UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELAFACULTAD DE INGENIERAESCUELA DE INGENIERA ELCTRICADEPARTAMENTO DE ELECTRNICA, COMPUTACIN Y CONTROLINSTRUMENTACIN Y CONTROL INDUSTRIAL

TRANSMISORES

Profesor: Elaborado por:Morales, Simn Bellorin, Lisgrett C.I 23.663.709Barillas, Alejandro C.I 18.209.742Caracas, 07 de Mayo de 2014.Transductor: elemento o dispositivo el cual recibe informacin en una forma de energa y la convierte en una informacin de la misma forma de energa o en otra forma de energa.Transmisor: un transductor el cual responde a una variable medida por un elemento sensor y convierte esta a una seal de transmisin estndar la que es funcin slo de la variable medida. El objetivo del transmisor es convertir la salida de un sensor en una seal lo suficientemente intensa como para que se pueda transmitir a un controlador o a otro dispositivo. Se han desarrollado un juego de seales estndar para procesar los cambios en las salidas de los elementos primarios. Estas seales pueden ser: neumticas, electrnicas, digitales, hidrulicas y telemtricas. 1. Seales neumticas: son introducidas por cambios en la presin de aire en una tubera que son proporcionales a los cambios en la variable de procesos. La seal estndar neumtica es de 3 a 15 psi. El valor 3 corresponde al valor ms bajo del rango de la variable (LRV) y el 15 corresponde al valor mayor en el rango (URV). Todos los transmisores neumticos tienen un arreglo de boquilla y mariposa para producir una seal de salida proporcional a la salida del sensor.2. Seales elctricas: la seal elctrica estndar es la seal de corriente de 4 a 20 mA. La seal de 4mA corresponde al nivel ms bajo de la variable medida y la seal de 20 mA corresponde al nivel ms alto de dicha variable.3. Seales digitales: son un caso especial entre las seales discretas, puesto que slo entregan dos valores, uno alto y otro bajo, que indican presencia o ausencia, encendido o apagado. Funcionan de acuerdo a la lgica binaria, donde uno de los valores asume el 1 lgico y el otro valor asume el 0 lgico. Son seales emitidas en forma de tren de pulsos compatibles con lenguajes computacionales, que describen las variables de proceso. Estas seales estn normalizadas por protocolos de comunicacin, y estos protocolos pueden ser abiertos (disponibles para cualquier usuario) o propietarios (requieren licencias especiales otorgadas por los propietarios del protocolo). Algunos protocolos en uso son: HART (highway addressable remote transducer), FUNDATION (Fieldbus, Profibus, modbus), DeviceNet.4. Seales hidrulicas: corresponden a una variacin en la presin de un fluido, normalmente algn tipo de aceite, proporcional a la variacin de la seal de proceso medida. Suele usarse en actuadores que deben desarrollar grandes fuerzas.5. Seales telemtricas: son seales acondicionadas para viajar por medio inalmbricos. Pueden ser seales anlogas o digitales.Las ms empleadas en la industria son las tres primeras, las seales hidrulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las seales telemtricas se emplean cuando hay una distancia de varios kilmetros entre el transmisor y el receptor. Segn el tipo de seal se clasificarn los transmisores. Transmisores neumticosLos transmisores neumticos generan una seal neumtica variable linealmente de 3 a 15 psi (libras por pulgada cuadrada) para el campo de medida de 0-100% de la variable. Esta seal est normalizada por la SAMA- Asociacin de fabricantes de instrumentos.Utilizando el sistema mtrico decimal la seal que se emplear ser de 0,2-1 bar, siendo prcticamente equivalente a la anterior. As, por este procedimiento, segn la presin de salida se transmitir un valor de la variable.Los transmisores neumticos se basan en el sistema tobera-obturador que convierte el movimiento del elemento de medicin en una sealneumtica. El sistema tobera-obturador consiste en un tubo neumtico aumentado a una presin constante Ps, con una reduccin en su salida en forma de tobera, la cual puede ser obstruida por una lmina llamada obturador cuya posicin depende del elemento de medida. En la figura 1 se presenta el conjunto.

Figura 1 Sistema Tobera-Obturador.El aire de alimentacin de presin normalizada 1,4 bar (20 psi) pasa por la restriccin R y llena el volumen cerrado V escapndose a la atmsfera por la tobera R,. sta tiene un dimetro muy pequeo, de unos 0,25-0,5 mm, mientras que la restriccin R tiene un dimetro alrededor de 0,1 mm. Con el obturador abierto la presin posterior remanente es de unos 0,03 bar, lo cual indica que la relacin de presiones diferenciales a travs de la restriccin R es de 1,4/0,03 aproximadamente 50 veces. El consumo de aire del conjunto tobera-obturador es relativamente pequeo, del orden de 3 NI/min.El escape de aire a travs de la tobera depende de la posicin del obturador, es decir, del valor de x. Debido a este escape, el volumen V se encontrar a una presin P, intermedia entre P, y la presin atmosfrica. En efecto: para x = 0 el obturador tapa casi totalmente a la tobera, con lo cual no hay escape de aire a la atmsfera y P, llega a ser casi igual a la presin P, del aire de alimentacin: para x relativamente grande el obturador est bastante separado de la tobera y no limita el escape a la atmsfera siendo la presin P, prxima a la atmosfrica.En la figura 2 se representa una tobera ejerce una fuerza sobre el obturador F P, X S que tiende a desplazarlo. Esta curva de respuesta tpica de un sistema tobera-obturador, pudiendo verse que la misma no es lineal.El aire que se escapa de la fuerza debe hacerse despreciable con relacin a la fuerza del elemento de medida que posiciona el obturador.Con este objeto, en el amplificador de dos etapas se utiliza slo una parte reducida de la curva, y se disminuye adems la seccin de la tobera a dimetros muy pequeos de 0,1 a 0,2 mm (no se consideran dimetros ms pequeos para evitar que la tobera se tape por suciedad del aire). De este modo, la parte reducida de la curva puede aproximarse a una lnea recta con lo cual se consigue una relacin prcticamente lineal entre el valor de la variable y la seal transmitida.

Figura 2 Curva de respuesta de un sistema tobera-obturador.Como la restriccin fija R es 3 a 4 veces menor que la tobera R,; slo pasa por la misma un pequeo caudal de aire, por lo cual, el volumen V debe ser tan reducido como sea posible para obtener un tiempo de respuesta del sistema inferior al segundo.La vlvula piloto (amplificador neumtico) empleada en el amplificador de dos etapas figura 3 cumple las siguientes funciones:1. Aumento del caudal de aire suministrado, o del caudal de escape para conseguir tiempos de respuesta inferiores al segundo.2. Amplificacin de presin (ganancia) que suele ser de 4 a 5, en general, para obtener as la seal neumtica estndar 3-15 psi (0,2-1 bar).

Figura 3 Bloque amplificador de dos etapas.En la vlvula piloto con realimentacin, sin escape continuo (fig. 4), la presin posterior P, de la tobera acta sobre la membrana de superficie S, mientras que la presin de salida Po lo hace sobre la membrana S2. El conjunto mvil de las dos membranas tiende al equilibrio y cuando ste se establece se verifica la siguiente ecuacin:

Figura 4 Caractersticas de la vlvula piloto con realimentacin (sin escape continuo)La relacin:

es el factor de amplificacin o de ganancia de la vlvula piloto.En la posicin de equilibrio y ante un aumento de la presin posterior P1 de la tobera, el aire de alimentacin entra en la vlvula aumentando el valor de Po. Por el contrario, si P1 disminuye, el aire contenido en el receptor escapa a travs del orificio de escape, con lo cual Po baja. Entre estas dos reacciones del sistema existe una zona muerta debida a la histresis mecnica de las partes mviles.El sistema descrito compuesto por el conjunto tobera-obturador y la vlvula piloto presenta todava las siguientes desventajas:- Las variaciones en la presin del aire de alimentacin influyen en la seal de salida.-Las vibraciones que pueden existir en el proceso influyen en el juego mecnico entre el obturador y el elemento de medida y dan lugar a pulsaciones en la seal de salida, ya que el factor de amplificacin del sistema tobera-obturador es muy grande.Estos inconvenientes se evitan disminuyendo la ganancia del conjunto por realimentacin negativa de la seal posterior de la tobera P, sobre el obturador. Se utilizan as tres sistemas de transmisin, el transmisor de equilibrio de movimientos, el de equilibrio de fuerzas y el de equilibrio de momentos.Transmisor de equilibrio de movimientosEl transmisor de equilibrio de movimientos (fig. 5) compara el movimiento del elemento de medicin asociado al obturador con un fuelle de realimentacin de la presin posterior de la tobera. El conjunto se estabiliza segn la diferencia de movimientos alcanzando siempre una posicin de equilibrio tal que existe una correspondencia lineal entre la variable y la seal de salida. Hay que sealar que en este tipo de transmisores, las palancas deben ser livianas, pero bastante fuertes para que no se doblen. Estos instrumentos se utilizan, en particular, en la transmisin de presin y temperatura donde los elementos de medida tales como tubos Bourdon, manmetros de fuelle, elementos de temperatura de bulbo y capilar son capaces de generar un movimiento amplio, sea directamente o bien a travs de palancas con la suficiente fuerza para eliminar el error de histresis que pudiera producirse. Si la fuerza disponible es pequea, aparte de la histresis, el tiempo necesario para el movimiento es grande y el transmisor es lento en responder a los cambios de la variable. En este caso, se acude a los transmisores de equilibrio de fuerzas en los que bsicamente el elemento primario de medida genera una fuerza que se equilibra con otra igual y opuesta producida por el transmisor.

Figura 5 Transmisor de equilibrio de movimientos.Transmisor de equilibrio de fuerzasEn la figura 6 puede verse que el elemento de medicin ejerce una fuerza en el punto A sobre la palanca AC que tiene su punto de apoyo en D. Cuando aumenta la fuerza ejercida por el elemento de medicin, la palanca AC se desequilibra, tapa la tobera, la presin aumenta y el diafragma ejerce una fuerza hacia arriba alcanzndose un nuevo equilibrio. Hay que sealar, como se ha dicho, que en este transmisor los movimientos son inapreciables.

Figura 6 Transmisor de equilibrio de fuerzas.Transmisor de equilibrio de momentosEn el transmisor de equilibrio de momentos que puede verse en la figura 7 (transmisor de caudal), el desequilibrio de fuerzas producido por el caudal crea un par al que se opone el generado por el fuelle de realimentacin a travs de una rueda de apoyo mvil situada en el brazo del transmisor.

Figura 7 Transmisor de equilibrio de momentos. Transmisores electrnicosLos transmisores electrnicos generan una seal estndar de 4-20 mA c.c., a distancias de 200 m a 1km, segn sea el tipo de instrumento transmisor. A veces esta seal de salida es sustituida por un voltaje de 1-5V, si existen problemas de suministro electrnico. La seal electrnica de 4 a 20 mA c.c. tiene un nivel suficiente y de compromiso entre la distancia de transmisin la robustez del equipo. Al ser continua y no alterna, elimina la posibilidad de captar perturbaciones, est libre de corrientes parsitas y emplea slo dos hilos que no precisan blindaje.

Transmisores electrnicos de equilibrio de fuerzasLos transmisores electrnicos son generalmente de equilibrio de fuerzas, consiste en su forma ms sencilla de una barra rgida apoyada en un punto sobre la que actan dos fuerzas en equilibrio: -La fuerza ejercida por el elemento mecnico de medicin (tubo bourdon, espiral, fuelle, etc.) -La fuerza electromagntica de una unidad magntica. El desequilibrio entre estas dos fuerzas da lugar a una variacin de posicin relativa de la barra, 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 magntica y la fuerza generada reposiciona la barra de equilibrio de fuerzas. Se completa as un circuito de realimentacin variando la corriente de salida en forma proporcional al intervalo de la variable del proceso. Transmisores digitalesLos transmisores digitales emiten una seal digital, que consiste en una serie de impulsos en forma de bits. Cada bit consistir en dos signos, el 0 y el 1 (cdigo binario), y representa el paso (1) o no (0) de una seal a travs de un conductor. Hacia 1983 se present en el mercado el primer transmisor digital denominado inteligente. Este trmino indica que el sensor tiene incorporadas funciones adicionales que se aaden a las propias de la medida exclusiva de la variable. Lgicamente dichas funciones son proporcionadas por un microprocesador, pero esto no es esencial para que al instrumento pueda aplicrsele la denominacin inteligente.Hay dos modelos bsicos de transmisores inteligentes:El capacitivo est basado en la variacin de capacidad que se produce en un condensador formado por dos placas fijas y un diafragma sensible interno y unido a las mismas, cuando se les aplica una presin o presin diferencial a travs de dos diafragmas externos. La transmisin de la presin del proceso se realiza a travs de un fluido (aceite) que rellena el interior del condensador.Un circuito formado por un oscilador y demodulador transforma la variacin de capacidad en seal analgica, sta a su vez es convertida a digita, y pasa despus a un microprocesador que la transforma a la seal analgica de transmisin de 4-20 mA c.c.El de semiconductor aprovecha las propiedades elctricas de los semiconductores al ser sometido a tensiones. El modelo de semiconductor difundido est fabricado a partir de una delgada pelcula de silicio y utiliza tcnicas de dopaje para generar una zona sensible a los esfuerzos. Se comporta como un circuito dinmico de puente de Wheatstone aplicable a la medida de presin, presin diferencial y nivel, formado por una pastilla de silicio difundido en el que se hallan embebidas las resistencias RA, RB, RC y RD de un puente de Wheatstone. El desequilibrio del puente originado por cambios en la variable, da lugar a una seal de salida de 4-20 mA c.c. Su funcionamiento es el siguiente:Cuando no hay presin, las tensiones E1 y E2 son iguales, y al aplicar la presin del proceso, Rb y Rc disminuyen su resistencia y Ra y Rd la aumentan, dando lugar a cadas de tensin distintas y a una diferencia entre E y E2. Esta diferencia se aplica a un amplificador de alta ganancia que controla un regulador de corriente variable. Un margen de corriente continua de 3 a 19 mA c.c. con 1 mA del puente produce una seal de salida de 4 a 20 mA c.c. Esta corriente circula a travs de la resistencia Rfb, y eleva E1 a una tensin equivalente a E2 y reequilibra el puente. Como la cada de tensin producida a travs de Rfb es proporcional a R2b, esta resistencia fija el intervalo de medida (span) del transductor. El cero del instrumento se vara intercalando resistencias fijas en el brazo izquierdo del puente (cero basto) y un potencimetro en el brazo derecho (cero fino). Buses de CampoLos buses de datos que permiten la integracin de equipos para la medicin y control de variables de proceso, reciben la denominacin genrica de buses de campo. Un bus de campo es un sistema de transmisin de informacin (datos) que simplifica enormemente la instalacin y operacin de mquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de produccin.El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a travs del tradicional lazo de corriente de 4 -20mA o 0 a 10V DC, segn corresponda. Generalmente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs, transductores, actuadores, sensores y equipos de supervisin. Varios grupos han intentado generar e imponer una norma que permita la integracin de equipos de distintos proveedores. Sin embargo, hasta la fecha no existe un bus de campo universal.Los buses de campo con mayor presencia en el rea de control y automatizacin de procesos son: HART Profibus Fieldbus-FoundationHARTEn pocas palabras, el Protocolo HART (transductor remoto direccionable en red) es el estndar mundial para enviar y recibir informacin digital a travs de cables analgicos entre dispositivos inteligentes y el sistema de control o de monitoreo.Ms especficamente, HART es un protocolo bidireccional de comunicacin que suministra acceso de datos entre instrumentos inteligentes de campo y sistemas centrales. Un sistema central puede ser cualquier aplicacin de software desde el dispositivo de mano o laptop del tcnico hasta el control de procesos de una planta, gestor de activos, seguridad u otro sistema que use cualquier plataforma de control.Cmo funciona HART?HART es un acrnimo en ingls para Transductor Remoto Direccionable en Red. El Protocolo HART usa la norma Bell 202 Modulacin por desplazamiento de frecuencia o MDF (FSK en ingls) para empalmar seales digitales de comunicacin a bajo nivel sobre 4 a 20 mA.

Figura 8 Modulacin por desplazamiento de frecuencia (MDF)Esto permite la comunicacin bidireccional en campo y hace posible la transmisin de informacin adicional ms all de slo las variables normales de proceso comunicadas de y hacia un instrumento inteligente de campo. El Protocolo HART se comunica a 1200 bps sin interrumpir la seal de 4 a 20 mA y permite a la aplicacin central (maestra) obtener dos o ms actualizaciones digitales por segundo de un dispositivo inteligente de campo. Ya que la seal digital MDF es de fase continua no hay interferencia con la seal de 4 a 20 mA.La Tecnologa HART es un protocolo maestro/servidor, lo cual significa que un dispositivo inteligente de campo (servidor) slo habla cuando le habla un maestro. El Protocolo HART se puede utilizar en diversos modos, como punto a punto o multipunto para transmitir informacin hacia y desde los instrumentos inteligentes de campo y el control central o los sistemas de monitoreo.La comunicacin HART se produce entre dos dispositivos habilitados con HART, tpicamente un dispositivo de campo inteligente y un sistema de control o monitoreo. La comunicacin se produce mediante un cable de instrumentacin de calidad estndar y el uso de prcticas de cableado y terminacin estndar.El protocolo HART proporciona dos canales de comunicacin simultneos: la seal analgica de 4 a 20 mA y una seal digital. La seal de 4 a 20 mA comunica el valor primario medido (en el caso de un instrumento de campo) con el circuito de corriente 4 a 20 mA, el estndar ms rpido y ms fiable de la industria. Informacin adicional del dispositivo se comunica mediante una seal digital que se superpone a la seal analgica.La seal digital contiene la informacin del dispositivo incluyendo el estado del dispositivo, diagnstico, valores medidos o calculados adicionales, etc. Juntos, los dos canales de comunicacin proporcionan una solucin completa de comunicacin de campo muy robusta a bajo costo que es fcil de usar y configurar.

Figura 9 Dos canales de comunicacinEl Protocolo HART suministra hasta dos maestros (primario y secundario). Esto permite usar maestros secundarios como comunicadores de mano sin interferir con las comunicaciones desde y hasta el maestro primario, es decir, el sistema de control / monitoreo.

Figura 10 Maestros primarios y secundariosEl protocolo HART permite toda la comunicacin digital con los dispositivos de campo en configuracin de red punto a punto o multipunto:

Figura 11 Configuracin Punto a PuntoFoundationLasredes de comunicaciones industrialesdeben su origen a la fundacin FieldBus (Redes de campo). La fundacin FieldBus desarroll un nuevo protocolo de comunicacin para la medicin y el control de procesos donde todos los instrumentospuedan comunicarse en una mismaplataforma. Foundation Fieldbus (FF) es un protocolo de comunicacin digital para redes industriales, especficamente utilizado en aplicaciones de control distribuido. Puede comunicar grandes volmenes de informacin, ideal para aplicaciones con varios lazos complejos de control de procesos y automatizacin. Est orientado principalmente a la interconexin de dispositivos en industrias de proceso continuo. Los dispositivos de campo son alimentados a travs del bus Fieldbus cuando la potencia requerida para el funcionamiento lo permite.Las comunicaciones entre los instrumentos de proceso y el sistema de control se basan principalmente en seales analgicas (neumticas de 3 a 15psien las vlvulas de control y electrnicas de 4 a 20 mA cc). Pero ya existen instrumentos digitales capaces de manejar gran cantidad de datos y guardarlos histricamente; su precisin es diez veces mayor que la de la seal tpica de 4-20 mA cc. En vez de transmitir cada variable por un par de hilos, transmiten secuencialmente las variables por medio de un cable de comunicaciones llamado bus.La tecnologa fieldbus (bus de campo) es un protocolo de comunicaciones digital de alta velocidad creada para remplazar la clsica seal de 4-20 mA que an se utiliza en muchos de los sistemasDCS(Sistema de Control Distribuido) yPLC(Controladores Lgicos Programables), instrumentos de medida y transmisin y vlvulas de control. La arquitectura fieldbus conecta estos instrumentos con computadores que se usan en diferentes niveles de coordinacin y direccin de la planta. Muchos de los protocolos patentados para dichas aplicaciones tiene una limitante y es que el fabricante no permite al usuario final la interoperabilidad de instrumentos, es decir, no es posible intercambiar los instrumentos de un fabricante por otro similar. Es claro que estas tecnologas cerradas tienden a desaparecer, ya que actualmente es necesaria la interoperabilidad de sistemas y aparatos y as tener la capacidad de manejar sistemas abiertos y estandarizados. Con la mejora de los protocolos de comunicacin es ahora posible reducir el tiempo necesario para la transferencia de datos, asegurando la misma, garantizando el tiempo de sincronizacin y el tiempo real de respuesta determinista en algunas aplicaciones.Como funciona FieldbusHay dos partes importantes de laarquitecturadelsistemaFieldbus: la interconexin y aplicacin. La interconexin se refiere a la transmisin dedatosdesde un dispositivo a otro, puede ser un dispositivo de campo, operador de consola o un configurador. Esta es la parte del protocolo decomunicacinde bus de campo.La aplicacin es la funcin de automatizacin que el sistema realiza. Mediante la estandarizacin de parte de la aplicacin, Fieldbus ha ido ms lejos que cualquier otro estndar de comunicacin, garantizando la interoperabilidad entre los productos.Ventajas de un bus de campo El intercambio puede llevarse a cabo por medio de un mecanismo estndar. Flexibilidad de extensin. Conexin de mdulos diferentes en una misma lnea. Posibilidad de conexin de dispositivos de diferentes procedencias. Distancias operativas superiores al cableado tradicional. Reduccin masiva de cables y costo asociado. Simplificacin de la puesta en servicio.Desventajas de un bus de campo Necesidad de conocimientos superiores. Inversin de instrumentacin y accesorios de diagnstico. Costos globales inicialmente superiores.