Dispositivo Transmisor industrial universal.

La invención consiste en un dispositivo Transmisor Industrial Universal que permite mediante los procedimientos implementados en su firmware y dentro de entornos industriales distribuidos: la captación

(directa o virtual), configuración, calibrado, acondicionamiento, procesamiento y transmisión de las magnitudes procedentes de distintos tipos de sensores cuyas características pueden diferir en lo que se refiere al tipo de magnitud física medida y al tipo de interface de salida con el que presentan dichas medidas (0/4mA-20mA, mV, ohm). La captación de la magnitud procedente de sensores diversos se adapta dinámicamente con el objetivo de obtener alta resolución en las medidas, por medio de un circuito electrónico de acondicionamiento programable cuyo elemento fundamental es el circuito electrónico amplificador de instrumentación de ganancia programable con potenciómetros digitales.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201300292.

Solicitante: UNIVERSIDADE DA CORUÑA.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: FERREIRO GARCIA,RAMON, PÉREZ CASTELO,Francisco Javier, PIÑÓN PAZOS,Andrés José.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > COMPUTO; CALCULO; CONTEO > TRATAMIENTO DE DATOS DIGITALES ELECTRICOS (computadores... > Equipo o métodos de tratamiento de datos o de cálculo... > G06F17/40 (Adquisición y consignación de datos (para entrada al computador G06F 3/00))
  • SECCION G — FISICA > CONTROL; REGULACION > SISTEMAS DE CONTROL O DE REGULACION EN GENERAL; ELEMENTOS... > Sistemas controlados por un computador (G05B 13/00,... > G05B15/02 (eléctricos)
  • SECCION G — FISICA > CONTROL; REGULACION > SISTEMAS DE CONTROL O DE REGULACION EN GENERAL; ELEMENTOS... > Sistemas de control por programa (aplicaciones específicas,... > G05B19/02 (eléctricos)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDAS NO ESPECIALMENTE ADAPTADAS A UNA VARIABLE... > G01D7/00 (Indicación de valores medidos)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDAS NO ESPECIALMENTE ADAPTADAS A UNA VARIABLE... > G01D21/00 (Mediciones o ensayos no previstos en otro lugar)
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Dispositivo Transmisor industrial universal.

Fragmento de la descripción:

DISPOSITIVO TRANSMISOR INDUSTRIAL UNIVERSAL

5 10 1 S OBJETO DE LA INVENCiÓN El objeto de la invención es la captación por medio de un único transmisor ind ustnal de las magnitudes procedentes de sensores que pueden difenr en cuanto a la magnitud física medida y tipo de interface de salida y la integración del transmisor en entornos industriales distribuidos. Con esta invención se consigue disponer localmente y con un único transmisor de magnitudes procedentes de diversos sensores, pennitiendo la captación directa o virtual en el mismo transmisor. Además, la posibilidad de operar en entornos industriales distribuidos, pennite proporcionar funciones adicionales, como configuración, calibrado y captación en línea. Así se consigue respecto a los transmisores tradicionales un dispositivo más versátil y con capacidad de dar respuesta a un mayor rango de posibles aplicaciones industriales

SECTOR DE LA TÉCNICA

20 25 La invención pertenece al sector industrial de la instrumentación electrónica, tales como transmisores, sensores, circuito electrónicos acondicionamiento y buses de campo. En particular, la invención se refiere a un transmisor industrial capaz de procesar en entornos industriales distribuidos magnitudes procedentes de diversos sensores. ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN

30 35 Se efectúa una revisión de los transmisores disponibles en el mercado y que pudieran tener características similares al transmisor propuesto y se aprecia que los transmisores disponibles están enfocados para dar respuesta a la medida de una determinada magnitud física (temperatura, presión, densidad, etc.) , con la posibilidad de múltiples entradas y admitiendo distintos interface de salida para el sensor (O/4mA-20mA, mV, ohm) . El estado del arte permile indicar que aunque algunas carac1eristicas del dispositivo propuesto ya están disponibles en el mercado, no existe un transmisor que englobe ladas las

prestaciones del dispositivo propuesto, ni que disponga de una arquitectura flexible que pennita dar respuesta a aplicaciones diversas. Se puede afirmar

que el transmisor propuesto tiene un carácter innovador y está basado en tecnologías actuales, mejorando en distintos aspectos a los dispositivos disponibles en el mercado a dia de hoy.

Con respecto al diseño del transmisor, existen distintos elementos del mismo afectados por patentes registradas. Algunas de esas patentes son US5243535 de Dalias Semiconductor Corporation (potenciómetro digital) , US 7953073 de HMS Industrial Networks AB (módulo de comunicaciones) , US5608345 de Pilkington Micro-Electronics Limited (filtro programable) , US 4074351 de Texas Ins1ruments Incorporated (microcontrolador) y US2401779 Bell Telephone Laboratories US (amplificador operacional) . También están afectadas distintas patentes relacionadas con las tecnologías y estándares de comunicación industrial; algunas de ellas son CAN bus, EthemeUIP, Devicenet, Profibus. etc.

DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS

Para iniciar la descripción de la invención y con objeto de ayudar a una clara comprensión de sus características, se acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integral de la misma, un juego de figuras en el que, con carácter ilustrativo y no limitativo, se representa lo siguiente:

La Figura 1 representa el diagrama de bloques del dispositivo Transmisor

Industrial Universal compuesto por:

circuito electrónico de acondicionamiento programable (3) convertidor analógico digital (4) convertidor digital analógico (7) microcontrolador (5)

circuito electrónico convertidor tensión corriente (8)

sensor de temperatura con interface digital (17)

módulo de comunicaciones (6) La Figura 2 representa el diagrama de bloques del circuito electrónico de acondicionamiento programable compuesto por: multiplexor analógico diferencial (24)

circuitos electrónicos de conversión corriente tensión (22)

circuitos electrónicos puente de Wheastone (23)

circuito electrónico amplificador de instrumentación de ganancia programable (27)

filtro programable (30) . La Figura 3 representa el diagrama de bloques del circuito electrónico amplificador de instrumentación de ganancia programable compuesto por:

cuatro amplificadores operacionales (35) (36) (37) Y (38) tres potenciómetros digitales (39) (40) Y (41) tres resistencias (42) (43) Y (44) .

DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN

La invención se refiere a un dispositivo Transmisor Industrial Universal (1) que incluye un circuito electrónico de acondicionamiento programable (3) , un convertidor analógico digital (4) , convertidor digital analógico (7) , un microcontrolador (5) , un circuito electrónico convertidor tensión corriente (8) , un sensor de temperatura con interface digital (17) y un módulo de comunicaciones (6) . Los sensores se conectan al circuito electrónico de acondicionamiento programable (3) del dispositivo Transmisor Industrial Universal mediante las entradas habilitadas (2) . El microcontrolador (5) gestiona la programación, configuración y control del circuito electrónico de acondicionamiento programable (3) , del módulo de comunicaciones (6) , del sensor de temperatura con interface digital (17) , del convertidor analógico digital (4) y del convertidor digital analógico (7) , mediante las interconexiones digitales habilitadas (12) , (11) , (18) , (16) Y (14) respectivamente. El circuito electrónico de acondicionamiento programable (3) dispone de una salida que se conecta al convertidor analógico digital (4) mediante la interconexión analógica habilitada (15) . El convertidor digital analógico (7) tiene dos salidas una que va al circuito electrónico de acondicionamiento programable por medio de la interconexión analógica habilitada (13) y otra que va al convertidor tensión corriente (8) por medio de la interconexión analógica habilitada (14) .

Las salidas del dispositivo Transmisor Industrial Universal son dos; una bidireccional a la red de comunicación industrial (10) y otra del tipo 0/4-20mA (9) .

El circuito electrónico de acondicionamiento programable (3) está compuesto por un multiplexor analógico diferencial (24) , circuitos electrónicos de conversión corriente tensión (22) , circuitos electrónicos puente de Wheastone (23) , un circuito electrónico amplificador de instrumentación de ganancia programable (27) y un filtro programable (30) . El circuito electrónico de acondicionamiento programable (3) dispone de entradas analógicas para sensores (45) con distintos tipos de interface de salida y procedentes de las entradas habilitadas (2) . los distintos tipos de interfaces de salida disponibles son: interface de salida en tensión (19) , interface de salida en corriente (20) e interface de salida resistivo (21) . Las entradas de sensores con interface de salida en corriente (20) requieren de circuitos electrónicos de conversión corriente tensión (22) y los de sensores con interface de salida resistivo (21)

requieren de circuitos electrónicos puente de Wheastone (23) . Están habilitadas entradas analógicas al multiplexor analógico diferencial (24) para conectar las señales en tensión procedentes de sensores con interface de salida en tensión (19) , con interface de salida en corriente (26) y con interface de salida resistivo (25) . El multiplexor analógico diferencial (24) se configura y controla desde el microcontrolador (5) mediante el conjunto de lineas de interconexión digitales (33) , recibidas desde el microcontrolador (5) a través de las entradas digitales (46) y las interconexiones digitales habilitadas (12) . las salidas del multiplexor analógico diferencial se conectan a la entrada inversora (49) Y a la entrada no inversora (50) del circuito electrónico amplificador de...

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo Transmisor Industrial Universal (1) para medida de magnitudes físicas en entornos industriales distribuidos, que comprende:

i. un convertidor analógico digital (4) , el cual recibe una señal

analógica procedente de un circuito electrónico de

acondicionamiento programable (3) por medio de una conexión

analógica (15) y transfiere un valor digital por medio de

interconexiones digitales (16) a un microcontrolador (5) ;

ii. un convertidor digital analógico (7) , el cual mediante interconexiones

digitales (14) a un microcontrolador (5) configura una salida

analógica (13) hacía un circuito electrónico de acondicionamiento

programable (3) y una salida analógica (14) hacia un circuito

electrónico de conversión corriente tensión (8) ;

¡ii. un circuito electrónico de conversión corriente tensión (8) , conectado

a una salida analógica (9) y a una entrada analógica (14) ;

¡v. un sensor de temperatura con interface digital (17) conectado a un

microcontrolador (5) mediante interconexiones digitales (18) ;

v. un módulo de comunicaciones (6) el cual está conectado a un

microcontrolador (5) mediante interconexiones digitales (11) Y a una

red de comunicación industrial por medio de interconexiones

digitales (10) ;

vi. un circuito electrónico de acondicionamiento programable (3) el cual

se conecta que a un microcontrolador (5) a través de interconexiones

digitales (12) para configurar el acondicionamiento de alguna de las

entradas analógicas (2) y transferirla a su salida, conectada

mediante una conexión analógica (15) a el convertidor analógico

digital (4) y que comprende:

i. un filtro programable (30) cuya salida analógica (48) se conecta

a la conexión analógica (15) y el cual se conecta a un

microcontrolador (5) para su configuración, a través de

interconexiones digitales (32) , que su vez están conectadas a

las interconexiones digitales (46) y por último éstas a las

interconexiones digitales (12) ;

ii. un circuito electrónico amplificador de instrumentación de

ganancia programable (27) el cual se conecta a un

microcontrolador (5) para su configuración, a través de

interconexiones digitales (31) , que su vez están conectadas a

las interconexiones digitales (46) y por último éstas a las

interconexiones digitales (12) , cuya salida se conecta a la

entrada del filtro programable (30) mediante una conexión

analógica (34) y cuya entrada analógica (47) se conecta a la

salida del convertidor digital analógico (7) a través de la

conexión analógica (13) ;

¡ji. un multiplexor analógico diferencial (24) que se conecta a un

microcontrolador (5) a través de interconexiones digitales (33) ;

que su vez están conectadas a las interconexiones digitales (46)

Y por último éstas a las interconexiones digitales (12) ; para

transferir alguna de las entradas analógicas (19) (26) (25) ;

procedentes de las entradas analógicas (2) e interconectadas a

través de interconexiones digitales (45) ; a su salida diferencial,

estando ésta conectada a las entradas del circuito electrónico

amplificador de instrumentación de ganancia programable (27)

mediante conexiones analógicas (28) y (29) ;

iv. circuitos electrónicos de conversión corriente tensión (22)

conectados a entradas analógicas en corriente (20) ;

procedentes de las entradas analógicas (2) e interconectadas a

través de interconexiones digitales (45) ; y cuyas salidas

analógicas en tensión (26) se conectan al multiplexor analógico

diferencial (24) ;

v. circuitos electrónicos puente de Wheastone (23) conectados a

entradas analógicas resistivas (21) ; procedentes de las entradas

analógicas (2) e interconectadas a través de interconexiones

digitales (45) ; y cuyas salidas analógicas en tensión (25) se

conectan al multiplexor analógico diferencial (24) ;

viL un microcontrolador (5) conectado a elementos que comprenden el

Dispositivo Transmisor Industrial Universal (1) tal como se describe en los puntos 1) , ii) , iv) , v) y vi) de esta reivindicación.

2. Dispositivo Transmisor Industrial Universal según reivindicación 1 caracterizado porque el circuito electrónico amplificador de instrumentación de ganancia programable (27) comprende:

i. tres potenciómetros digitales (39) (40) Y (41) con interconexiones

digitales (31) para configurar la ganancia, con el terminal (40b)

del potenciómetro digital (40) conectado a una entrada analógica

para el establecimiento del offset y con el terminal (41a) del

potenciómetro digital (41) conectado a masa;

ii. una resistencia (42) y dos resistencias (43) y (44) del mismo valor

e igual a la mitad del valor de la resistencia (42) ;

iii. un amplificador operacional (35) con su salida conectada al

terminal (39a) de potenciómetro digital (39) Y a un terminal de la

resistencia (43) y con su entrada inversora conectada al otro

terminal de la resistencia (43) y a un terminal de la resistencia

(42) ;

¡v. un amplificador operacional (36) con su salida conectada al

terminal (40a) del potenciómetro digital (40) y a un terminal de la

resistencia (44) y con su entrada inversora conectada al otro

terminal de la resistencia {44} y al otro terminal de la resistencia

(42) ;

v. un amplificador operacional (37) con su salida conectada al

terminal (39b) del potenciómetro digital (39) , con su entrada

inversora conectada al cursor del potenciómetro digital (39) y con

su entrada no inversora conectada al cursor del potenciómetro

digital (40) ;

vi. un amplificador operacional (38) con su salida conectada al

terminal (41b) del potenciómetro digital (41) , su entrada inversora

conectada al cursor del potenciómetro digital (41) y su entrada no

inversora conectada a la salida del amplificador operacional (37) ;

y que capta la señal diferencial a amplificar por medio de entradas analógicas (49) y (50) , conectadas a la entrada no inversora del amplificador operacional (35) y a la entrada no inversora del amplificador operacional (36) respectivamente y transmite la señal amplificada por medio de la salida del amplificador operacional (38) a través de una

conexión analógica (51) .

3. Procedimiento de medida de magnitudes físicas en entornos industriales distribuidos mediante el dispositivo transmisor industrial universal de la reivindicación 1 caracterizado porque para la medida directa de magnitudes físicas se realizan los siguientes pasos:

i. programación de la ganancia y offset del circuito electrónico

amplificador de instrumentación de ganancia programable (27) a

través de las interconexiones digitales (31) para maximizar la

resolución de la medida adaptando la función de transferencia del

circuito electrónico amplificador de instrumentación de ganancia

programable (27) a la del convertidor analógico digital (4) y en

función del rango de medidas físicas que vaya a medir el sensor y

previamente configuradas;

ii. programación del filtro programable (30) a través de las

interconexiones digitales (32) para el establecimiento de la

frecuencia de corte y tipo de filtro requeridos para el sensor que

proporciona la medida a realizar;

iii. selección de la entrada del multiplexor analógico diferencial (24)

correspondiente al sensor que proporciona la medida a realizar,

mediante las interconexiones digitales (33) ;

iv. lectura a través del convertidor analógico digital (4) mediante las interconexiones digitales (16) del valor digital correspondiente a la medida realizada;

v. procesamiento de la magnitud captada, para la implementación de medidas directas, ajuste de unidades y factores de escala;

vi. presentación por medio del módulo de comunicaciones (6) y a través de las interconexiones digitales (11) de la medida a realizar, en la red industrial a la que esté conectada el dispositivo transmisor industrial universal (1) según las especificaciones y protocolos correspondientes y establecidos.

4. Procedimiento según la reivindicación 3 caracterizado porque para la medida virtual de magnitudes físicas se realizan los siguientes pasos:

i. obtención de las medidas directas requeridas para la obtención de la

medida virtual a realizar siguiendo para cada una de ellas, los cuatro

primeros pasos correspondientes al procedimiento de medida directa

de la reivindicación 3;

ii. procesamiento de las magnitudes captadas, para la estimación por

medio de un modelo matemático de la medida virtual a realizar,

ajuste de unidades y factores de escala;

iii. presentación por medio del módulo de comunicaciones (6) y a través de las interconexiones digitales (11) de la medida realizada, en la red

industrial a la que esté conectada el dispositivo transmisor industrial

universal (1) Y según las especificaciones y protocolos correspondientes y establecidos.

5. Procedimiento según la reivindicación 3 caracterizado porque para la calibración y/o compensación en línea de un determinado sensor se realizan los siguientes pasos:

i. conexión de un sensor patrón a un segundo dispositivo transmisor industrial universal, preparado para realizar de forma simultanea la misma medida que el sensor a calibrar;

ii. ejecución de forma simultanea para el sensor patrón como para el sensor a calibrar de los cuatro primeros pasos correspondientes al procedimiento de medida directa de la reivindicación 3;

¡ii. presentación por medio de los módulos de comunicaciones (6) y a través de las interconexiones digitales (11) de la medida captada por el dispositivo transmisor industrial universal al que este conectado el

sensor a calibrar y por el dispositivo transmisor industrial universal al

que este conectado el sensor patlÓn; en la red industrial a la que estén conectados los dispositivos transmisores industriales universales y según las especificaciones y protocolos correspondientes y establecidos.

¡v. procesamiento de la información de calibración en el dispositivo de red industrial solicitante de la calibración, para su comparación y

determinación de si se verifican las especificaciones de calibración;

v. repetición de los tres primeros pasos de este procedimiento para distintos puntos del rango de medidas en el que vaya a operar el

sensor, en el caso de requerirse la compensación de un sensor

descalibrado;

vi. generación, una vez determinadas las desviaciones de calibración a lo largo del rango de medida en el que vaya a operar el sensor, de las correspondientes tablas ylo funciones de compensación que permitirán de forma previa, por medio del offset del circuito electrónico amplificador de instrumentación de ganancia programable (27) o a posteriori sobre la medida directa obtenida,

reajustar la medida obtenida por un sensor descalibrado.

6. Procedimiento según la reivindicación 3 caracterizado porque para la calibración local de un determinado sensor se realizan los siguientes pasos:

1. conexión de un sensor patrón a un segundo dispositivo transmisor industrial universal, preparado para realizar de forma simultanea la misma medida que el sensor a calibrar;

ii. ejecución de fonna simultanea para el sensor patrón como para el sensor a calibrar de los cuatro primeros pasos correspondientes al procedimiento de medida directa de la reivindicación 3;

iii. presentación por medio la salida analógica (9) de tipo O/4-20mA correspondiente al Dispositivo Transmisor Industrial Universal (1) al que está conectado el sensor a calibrar, de la medida captada;

iv. presentación por medio la salida analógica (9) de tipo O/4-20mA

correspondiente al Dispositivo Transmisor Industrial Universal (1) al

que está conectado el sensor patrón, de la medida captada.

v. medición de las señales generadas en los pasos tercero y cuarto de este procedimiento para su comparación y determinación de si se verifican las especificaciones de calibración.