Elementos de medida en automatización y robótica industrial - Transmisión de Señales

La definición clásica de transmisor nos dice que es un instrumento que capta la variable en proceso y la transmite a distancia a un instrumento indicador o controlador; pero en realidades eso y mucho más, la función primordial de este dispositivo es tomar cualquier señal para convertirla en una señal estándar adecuada para el instrumento receptor, es así como un transmisor capta señales tanto de un sensor como de un transductor, aclarando siempre que todo transmisor es transductor más no un transductor puede ser un transmisor; como ya sabemos las señales estándar pueden ser neumáticas cuyos valores están entre 3 y 15 Psi, las electrónicas que son de 4 a 20 mA o de 0 a 5 voltios  

Transmisión de datos analógicos y digitales  

TRANSMISIÓN ANALÓGICA

• Los datos analógicos toman valores continuos

•  Una señal analógica es una señal continua que se propaga por ciertos medios .

• La transmisión analógica es una forma de transmitir señales analógicas ( que pueden contener datos analógicos o datos digitales ). El problema de la transmisión analógica es que la señal se debilita con la distancia  , por lo que hay que utilizar amplificadores de señal cada cierta distancia .

TRANSMISIÓN DIGITAL

• los digitales toman valores discretos valores discretos

• Los datos digitales se suelen representar por una serie de pulsos de tensión que representan los valores binarios de la señal .

• La transmisión digital tiene el problema de que la señal se atenúa y distorsiona con la distancia , por lo que cada cierta distancia hay que introducir repetidores de señal .

Últimamente se utiliza mucho la transmisión digital debido a que :

      La tecnología digital se ha abaratado mucho .

Ø      Al usar repetidores en vez de amplificadores , el ruido y otras distorsiones no es acumulativo .

Ø      La utilización de banda ancha es más aprovechada por la tecnología digital .

Ø      Los datos transportados se pueden encriptar y por tanto hay más seguridad en la información .

Ø      Al tratar digitalmente todas las señales , se pueden integrar servicios de datos analógicos ( voz , vídeo, etc..) con digitales como texto y otros .

Perturbaciones en la transmisión 

Atenuación 

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 ( para mantener la energía de la señal se utilizan amplificadores o repetidores).

Debido a que la atenuación varía en función de la frecuencia , las señales analógicas llegan distorsionadas , por lo que hay que utilizar sistemas que le devuelvan a la señal sus características iniciales ( usando bobinas que cambian las características eléctricas o amplificando más las frecuencias más altas ) .  

Distorsión de retardo  

Debido a que en medios guiados , la velocidad de propagación de una señal varía con la frecuencia , hay frecuencias que llegan antes que otras dentro de la misma señal y por tanto las diferentes componentes en frecuencia de la señal llegan en instantes diferentes al receptor .  Para atenuar este problema se usan técnicas de ecualización. 

Ruido  

El ruido es toda aquella señal que se inserta entre el emisor y el receptor de una señal dada . Hay diferentes tipos de ruido : ruido térmico debido a la agitación térmica de electrones dentro del conductor , ruido de intermodulación cuando distintas frecuencias comparten el mismo medio de transmisión , diafonía se produce cuando hay un acoplamiento entre las líneas que transportan las señales  y el ruido impulsivo se trata de pulsos discontinuos de poca duración y de gran amplitud que afectan a la señal-

Capacidad del canal  

Se llama capacidad del canal a la velocidad a la que se pueden transmitir los datos en un canal de comunicación de datos .

La velocidad de los datos es la velocidad expresada en bits por segundo a la que se pueden transmitir los datos

El ancho de banda es aquel ancho de banda de la señal transmitida y que está limitado por el transmisor y por la naturaleza del medio de transmisión ( en hertzios ).

La tasa de errores es la razón a la que ocurren errores .

Para un ancho de banda determinado es aconsejable la mayor velocidad de transmisión posible pero de forma que no se supere la tasa de errores aconsejable . Para conseguir esto , el mayor inconveniente es el ruido .

Para un ancho de banda dado W , la mayor velocidad de transmisión posible es 2W , pero si se permite ( con señales digitales ) codificar más de un bit en cada ciclo , es posible transmitir más cantidad de información .

La formulación de Nyquist nos dice que aumentado los niveles de tensión diferenciables en la señal , es posible incrementar la cantidad de información transmitida .

C= 2W log₂ M

El problema de esta técnica es que el receptor debe de ser capaz de diferenciar más niveles de tensión en la señal recibida , cosa que es dificultada por el ruido. 

Cuanto mayor es la velocidad de transmisión , mayor es el daño que puede ocasionar el ruido .

Shannon propuso la fórmula que relaciona  la potencia de la señal ( S ) , la potencia del ruido ( N ) , la capacidad del canal ( C ) y el ancho de banda ( W ) .

C = W log₂ ( 1+S/N )

Esta capacidad es la capacidad máxima teórica de cantidad de transmisión , pero en la realidad , es menor debido a que no se ha tenido en cuenta nada más que el ruido térmico.

Tipos de Transmisores 

Transmisores neumáticos: Se fundamentan en el principio que cumple el sistema  tobera obturador que consiste en un tubo con un suministro constante de presión no superior a los 25 Psi que pasa por una restricción que reduce el diámetro alrededor de 0.1 mm y que en su otro extremo se torna en forma de tobera  con un diámetro de 0.25 - 0.5 mm que esta 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.

La función de la tobera - obturador es que a medida que la lamina obturadora disminuya  o aumente la distancia hacia la tobera ocasionara 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. 

Para la obtención de una salida eficiente y a causa de diminutos volúmenes de aire que se obtienen del sistema se le acopla una válvula piloto que amplifica, formando un amplificador de dos etapas . 

La válvula servopilotada consiste en un obturador que permite el paso de dos caudales de aire los cuales nos 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 salida mínima. Las funciones de la válvula son:  

·         Aumento del caudal suministrado o del caudal de escape para conseguir tiempos de respuesta inferiores al segundo.

·         Amplificación de presión (ganancia), de cuatro a cinco para obtener la señal neumática de 3 - 15 Psi.

Los transmisores neumáticos presentan las siguientes características:

·         Un consumo de aire mas bajo para el caudal nulo de salida.

·         Un caudal mayor de salida hacia el receptor.

·         Una zona muerta de presiones de salida.

·         Son de equilibrio de fuerzas.

·         Son de acción directa. 

Transmisores electrónicos:  Generalmente utilizan el equilibrio de fuerzas, el desequilibrio da lugar a una variación de posición relativa, excitando un transductor de desplazamiento tal como un detector de inductancia o un transformador diferencial. Un circuito oscilador asociado con cualquiera de estos detectores alimenta una unidad magnética y es así como se complementa un circuito de realimentación variando la corriente de salida en forma proporcional al intervalo de al variable en proceso. Su precisión es de 0.5 - 1% en una salida estándar de 4 - 20mA. Se caracterizan por el rango de entrada del sensor.  

Transmisores inteligentes: Son aquellos instrumentos capaces de realizar funciones adicionales a la de la transmisión de la señal del proceso gracias a un microprocesador incorporado. También existen dos modelos básicos de transmisores inteligentes:

·         El capacitivo que consiste en un condensador compuesto de un diafragma interno que separa las placas y que cuando se abren las placas es porque se realiza una presión este diafragma se llena de aceite lo cual hace variar la distancia entre placas en no mas de 0.1 mm. luego esta señal es amplificada por un oscilador y un demodulador que entregan una señal análoga para ser convertida a digital y así ser tomada por el microprocesador.

·         El semiconductor sus cualidades permiten que se incorpore  un puente de weaston al que el microprocesador linealiza las señales y entrega la salida de 4 - 20mA.

 Los transmisores inteligentes permiten leer valores, configurar el transmisor, cambiar su campo de medida y diagnosticar averías, calibración y cambio de margen de medida. Algunos transmisores gozan de auto calibración, autodiagnóstico de elementos electrónicos; su precisión es de 0.075%. Monitorea las temperaturas, estabilidad, campos de medida amplios,  posee bajos costes de mantenimiento pero tiene desventajas como su lentitud, frente a variables rápidas puede presentar problemas y para el desempeño en las comunicaciones no presenta dispositivos universales, es decir, no intercambiable con otras marcas.  

Como calibrar un transmisor:  

1) Chequeo y Ajustes Preliminares:

·         Observar el estado físico del equipo, desgaste de piezas, limpieza y respuesta del equipo.

·         Determine los errores de indicación del equipo comparado con un patrón adecuado (según el rango y la precisión).

·         Llevar ajustes de cero, multiplicación, angularidad y otros adicionales a los márgenes recomendados para el proceso o que permita su ajuste en ambas direcciones (no en extremos) excuadramientos preliminares. Lo cual reducirá al mínimo el error de angularidad. 

2) Ajuste de cero:

·         Colocar la variable en un valor bajo de cero a 10% del rango o en la primera división representativa a excepción de los equipos que tienen supresión de cero o cero vivo, para ello se debe simular la variable con un mecanismo adecuado, según rango y precisión lo mismo que un patrón adecuado.

·         Si el instrumento que se esta calibrando no indica el valor fijado anteriormente, se debe ajustar del mecanismo de cero( un puntero, un resorte, reóstato, tornillo micrométrico, etc).

·         Si el equipo tiene ajustes adicionales con cero variable, con elevaciones o supresiones se debe hacer después del punto anterior de ajuste de cero. 

3) Ajuste de multiplicación:

·         Colocar la variable en un valor alto del 70 al 100%.

·         Si el instrumento no indica el valor fijado, se debe ajustar el mecanismo de multiplicación o span ( un brazo, palanca, reóstato o ganancia).

4) Repetir los dos últimos pasos hasta obtener la calibración correcta para los valores alto y bajo.  

5) Ajuste de angularidad:

·         Colocar la variable al 50% del span.

·         Si el incremento no indica el valor del 50% ajustar el mecanismo de angularidad según el equipo. 

6) Repetir los dos últimos pasos 4 y 5 hasta obtener la calibración correcta, en los tres puntos.

Nota: Después de terminar el procedimiento se debe levantar un acta de calibración, aproximadamente en cuatro puntos: Valores teóricos contra valores reales ( lo mas exactamente posible), tanto ascendente como descendente para determinar si tiene histéresis.  

Transmisores de presión y temperatura para:

•la extrusión de plástico
•el moldeo de plástico
•la industria en general  

Transmisores de flujo másico para gases, interruptores de nivel y flujo bajo el principio de dispersión térmica

Transmisores de presión y nivel neumáticos y electrónicos.
•Para la industria del papel
•Para la industria en general
 

 Transmisores e interruptores
                    de nivel por el principio
          de radio frecuencia.

Transmisores de señal
        •Alarmas
•Convertidores I/P, P/I
•Transmisores de temperatura
      •Sistemas de comunicación de datos