Estos sensores estan basados en un nuevo estándar para sensores, propuesto por IEEE, el estandar 1451.4, que establece un método universalmente aceptado para desarrollar sensores plug-and-play, de manera similar a un mouse USB el cual es plug-and-play con una computadora, y define un mecanismo para agregar comportamientos auto descriptivos con una interfase de señal análoga, la cual de modo mixto combina la señal análoga del sensor tradicional con una conexión digital serial de bajo costo para accesar la hoja de Datos Electrónica del Transductor (TEDS) incluida en el sensor, permitiendo reducir el tiempo y el reto asociado con la configuración de sensores.
Para extender los beneficios de los sensores Plug&Play a sensores análogos tradicionales, los TEDS Virtuales proporcionan la misma hoja de datos electrónica del transductor en un archivo de formato electrónico. Con TEDS, el sensor se identifica y describe asimismo al sistema de adquisición de datos al cual esta conectado.
La inclusión de capacidades plug-and-play a sensores análogos entrega beneficios reales a usuarios y desarrolladores:
Inicialización más rápida
Diagnósticos mejorados
Reducción de tiempo muerto por reparación y reemplazo de sensores
Administración de activos mejorada
Uso automático de calibración
El Estándar de Interfase de Modo Mixto IEEE 1451.4 para Transductores Pequeños define un mecanismo para agregar tecnología de auto identificación a sensores y actuadores tradicionales de modo-análogo. Desarrollado en conjunto por manufactureros de sensores, proveedores de instrumentación y software, y usuarios; IEEE 1451.4 define el concepto de transductores de modo-mixto que proporciona tanto interfases análogas como digitales. La interfase eléctrica análoga proporciona una señal que refleja los fenómenos físicos (como la temperatura, presión y fuerza) de una manera tradicional.El sensor inteligente TEDS de IEEE 1451.4, sin embargo, también proporciona una interfase digital para comunicarse con un dispositivo integrado en el transductor. Esta memoria contiene la información binaria TEDS que identifica y describe al sensor y actuador. El TEDS contiene información como el fabricante, número de modelo del sensor, número de serie, rango de medición, sensitividad, e información de calibración.
En la siguiente figura se muestra el diagrama que describe el funcionamiento del sensor:
Históricamente, cuando se ajusta y configura un sistema de medición, usted debe proporcionar de manera manual los parámetros de los sensores importantes, como el rango, sensitividad, y factores de escala, de tal manera que el software convierta e interprete apropiadamente los datos del sensor. Ahora, el sistema incorporado con los sensores inteligentes TEDS puede automatizar el paso de configuración, mientras incrementa de manera general la integración y confiabilidad del sistema. Mientras otras tecnologías de sensores inteligentes también proporcionan la operación plug and play, IEEE 1451.4 es único ya que mantiene la salida análoga del sensor. Por lo tanto, los sensores inteligentes TEDS son compatibles con sistemas anteriores que incluyen interfases análogas tradicionales. Además, la simplicidad de las implementaciones IEEE 1451.4 tienen ventajas significativas y pragmáticas para usar los sensores anteriores. Los dos componentes principales del IEEE 1451.4 estándar son las hojas de datos estandarizadas (TEDS) y la interfase de modo mixto.
El corazón del estándar IEEE1451.4 es la definición del TEDS, la estructura de información que contiene la información crítica del sensor para permitir la operación plug-and-play. Los TEDS, que típicamente residen en el EEPROM incorporado en el sensor, son accesados por el sistema de medición con la ayuda de una interfase serial de bajo costo.
IEEE 1451.4 define a la estructura TEDS como muy compacta y a la vez flexible y extensible como para manejar un rango amplio de sensores y requerimientos. La información TEDS esta dividida en varias secciones clave. La primera porción del TEDS, el TEDS Básico, contiene la información de identificación del sensor requerida, incluyendo fabricante, número de modelo, y número de serie del sensor. Al TEDS Básico puede seguirle un TEDS estándar IEEE que contiene la información específica de la ‘hoja de datos’ para los sensores – típicamente los datos necesarios para configurar de manera apropiada la interfase eléctrica y convertir los datos de medición a unidades de ingeniería. Los parámetros típicos del TEDS incluyen rangos de medición, rango de salida eléctrica, sensitividad, requerimientos de potencia, y datos de calibración. La sección de TEDS estándar describe todo lo necesario para realizar mediciones utilizando los sensores.
Tipos de Sensores
Por su Formato TEDS Estandar
La diversidad de sensores inteligentes TEDS se encuentra el elemento primario a usar de ahi que el IEEE estándar especifica una colección de formatos TEDS estándar, definidos como plantillas, para diferentes tipos de sensores primarios. Las plantillas proporcionan las herramientas para que el sistema de medición convierta los datos binarios almacenados en los sensores EEPROM (o archivos Virtuales TEDS) de los TEDS inteligentes en especificaciones significativas para ese sensor. La colección de las plantillas IEEE estándar incluyen acelerómetros IEPE (corriente de potencia constante) y micrófonos, sensores de presión IEPE, sensores de puente Wheatstone, calibradores, transductores de carga y fuerza, termopares, RTDs, termistores, LVDT/RVDT, sensores de resistencia y sensores amplificados (cualquier tipo) con salida de voltaje o corriente. El estándar también permite a los manufactureros definir subplantillas que pueden utilizarse en vez de, o además de, las plantillas estándar para acomodar parámetros y requerimientos específicos.
A continuación, se muestra una tablas con algunas estructuras de los formatos TEDS estándar:
Como puede observarse, la última porción del TEDS esta disponible para usuarios para almacenar datos fijos e información residente en el sensor. Esta característica es muy útil para almacenar la localización del sensor (codificado con un ID), información de mantenimiento adicional, u otra información residente en el sensor.
Por su Interfase Modo Mixto
Un sensor inteligente TEDS como se define por IEEE 1451.4 incluye una interfase de modo mixto que acomoda tanto señales análogas (para medición de señales) como canales digitales en serie (para accesar la información digital TEDS). Existen dos tipos de interfases de modo mixto definidas en el estándar – interfases Clase 1 y Clase 2.
Interfases Clase 1 son principalmente para transductores piezoeléctricos con corriente constante (acelerómetros, micrófonos, etc.) y definen un esquema para hacer cambios secuenciales entre TEDS de modo digital y análogo en un solo par de cables transductores.
Interfases Clase 1 son principalmente para transductores piezoeléctricos con corriente constante (acelerómetros, micrófonos, etc.) y definen un esquema para hacer cambios secuenciales entre TEDS de modo digital y análogo en un solo par de cables transductores.
Interfases Clase 2, la cual requiere de cables adicionales para la comunicación digital TEDS. La entrada-salida análoga de los transductores no se modifica, y la interfase TEDS de 2-cables se agrega en paralelo a la interfase análoga.
En la sección de circuitos de acondicionamiento de señal se ampliará este tema.
Sensor TEDS Virtual
Aunque no es el alcance de este Blog desarrollar este contenido existen sensores TEDS llamados virtuales.
La National Instruments y vendedores de sensores en todo el mundo han reconocido los beneficios implícitos del concepto TEDS, el cual provee una descripción del lenguaje estándar para sensores. La estructura de datos TEDS puede describir cualquier sensor análogo, sin importar si el TEDS está físicamente o no localizado en el EEPROM incorporado al sensor.Un archivo virtual TEDS se almacena en una computadora local o base de datos en web accesible en vez de en una EEPROM. Esto permite que la inmensa instalación de sensores análogos ya establecidos puedan aprovechar los beneficios del TEDS sin necesitar el EEPROM incorporado. Los TEDS virtuales son también valiosos en aplicaciones donde las condiciones de operación del sensor previenen el uso de electrónicos, como EEPROMs, en el sensor.
En la siguiente figura se muestra TEDS Virtuales accesibles vía una Interfase Web
Construcción
La construccion de un sensor inteligente TEDS, parte del elemento primario que se va emplear para la medición de la variable física. Por ejemplo para la constrcción de un acelerometro se puede emplear un piezoeléctrico como sensor primario y a partir de éste adaptar un circuito integrado DS2430A o DS2431 que es una memoria EEPROM que permiten identificar y almacenar informacion relevante del sensor, como el mostrado a continuación.
Con este circuito que almacena el TEDS y un circuito acondicionador como los propuestos a continuacion en la siguientes secciones, se puede construir un sensor inteligente TEDS.
Otro ejemplo de construcción de sensores inteligentes TEDS a partir de sensores primarios son los siguientes:
Circuitos Acondicionadores de Señal
Como se mencionó anteriormente existen dos tipos de interfase de modo mixto que acomoda tanto señales análogas (para medición de señales) como canales digitales en serie (para accesar la información digital TEDS) que son la Clase 1 y Clase 2.
Interfases Clase 1 son principalmente para transductores piezoeléctricos con corriente constante (acelerómetros, micrófonos, etc.) y definen un esquema para hacer cambios secuenciales entre TEDS de modo digital y análogo en un solo par de cables transductores. Transductores energizados con corriente constante, generalmente referidos como transductores electrónicos integrados piezoeléctricos (IEPE), incorporan acondicionamiento interno de señales energizados por una corriente constante provisto por el sistema de medición en los cables de señales. Los transductores Clase 1 toman ventaja de esta característica estándar análoga al agregar al TEDS un interruptor controlado por la dirección de la fuente de corriente. Al revertir la dirección de la corriente, el sistema de instrumentación cambia el sensor a un TEDS de modo digital.
Interfases Clase 1 son principalmente para transductores piezoeléctricos con corriente constante (acelerómetros, micrófonos, etc.) y definen un esquema para hacer cambios secuenciales entre TEDS de modo digital y análogo en un solo par de cables transductores. Transductores energizados con corriente constante, generalmente referidos como transductores electrónicos integrados piezoeléctricos (IEPE), incorporan acondicionamiento interno de señales energizados por una corriente constante provisto por el sistema de medición en los cables de señales. Los transductores Clase 1 toman ventaja de esta característica estándar análoga al agregar al TEDS un interruptor controlado por la dirección de la fuente de corriente. Al revertir la dirección de la corriente, el sistema de instrumentación cambia el sensor a un TEDS de modo digital.
En el siguiente circuito se esquematiza la interfase clase 1
Por otra parte, la mayoría de los tipos de sensores implementan la interfase Clase 2, la cual requiere de cables adicionales para la comunicación digital TEDS. La entrada-salida análoga de los transductores no se modifica, y la interfase TEDS de 2-cables se agrega en paralelo a la interfase análoga. Con esta referencia, puede usted implementar TEDS en virtualmente cualquier tipo de sensor o actuador amplificado o no amplificado, incluyendo termopares, RTDs, termistores, sensores de puente, céldas químicas electroquímicas y sensores de corriente de 4-20 mA. De hecho, con la incorporación de la Clase 2, es muy fácil seguir utilizando sensores existentes, con una variedad de opciones de empaque. En la Figura ilustra un ejemplo de implementación de la interfase modo mixto Clase 2 con un puente transductor.
Otros ejemplos de circuito acondicionadores se muestran a continuación:
Aplicación Industrial
Existen muchas aplicaciones industriales que han desarrollado los fabricantes. Por ejemplo la National Instruments incluyen la comunicación serial adicional de circuito para sensores TEDS inteligentes. El NI SCXI-1314T es un bloque terminal de montaje frontal para el módulo de entrada del sensor puente NI SCXI-1520. Este bloque terminal de ocho canales proporciona la interfase TEDS entre los sensores TEDS inteligentes y el módulo de entrada universal SCXI-1520. El SCXI-1314T introduce una interfase de entradas/salidas fácil para conectarse hasta con ocho sensores puente o calibradores a través de los estilos de conectores ethernet RJ-50.
Para usuarios que requieren de un sistema DAQ portátil y una interfase para sensores TEDS inteligentes de Calse 2, National Instruments ha introducido el nuevo módulo SCC. Compatible con todos los módulos SCC, el NI SC-2350 incorpora todas las ventajas de los TEDS en un pequeño sistema portátil para usuarios que tengan menos cuentas de canales y que requieran de factor de forma más pequeño. El SC-2350 es ideal para sistemas de adquisición de datos portátil con una laptop.
El NI BNC-2096 es un estante de 19 pulgadas para sensores TEDS inteligentes de bloque terminal Clase 1, incluyendo aceleradores y micrófonos TEDS inteligentes. El BNC-2096 permite la conexión de hasta dieciséis sensores TEDS inteligentes.
Otro fabricante como PCB Piezotronics tiene disponible una gama amplia de acelerometros TEDS, como los mostrados en la siguientes figura
y en la siguiente tabla se muestra alguna caracteristicas de ellos
Problema Práctico
Se necesita medir la temperatura de un horno de fundición de chatarra que alcanza niveles 1100ºC. Es necesario que el sensor que se implemente pueda ser calibrado, sea estable, tenga una salida de 4-20 mA y sea un sensor inteligente TEDS.
Existen varias propuesta de algunas fabricante para solucionar este problema. Una de estas propuestas es la planteada por el fabricante Watlow con su WATCOUPLE. Es un sensor inteligente diseñado según el estandar IEEE 1451.4, lo que implica que es un sensor inteligente TEDS, que permite identificar al sensor, fabricante, fecha de fabricación, curva de calibración, posee comunicación externa, entre otras. Por otra parte emplea como sensor primario un termopar cuatro veces más preciso que un termopar tipo K con un valor máximo pico de temperatura de 1316ºC y valor nominal de 1177ºC, con una salida de 4-20mA.
donde D es el vector desplazamiento (o densidad de flujo eléctrico), e es la constante dieléctrica, e0=8,85pF/m es la permitividad del vacío y P es el vector polarización.
donde
es la permitividad a esfuerzo constante y
donde
A partir de la configuración b, se puede lograr la medida de fuerzas, presiones y movimientos de manera simple. A continuación se han representado tres tipos de sensores de forma esquemática, que responde a las tres magnitudes que se pretende medir, por esa razón para diferenciar variable a medir se recurre a diseños especiales.
