| Artículos | 01 SEP 2000

Introducción a la Instrumentación virtual para PC

Tags: Histórico
Sustituya los instrumentos del laboratorio por un PC
Félix Torán y Diego Ramírez.
Este artículo introduce los conceptos básicos de la instrumentación electrónica, describiendo con detalle los sistemas de instrumentación. Se aborda la problemática que acompaña al desarrollo de instrumentos virtuales, proponiendo varias soluciones. Como solución estrella, se introduce la programación bajo entorno LabVIEW, adoptada con frecuencia en la actualidad por ingenieros y científicos de todo el mundo.

La instrumentación electrónica se encarga de la observación y medida del universo físico, utilizando herramientas de naturaleza electrónica. El proceso de medida consiste en la asignación de números a las propiedades de los objetos o acontecimientos del mundo real, de forma que se obtenga una descripción de los mismos. Desde el punto de vista de la instrumentación electrónica, un instrumento de medida es un dispositivo electrónico capaz de proporcionar medidas. Es conveniente comprender los instrumentos de medida como sistemas, ya que se componen de distintos bloques funcionales, empleados en conjunto para un objetivo común: obtener medidas. Por ello, es común hablar de sistemas de medida o instrumentación. Cabe aclarar que el objetivo de dichos sistemas no tiene por qué limitarse a la obtención de medidas, ya que también pueden utilizar la información recogida para actuar sobre un proceso o sistema. En ese caso, se habla de instrumentación de control, que enlazada con otros campos forma la ingeniería de control. Este artículo inicia un recorrido a través de los bloques que componen un sistema de instrumentación, llegando finalmente a un campo muy actual, en continua evolución y completamente ligado al mundo del PC: la instrumentación virtual.

Estructura de un sistema de instrumentación
La Figura 1 muestra el diagrama de bloques genérico de un sistema de instrumentación. Se observan las siguientes etapas:
Sensado. Este bloque incorpora uno o varios sensores (o transductores), que son los elementos encargados de transformar cada variable física a medir en una nueva variable relacionada con la primera. Interesa que la salida de los sensores sea de naturaleza eléctrica, para poder procesarla electrónicamente. Si esto último no se cumple, será necesario acoplar un segundo sensor, encargado de transformar la salida del primero en una variable eléctrica. A modo de ejemplo, es conveniente citar el sensor Pt100, que varía su resistencia linealmente con la temperatura, presentando 100 W a 0 ºC.
Acondicionamiento. Contiene circuitos electrónicos encargados de transformar las señales de sensado en nuevas variables eléctricas, de forma que sean más fáciles de tratar por el resto de etapas del sistema. Una tarea de acondicionamiento muy común consiste en ajustar el rango de salida para adecuarlo al rango de entrada de un convertidor A/D.
Transmisión. Permite enviar las señales de salida de una etapa hacia otra situada en una localización remota. Para distancias no excesivas, es común emplear un bucle de corriente 4-20 mA para la transmisión de las señales acondicionadas.
Adquisición de datos. Es una etapa fundamental, sobre todo en materia de instrumentación virtual. Efectúa la transformación de la información analógica a un formato digital, lo que hace posible un posterior procesamiento y almacenamiento mediante el uso de una computadora. Como se observa en la Figura 1, es posible utilizar una nueva etapa de transmisión para enviar la información digital a una unidad remota.
Procesamiento. Consiste en la realización de operaciones sobre la información digital obtenida, generando resultados que aportan información de interés: medidas, decisiones para el control de un sistema, detección de situaciones de alarma, corrección de medidas, etc.
Almacenamiento. En conjunto con la función anterior, el almacenamiento se suele llevar a cabo en el seno de una computadora. Esto último se puede hacer empleando la red telefónica, conexión serie, o incluso a través de Internet, por citar algunos ejemplos.
Presentación. Cumple la misión de mostrar al usuario la información resultante del procesamiento, utilizando elementos como los indicadores de aguja, displays, pantallas LCD, etc. Como se comentará más adelante, la instrumentación virtual aporta una solución muy potente para esta etapa.
Control. Tal y como se ha comentado anteriormente, los resultados generados por la etapa de procesamiento se pueden emplear como base de decisión para gobernar un sistema o proceso. Evidentemente, se requiere de una etapa de actuación, que conforma la interfaz entre la computadora y el sistema a controlar.
Además, existen otras etapas auxiliares que no intervienen en el proceso de medida, como es el caso del subsistema de alimentación.

La Instrumentación Virtual
Las últimas etapas del proceso de medida son las que mayor avance han experimentado en los últimos años. Concretamente, la introducción del PC en el mundo de la instrumentación ha dado paso al nuevo concepto de instrumentación virtual. Este campo enfoca el desarrollo de programas cuya interfaz gráfica emula el comportamiento del panel frontal de un instrumento real, pudiendo interaccionar realmente con el sistema de medida. Dichos programas se denominan instrumentos virtuales (Virtual Instruments o VI), y abarcan las cuatro últimas etapas comentadas en el apartado anterior. Nótese la analogía existente con los instrumentos reales, puesto que en los paneles de estos últimos se encuentran los elementos de interfaz con el usuario, ocurriendo exactamente lo mismo en la interfaz gráfica de una aplicación informática; en este caso, un VI.
Un instrumento virtual puede mostrar en pantalla dos tipos de elementos gráficos:
Indicadores. Son elementos de salida que permiten mostrar información al usuario, por ejemplo, el valor de una medida. Algunos ejemplos de indicadores son: gráficas, indicadores de aguja, LED, etc.
Controles. Aceptan la entrada del usuario, permitiendo gobernar el comportamiento del programa. Algunos ejemplos de controles son: interruptores, pulsadores, cajas de entrada de texto, etc.
La información principal recibida por el VI procede directamente de la etapa de adquisición de datos, y, por tanto, está relacionada con las medidas realizadas por el sistema. El programa puede operar con dicha información de forma controlable por el usuario mediante los controles. Los resultados obtenidos se pueden mostrar en infinidad de formatos utilizando indicadores. Cabe citar que, además de las tarjetas de adquisición de datos, existen otras posibles fuentes de entrada al VI. Por ejemplo, es posible recibir información procedente de equipos de medida comerciales a través del conocido bus GPIB, vía serie, etc.
A modo de ejemplo, la Figura 2 muestra el aspecto del panel frontal de un VI desarrollado recientemente por los autores, donde se diferencian claramente los indicadores (paneles de representación gráfica, termómetro, indicador de aguja, caja de texto y LED) y los controles (interruptor de encendido y botones de control de la representación gráfica). El funcionamiento consiste en la adquisición y presentación periódica de medidas, procedentes de sondas de temperatura y concentración de oxígeno disuelto. El objetivo del VI es la monitorización de aguas medioambientales y residuales, siendo posible detectar vertidos contaminantes en tiempo rea

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