó en un ambiente semi-industrial para asegurar que se cumplen todos los requerimientos. La red permitió una rápida y relativamente barata forma de detectar y predecir el caudal, impulsando de esta forma acciones para re-establecer el caudal.

Descripción de la aplicación

La especificación IEEE 802.15.4 para la capa física (PHY) y Medium Access control layer (MAC) ha permitido la aparición de nodos de sensores de baja potencia, energía y bajo coste. En la industria del gas y del petróleo, usar WSNs para instrumentación inalámbrica tiene muchos beneficios. Permite instalación en áreas remotas y hostiles que son demasiado costosas o complejas para instrumentación cableada, y la naturaleza ad hoc de WSNs permite instalaciones temporales y móviles. Además, con la introducción de inalámbricos baratos y fáciles de instalar, pueden desplegarse más y más sensores.

La utilización de tecnología inalámbrica es también efectiva en costes, ya que reduce los costes de construcción en un 5 %. En instalaciones ya existentes el potencial de ahorro puede ser más grande.

La aplicación de Gullfaks tiene las siguientes especificaciones:

• Fiabilidad: Es una medida del porcentaje de datos del sensor que alcanzan su destino, usualmente la puerta de enlace. En la aplicación estudiada la fiabilidad es del 99,9 %.
• Latencia: La latencia es una medida del tiempo de retraso o demora. Es el tiempo que transcurre entre la transmisión del paquete de datos y la llegada al receptor. Una recomendación general es que el tiempo de latencia sea de unos 2 segundos.
• Medidas de temperatura: El rango de la aplicación exige trabajar con temperaturas de 50-70 ºC durante operaciones normales.
• Integración con PCDA (Sistemas de adquisición de datos y control de procesos). La integración con PCDA es una consecuencia de estos requerimientos. La planta de Gullfaks usaba un sistema de control distribuido (DCS).
• Consumo energético: Varios factores afectan al consumo energético de un nodo de sensor inalámbrico: a) Tasa de actualización, actividad de routing, calidad del enlace, tasa de actualización y rango de transmisión.

Tecnología:

• ZigBee PRO: Esta especificación está dirigida al sector industrial.
• Protocolo WirelessHART: Implementa hopping de frecuencia y topología de red de malla completa multi-hop. El método de acceso del canal es Time-Division Multiple Access (TDMA).
• ISA100.11a: Estándar que proporciona conectividad inalámbrica fiable para dispositivos fijos, portátiles y móviles para control no crítico.

Bibliografía: Wireless sensor network installed on a North Sea platform. World Oil September 2009

Comunicaciones en tiempo real entre puntos de prospección de petróleo

En 2008, Apache Corporation actualizó su suite de software de ingeniería para instalaciones de extracción de petróleo. La implementación inicial indicaba la necesidad de incrementar el ancho de banda y la fiabilidad del sistema de telecomunicaciones.

La colaboración en tiempo real entre sitios remotos de extracción de petróleo para proporcionar servicios corporativos entre ciudades distantes requería enlaces de comunicación con anchos de banda mayores y tasas de latencia más bajas de lo que había disponible.

La naturaleza de los sitios de prospección es nomádica, con periodos de perforación que van de 14 a 75 días. La operación se mueve de una localización a otra en pocos días, y ello requiere capacidad para restablecer comunicaciones de alta velocidad. Tradicionalmente, los puntos de perforación remotos se limitan a conexiones de comunicación de alta latencia y baja velocidad. Estas comunicaciones son a menudo muy caras y no se acomodan fácilmente a las transmisiones en tiempo real que implican transferencia de archivos en banda ancha. La cobertura celular, si está disponible no tiene la capacidad de velocidad para suportar servicios digitales avanzados de tercera generación.

ERF Wireless, Inc., es un proporcionador de servicios inalámbricos de internet, que colaboró con Apache para aumentar más de 10 veces el ancho de banda (128 kbps a 1,5 Mbps) y menos de 1/8 la latencia (60 ms) respecto de los sistemas Very Small Aperture Terminal (VSAT) – todo en una plataforma de tráiler nomádica.

Se desarrolló un Mobile Broad-band Trailer System (MBTS) que proporciona los servicios de comunicación de alta capacidad que pueden obtenerse en una localidad fija.

Resultados

El MBTS facilitó comunicación continua en tiempo real del personal situado en pozos remotos, y permite que los expertos tengan acceso en tiempo real a los datos de los pozos. La velocidad de transmisión incrementada de datos permite tomar decisiones críticas. Las velocidades de banda ancha más rápidas permiten la utilización de aplicaciones de software más complejos de lo que era posible con las conexiones VSAT. Es también posible expandir este servicio de una cobertura de nube WiFi de conexión punto a punto. Es posible conectar varias localizaciones sin una reducción en el ancho de banda o un incremento de la latencia. Esto puede proporcionar un método económico para un mejor control permanente en sensores de superficie y pozos, permitiendo una mejor gestión de producción de campo.

Bibliografía: Real-time communications for remote rig sites. World oil September 2009.

Palabras clave: High-speed microwage network, WiFi cloud coverage.

La microgeneración como solución a la distribución en largas distancias

La distribución de energía eléctrica en territorios poco poblados y terrenos abruptos es costosa y las pérdidas son cuantiosas. Es en estos escenarios donde los sistemas de microgeneración son la llave para solucionar los problemas energéticos.

En el Reino Unido, esta estrategia se está utilizando en redes remotas en lugares como las Highlands, Somerset y Suffolk. Estos son algunos ejemplos de lugares donde el gobierno británico trata de implantar una economía baja en carbono.

La microgeneración se complementa en la zona con otros sistemas como la energía de las olas o del viento.

La gran ventaja de la microgeneración es que puede reducir la necesidad de transmisión a larga distancia. Las antiguas redes británicas fueron construidas rápidamente y con poca planificación; las nuevas por el contrario son mucho más eficientes.

Bibliografía: Rapidonline.com