sábado, 16 de junio de 2007

SENSORES INTELIGENTES TEDS

Principio de Funcionamiento



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 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.


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.



viernes, 1 de junio de 2007

SENSOR PIEZOELÉCTRICO PARA LA MEDICIÓN DE PRESIÓN


PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO


El efecto piezoeléctrico consiste en la aparición de una polarización eléctrica en un material al deformarse bajo la acción de un esfuerzo. Es un efecto reversible de modo que al aplicar una diferencia de potencial eléctrico entre dos caras de un material piezoeléctrico, aparece de una deformación.

En la siguiente figura se describe el principio de funcionamiento donde se han dispuesto dos placas metálicas de manera que se constituye un condensador.




Para un material dieléctrico no piezoeléctrico se tiene, que al aplicar una fuerza F, según la Ley de Hooke, en el margen aparece una deformación


donde 1/s es el modulo de Young y T es el esfuerzo (f/A)

Al aplicar una diferencia de potencial entre las placas, se crea un campo eléctrico E, y se cumple

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.

Para un material piezoeléctrico unidireccional, con campo, esfuerzo, etc., en la misma dirección, de acuerdo con el principio de conservación de la energía, a baja frecuencia (campos cuasiestáticos) se cumple


donde

es la permitividad a esfuerzo constante y


es la compliancia a campo constante

Lo cual representa que respecto a un material no piezoeléctrico, aparece una deformación debida también al campo eléctrico y una carga eléctrica debida al esfuerzo mecánico (las cargas desplazadas en el interior del material inducen en las placas cargas superficiales de polaridad opuesta).

Si el área superficial no cambia por el esfuerzo aplicado (cosa que no sucede en los polímetros) d=d´; d es el coeficiente piezoeléctrico de carga o constante piezoeléctrica. Sus dimensiones son culombio / Newton (coulomb/N).

En la siguiente ecuación se ha despejado E y T



donde

el coeficiente piezoeléctrico de tensión

el coeficiente piezoeléctrico de esfuerzo

En la figura se presenta el circuito equivalente cuando se mide la tensión generada por el sensor.

Cs es la capacidad equivalente y Rs es la resistencia de fugas.

Otro parámetro que describe el efecto piezoeléctrico es e coeficiente de acoplamiento electromecánico, k, que es la raíz cuadrada del coeficiente mecánico, es adimensional y se demuestra mediante la ecuación


TIPOS DE SENSORES

Los sensores piezoeléctricos pueden ser utilizados para la medición de diferentes variables como fuerza, presión o movimiento. En la siguiente figura se muestran varias configuraciones ejemplos para baja frecuencia
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.



CONSTRUCCION

Las propiedades piezoeléctricas se manifiestan en 20 de las 32 clases cristalográficas, aunque en la práctica se usan sólo unas pocas, y también en materiales amorfos ferroeléctricos.

De aquellas 20 clases, sólo 10 tienen propiedades ferroeléctricas.


En cualquier caso, todos los materiales piezoeléctricos son necesariamente anisótropos.

En la siguiente figura se muestra el efecto mecánico en diferente moléculas según su simetría




En el caso a hay simetría central, y al aplicar un esfuerzo no aparece polarización eléctrica. En el caso b, en cambio, aparece una polarización paralela al esfuerzo, mientras que en el caso c aparece una polarización en dirección perpendicular al esfuerzo.

Entre los materiales que se pueden encontrar en a naturales y que frecuentemente se usan como piezoeléctricos naturales tenemos el cuarzo y la turmalina.

Por otra parte, entre las sustancia sintéticas mas usadas se encuentras las cerámicas, las cuales tiene gran estabilidad térmica y física y pueden fabricarse en muy distintas formas y con un amplio margen de valores sus propiedades como constante dieléctrica, coeficiente piezoeléctrico y su susceptibilidad a envejecer si su temperatura se acerca a la de Curie. Entre las más empleadas son los titanos-circo-natos de plomo (PZT), el titano de bario y el metaniobato de plomo.

Los materiales piezoeléctricos posee algunas limitaciones como fuga de carga, resonancia, sensibilidad a la temperatura, temperatura de curie, alta impedancia de salida y algunas ventajas como alta sensibilidad, alta rigidez mecánica con deformaciones inferiores a 1 um, pequeño tamaño puede llegar a ser inferior a 1mm.



SISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO

Como se mencionó anteriormente los sensores piezoeléctrico poseen una alta impedancia, una forma de medir la señal proveniente de este sensor es empleando un amplificador de carga y la otra es mediante el uso de un amplificador electrométrico.

En la siguiente figura se representa los dos tipos de circuitos:


En la figura b, se considera que el sensor, el cable coaxial y la entrada del amplificador tienen una resistencia y capacidad finitas, lleva a la siguiente expresion


donde R=RsRcRe, C=Cs+Cc+Ce y Sq es la sensibilidad en carga


De la ecuacion anterior se deduce


1.-La sensibilidad del sensor queda reducida y ademas, en una cuantia que dependa de la longitud de cable empleada.


2.-La respuesta en frecuencia es de tipo paso alto y con una frecuencia de corte que depende tanto de la longitud del cable de conexion como de su aislamiento. Este puede ser variable con la temperatura y humedad ambiente.


Si se dispone de un condensador grande en paralelo con la entrada del amplificador se logra la independencia frente a las variaciones de las otras capacidades, pero a costa de una perdida de sensibilidad. Si se emplea una guarda activa se puede reducir la influencia de la capacidad del cable, pero esto complica el montaje por cuanto debe emplearse un cable triaxial.


En la figura a, se presenta una solucion mas adecuada es un amplificador de carga. Se basa en transferir la carga desde el sensor (en paralelo con el cable y la entrada del amplificador) a un condensador bien conocido, Co, y medir la tension en bornes de éste con un amplificador de características electrometricas. Si la ganancia del amplificador en lazo abierto es A, se tiene


donde se ha puesto, en la proximacion final A>>1. La sensibilidad es ahora independiente del cable, aunque a alata frecuencia, donde el valor de A ha decrecido, puede ser de nuevo importante si C0 es pequeña (para tener alta sensibilidad). Para proteger el amplificador y mejorar la estabilidad, se suele añadir una resistencia de 1k en serie entre el sensor y la entrada inversora del AO, por lo que, la respuesta en alta frecuencia puede venir limitada por esta resistencia y C0.


APLICACION

Los sensores piezoeléctricos tienen muchas aplicaciones segun la variable física a medir. En el caso concreto de la medición de presión su aplicación dependera concretamente de las características físicas del medio, del margen de medida y la señal acondicionada. En la siguiente figura se muestra algunos medidores de presión de uso comercial.




En la industria normalmente se emplean estos tipo de sensores para la medición de presión en centrales hidraúlicas, bastidores, tanques de gas, entre otras.


Un ejemplo de sensor piezoeléctrico de presión con compensación de aceleración es el mostrado en la figura

En la siguiente tabla se presentan las características de un sensor de presión



PROBLEMA PRACTICO

Una Central Hidraulica de un sistema de oscilación de molde en una Planta Siderurgica presenta paradas improvistas durante el proceso productivo de la maquina debido a la caida de la presión a valores mínimos no admisibles para su funcionamiento sin que existan eventos de alarmas que indiquen con anticipación la ocurrencia de este hecho.Las condiciones de operación de la central son las que se indican a continuación:


Presión mínima de operación: 100 bar
Presión máxima: 250 bar


Dado la problemática y especificaciones presentadas se implemento un sistema de medición continua de presión en la Central Hidráulica empleando un Sensor de Presión Piezoelectrico del Fabricante HYDAC Modelo HDA 3445-A-250-000 Typ 905912 de rango 0-250 bar, salida 4-20 ma, esta señal es enviada a un PLC para posteriormente generar señales de alarmas antes valores críticos de la presión y posteriormente presentarlas en pantalla.


A continuación se muestra la instalación del Sensor de Presión Piezoeléctrico utilizado para medir y controlar la Presión de la Central Hidráulica.