Instrumentación virtual industrial (página 2)

3. DISEÑO DE INSTRUMENTOS
VIRTUALES

Para construir un instrumento virtual, sólo
requerimos de una PC, una tarjeta de adquisición de
datos con
acondicionamiento de señales
(PCMCIA, ISA, XT, PCI, etc.) y el software
apropiado.

Un instrumento virtual debe realizar como mínimo
las tres funciones
básicas de un instrumento convencional:
adquisición, análisis y presentación de
datos.

La instrumentación virtual puede
también ser implementada en equipos móviles
(laptops), equipos distribuidos en campo (RS-485), equipos a
distancia (conectados vía radio, Internet, etc.), o equipos
industriales (NEMA 4X, etc.).

Existe una tarjeta de adquisición de datos para
casi cualquier bus o canal de comunicación en PC (ISA, PCI, USB, serial
RS-232, RS-422, paralelo EPP, PCMCIA, CompactPCI, PC/104, VMEbus,
CAMAC, PXI, VXI GPIB,
etc.), y existe un driver para casi cualquier sistema operativo
(WIN /3.1 /95 /2000 /XP /NT, DOS, Unix, Linux, MAC OS,
etc.).

Algunos programas
especializados en este campo son LabVIEW,

Agilent-VEE (antes HP-VEE), Cyber Tools,
Beta Instruments Manager, Matlab Simulink, etc.

Ruido del sistema

Idealmente, una señal que es digitalizada y
entregada por un instrumento virtual es la misma señal que
es ingresada al instrumento. Frecuentemente se pueden atribuir
las diferencias entre las señales de entrada y salida al
ruido del
sistema, el cual
proviene de un diverso número de fuentes,
incluyendo el medio ambiente
y el instrumento mismo.

El diseño
de un instrumento virtual requiere que se comprenda como el ruido
puede afectar la adquisición de datos, el diseño
del hardware y el
medio ambiente.

Si no se entienden las preocupaciones relativas tales
como la interferencia electromagnética (EMI), manejo de la
fuente de potencia, puesta
a tierra, la
configuración electrónica, etc., entonces no se puede
diseñar un instrumento que sea exacto dentro de un medio
ambiente eléctricamente ruidoso.

Para conseguir determinar el ruido en un sistema con
instrumentación virtual, se debe seguir los siguientes
pasos:

• Primeramente se deben poner a tierra las entradas del
  instrumento y medir cualquier señal de ruido
  remanente.
• Seleccione un canal de entrada del instrumento y
  conecte las entradas positivas y negativas a la tierra
  del mismo. Se deberán conectar las entradas del conector
  del instrumento tan cerca del conector como sea posible a fin
  de reducir cualquier acoplamiento de ruido externo sobre la
  conexión.
• Configure el instrumento para adquirir un
  millón o más de datos a la deseada velocidad de
  muestreo.
  Repase sólo los códigos binarios entregados por
  el instrumento.
• Ahora cuente cada vez que ocurre un código binario y coloque la información en un histograma. Para un
  instrumento de 16 bits, su histograma posee 216 intervalos y
  cada intervalo contiene la cantidad de veces que fue contado el
  código binario en particular.
• Luego se deberá normalizar los datos
  adquiridos. Debido a que el instrumento no es ideal, se
  deberán buscar las desviaciones de los datos con
  respecto al cero. Para normalizar los datos se debe dividir el
  número de ocurrencias en cada intervalo por el
  número total de muestras adquiridas. Esto provee un
  valor
  normalizado que representa la probabilidad de
  ocurrencia de un código en particular.
• Para determinar el peor ruido, se debe encontrar el
  código que posea la mayor probabilidad y compararlo con
  el código que se halle más lejos y posea la menor
  probabilidad. La diferencia entre los dos en LSBs es el mayor
  ruido del instrumento.

Inexactitud absoluta

La inexactitud absoluta de un instrumento virtual es la
máxima diferencia entre el valor medida entregado por el
instrumento y el valor real aplicado en su entrada.

Típicamente, un fabricante provee
información de la exactitud absoluta para cada rango de
entradas y modos que el instrumento puede manejar.

Las tablas de exactitud absoluta a menudo incluyen
información de la exactitud basadas en el período
transcurrido desde la última calibración del
instrumento. Esta variación de la exactitud con el
transcurso del tiempo se debe
a la desgaste de los componentes electrónicos que
constituyen el instrumento.

Para tener en cuenta este desgaste, se debe calibrar el
instrumento a intervalos de tiempo determinados siguiendo un
cronograma de actividades.

Exactitud absoluta

Las especificaciones de exactitud absolutas ayudan a
determinar la incertidumbre general de las mediciones. La
habilidad del instrumento para medir con exactitud una magnitud
física
varía con una serie de factores, tales como: tiempo en
servicio,
temperatura,
humedad, exposición
al medio ambiente y abuso.

Para verificar la exactitud absoluta de un instrumento
virtual, se deben seguir los siguientes pasos:

• Utilice la tabla de exactitud absoluta proporcionada
  por el fabricante y calcule la exactitud para una entrada en
  particular. En muchos casos, se eligen puntos de ensayo cerca
  de los fondos de escala
  negativos y positivos del rango de entrada así como
  también el cero.
• Utilice una fuente de precisión y entre el
  valor a ensayar al instrumento.
• Compare las mediciones del instrumento con la
  exactitud calculada en el primer paso. Un instrumento
  diseñado adecuadamente que se halla calibrado provee
  resultados de mediciones que cumplen con las especificaciones
  de exactitud absoluta publicadas por el fabricante.

4. CALIBRACIÓN DE INSTRUMENTOS
VIRTUALES

La calibración cuantifica la incertidumbre en la
medición comparando las mediciones con una
norma conocida. Esto verifica que el instrumento se halla
operando dentro de especificaciones establecidas.

Durante algún tiempo los usuarios comprendieron
la necesidad de calibrar instrumentos tradicionales. Los mismos
principios se
aplican a mediciones realizadas con computadoras.
Se deberían seleccionar instrumentos virtuales que provean
herramientas
para realizar tanto calibraciones internas (conocidas como
auto-calibraciones), como calibraciones externas.

Las opciones de calibración externa e interna
ofrecen dos beneficios diferentes: con la calibración
externa se puede asegurar que la exactitud de la medición
está sujeta a una norma conocida. Con la
calibración interna, se puede ajustar el instrumento para
ser utilizado en medios
ambientes diferentes a los cuales se realizó la
calibración externa.

La calibración externa requiere el uso de
fuentes de alta precisión, también conocidas como
patrones. Durante una calibración externa, las constantes
de calibración a bordo y las referencias se ajustan con
respecto a las constantes patrón externas. La
calibración externa se reserva a laboratorios de metrología
u otras instituciones
que mantengan normas
verificables. Una vez que se completó la
calibración externa, las nuevas constantes de
calibración se almacenan en un área protegida de
la memoria de
los instrumentos y no pueden ser modificadas por el usuario. Esto
protege la integridad de la calibración de la
adulteración.

Debido a que la calibración interna no se
basa en patrones externos, es un método
mucho más simple. Con la calibración interna, las
constantes de calibración del instrumento se ajustan con
respecto a referencias precisas existentes en el mismo. Luego de
que se calibró externamente el instrumento y colocado en
un medio ambiente donde las variables
externas, tales como temperatura, difieren de las del medio
ambiente original, se puede utilizar este tipo de
calibración. Finalmente, a diferencia de la
calibración externa, se puede realizar una
calibración interna en cualquier momento utilizando
funciones del software que son provistas con el manejador de la
placa del instrumento.

5. TEMAS Y
CONTENIDOS

Capítulo I: INSTRUMENTACIÓN Y
CALIBRACIÓN

1. Introducción a la
instrumentación

2. Introducción a la
calibración

3. Definiciones generales

4. Instrumentos industriales

5. Errores de medición

6. Procedimientos de
calibración

Capítulo II: SIMBOLOGÍA
INDUSTRIAL

1. Introducción a la simbología
industrial

2. Simbología de figuras

3. Simbología de líneas

4. Símbolos de válvulas y
actuadores

5. Diagramas de
instrumentación

6. Simbolismo de funciones

7. Identificación de instrumentos

Capítulo III: SISTEMAS DE
CONTROL AUTOMÁTICO

1. Definiciones básicas

2. Elementos de un sistema de control
automático

3. Características del control

4. Métodos de
control

5. Estrategias de
control

6. Sistemas
Scada

7. Sistemas de automatización

Capítulo IV: INSTRUMENTACIÓN
VIRTUAL

1. Introducción a la instrumentación
virtual

2. Adquisición de datos

3. Digitalización de señales

4. Diseño y selección
de tarjetas
DAQ

5. Diseño de instrumentos virtuales

Capítulo V: COMUNICACIONES
Y TRANSMISIÓN DE DATOS

1. Redes
industriales

2. Comunicaciones industriales

3. Procesamiento de
datos en tiempo real

4. Bus de comunicaciones para
instrumentación

Capítulo VI: HARDWARE Y SOFTWARE PARA
INSTRUMENTACIÓN VIRUAL

1. Hardware para instrumentación
virtual

1.1. Computadoras industriales

1.2. Puertos de comunicaciones

1.3. Sensores y
DAQs

1.4. Tarjetas de adquisición

1.5. Dispositivos adicionales

2. Software para instrumentación
virtual

2.1. Cyber tools

2.2. DasyLab

2.3. LabView

2.4. Matlab Simulink

2.5. Otros softwares para adquisición y
procesamiento de datos

Capítulo VII: APLICACIONES DE
INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL

1. Introducción

2. Adquisición y análisis de
electrocardiogramas

3. Medidor virtual de energía
eléctrica

4. Identificación de sistemas o
procesos

5. Simulador de sistemas educativos

6. Implementación de un controlador
PID

7. Desarrollo de
filtros digitales

6.
BIBLIOGRAFÍA

Biel Solé, D.; Olivé Duran, J.; Prat
Tasias, J.; Sánchez Robert, F. J.

"Instrumentación Virtual. Adquisición,
procesado y análisis de señales"

UPC, Barcelona, 2001

Helfrick, A. D.; Cooper, W. D

"Modern electronic instrumentation and measurement
techniques"

Prentice-Hall, USA, 1990

Oppenheim, A.V.; Schafer,R.W.

"Discrete-Time signal processing"

Englewood Cliffs, USA; 1987

Szklanny S. ; Behrends, C.

"Sistemas
Digitales de Control de Procesos"

Editorial Control S.R.L. Argentina, 1994

Wolf, S.; Smith, R.

"Guía para mediciones electrónicas y
prácticas de laboratorio"

Prentice Hall Hispanoamericana, 1992

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"Instrumentación Virtual Industrial", Copyright
by Henry Mendiburu Díaz

Derechos reservados conforme a Ley
(Indecopi/Perú), Julio/2006, 180 páginas

Henry Mendiburu Díaz

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