Calibração e alcance dos transmissores Fieldbus
A calibração e o alcance de um dispositivo FF são, em princípio, semelhantes a qualquer outro instrumento de medição “inteligente”.
Ao contrário dos instrumentos analógicos, onde os ajustes de “zero” e “amplitude” definem completamente a calibração e faixa do instrumento, calibração e faixa são duas funções completamente diferentes em um instrumento digital.
Para começar, examinaremos um diagrama de blocos de um transmissor de pressão analógico mostrando os ajustes de zero e span, com sinalização analógica entre todas as funções dentro do transmissor:
Os ajustes “zero” e “span” juntos definem a relação matemática entre a pressão detectada e a saída de corrente.
A calibração de um transmissor analógico consiste em aplicar estímulos de entrada conhecidos (padrão de referência) ao instrumento e ajustar as configurações de “zero” e “amplitude” até que os valores de saída de corrente desejados sejam alcançados. O objetivo ao fazer isso é garantir a precisão da medição.
A “faixa” de um transmissor é simplesmente os valores de entrada associados aos sinais de saída de 0% e 100% (por exemplo, 4 mA e 20 mA). O alcance de um transmissor analógico consiste (também) em ajustar as configurações de “zero” e “amplitude” até que o sinal de saída corresponda aos pontos LRV e URV desejados da variável medida.
Para um transmissor analógico, as funções de faixa e calibração são sempre realizadas pelo técnico ao mesmo tempo: calibrar um transmissor analógico é fazer a faixa e vice-versa.
Em contraste, um transmissor “inteligente” (digital) equipado com uma saída de corrente analógica de 4-20 mA separa distintamente as funções de calibração e faixa, cada função determinada por um conjunto diferente de ajustes:
A calibração de um transmissor “inteligente” consiste em aplicar estímulos de entrada conhecidos (padrão de referência) ao instrumento e acionar as funções de “compensação” até que o instrumento registre com precisão os estímulos de entrada.
Para um transmissor “inteligente” equipado com saída eletrônica analógica (4-20 mA), existem dois conjuntos de ajustes de ajuste de calibração: um para o conversor analógico-digital e outro para o conversor digital-analógico.
A variação, ao contrário, estabelece a relação matemática entre o valor de entrada medido e o valor da corrente de saída.
Para ilustrar a diferença entre calibração e variação, considere um caso em que um transmissor de pressão é usado para medir a pressão da água em um tubo.
Suponha que a faixa de pressão do transmissor de 0 a 100 PSI se traduza em uma corrente de saída de 4-20 mA. Se desejarmos reajustar um transmissor analógico para medir uma amplitude maior de pressões (digamos, 0 a 150 PSI), teríamos que reaplicar as pressões conhecidas de 0 PSI e 150 PSI enquanto ajustamos os potenciômetros de zero e amplitude para 0 A entrada PSI forneceu um valor de saída de 4 mA e a entrada de 150 PSI forneceu um valor de saída de 20 mA. A única maneira de redefinir o intervalo de um transmissor analógico é recalibrá-lo completamente.
Em um instrumento de medição “inteligente” (digital), no entanto, a calibração em relação a uma fonte conhecida (padrão) só precisa ser feita em intervalos especificados para garantir a precisão por longos períodos de tempo, dado o desvio inevitável do instrumento.
Se nosso transmissor hipotético tivesse sido calibrado recentemente contra um padrão de pressão conhecido e confiado em não ter desviado desde o último ciclo de calibração, poderíamos reajustá-lo simplesmente mudando o URV (valor de faixa superior) para que uma pressão aplicada de 150 PSI agora comande para produzir 20 mA em vez de uma pressão aplicada de 100 PSI, como era necessário antes.
A instrumentação digital nos permite reajustar sem recalibrar, representando uma enorme economia de tempo e esforço do técnico.
A distinção entre calibração e range tende a confundir as pessoas, até mesmo alguns técnicos experientes. Ao trabalhar com um transmissor analógico, você não pode calibrar sem definir a faixa do instrumento também: as duas funções são mescladas nos mesmos procedimentos de ajuste de zero e amplitude. Ao trabalhar com um transmissor digital, no entanto, a função de calibração e a função de faixa são totalmente separadas.
Os instrumentos Fieldbus, é claro, são “inteligentes” da mesma maneira, e seus diagramas de blocos internos são muito parecidos com os transmissores “inteligentes” com saída de corrente analógica, embora com um número muito maior de parâmetros em cada bloco.
O retângulo rotulado como “XD” no diagrama a seguir é o bloco transdutor, enquanto o retângulo rotulado como “AI” é o bloco de entrada analógica:
Os valores de calibração (trim) são definidos no bloco transdutor junto com a unidade de engenharia, tornando a saída do bloco transdutor um valor digital escalado em unidades reais de medição (por exemplo, PSI, kPa, bar, mm Hg, etc.) em vez de um valor de “contagem” abstrato do ADC.
O parâmetro de canal do bloco de função de entrada analógica informa qual saída do transdutor deve receber (Nota 1) como o “Valor primário” pré-escalonado, que pode então ser convertido para outro valor escalonado com base em uma proporcionalidade entre os valores da escala do transdutor (XD_Scale alto e baixo ) e valores de escala de saída (OUT_Scale alto e baixo).
Nota 1: Os transmissores Fieldbus geralmente têm vários canais de dados de medição para seleção. Por exemplo, o transmissor Rosemount 3095MV multivariável atribui o canal 1 como pressão diferencial, canal 2 como pressão estática, canal 3 como temperatura do processo, canal 4 como temperatura do sensor e canal 5 como fluxo de massa calculado. Definir o parâmetro do canal corretamente no bloco AI é, portanto, crítico para vinculá-lo à variável de medição adequada.
Para calibrar tal transmissor, o bloco transdutor deve primeiro ser colocado no modo Fora de Serviço (OOS) usando um comunicador FF portátil ou o sistema host Fieldbus.
Em seguida, uma pressão de fluido padrão (grau de calibração) é aplicada ao sensor do transmissor e o parâmetro Cal_Point_Lo é definido para igualar esta pressão aplicada. Depois disso, uma pressão maior é aplicada ao sensor e o parâmetro Cal_Point_Hi é definido para igualar esta pressão aplicada.
Depois de definir os vários parâmetros de manutenção de registro de calibração (por exemplo, Sensor_Cal_Date, Sensor_Cal_Who), o modo do bloco transdutor pode ser retornado para Auto e o transmissor usado novamente.
Para atingir tal transmissor, uma correspondência entre a pressão detectada e a variável do processo deve ser determinada e inserida nos parâmetros XD_Scale e OUT_Scale do bloco de função de entrada analógica.
Se o transmissor de pressão estiver sendo usado para medir indiretamente algo diferente da pressão, esses parâmetros de faixa se tornarão muito úteis, não apenas proporcionando os valores numéricos da medição, mas também lançando o valor de saída digital final nas “unidades de engenharia” desejadas de medição).
A variação em transmissores Fieldbus é um tópico um tanto confuso devido aos nomes infelizes dados às diferentes opções de parâmetro L_Type. Aqui está uma lista das opções do parâmetro L_Type junto com seus significados:
- Direto = o bloco AI publicará a saída do sinal pelo bloco XD, independentemente da faixa de escala OUT especificada
- Indireto = o bloco AI escalará matematicamente o sinal do bloco XD em um intervalo especificado pelos parâmetros OUT_Scale usando uma equação linear (por exemplo, y = mx + b)
- Raiz quadrada indireta = o mesmo que acima, exceto que uma função de raiz quadrada é aplicada à porcentagem da faixa (útil ao caracterizar transmissores de fl uxo com base na medição de pressão diferencial)
Os termos “direto” e “indireto” dificultam um pouco a interpletação , porque muitas vezes fazem com que as pessoas os interpretem como “direto” e “reverso” (como se L_Type descrevesse a direção de ação do bloco de funções).
Não é isso que esses termos significam para o bloco AI!
O que um valor “direto” para L_Type significa que o valor bruto do bloco XD é o que será publicado na rede Fieldbus pelo bloco AI.
O que um valor “indireto” para L_Type significa que o sinal do bloco XD será escalado para uma faixa diferente (especi fi cada pelo parâmetro OU_ Scale). Em resumo, o técnico deve definir a faixa XD_Scale de acordo com o sinal primário detectado pelo elemento de detecção do transmissor e definir a faixa OUT_Scale de acordo com o que o resto do sistema de controle precisa ver proporcional a esse sinal primário.
Exemplo:
O conceito de faixa / range de um transmissor FF faz mais sentido quando visto no contexto de uma aplicação real.
Considere este exemplo, onde um transmissor de pressão está sendo usado para medir o nível de etanol (álcool etílico) armazenado em um tanque de 12 metros de altura. O transmissor se conecta ao fundo do tanque por um tubo e está situado 1
A pressão hidrostática exercida no elemento de detecção do transmissor é o produto da densidade do líquido (γ) e da altura da coluna de líquido vertical (h).
Quando o tanque estiver vazio, ainda haverá uma coluna vertical de etanol com 3 metros de altura aplicando pressão à porta de “alta” pressão do transmissor. Portanto, a pressão vista pelo transmissor em uma condição “vazia” é igual a:
Pvazio = γ. g. (altura supressão) =789 kg/m³ x 1 x 3 m
Pempty = 2367 kg/m = 0,2367kgf/cm² = 2367 mmca 3,424 PSI
Quando o tanque está completamente cheio (40 pés), o transmissor sente uma coluna vertical de etanol de 12 metros de altura ( Observe que a altura física do tanque é de 40 metros porem precisamos considerar no cálculo a de supressão(transmissor abaixo do fundo do vaso) 3 metros criada pela localização do transmissor abaixo do fundo do tanque). Portanto, a pressão vista pelo transmissor em uma condição “cheia” é igual a:
P.Cheio = γ. g. (altura supressão + altura do TQ)
Pfull = 11835 kgf/cm² =11835 mmca = 16,8 PSI
Assim, o bloco transdutor (XD) neste transmissor Fieldbus detectará uma pressão de líquido variando de 2367 kgf/cm² a 11835 kgf/cm² em toda a faixa de capacidade de armazenamento do tanque.
No entanto, não queremos que este transmissor publique um sinal para a rede Fieldbus em unidades kgf/cm², porque o pessoal de operações que monitora este sistema de controle deseja ver uma medição do nível de etanol dentro do tanque, e não da pressão hidrostática no fundo do tanque . Podemos estar explorando o princípio da pressão hidrostática para detectar o nível de etanol, mas não desejamos relatar essa medição como uma pressão.
A solução adequada para esta aplicação é definir o parâmetro Tipo L como “indireto”, o que instruirá o bloco de função AI a dimensionar matematicamente o sinal de pressão do bloco XD em uma faixa diferente.
Em seguida, devemos especificar (Nota 2) a faixa de pressão esperada e sua faixa de nível correspondente como Escala XD e Escala OUT, respectivamente (Nota 3):
Nota 2: É importante observar que você deve calcular corretamente os valores dos parâmetros de escala XD e OUT Scale correspondentes para que isso funcione.
O instrumento Fieldbus não calcula os parâmetros para você, porque ele não “sabe” quantos PSI correspondem a quantos pés de nível de líquido no tanque.
Esses valores devem ser calculados por algum técnico ou engenheiro experiente e, em seguida, inseridos no bloco AI do instrumento, após o qual o instrumento executará a escala especificada como uma função puramente matemática.
Nota 3: Ao configurar os valores de intervalo alto e baixo da Escala XD, certifique-se de manter a consistência com a unidade de parâmetro do intervalo de valor primário do bloco transdutor. Erros podem resultar de unidades de medição incompatíveis entre o canal de medição do bloco transdutor e o parâmetro de escala XD do bloco de entrada analógica.
Agora, o nível do tanque de etanol será representado com precisão pela saída do transmissor FF, tanto em valor numérico quanto em unidade de medida.
Um tanque vazio gerando uma pressão de 2367 kgf/cm² faz com que o transmissor emita um valor de sinal digital de “0 mca”, enquanto um tanque cheio gerando 11.385 kgf/cm² de pressão faz com que o transmissor emita um valor de sinal digital de “12mca”. Quaisquer níveis de etanol entre 0 e 40 pés também serão representados proporcionalmente pelo transmissor.
Se em algum momento posterior for tomada a decisão de reposicionar o transmissor de forma que ele não tenha mais uma “supressão” de 2,6mca em relação ao fundo do tanque, os parâmetros XD_Scale podem ser ajustados para refletir a mudança correspondente na faixa de pressão, e o transmissor ainda representará com precisão o nível de etanol de 0 a 12mca, sem recalibrar ou reconfigurar qualquer outra coisa no transmissor.
Se quiséssemos, poderíamos até mesmo determinar matematicamente o volume de líquido armazenado dentro deste tanque de etanol em diferentes pressões detectadas e, em seguida, dimensionar o parâmetro OUT_Scale do bloco AI para relatar um volume em unidades de galões, litros, pés cúbicos ou qualquer outra unidade de volume apropriada . Usar o modo “indireto” com os valores de parâmetro XD_Scale e OUT_Scale apropriados nos dá grande flexibilidade em como o transmissor detecta e representa os dados do processo.
Em resumo, definimos o parâmetro XD_Scale para a faixa física de medição detectada diretamente pelo transdutor, definimos o parâmetro OUT_Scale para a faixa correspondente de medição que desejamos que o transmissor informe ao resto do sistema de controle e definimos L_Type para “Indireto” para permitir esta tradução de um intervalo para outro.
Devemos usar a configuração L_Type “direta” apenas se a faixa bruta do transdutor for apropriada para a saída para o resto do sistema de controle (por exemplo, se o transmissor detectar diretamente a pressão do fluido e desejarmos que este mesmo valor de pressão seja publicado na rede Fieldbus pelo transmissor, sem escala).