Libro Inst Virt I

CURSO DE INSTRUMENTACION VIRTUAL I Alfonso Pérez García.

Instrumentación Virtual I

INDICE

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INDICE.

PROGRAMA...........................................................................4 BIBLIOGRAFIA. Practicas.

5 5

UNIDAD 1. Principios y Conceptos de la IV..............................6 ¿Qué es la Instrumentación Virtual? (1.1) ¿Cómo construir un instrumento virtual? Conclusiones Acerca de la instrumentacion virtual.

6 6 9 10

Visión General...................................................................................................10 ¿Que es la instrumentación virtual?....................................................................10 ¿Porque es necesaria la IV?................................................................................11 ¿Porque ha sido tan existosa la IV?.....................................................................12 ¿Que hace a NI un lider de la IV?.........................................................................14 ¿Que hace a NI diferente de otras companies de IV?............................................15 ¿Quien usa IV de NI?..........................................................................................18

El software en la instrumentación virtual. (1.2)

19

El rol de la Instrumentación Virtual, vision general..............................................19 Las tres capas del software de IV........................................................................19 ¿Que hace a Labview ideal para la IV?.................................................................20 ¿Como toma ventaja la IV de lo ultimos avances del software?.............................21 ¿Que es el software de medición y servicios de control?......................................22

El hardware en la instrumentación virtual. (1.3)

24

La IV en la ingenieria de procesos (1.4)

30

El rol del Hardware en la Instrumentación virtual, vision general.........................24 ¿Cuales son las capacidades del hardware de IV?................................................24 ¿Sobre que plataformas de hardware de E/S, corre el software de IV?..................25 ¿Como amplian la IV las nuevas tecnologias de buses (USB2.0 y el PCI Express)?..27 ¿Cuales son los beneficios del Ethernet para la IV?..............................................29 IV IV IV IV

para para para para

Pruebas, Control y Diseño; Visión General...............................................30 pruebas.................................................................................................30 Control y E/S industrial...........................................................................31 Diseño...................................................................................................32

La IV, mas alla de la computadora personal. (1.5)

33

Additional Virtual Instrumentation Resources.....................................................33

UNIDAD 2. La IV y los instrumentos tradicionales.................34

Instrumentación Virtual e Instrumentos tradicionales, Visión General..................34

Diferencias entre la IV y lo instrumentos tradicionales. (2.1)

34

¿Que es un IV y como se diferencia de uno tradicional?.......................................34

Diferencias de hardware entre IV e IT. (2.2)

37

Compatibilidad entre IV e IT. (2.3)

38

¿Como las capacidades del hardware de IV se compara con los IT?.......................37 ¿Son los IV y los instrumentos tradicionales compatibles?...................................38

Diferencias entre Inst. Virtuales e Instrumentos Sinteticos. (2.4)

38

Synthetic instrument

40

¿Como se diferencian los intrumentos virtuales de los sinteticos?........................38 Synthetic Measurement System.........................................................................40

External links

41

Las tres capas del software para la IV. (3.1) INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 2

43

UNIDAD 3. Tipos de software en la IV-..................................43

Instrumentación Virtual I

INDICE

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Software de aplicación.......................................................................................43 Software de prueba y administración de datos....................................................43 Software de servicios de Medicion y Control.......................................................43

Labview como alternativa ideal. (3.2) Software de medición en IV. (3.3) Software de servicios de control en IV. (3.4) Tendencias de uso de la tecnología en la IV. (3.5)

43 43 43 44

UNIDAD 4. El rol del hardware en la IV.................................45 Las capacidades del hardware para IV. (4.1) 45 Plataformas y modulos de E/S que corren software de IV. (4.2) 45 4.3 Como se usan el USB, PCI, PCI express y otras tecnologías en la IV. (4.3) 45 Los beneficios del ethernet y otros recursos para la IV. (4.4) 45

ANEXOS..............................................................................46 CONCEPTOS: Resolucion, Sensibilidad, Exactitud etc............46 Resolución..................................................................................................... ....46 Exactitud................................................................................................... ........46 Precision...........................................................................................................48 Incertidumbre................................................................................................ ....49

Unidades patron del sistema internacional de unidades Protocolo HART

50 56

PROTOCOL OVERVIEW........................................................................................56 PROTOCOL HISTORY...........................................................................................57 HART COMMUNICATIONS BENEFITS.....................................................................58

REFERENCIAS.....................................................................62

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Instrumentación Virtual I PROGRAMA

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PROGRAMA SEP DIRECCION GENERAL DE INSTITUTOS TECNOLOGICOS SEIT 1.IDENTIFICACION DEL PROGRAMA DESARROLLADO POR UNIDADES DE APRENDIZAJE. NOMBRE DE LA ASIGNATURA NIVEL CARRERA CLAVE NUMERO 1

TEMA PRINCIPIOS Y CONCEPTOS DE LA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL.

2

2 LA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL Y LOS INSTRUMENTOS TRADICIONALES. 3 TIPOS DE SOFTWARE EN LA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL.

3

4

4 EL ROL DEL HARDWARE EN LA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL.

INSTRUMENTACION VIRTUAL I (3-2-8) LICENCIATURA INGENIERIA ELECTRONICA ECM-0703 SUBTEMAS 1.1 QUE ES LA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL 1.2 EL SOFTWARE EN LA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL 1.3 EL HARDWARE EN LA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL 1.4 LA IV EN LA INGENIERIA DE PROCESOS 1.5 LA IV MAS ALLA DE LA COMPUTADORA PERSONAL 2.1 DIFERENCIAS ENTRE IV Y LOS INSTRUMENTOS TRADICIONALES 2.2 DIFERENCIA EN EL HARDWARE ENTRE IV E IT 2.3 COMPATIBILIDAD ENTRE IV E INSTRUMENTOS TRADICIONALES 2.4 DIFERENCIA ENTRE INSTRUMENTOS VIRTUALES E INSTRUMENTOS SINTÉTICOS. 3.1 LAS TRES CAPAS DEL SOFTWARE PARA LA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL 3.2 LABVIEW COMO ALTERNATIVA IDEAL 3.3 SOFTWARE DE MEDICION EN IV 3.4 SOFTWARE DE SERVICIOS DE CONTROL 3.5 TENDENCIAS DE USO DE LA TECNOLOGÍA EN LA IV 4.1 LAS CAPACIDADES DEL HARDWARE PARA IV 4.2 PLATAFORMAS Y MODULOS DE E/S QUE CORREN SOFTARE DE IV 4.3 COMO SE USAN EL USB , PCI, PCI EXPRESS Y OTRAS TECNOLOGÍAS EN LA IV. 4.4 LOS BENEFICIOS DEL ETHERNET Y OTROS RECURSOS PARA LA IV.

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DURACION 5 SEMANAS

EVAL. EE 100%

4 SEMANAS

EE 100%

5 SEMANAS

EE 100%

2 SEMANAS

EE 100%

Instrumentación Virtual I PROGRAMA

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BIBLIOGRAFIA. AUTOR 1 Jeffrey Travis, Jim Kring

2 Patrick H. Garrett

3 Henry Diaz

Antonio

TITULO LabVIEW for Everyone: Graphical Programming Made Easy and Fun (3rd Edition) (National Instruments Virtual Instrumentation Series) Multisensor Instrumentation 6 Design: Defined Accuracy Computer Integrated Measurement Systems

Mendiburu Instrumentacion Virtual Industrial

Nombre. NATIONAL INSTRUMENTS ISA SAMA OMEGA

EDITORIAL Prentice Hall PTR; 3 edition (July 27, 2006) WileyInterscience; 1st edition (April 15, 2002) Peru, 2006

Dirección.

Temas.

DESCRIPCION Medidor virtual simple con Labview Adquisición de datos por un puerto de PC, y despliegue con Labview. Adquisición de datos por un puerto de PC, y control simple de un proceso simple con Labview. Adquisición de datos por un puerto de PC, y control de lazo cerrado de un proceso simple con Labview. Control y medición de un proceso simple con interfase virtual

UNIDAD 2 2

WWW.NI.COM WWW.ISA.ORG WWW.SAMA.ORG WW.OMEGA.COM

Practicas. PRACTICA NO. 1 2 3 4 5

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Unidad 1

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UNIDAD 1. Principios y Conceptos de la IV. ¿Qué es la Instrumentación Virtual? (1.1) Mucho hemos oído hablar sobre la "instrumentación virtual" y sus beneficios. El concepto de instrumentación virtual nace a partir del uso del computador personal (PC) como "instrumento" de medición de tales señales como temperatura, presión, caudal, etc. Es decir, el PC comienza a ser utilizado para realizar mediciones de fenómenos físicos representados en señales de corriente (Ej. 4-20mA) y/o voltaje (Ej. (05Vdc). Sin embargo, el concepto de "instrumentación virtual" va más allá de la simple medición de corriente o voltaje, sino que también involucra el procesamiento, análisis, almacenamiento, distribución y despliegue de los datos e información relacionados con la medición de una o varias señales específicas. Es decir, el instrumento virtual no se conforma con la adquisición de la señal, sino que también involucra la interfaz hombre-máquina, las funciones de análisis y procesamiento de señales, las rutinas de almacenamiento de datos y la comunicación con otros equipos. Veamos un ejemplo; el osciloscopio tradicional tiene una funcionalidad ya predefinida desde la fábrica donde lo diseñan, producen y ensamblan. Es decir, la funcionalidad de este tipo de instrumento es definida por el fabricante del equipo, y no por el usuario mismo. El término "virtual" nace precisamente a partir del hecho de que cuando se utiliza el PC como "instrumento" es el usuario mismo quién, a través del software, define su funcionalidad y "apariencia" y por ello decimos que "virtualizamos" el instrumento, ya que su funcionalidad puede ser definida una y otra vez por el usuario y no por el fabricante. El instrumento virtual es definido entonces como una capa de software y hardware que se le agrega a un PC en tal forma que permite a los usuarios interactuar con la computadora como si estuviesen utilizando su propio instrumento electrónico "hecho a la medida". ¿Cómo construir un instrumento virtual? Para construir un instrumento virtual, sólo requerimos de un PC, una tarjeta de adquisición de datos con acondicionamiento de señales (PCMCIA, ISA, XT, PCI, etc.) y el software apropiado, los tres (3) elementos clave en la conformación de un instrumento virtual, teniendo un chasis de acondicionamiento de señales como elemento opcional. Decimos que el "acondicionamiento de señales" es opcional, porque dependiendo de cada señal y/o aplicación, se puede o no requerir amplificación, atenuación, filtraje, aislamiento, etc. de cada señal. Si la señal está en el rango de los +/5Vdc y no se requiere de aislamiento o filtraje, la misma puede ser conectada directamente la tarjeta de adquisición de datos. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 6

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Unidad 1

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En el instrumento virtual, el software es la clave del sistema, a diferencia del instrumento tradicional, donde la clave es el hardware. Con el sistema indicado anteriormente, podríamos construir un osciloscopio "personalizado", con la interfaz gráfica que uno desee, agregándole inclusive más funcionalidad. Sin embargo, este mismo sistema puede también ser utilizado en la medición de temperatura, o en el control de arranque/parada de una bomba centrífuga. Es allí donde radica uno de los principales beneficios del instrumento virtual, su flexibilidad. Este instrumento virtual no sólo me permite visualizar la onda, sino que a la vez me permite graficar su espectro de potencia en forma simultánea. ¿Podría hacer algo así con un instrumento convencional? Para finalizar, la siguiente tabla (Tabla 1) nos indica algunas de las principales diferencias entre el instrumento convencional o tradicional, y el instrumento virtual: Instrumento Tradicional

Instrumento Virtual

Definido por el fabricante

Definido por el usuario

Funcionalidad específica, conectividad limitada.

con Funcionalidad ilimitada, orientado a aplicaciones, conectividad amplia.

Hardware es la clave.

Software es la clave

Alto costo/función

Bajo costo/función, funciones, reusable.

Arquitectura "cerrada"

Arquitectura "abierta".

Lenta incorporación tecnología.

de

variedad

de

nuevas Rápida incorporación de nuevas tecnologías, gracias a la plataforma PC.

Bajas economías de escala, alto costo de Altas economías de escala, mantenimiento. costos de mantenimiento.

bajos

Tabla 1: Instrumentos Tradicionales vs. Virtuales La flexibilidad, el bajo costo de mantenimiento, la reusabilidad, la personalización de cada instrumento, la rápida incorporación de nuevas tecnologías, el bajo costo por función, el bajo costo por canal, etc. son algunos de los beneficios que ofrece la instrumentación virtual. 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-232/485, paralelo EPP, PCMCIA, CompactPCI, PCI, etc.), y existe un driver para casi cualquier sistema operativo (WIN 3.1/95/NT, DOS, Unix, MAC OS, etc.). INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 7

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Unidad 1

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Comparación del instrumento virtual versus el tradicional Las técnicas utilizadas normalmente para evaluar las características de medición de un multímetro digital (DMM) pueden ser utilizadas para evaluar las características de medición de un instrumento virtual (VMM). Entre dichas características se encuentran las siguientes:

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DMM

VMM con VMM con tarjeta tarjeta propósito general especializada

Hardware utilizado

HP 34401 A DMM

DAQCard 4050 PCI-MIO-16XE-10

No. de Canales

1

1

16 (Diferencial)

Conversión AC

True RMS

True RMS

True RMS (por software)

Resolución (convertidor bits) Rango (ACV)

de

61/2 - 41/2 dígitos 51/2 dígitos de

Rango (DCV)

de

41/2 dígitos

16-

entrada 100 mV - 750 V

Sensibilidad (ACV)

de

0.1 uV

Entrada 100 mV - 1000 V

20 mV - 250 V

100mV - 250 V (con acondicionamiento SCXI)

0.1 uV

1.5 uV

20 mV - 250 V

100 mV - 250 V

Sensibilidad (DCV)

0.1 uV

0.1 uV

1.5 uV

NMRR

60 dB

80 dB

variable (80-120 dB)

CMRR

70 dB (AC), 140 dB 90 dB (AC), 30 variable (80-120 dB) (DC) dB (DC)

Velocidad de medición 5-1 K lecturas/seg 10, 50 , 60 K 100 K lecturas/seg (lecturas/seg.) lecturas/seg Fuente: National Instruments Corp.

Conclusiones Un instrumento virtual puede realizar las tres (3) funciones básicas de un instrumento convencional: adquisición, análisis y presentación de datos. Sin embargo, el instrumento virtual me permite personalizar el instrumento, y agregarle mucha más funcionalidad sin incurrir en costos adicionales. ¿Quiere conectividad de su instrumento con Ethernet? ¿Quiere almacenar sus datos en una tabla o archivo compatible con MS Excel? ¿Quiere agregarle a su instrumento un nuevo algoritmo o función que necesita en su experimento? La respuesta a todas estas preguntas está en sus manos, ya que todo ello puede hacerse y, mejor aún, puede hacerlo usted mismo. El instrumento virtual le apalanca en la flexibilidad y poder del PC, y mediante el software que lo acompaña, el nivel de adaptabilidad y personalización del instrumento virtual es casi ilimitado. ¿Porqué limitarse entonces?

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Acerca de la instrumentacion virtual. Visión General

Con más de 6 millones de canales nuevos de medición vendidos el último año, National Instruments es el líder mundial en instrumentación virtual. Los ingenieros han utilizado la instrumentación virtual por mas de 25 años para traer el poder del software flexible y la tecnología de la PC para probar controlar y diseñar aplicaciones, haciendo mediciones análogas y digitales mas exactas en rangos de Dc hasta 2.7 Ghz, en esta sección se proporcionara una excelente introducción a la instrumentación virtual así como también recursos adicionales para que se profundice mas la investigación. ¿Que es la instrumentación virtual?

Con la instrumentación virtual, el software basado en los requerimientos del usuario, define la medición de propósito general y la funcionalidad del hardware de control, la instrumentación virtual combina las principales tecnologías comerciales como las PC, con software flexible y una gran variedad de hardware de medición y control, de forma que los ingenieros y científicos puedan crear y definir sus propios sistemas, los cuales se ajustan a las necesidades exactas de su aplicación. Con la instrumentación virtual los ingenieros y científicos han reducido el tiempo de desarrollo y diseñan productos de más calidad y bajan sus costos de desarrollo.

Figura 1. La instrumentación virtual combina software productivo, E/S modular, y plataformas escalables.

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National Instruments introdujo hace más de 25 años la instrumentación virtual, cambiando la manera de medir y automatizar el mundo que tenían los ingenieros y científicos alrededor de ellos. En 2004 NI vendió mas de 6 millones de canales de IV en 90 países, actualmente la IV ha logrado una aceptación como tendencia principal y es usada en miles de aplicaciones alrededor del mundo en industrias que van desde la automotriz hasta la electrónica de consumo y la petrolera y del gas. ¿Porque es necesaria la IV?

La IV es necesaria debido a que proporciona instrumentación con una adaptabilidad muy rápida, el cual es un requerimiento actual para los conceptos, productos, procesos, desarrollos y lanzamientos actuales. Solo con IV los ingenieros y científicos pueden crear sus propias definiciones de instrumentos, requeridas para mantenerse con el paso de las demandas en el mundo actual. Para ajustarse a las crecientes demandas para innovar y lanzar nuevas ideas y productos de forma rápida los científicos e ingenieros están inclinándose hacia la avanzada electrónica, procesadores y software, por ejemplo consideremos un celular moderno, la mayoría contiene las últimas mejoras de las últimas generaciones como audio, directorio y mensajes. Las nuevas versiones incluyen cámaras, reproductores MP3, enlaces Bluetooth y exploradores de internet. La funcionalidad creciente de la electrónica avanzada es posible debido a que los dispositivos han llegado a ser más centrados en el software, los ingenieros y cientificos pueden agregar nuevas funciones al dispositivo sin cambiar el hardware dnado como resultado conceptos mejorados y productos sin el costoso rediseño de hardware, esto extiende la vida util y la utilidad y reduce los tiempos de lanzamiento de producto. Los ingeniero y cientificos opueden mejorar la funcionalidad a traves de software en vez de desarrollar electrónica especifica para cada tarea particular. Sin embargo, este incremento en funcionalidad tiene un precio, el mejorar la funcionalidad introduce la posibilidad de una interaccion no prevista o algun error, de manera que si bien el software ayuda a rapidamente mejorar la funcionalidad, el diseño y la instrumentación de prueba tambien debe adaptarse para verificar las mejoras. La unica manera de lograr estas demandas es el uso de arquitecturas de prueba y control que tambien se basan en el software, debido a que la IV usa software altamente productivo, E/S modular, y plataformas comerciales, esta estrategicamente posicionada para mantener el paso con las nuevas ideas de desarrollo de producto. Labview de NI es el primer ambiente de desarrollo de instrumentación virtual grafico, utiliza representaciones graficas o simbolicas para acelerar el desarrollo. El software representa simbólicamente funciones, consolidando estas de manera muy rapida en bloques graficos desarrollados.

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Otro componente de la IV es la E/S modular, diseñada par poder combinarse rapidamente en cualquier orden y cantidad para asegurar que la IV puede monitorear y controlar cualquier aspecto del desarrollo, con el uso de drivers bien diseñados para los modulos de E/S, los ingenieros y cientificos pueden rapidamente acceder funciones durante la operación concurrente. El tercer elemento de la IV – usando plataformas comerciales, a meudo mejoradas con sincrnización más exacta - asegura que la IV toma ventaja de los ultimos avances de las capacidades de la computadora y de las tecnologías de transferencia de datos. Este elemento permite el lanzamiento de IV que se basa en tecnología de largo plazo que se escala con las grandes inversiones hechas en procesadores, buses y otros. En resumen, dado que la inovacion demanda el uso de software para acelerar el desarrollo de nuevos conceptos y productos, tambien require que la instrumentación rapidamente se adapte a una nueva funcionalidad. Dado que la IV aplica software, E/S modular, y plataformas comerciales, esta proporciona instrumentación con capacidades unicas para mantener el paso con el desarrollo de los nuevos productos y conceptos de hoy ¿Porque ha sido tan existosa la IV?

Virtual instrumentation achieved mainstream adoption by providing a new model for building measurement and automation systems. Keys to its success include rapid PC advancement; explosive low-cost, high-performance data converter (semiconductor) development; and system design software emergence. These factors make virtual instrumentation systems accessible to a very broad base of users. PC performance, in particular, has increased more than 10,000X over the past 20 years. Virtual instruments takes advantage of this PC performance increase by analyzing measurements and solving new application challenges with each newgeneration PC processor, hard drive, display, and I/O bus. These rapid advancements, combined with the general trend that technical and computer literacy starts early in school, contribute to successful computer-based virtual instrumentation adoption.

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Figure 2. A 10,000x performance increase for PCs helps drive virtual instrumentation system performance.

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Another virtual instrumentation driver is the proliferation of high-performance, low-cost analog-to-digital (ADC) and digital-to-analog (DAC) converters. Applications such as wireless communication and high-definition video impact these technologies relentlessly. While traditional proprietary converter technology tends to move slowly, commercial semiconductor technologies tend to follow Moore’s law – doubling performance every 18 months. Virtual instrumentation hardware uses these widely available semiconductors to deliver high-performance measurement front ends. Finally, system design software that provides an intuitive interface for designing custom instrumentation systems furthers virtual instrumentation. LabVIEW is an example of such software. The LabVIEW graphical development environment offers the performance and flexibility of a programming language, as well as highlevel functionality and configuration utilities designed specifically for measurement and automation applications.

Figure 3. Sample Code Developed in the LabVIEW Graphical Development Environment. ¿Que hace a NI un lider de la IV?

In one word, the answer is software. Software that enables engineers and scientists to create user-defined instruments. At the heart of any virtual instrument is flexible software, and National Instruments invented one of the world’s best virtual instrumentation software platforms – LabVIEW. LabVIEW is a powerful graphical development environment for signal acquisition, measurement analysis, and data presentation, giving the flexibility of a programming language without the complexity of traditional development tools. Since 1986, when National Instruments introduced LabVIEW for the Macintosh, it has quickly and consistently attracted engineers and scientists looking for a productive, powerful programming language to use in test, control and design applications. Today, LabVIEW is the preferred graphical development environment for thousands of engineers and scientists. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 14

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For engineers who prefer text-based programming, National Instruments also offers LabWindows/CVI, an application development environment for ANSI C, as well as tools for virtual instrument development using Visual Studio .NET, Measurement Studio.

Figure 4. LabVIEW is a leader in application software used in PC-based data acquisition and instrument control. While software is the heart of every virtual instrument, almost every virtual instrument requires measurement hardware to accurately acquire the measurement. Independent of the programming environment chosen, virtual instrumentation software must provide excellent integration with system measurement hardware. National Instruments software, including LabVIEW, offers open connectivity to tens of thousands of sensors, cameras, actuators, cameras, traditional instruments and plug-in devices (USB, PCI, etc.) from thousands of third-party hardware vendors. In 2004, National Instruments measurement hardware provided customers with more than 6,000,000 virtual instrumentation measurement channels. From lowcost USB data acquisition, to image acquisition and process control vision systems, to RF measurements at 2.7 GHz, to GPIB bus communication, National Instruments has shown more than 25,000 companies that it offers the measurement hardware and scalable hardware platforms required to complete virtual instruments. ¿Que hace a NI diferente de otras companies de IV?

National Instruments has been a virtual instrumentation leader for more than 25 years. This leadership has grown and been sustained through constant and consistent innovation.

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Because National Instruments invented and innovated the premier virtual instrumentation graphical development environment, LabVIEW, it attracts thousands of engineers and scientists building virtual instruments. By understanding customer project development needs, National Instruments has consistently delivered significant software innovations, including Express technology, the LabVIEW Real-Time Module and LabVIEW PDA Module, and SignalExpress: 1. Express technology National Instruments created Express technology for LabVIEW, LabWindow/CVI, and Measurement Studio in 2003 to reduce code complexity while preserving power and functionality. Today, more than 50 percent of data acquisition customers use DAQ Assistant to simplify data acquisition tasks. 2. The LabVIEW Real-Time Module and LabVIEW PDA Modules National Instruments extended LabVIEW for deterministic execution using the LabVIEW Real-Time Module and developed matching hardware platforms to make embedded application deployment a reality. The LabVIEW PDA Module extended virtual instrumentation and the LabVIEW platform to handheld devices. 3. NI SignalExpress Design and test engineers asked National Instruments for virtual instrumentation software that interactively measures and analyzes data. In response, National Instruments created SignalExpress – a drag-and-drop, no-programming-required environment ideal for exploratory measurements. In addition to the strong software differentiator, National Instruments offers the most broad and innovative I/O selection among virtual instrumentation companies. To help engineers and scientists meet accelerating demands, National Instruments constantly releases products to further extend breadth. A few recent examples of NI hardware innovation include USB DAQ devices, M Series DAQ devices, and National Instruments CompactRIO: 1. USB DAQ Devices In a recent survey, 70 percent of National Instruments data acquisition (DAQ) customers said they plan to purchase multifunction USB DAQ in the near future. That month, National Instruments released the USB-6008, setting a new low price point for multifunction DAQ at $145 (US). 2. M Series DAQ Devices National Instruments helped establish leadership in plug-in data acquisition when it released the M Series DAQ products in late 2004. The first 18-bit PCI devices, first PCI data acquisition devices with six DMA channels for maximum throughput, and a patent-pending device calibration scheme are just a few of the features that set these products apart. 3. CompactRIO Reconfigurable Control and I/O INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 16

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One of the most innovative additions to National Instruments I/O products is CompactRIO. With an FPGA chip at the heart of this I/O platform, engineers can create custom hardware and customize it repeatedly using LabVIEW FPGA.

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¿Quien usa IV de NI?

National Instruments customers include engineers, scientists, and technical professionals in a wide range of industries. From testing DVD recorders to researching advanced medicines, they use National Instruments software and hardware to develop user-defined instruments and deliver a diverse set of products and services, faster and at a lower cost. Here are a few examples of how customers use National Instruments virtual instrumentation products: 1. AP Racing – Building Formula 1 Caliper and Brake Test Dynamometers For more than 30 years, AP Racing has been a world leader in brake caliper and race clutch technology and manufacturing. AP Racing concluded that a unique new dynamometer would be a distinct advantage, and virtual instrumentation using National Instruments DAQ devices and LabVIEW provided the flexibility it needed to innovate in the marketplace. 2. Lexmark – Ink Cartridge Electrical Test Ed Coleman, with Lexmark International, Inc., said, “As we continue to adapt our test systems to meet our latest requirements with minimal development time with the use of PC-based modular instruments and industry-standard software. Upgrading to the NI 5122, NI 6552, and LabVIEW 7 Express, we increased the quality of our products and production yields while increasing our test performance with minimal development expense.” 3. Texas Instruments – RF and Wireless Component Characterization With close to $4 billion in revenue, Texas Instruments (TI) is one of the leading wireless IC providers. To streamline its characterization process, TI created test development, management, and automation software powered by NI TestStand and LabVIEW. Using NI products, it expanded its business without sacrificing quality and resources. 4. Driven – Motorcycle Engine Control Unit (ECU) Prototype In past projects, Driven spent at least two man-years and $500,000US to develop ECU prototyping systems from custom hardware. For this project, the equipment costs (including the motorcycle and CompactRIO) totaled $15,000US, and development time took approximately three man-months. FPGA-based reconfigurable hardware, CompactRIO, and the LabVIEW RealTime Module delivered reliability and precise timing resources, and the system was rugged enough to withstand the high-temperature and highvibration operating environment. To learn more about these customer solutions and read hundreds more, visit ni.com/success.

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El software en la instrumentación virtual. (1.2) El rol de la Instrumentación Virtual, vision general.

Every virtual instrument is built upon flexible, powerful software by an innovative engineer or scientist applying domain expertise to customize the measurement and control application. The result is a user-defined instrument specifc to the application needs. This document introduces the role of National Instruments software in virtual instrumentation. Las tres capas del software de IV.

Virtual instrumentation software can be divided into several different layers. 1. Application Software: Most people think immediately of the application software layer. This is the primary development environment for building an application. It includes software such as LabVIEW, LabWindows/CVI (ANSI C), Measurement Studio (Visual Studio programming languages), SignalExpress, and VI Logger. 2. Test and Data Management Software: Above the application software layer the test executive and data management software layer. This layer of software incorporates all of the functionality developed by the application layer and provides system-wide data management. 3. Measurement and Control Services Software: The last layer is often overlooked, yet critical to maintaining software development productivity. The measurement and control services layer includes drivers, such as NIDAQmx, which communicate with all of the hardware. It must access and preserve the hardware functions and performance. It also must be interoperable –it has to work with all other drivers and the many modular I/O types that can be a part of the solution.

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Figure 1. Virtual Instrumentation Software ¿Que hace a Labview ideal para la IV?

LabVIEW is an integral part of virtual instrumentation because it provides an easyto-use application development environment designed specifically for engineers and scientists. LabVIEW offers powerful features that make is easy to connect to a wide variety of hardware and other software. This ease of use and these features deliver the required flexibility for a virtual instrumentation software development environment. The result is a user-defined interface and user-defined application functionality. One of the most powerful features that LabVIEW offers is its graphical programming paradigm. With LabVIEW, engineers and scientists can design custom virtual instruments by creating a graphical user interface on the computer screen through which they: • Operate the instrumentation program • Control selected hardware • Analyze acquired data • Display results They can customize the LabVIEW user interface, or front panel, with knobs, buttons, dials, and graphs to emulate traditional instrument control panels of, create custom test panels, or visually represent process control and operation.

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Figure 2. LabVIEW virtual instruments include the user interface and application logic. Determine virtual instrument behavior by connecting icons to create block diagrams, which are natural design notations for scientists and engineers. With graphical programming, engineers and scientists can develop systems more rapidly than with conventional programming languages, while retaining the power and flexibility needed to create a variety of applications. LabVIEW is an open environment that includes ready-to-use libraries for everything from serial, Ethernet, and GPIB communication to motion control, data acquisition, and image acquisition. ¿Como toma ventaja la IV de lo ultimos avances del software?

Traditional instrumentation solutions, by nature of their fixed packaging and vendor-defined nature, can’t rapidly adapt to new software technologies. Because of its inherent flexibility, virtual instrumentation is much better suited to incorporating new tools and technology – users can simply upgrade their software, rather than purchase a new system. Over the 20+ years of its development, LabVIEW has tightly integrated cutting edge software technology while still providing a seamless transition from version to version. With the long project lifetimes often found in the test and measurement industry, it’s critical that LabVIEW provide a stable platform for INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 21

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development over many decades. However, to ensure maximum productivity of its users, LabVIEW must also take advantage of new technologies as they arise. Many software packages get caught in the trap of rapid adoption of new technology without regard to longevity. For example, software packages based primarily on the Microsoft platform of technology over the past 15 years have had several instances where their software had to be totally redefined due to the discontinuity of the latest technology, such as COM, ActiveX, and most recently, .NET. LabVIEW has always incorporated and continues to incorporate these technologies to ensure that the user has access to the latest tools, but integrates them in such a way that there is no need to completely rework existing code. New technologies, such as .NET, can simply be added in to existing applications as needed. ¿Que es el software de medición y servicios de control?

Measurement and control services software is equivalent to the I/O driver software layer. However, it is much more than just drivers. Though often overlooked, it is one of the most crucial elements of rapid application development. This software connects the virtual instrumentation software and the hardware for measurement and control. It includes intuitive application programming interfaces, instrument drivers, configuration tools, I/O assistants, and other software included with the purchase of National Instruments hardware. National Instruments measurement and control services software offers optimized integration with both National Instruments hardware and National Instruments application development environments. As an example, National Instruments raised the bar for data acquisition software when it introduced NI-DAQmx for the Windows OS and increased the ease, speed, and power with which scientists and engineers take measurements. NI-DAQmx leverages several technologies that legacy drivers do not exhibit including multithreading, simplified application programming interface (API), interactive configuration, and intelligent multi-device synchronization. Additionally, NIDAQmx supports broad ranges of programming languages, devices, buses, sensors, and even mixed signal types. With NI-DAQmx, a new user to data acquisition can easily create an application that leverages parallel processing and synchronizes multiple devices all with interactive, configuration-based programming. In addition to new technologies, every copy of NI-DAQmx ships with a collection of measurement services designed to save data acquisition system developers time and money. This collection of measurement services, in addition to NI-DAQmx, offer more software value than any other data acquisition vendor provides with a DAQ device. A few of these measurement services include, Measurement & Automation Explorer (MAX) for configuring, interacting with, and testing your hardware; DAQ Assistant for configuration-based creation of data acquisition tasks; and VI Logger Lite, FREE software specifically designed for data logging. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 22

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Table 1. NI-DAQmx includes a high-performance driver and additional software to increase productivity. El hardware en la instrumentación virtual. (1.3) El rol del Hardware en la Instrumentación virtual, vision general.

I/O plays a critical role in virtual instrumentation. To accelerate test, control, and design, I/O hardware must be rapidly adaptable to new concepts and products. Virtual instrumentation delivers this capability in the form of modularity within scalable hardware platforms. This document introduces a few of these platforms and modular I/O types and illustrates the . ¿Cuales son las capacidades del hardware de IV?

An important concept of virtual instrumentation is the strategy that powers the actual virtual instrumentation software and hardware device acceleration. National Instruments focuses on adapting or using high-investment technologies of companies such as Microsoft, Intel, Analog Devices, Xilinx, and others. With software, National Instruments uses the tremendous Microsoft investment in OSs and development tools. For hardware, National Instruments builds on the Analog Devices investment in A/D converters.

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Fundamentally, because virtual instrumentation is software-based, if you can digitize it, you can measure it. Therefore, measurement hardware can be viewed on two axes, resolutions (bits) and frequency. Refer to the figure below to see how measurement capabilities of virtual instrumentation hardware compare to traditional instrumentation. The goal for National Instruments is to push the curve out in frequency and resolution and to innovate within the curve.

Figure 1. Compare virtual instrumentation hardware over time to traditional instrumentation. See Also: Learn about NI data acquisition hardware Learn about NI modular instrumentation hardware ¿Sobre que plataformas de hardware de E/S, corre el software de IV?

National Instruments modular I/O covers diverse I/O types so that engineers and scientists can select I/O across many categories including analog, digital, counter/timer, image, and motion. Modular I/O also includes modular instruments such as oscilloscopes, meters, arbitrary function generators, LCR meters, and more. With the wide variety of excellent I/O, engineers can randomly select any I/O type required by the application. Careful engineering ensures that these diverse I/O types work seamlessly together, meaning they can efficiently share backplane and timing resources. Standard hardware platforms that house the I/O are important to I/O modularity. Laptop and desktop computers provide an excellent platform where virtual instrumentation can make the most of existing standards such as the USB, PCI, Ethernet, and PCMCIA buses. Using these standard buses, National Instruments can focus on measurement hardware innovation while benefiting from inevitable PC platform innovation (for example, USB 2.0 and PCI Express).

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Figure 2. Modular I/O and scalable platforms such as USB, PCI, and PXI provide flexibility and scalability. In addition to supporting standard platforms, National Instruments is part of a 65vendor consortium that has helped tailor the PXI hardware platform for virtual instrumentation. PXI is a standard for modular I/O built on PC technologies. It adds integrated timing and synchronization, industrial ruggedness, and increased channel count to a PC-based architecture. Today, there are more than 1000 products created for the PXI platform being used worldwide by thousands of companies. Choosing the appropriate platform on which to create virtual instrumentation on depends on specific application requirements. For example, portability, stringent synchronization, and acquisition rates all play a role in choosing a platform.

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Table 1. National Instruments Hardware Platform Comparison See Also: Learn about Learn about Learn about Learn about

the the the the

PXI hardware platform USB hardware platform Compact FieldPoint hardware platform CompactRIO hardware platform

¿Como amplian la IV las nuevas tecnologias de buses (USB2.0 y el PCI Express)?

Virtual instrumentation uses advances in commercially available computer technologies to make faster and higher-performance measurements at lower cost than traditional instruments. One example of this is with PC data buses. While instrument communication interfaces such as serial and GPIB have remained virtually unchanged for decades, new PC buses provide dramatic improvements in bandwidth and ease of use. Since the mid-1960s, PC processing power has, according to Moore’s Law, approximately doubled every 18 months. Now, data buses such as PCI Express and USB 2.0 are making similar leaps in speed. Good virtual instrumentation software takes advantage of these new technologies while minimizing the impact on the application. The 132 MB/s bandwidth provided by the 32-bit, 33MHz PCI bus still present on most desktop PCs was a good match for plug-in peripherals 10 years ago, but now can be monopolized by a single device, such as a Serial-ATA drive. And Gigabit LAN cards – at 1000 Mb/s – use approximately 95 percent of available PCI bandwidth. PCI bus architecture requires it to share the available 132 MB/s with all devices on the bus, so high-bandwidth devices such as Serial-ATA drives and Gigabit LAN cards strangle other devices on the PCI bus. To remedy these limitations, a new peripheral bus called PCI Express has recently started to appear in new PCs. PCI Express maintains software compatibility with PCI, but replaces the physical bus with a high-speed (2.5 Gb/s) serial bus. Data is sent in packets through transmit and receive signal pairs called lanes with about 200 MB/s bandwidth per direction, per lane. Multiple lanes can be grouped together into x1 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 27

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(“by-one”), x2, x4, and x8 lane widths. Unlike PCI, which shares bandwidth between all devices on the bus, this bandwidth is provided to each device in the system. PCI Express benefits for virtual instrumentation are obvious. Plug-in devices such as data acquisition devices and frame grabbers can use the increased bandwidth for faster acquisitions and higher throughputs, and multiple system devices benefit from guaranteed bandwidth availability.

Figura 3. The Evolution of PC Bus Technologies USB 2.0, now standard on all new desktop and laptop PCs, also offers significant benefits to virtual instrumentation. Initially created to connect peripherals such as keyboards and mice to the PC, USB has quickly become the ubiquitous standard for sending data to and from the PC and electronic devices, including digital cameras, MP3 players, and even data acquisition devices. The USB plug-and-play nature makes usability and device portability extremely simple. The PC automatically detects when a new device has been plugged in, queries for device identification, and appropriately configures the required drivers. In addition, USB is hot-pluggable, so, unlike other data buses, there is no need to power down the PC before adding or removing a device. The high speed of USB 2.0 improves data throughput by 40X compared to USB 1.1, increasing bandwidth to 480 Mb/s. All new PCs come with USB 2.0 ports, and PCI Express is emerging as the new plug-in bus standard. As Intel, Dell, HP, and other vendors continue to develop systems and components based on these technologies, economies of scale continue to improve performance and costs. Virtual instrumentation and National Instruments products will continue to use these bus technology advances to provide higher speed test and measurements products at even lower prices.

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¿Cuales son los beneficios del Ethernet para la IV?

Virtual instrumentation systems frequently use Ethernet for remote test system control, distributed I/O, and enterprise data sharing. The primary benefit in using Ethernet is cost. In nearly all cases, the Ethernet network preceded the measurement system, so it often adds little cost to the measurement system itself. Ethernet provides a low-cost, moderate-throughput method for exchanging data and control commands over distances. However, due to its packet-based architecture, Ethernet is not deterministic and has relatively high latency. For some applications, such as instrumentation systems, the lack of determinism and high latency make Ethernet a poor choice for integrating adjacent I/O modules. These situations are better served with a dedicated bus such as PXI, VXI, or GPIB. Often, a virtual instrumentation system uses other buses in conjunction with Ethernet. Typically, a network node consists of modular I/O clusters. Each cluster uses a high-speed, low-latency bus to exchange data between different I/O modules. To communicate with neighboring nodes, transfer data to a remote location, or accept commands from a remote location, the network nodes use the Ethernet network.

Figure 4. Example of Ethernet/LAN based virtual instrumentation system

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La IV en la ingenieria de procesos (1.4) IV para Pruebas, Control y Diseño; Visión General

Virtual instrumentation has been widely adopted in test and measurement areas. It has gradually increased addressable applications through continuous LabVIEW innovation and hundreds of measurement hardware devices. Today, National Instruments is leading the charge to expand this technology to the control and design sectors. The benefits that have accelerated test development are beginning to accelerate control and design. Engineers and scientists who are increasing demands for virtual instrumentation in hopes of efficiently addressing worldwide demand are the driving force behind this acceleration. IV para pruebas.

Test has been a long-proven field for virtual instrumentation. More than 25,000 companies (the majority being test and measurement companies) use National Instruments virtual instrumentation. Now, companies quickly are adopting up to 200 MS/s digitization capabilities. The PXI consortium hosts more than 60 members delivering hundreds of products. And tens of thousands of R&D, validation, and product test engineers and scientists literally use thousands and thousands of instrument drivers. Still, the need for test has never been greater. As the pace of innovation has increased, so too has the pressure to get new, differentiated products to market quickly. Consumer expectations continue to increase; in electronics markets, for example, disparate function integration is required in a small space and at a low cost. The economic downturn of recent years has not curbed the need to innovate, but instead has added the restraint of fewer resources. Meeting these demands is a factor in business success – the company that can meet these demands quickly, consistently, and most reliably has a decided advantage over the competition. All of these conditions drive new validation, verification, and manufacturing test needs. A test platform that can keep pace with this innovation is not optional, it is essential. The platform must include rapid test development tools adaptable enough to be used throughout the product development flow. The need to get products to market quickly and manufacture them efficiently requires highthroughput test. To test the complex multifunction products that consumers demand requires precise, synchronized measurement capabilities. And as companies incorporate innovations to differentiate their products, test systems must quickly adapt to test the new features.

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Virtual instrumentation is an innovative solution to these challenges. It combines rapid development software and modular, flexible hardware to create user-defined test systems. Virtual instrumentation delivers: • • •

Intuitive software tools for rapid test development; Fast, precise modular I/O based on innovative commercial technologies A PC-based platform with integrated synchronization for high accuracy and throughput

An example of recent National Instruments innovation accelerating test, control and design is FPGA-based hardware programmed using LabVIEW FPGA. If an engineer needs a new hardware capability, like onboard DSP, or a new triggering mode, you can drill down even further to define this capability in the same software and deploy it to an on-board FPGA. Engineers and scientists have always been able to use LabVIEW to create highly integrated user-defined systems using modular I/O but they can now extend custom configurability to the hardware itself. This degree of user-configurability and transparency will change the way engineers build test systems.

Figure 1. LabVIEW offers user-defined instruments and customizable hardware To learn more about virtual instrumentation and other essential technologies for test, visit ni.com/modularinstruments. IV para Control y E/S industrial.

PCs and PLCs both play an important role in control and industrial applications. PCs bring greater software flexibility and capability, while PLCs deliver outstanding ruggedness and reliability. But as control needs become more complex, there is a recognized need to accelerate the capabilities while retaining the ruggedness and reliabilities. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 31

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Independent industry experts have recognized the need for tools that can meet the increasing need for more complex, dynamic, adaptive, and algorithm-based control. The PAC is the industry’s request and virtual instrumentation’s answer. An independent research firm defined programmable automation controllers (PACs) to address the problem. Craig Resnick of ARC Research defines PAC as: 1. Multidomain functionality (logic, motion, drives, and process) – the concept supports multiple I/O types. Logic, motion, and other function integration is a requirement for increasingly complex control approaches 2. A single multidiscipline development platform – a singular development environment must be capable of supporting varying I/O and control schemes 3. Software tools for designing applications across several machines or process units – the software tools must scale to distributed operation 4. A group of de facto network and language standards – the technology has to take advantage of common and often high-investment technologies 5. Open, modular architectures – the design and technology specifications must be open, modular, and combinable in implementation PACs deliver PC software flexibility with PLC ruggedness and reliability. LabVIEW software and rugged, real-time, control hardware platforms are ideal for creating a PAC. To learn more about virtual instrumentation and programmable automation controllers, visit ni.com/pac. IV para Diseño.

The same design engineers that use a wide variety of software design tools must use hardware to test prototypes. Commonly, there is no good interface between the design phase and testing/validation phase, which means that the design usually must go through a completion phase and enter a testing/validation phase. Issues discovered in the testing phase require a design-phase reiteration.

Figure 2. Test plays a critical role in the design and manufacture of today’s electronic devices.

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In reality, the development process has two very distinct and separate stages – design and test are two individual entities. On the design side, EDA tool vendors undergo tremendous pressure to interoperate from the increasing semiconductor design and manufacturing group complexity requirements. Engineers and scientists are demanding the capability to reuse designs from one tool in other tools as products go from schematic design to simulation to physical layout. Similarly, test system development is evolving toward a modular approach. The gap between these two worlds has traditionally been neglected, first noticeable in the new product prototype stage. Traditionally, this is the stage where the product designer uses benchtop instruments to sanity-check the physical prototypes against their design for correctness. The designer makes these measurements manually, probing circuits and looking at the signals on instruments for problems or performance limitations. As designs iterate through this build-measure-tweakrebuild process, the designer needs the same measurements again. In addition, these measurements can be complex – requiring frequency, amplitude, and temperature sweeps with data collected and analyzed throughout. Because these engineers focus on design tools, they are reluctant to invest in learning to automate their testing. Systems with intrinsic-integration properties are easily extensible and adapt to increasing product functionality. When new tests are required, engineers simply add new modules to the platform to make the measurements. Virtual instrumentation software flexibility and virtual instrumentation hardware modularity make virtual instruments a necessity to accelerate the development cycle. To learn more about how virtual instrumentation can help with all steps of new product design, visit ni.com/design. La IV, mas alla de la computadora personal. (1.5) Additional Virtual Instrumentation Resources

To learn more about virtual instrumentation, use the following resources: • • • • •

About Virtual Instrumentation Virtual Instrumentation versus Traditional Instruments Virtual Instrumentation for Test, Control, and Design Software's Role in Virtual Instrumentation Hardware's Role in Virtual Instrumentation

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UNIDAD 2. La IV y los instrumentos tradicionales. Instrumentación Virtual e Instrumentos tradicionales, Visión General

Con más de 6 millones de canales nuevos de medición vendidos el último año, National Instruments es el líder mundial en instrumentación virtual. Los ingenieros han utilizado la instrumentación virtual por mas de 25 años para traer el poder del software flexible y la tecnología de la PC para probar controlar y diseñar aplicaciones, haciendo mediciones análogas y digitales mas exactas en rangos de Dc hasta 2.7 Ghz, en esta sección se discutira tanto la compatibilidad como las diferencias entre la IV y la IT.. Diferencias entre la IV y lo instrumentos tradicionales. (2.1) ¿Que es un IV y como se diferencia de uno tradicional?

Los instrumentos virtuales estan definidos por el usuario mientras que la funcinalidad de los tradicionales ha sido fijada por el vendedor del instrumento.

Figura 1. Instrumentos tradicionales (izquierda) e Instrumentos basados en software (derecha) en gran manera comparten los mismo components de arquitectura pero una filosofia radicalmente diferente

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Cada instrumento virtual consiste de dos partes – software y hardware. Un instrumento virtual tipicamente tiene un precio de lista comparable y muchas veces menor al de un instrumento tradicional similar para hacer la misma tarea de medición, sin embargo los ahorros a traves del tiempo son mucho mas cuando se cambian las tareas de medición. Al no usar empaquetado, hardware y software definidos por el vendedor los ingenieros y cientificos obtienen la maxima flexibilidad de definir sus propias caracteristicas. Un instrumento tradicional proporciona todo el software y la circuiteria de medición empacada en el producto con una lista finita de caracteristicas funcionales en el panel frontal. Un instrumento virtual proporciona todo el hardware y software necesario para lograr las tareas de control o medición, ademas con un instrumento virtual los ingenieros y cientificos pueden personalizar la adquisición, analisis, archivado, compartimiento y presentación utilizando poderoso software productivo. Aquí algunos ejemplos de esta flexibilidad en práctica: 1 Una aplicación – diferentes dispositivos. Para este particular ejemplo, un ingeniero esta desarrollando una aplicación utilizando Labview y una tarjeta de las serie M DAQ en el bus PCI de su computadora para crear una aplicación de generacion de voltaje DC y medicion de temperatura. Después de completar el sistema necesita desplegar la aplicación en un sistema PXI en el area de manufactura para probar en el nuevo producto, ademas puede ser necesario que la aplicación sea portable y asi selecciona los productos de NI USB DAQ para la tarea. En este ejemplo sin importar la opcion el puede usar Instrumentación virtual en un solo programa en cualquiera de los tres casos sin que tenga que cambiar el codigo.

Figura 2. Actualizar el hardware es más fácil cuando se usa la misma aplicación para muchos dispositivos. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 35

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2. Many Applications, One Device Consider another engineer, who has just completed a project using her new M Series DAQ device and quadrature encoders to measure motor position. Her next project is to monitor and log the power drawn by the same motor. She can reuse the same M Series DAQ device even though the task is significantly different. All she has to do is develop the new application using virtual instrumentation software. Additionally, both projects could be combined into a single application and run on a single M Series DAQ device, if needed.

Figure 3. Reduce costs by reusing hardware for many applications. Diferencias de hardware entre IV e IT. (2.2) ¿Como las capacidades del hardware de IV se compara con los IT?

An important concept of virtual instrumentation is the strategy that powers the actual virtual instrumentation software and hardware device acceleration. National Instruments focuses on adapting or using high-investment technologies of companies such as Microsoft, Intel, Analog Devices, Xilinx, and others. With software, National Instruments uses the tremendous Microsoft investment in OSs and development tools. For hardware, National Instruments builds on the Analog Devices investment in A/D converters. Fundamentally, because virtual instrumentation is software-based, if you can digitize it, you can measure it. Therefore, measurement hardware can be viewed on two axes, resolutions (bits) and frequency. Refer to the figure below to see how measurement capabilities of virtual instrumentation hardware compare to traditional instrumentation. The goal for National Instruments is to push the curve out in frequency and resolution and to innovate within the curve. INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 37

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Figure 4. Compare virtual instrumentation hardware over time to traditional instrumentation. Compatibilidad entre IV e IT. (2.3) ¿Son los IV y los instrumentos tradicionales compatibles?

Many engineers and scientists have a combination of both virtual and traditional instruments in their labs. In addition, some traditional instruments provide a specialized measurement which the engineer or scientist would prefer to have the vendor define rather than actually defining it themselves. This begs the question, “Are virtual instruments and traditional instruments compatible?” Virtual instruments are compatible with traditional instruments almost without exception. Virtual instrumentation software typically provides libraries for interfacing with common ordinary instrument buses such as GPIB, serial, or Ethernet. In addition to providing libraries, more than 200 instrument vendors have contributed more than 4,000 instrument drivers to National Instruments Instrument Driver Library. Instrument drivers provide a set of high-level, humanreadable functions for interfacing with instruments. Each instrument driver is specifically tailored to a particular model of instrument to provide an interface to its unique capabilities. To find an instrument driver or learn how to create one for an instrument, visit ni.com/idnet. Diferencias entre Inst. Virtuales e Instrumentos Sinteticos. (2.4) ¿Como se diferencian los intrumentos virtuales de los sinteticos?

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A fundamental trend in the automated test industry is a heavy shift toward software-based test systems. For example, the United States Department of Defense (DoD) is one of the world’s largest customers of automated test equipment (ATE). In order to reduce the cost of ownership of test systems and increase reuse, the DoD, through the Navy’s NxTest program, has specified that future ATE use an architecture built on modular hardware and reconfigurable software called synthetic instrumentation. The adoption of synthetic instrumentation represents a significant development in the specification of future Military ATE systems, and reflects a fundamental shift as reconfigurable software takes center-stage in future systems. Successful implementation of softwarebased test systems, such as synthetic instrumentation, requires an understanding of the hardware platforms and software tools in the market, as well as an understanding of the distinction between system-level architectures and instrument-level architectures. The Synthetic Instrument Working Group defines synthetic instruments as “a reconfigurable system that links a series of elemental hardware and software components with standardized interfaces to generate signals or make measurements using numeric processing techniques”. This shares many properties with virtual instrumentation, which is “a software-defined system, where software based on user requirements defines the functionality of generic measurement hardware”. Both definitions share the common properties of software-defined instrumentation running on commercial hardware. By moving the measurement functionality into user-accessible reconfigurable hardware, those adopting such architectures benefit by achieving greater flexibility and reconfigurability of systems, which in turn increases performance capabilities while reducing cost.

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Synthetic instrument From Wikipedia, the free encyclopedia Retrieved from "http://en.wikipedia.org/wiki/Synthetic_instrument"

A synthetic instrument is a term in test and measurement science or metrology. A Synthetic Instrument is software that runs on a Synthetic Measurement System to perform a specific synthesis, analysis, or measurement function. A Synthetic Measurement System (SMS) is a common, general purpose, physical hardware platform that is intended to perform many kinds of synthesis, analysis, or measurement functions using Synthetic Instruments. Typically the generic SMS hardware is dual cascade of three subsystems: digital processing and control, A/D or D/A conversion (codec), and signal conditioning. One cascade is for stimulus, one for response. Sandwiched between them is the device under test (DUT) that is being measured. Synthetic Measurement System

The term synthetic instrument is the opposite of the retronym natural instrument. Although the word “synthetic” in the phrase synthetic instrument might seem to imply that synthetic instruments are synthesizers: that they only do synthesis. This is incorrect. When we say synthetic instrument, we are saying that the instrument itself is being synthesized; nothing is implied about what the instrument itself does. A synthetic instrument might indeed be a synthesizer, but it could just as easily be an analyzer, or some hybrid of the two. Synthetic instruments are implemented on generic hardware. This is probably the most salient characteristic of a synthetic instrument. Generic means that the underlying hardware is not explicitly designed to do the particular measurement. Rather, the underlying hardware is explicitly designed to be general purpose. Measurement specificity is encapsulated totally in software and the specific hardware is therefore uninvolved in the design of the measurement. An analogy to this relationship between specific measurement hardware versus generic hardware with its function totally defined in software is the relationship between specific digital circuits and a general purpose CPU. A specific digital circuit can be designed and hardwired with digital logic parts to perform a specific calculation. Alternatively, a microprocessor (or, better yet, a gate array) could be used to perform the same calculation using appropriate software. One case is specific, the other generic, with the specificity encapsulated in software. At the software level, portability of measurement description is the key attribute that distinguishes a synthetic instrument from the more commonly found instrumentation software -- software that is limited to hardware scripting and data INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 40

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flow processing. Not all measurement related software systems inherently provide for the abstract, portable synthesis of measurements. Even if they do have such provisions, they may not typically be applied that way by users, especially if the system encourages non-abstracted access to hardware. Application software packages such as Measure Foundry and LabVIEW are typically used with explicit structural links to the natural measurements made by specific hardware and therefore usually are not synthesizing measurements from an abstract description. On the other hand, should a software system be used to synthesize measurement functions as descriptive behavioral constructs, rather than hardware referenced structural data flow descriptions, we have achieved true measurement synthesis. An analogy here is the distinction between a non portable structural description and an abstract behavioral description of digital logic that we see in HDL systems like Verilog. Synthetic instruments in test and measurement are conceptually related to the software synthesizer in audio or music. A musical instrument synthesizer synthesizes the sound of specific instruments from generic hardware. Of course, a significant difference in these concepts is that musical instrument synthesizers typically only generate musical sound, whereas a synthetic instrument in test and measurement may be equally likely to generate or to measure some signal or parameter. A similar term commonly used in test and measurement, Virtual instrumentation, is a superset of synthetic instrumentation. All synthetic instruments are virtual instruments; however, the two terms are different when virtual instrument software mirrors and augments non-generic instrument hardware, providing a soft front panel, or managing the data flow to and from a natural instrument. In this case, the PC and accompanying software is supplementing the analysis and presentation capabilities of the natural instrument. The essential point is this: synthetic instruments are synthesized. The whole is greater than the sum of the parts. To use Buckminster Fuller's word, synthetic instruments are synergistic instruments. Like a triangle is more than three lines, synthetic instruments are more than the triangle of hardware (Control, Codec, Conditioning) they are implemented on. Therefore, one way to tell if you have a true synthetic instrument is to examine the hardware design alone and to try to figure out what sort of instrument it might be. If all you can determine are basic category facts, like the fact that it can be categorized as a stimulus or response instrument, but not anything about what it's particularly designed to create or measure—if the measurement specificity is all hidden in software—then you likely have a true synthetic instrument. External links •

Synthetic Instruments Book-Blog

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UNIDAD 3. Tipos de software en la IV-

Las tres capas del software para la IV. (3.1) El software de la instrumentacion virtual se puede dividir en varias capas diferentes. Software de aplicación.

La mayoria de la gente piensa inmediatamente en la capa de software de aplicación, este es el primer ambiente de desarrollo para construir una aplicación, e incluye software como LabVIEW, LabWindows/CVI (ANSI C), Measurement Studio (Visual Studio progemming languages), SignalExpress y VI Logger. Software de prueba y administración de datos.

Por encima de la capa de software, la capa de software ejecutivo de pruebas y administración de datos, esta incorpora toda la funcionalidad desarrollada por la capa de aplicación y proporciona una admionistración amplia de datos. Software de servicios de Medicion y Control.

La ultima capa a menudo sobrepasada, pero critica para mantener la productividad del desarrollo de software. Esta capa incluye drivers tales como el NI DAQmx, el cual comunica todo el hardware y que debe acceder y preservar las funciones y el rendimiento del hardware. También debe ser interoperable – tiene que trabajar con el resto del los drivers y los diferentes tipos de modulos de I/O que puieden ser parte de la solución.

Labview como alternativa ideal. (3.2)

Software de medición en IV. (3.3)

Software de servicios de control en IV. (3.4) INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 43

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Tendencias de uso de la tecnología en la IV. (3.5)

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UNIDAD 4. El rol del hardware en la IV. Las capacidades del hardware para IV. (4.1)

Plataformas y modulos de E/S que corren software de IV. (4.2)

4.3 Como se usan el USB, PCI, PCI express y otras tecnologías en la IV. (4.3)

Los beneficios del ethernet y otros recursos para la IV. (4.4)

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ANEXOS

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ANEXOS CONCEPTOS: Resolucion, Sensibilidad, Exactitud etc. Resolución.

Cuando hablamos de este concepto no nos referimos a repetir la solucion , tampoco a las decisiones que se toman en los congresos, parlamentos o tribunales, aunque pareceria. Como se podran dar cuenta una vez mas el significado de una palabra en ocasiones es muy amplio, en esta ocasión el termino se refiere a la cantidad de divisiones que tiene un rango determinado; por ejemplo podemos decir, en el periodo de tiempo que goberno el PRI de 1930 a 2000, existe una division tipica que generalmente usamos y es “años”. Por lo tanto de 1930 a 2000 hay 70 años (70 divisiones), pero, ¿que tantos meses? Para contestar a esta pregunta bastaria con calcular el numero de meses que hay en 70 años , lo cual nos da un cifra de 70 x 12 meses =840 meses, esto nos indica que el periodo de 1930 a 2000 podemos decir que tiene 70 años u 840 meses, ¿cuál es la diferencia? Entre uno y otro. La diferencia es la “Resolución”, la cantidad de divisiones en que se dividio el rango en cuestion. Cuando dividimos en años la cantidad fue menor que cuando dividimos en meses, se dice que cuanto mayor es la cantidad de divisiones que hacemos, mayor es la resolucion que tenemos. En terminos populares decimos fineza. Otro ejemplo que podemos citar al respecto es el de una bascula en el supermercado, como ustedes habran podido observar alguna vez las basculas del supermercado tienen una capacidad tipica de 3 o 5 kg, con indicaciones desde 0 y de uno en uno hasta el maximo, pero también cuentan con divisiones mas pequeñas entre kg y kg, la mayoria de esllas con una indicacion de 50 gramos por division, la cual seria su resolucion. Generalmente la “resolucion” se expresa en unidades de la variable por division de un rango definido, en el primer ejemplo la variable fue tiempo por lo tanto la resolucion seria años por division o meses por division; en el segundo ejemplo,la variable fue peso por lo tanto la resolucion seria gramos por division. Se recomienda al estudiante que haga algunos ejercicios de dividir rangos de una variable en una cierta cantidad y expresar la resolucion. Como se habran dado cuenta la “resolucion” es un concepto que tiene que ver con mediciones y aparatos que miden. Exactitud.

El termino “exactitud” es muchas veces confundido con el termino “precision” el cual es diferente. A continuación citaremos el termino del glosario de INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 46

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ANEXOS

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“Nacional Instrument” reconocida compañía lider a nivel mundial en instrumentación integrada a computadoras. De acuerdo con este la definición es:

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ANEXOS

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“la cercania de una indicacion o lectura de un dispositivo de medicion, a el valor actual de la cantidad que esta siendo medida. Generalmente expresada en un porcentaje de la escala total de lectura.” (accuracy) La cercania de la lectura a un valor actual ¿ que significa eso? Primeramente veamos a lo que se refiere como valor actual. Dado que una variable “varia” el termino valor actual se refiere al valor que tiene la variable al momento de hacer la medicion; nosotros podriamos decir que, el valor es el que estamos midiendo, lo cual es razonable pero,¿ que tan razonable? Ademas se habla de una cercania a la indicacion; de lo anterior podemos deducir que tenemos un valor actual de la variable (valor real y verdadero) y otro valor medido, los cuales son cercanos y que la “exactitud” es una medida de esa cercania. Por lo tanto podemos entender que la “exactitud” es que tan cerca del valor real es la medicion que hicimos, lógicamente podriamos preguntarnos entonces ¿el valor medido no es el valor real? Y la respuesta a esa pregunta es que ciertamente el valor medido no es el valor real, pero si con cierta cercania, entre mas cercano esté la exactitud sera mayor. De lo anterior podemos también concluir algo muy importante; todas las mediciones tienen un grado de incertidumbre. Otro concepto interesante del cual hablaremos mas adelante. Por lo pronto pasaremos a definir otro termino importante que ya mencionamos anteriormente, la “precision”, el cual se confunde aun en la actualidad con “exactitud” Precision.

Actualmente este termino ha sido oficialmente reemplazado por el termino “repetibilidad”, aunque en la practica existe una inercia que llevara algun tiempo detener. De acuerdo con el glosario de “Nacional Instrument” el término significa lo siguiente: “La habilidad de un transductor para reproducir lectruras de salida cuando el mismo mesurando se aplica de forma consecutiva, bajo las misma condiciones y en la misma direccion. Se expresa como la maxima diferencia entre las lecturas de salida.” (Repeatability). De una manera mas general el termino transductor se puede sustituir por el termino medidor, de esta manera entonces podemos observar que la “precision” o “repetibilidad” es la accion de medir el mismo mesurando de manera repetida bajo las mismas condiciones, lo cual es diferente la “exactitud” como se podran dar cuenta, por lo que no existe razon para confundirla. Mas adelante se ejemplificara con el tiro de arco. Por ahora continuaremos con la definición del concepto de incertidumbre.

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ANEXOS

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Incertidumbre.

Cuando hablamos de incertidumbre nos podemos referir a un sin numero de posibilidadas, por ejemplo la sensación que experimentan algunos de ustedes cuando llega el final de semestre y esperan sus calificaciones finales, o la no tan agradable que experimentamos cuando un ser querido es sometido a una cirugía mayor y no sabemos que va a pasar, lo que es cierto es que la “incertidumbre” contiene un alto grado de desconocimento, de no saber, de falta de certeza es decir de verdad. En pocas palabras tiene que ver con no saber la verdad. Y en este sentido cuando se utiliza el termino en el campo de las medicones la “incertidumbre” es el grado de alejamiento que se tiene de la realidad, mas particularmente que tan lejos se esta del valor real y en este sentido es la medida complentaria de la exactitud. A mayor incertidumbre menor exactitud y viceversa, en terminos estadisticos la “incertidumbre” es una medida de dispersión en tanto que la “exactitud” es una medida de centralización. Cuando hablamos de medidas, la incertidumbre se asocia con el termino “error”, el cual sabemos que es una diferencia algebraica entre el valor medido u obtenido y el esperado o real, considerese aquí que el valor real puede ser en muchas ocasiones un valor teorico o calculado y en este sentido el valor real entonces si es posible conocerlo aunque solo sea en la teoria. Existen muchos terminos relacionados con la instrumentación ademas de los anteriores, se sugiere al alumno que investigue los siguientes y los discutan en la clase junto con su maestro. Rango Sensibilidad Histeresis Sensor Transductor Tiempo de respuesta Span (alcance) Algunas Definiciones de acuerdo a la norma NMX-Z-055-1997:IMNC, MetrologiaVocabulario de terminos funadmentales y generales, 17 de Enero de 1997. Magnitud. Es una variable física usada para especificar el comportamiento de la naturaleza de un sistema particular. Medida. Es la evaluación de una magnitud hecha según su relacion con otra magnitud de la misma especie adoptada como unidad ya sea de manera directa o indirecta. Patron. Medio materializado, aparato de medicion o sistema de medicion destinado a definir, realizar, conservar, o reproducir una unidad de medicion INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 49

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ANEXOS

magnitud,

para

Página 50 de 62. transmitirlo

por

comparación

a

otros

Trazabilidad. Propiedad de una medicion, física o química, o del valor de un patron, por medio de la cual estos pueden ser relacionados a referencias establecidas por lo patrones apropiados, generalmente nacionales o internacionales, a traves de una cadena ininterrumpida de comparaciones. Tolerancia. Es la cantidad total que le es permitido variar a una dimension especificada determinada por la difrencia entre los limites inferior y superior especificados. Error. Desviación a partir del valor real de la variable medida. Una medida del error es la incertidumbre, diferencia entre los valores máximo y minimo obtenidos en una serie de lecturas sobre una misma dimension constante. Unidades patron del sistema internacional de unidades El sistema internacional fundamentales que son:

de

unidades

tiene

como

base

7

patrones

El metro El kilogramo El segundo El ampere El grado kelvin El mol La candela. Estas unidades están definidas en la tabla que se presenta mas adelante, en tanto que la tabla siguiente presenta los prefijos asociados con las potencias de 10 o notación científica de numeros. Prefijos decimales de notación científica Multiplicador Prefijo. Símbolo. . 101 Deca E 2 10 Hecto P 3 10 Kilo T 104 Mega G 5 10 Giga M 106 Tera K 7 10 Peta h 8 10 Exa da

numérica. Multiplicador . 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8

Prefijo.

Símbolo.

Deci Centi Mili Micro Nano Pico Femto Atto

d c m u n p f a

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ANEXOS

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DEFINICION DE LAS UNIDADES BASICAS MAGNITUD FISICA UNIDAD SIMBOL DEFINICION O Longitud Metro m En 1889 se definió el metro patrón como la distancia entre dos finas rayas de una barra de aleación platino iridio que se encuentra en el museo de pesas y medidas de Paris. El interés por establecer una definición mas precisa e invariable llevo en 1960 a definir el metro como 1,650,763.73 veces la longitud de onda de la radiación rojo naranja (transición entre los niveles 2p10 y 5d6) del átomo de Kriptón 86 (86Kr) A partir de 1983 se define como la distancia recorrida por la luz en el vació en 1/(299,792,458) de segundo Masa Kilogra Kg. En la primera definición de kilogramo fue considerado como “la masa mo de un litro de agua destilada a la temperatura de 4 °C”. En 1889 se definió el kilogramo patrón como “ la masa de un cilindro de aleación de platino iridio que se conserva en el museo de pesas y medidas de Paris. En la actualidad se intenta definir de forma más rigurosa expresándolo en función de la masa de los átomos. Tiempo Segundo S La unidad segundo patrón su primera definición fue “el segundo es la 1/(8,6400) parte del día solar medio” pero con el aumento en la precisión de medidas de tiempo se ha detectado que la tierra gira cada vez mas lento ( alrededor de 5 milisegundos por año) y en consecuencia se optado por definir el segundo en función de constantes atómicas. Desde 1967 se define como “la duración de 9,192,631,770 periodos de la radiación correspondiente a la transición de los dos niveles hiperfinos del estado natural del átomo de Cesio 133” Corriente eléctrica Ampere A La magnitud de la corriente que fluye en conductores paralelos distanciados un metro entre si en el vacío que produce una fuerza entre ambos (a causa de sus campos magnéticos) de 2 x 10 –7 N/m (9 conferencia general de pesas y medidas, 1948). INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 52

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ANEXOS

Temperatura

Kelvin

Intensidad luminosa

Candela Cd

Cantidad sustancia

de Mol

K

mol

Página 53 de 62. La fracción 1/ (273.16) de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.(13 conferencia general de pesas y medidas, 1967.) La intensidad luminosa en dirección perpendicular de una superficie de 1/ (600,000) m2 de un cuerpo negro a la temperatura de congelamiento del platino (2,042 ° K) bajo una presión de 101,325 N/m2 . La intensidad en una dirección dada de una luz monocromatica de 540 Thz con una intensidad energética de 1/683 Watts por Steradian.(1979) La cantidad de sustancia de un sistema que contiene un número de entidades elementales igual al numero de átomos que hay en 0.012 Kg de carbono 12.(14ª conferenciageneral de pesas y medidas, 1971)

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ANEXOS

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UNIDADES DERIVADAS. MAGNITUD

UNIDAD

SIMBOL En términos de O unidades. Angulo plano radian rad Angulo solidó esterradian sr Superficie Metro cuadrado M2 Volumen Metro cúbico M3 Frecuencia hertz Hz Densidad Kilogramo/metro cúbico Kg/m3 Velocidad Metro por segundó M/s Velocidad angula Radian por segundo Rad/s Aceleración Metro por segundo M/s2 cuadrado Aceleración angular Radian por segundo Rad/s2 cuadrado Fuerza Newton N 1N = 1 kg m/s2 Presión (tensión mecánica) Pascal Pa 1 Pa = 1 N/m2 Viscosidad cinemática Metro cuadrado por M/s2 segundo Viscosidad dinámica Newton por metro segundo N m/s2 cuadrado Trabajo, energía, cantidad de calor. Joule J 1J = 1 N m Potencía Watt W 1W = 1J/s Carga eléctrica Coloumb C 1 C= 1A s Tensión eléctrica, diferencia de potencial, Volt V 1V = 1W/A fuerza electromotriz. Intensidad de campo eléctrico Volt por metro V/m Resistencia eléctrica Ohm Ω 1Ω = 1V/A Conductancia eléctrica Siemens S Capacitancía Farad F 1F = 1A S/ V Flujo magnético Weber Wb 1 Wb = 1 V S Inductancia Henrio H 1 H = 1V S/A INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SAN LUIS POTOSI ING. ALFONSO PÉREZ GARCÍA Página 54

otras

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ANEXOS

Inducción magnética Intensidad de campo magnético Flujo eléctrico Flujo luminoso Luminancia Iluminación Numero de ondas Entropía Calor especifico Conductividad térmica Intensidad energética Actividad de una fuente radiactiva

Página 55 de 62. Tesla Ampere por metro Ampere Lumen Candela por metro cuadrado Lux Metro a la menos 1 Joule por Kelvin Joule por kilogramo kelvin Watt por metro kelvin Watt por estero-radian Segundó a la menos 1

T A/m A Lm Cd/m2

1 T = 1 WB /m2

Lx m-1 J/°K J/kg°K W/m°K W/sr s-1

1 Lx = 1Lm /m2

1 Lm = 1 Cd sr

Otras magnitudes y equivalencias. Magnitud Angulo

Tiempo Volumen Masa Area

Nombre Grado Minuto

Símbolo ° ‘

Segundo Minuto Hora Dia Litro Tonelada Hectárea

“ Min H D L T Ha

Fuente:http://redquimica.pquim.UNAM.mx/fqt/cyd/glinda/sistema1.htm

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Equivalencia SI 1° = (pi/180) rad 1 min. = 1°/60 [(pi/180)/60] rad

=

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ANEXOS

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Protocolo HART PROTOCOL OVERVIEW

LEADING COMMUNICATION TECHNOLOGY The HART Protocol is the leading communication technology used with smart process instrumentation today. The HART Protocol continues to grow in popularity and recognition in the industry as a global standard for smart instrument communication. More than two-thirds of all smart instruments shipping today communicate using the HART Protocol. EASY TO USE HART is field-proven, easy to use and provides highly capable two-way digital communication simultaneously with the 4-20mA analog signaling used by traditional instrumentation equipment. UNIQUE COMMUNICATION SOLUTION Unlike other digital communication technologies, the HART Protocol provides a unique communication solution that is backward compatible with the installed base of instrumentation in use today. This backward compatibility ensures that investments in existing cabling and current control strategies will remain secure well into the future. Designed to compliment traditional 4-20mA analog signaling, the HART Protocol supports two way digital communications for process measurement and control devices. Applications include remote process variable interrogation, cyclical access to process data, parameter setting and diagnostics. STRUCTURE Specification of the HART protocol is based largely on the OSI 7-Layer Communication Model (see Figure 1).

Figure 1. OSI 7-Layer Model

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The HART protocol specifications directly address 3 layers in the OSI model: the Physical, Data Link and Application Layers. The Physical Layer connects devices together and communicates a bit-stream from one device to another. It is concerned with the mechanical and electrical properties of the connection and the medium (the copper wire cable) connecting the devices. Signal characteristics are defined to achieve a raw uncorrected reliability (see the FSK Physical Layer Specification). While the Physical Layer transmits the bit stream, the Data Link Layer is responsible for reliably transferring that data across the channel. It organizes the raw bit stream into packets (framing), adds error detection codes to the data stream and performs Media Access Control (MAC) to insure orderly access to the communication channel by both master and slave devices. The bit stream is organized into 8-bit bytes that are further grouped into messages. A HART transaction consists of a master command and a slave response. Media access consists of token passing between the devices connected to the channel. The passing of the token is implied by the actual message transmitted. Timers are used to bound the period between transactions. Once the timer expires, control of the channel is relinquished by the owner of the token. For more information see the Data Link Layer Specification. The Application Layer defines the commands, responses, data types and status reporting supported by the Protocol. In addition, there are certain conventions in HART (for example how to trim the loop current) that are also considered part of the Application Layer. While the Command Summary, Common Tables and Command Response Code Specifications all establish mandatory Application Layer practices (e.g. data types, common definitions of data items, and procedures), the Universal Commands specify the minimum Application Layer content of all HART compatible devices. PROTOCOL HISTORY

The HART protocol was originated by Rosemount in the late 1980's. HART is an acronym for "Highway Addressable Remote Transducer." The protocol was "open" for other companies to use and a User Group formed in 1990. In March of 1993, the group voted to create an independent, nonprofit organization to better support the HART Protocol. In July of that year, the HART Communication Foundation was established to provide worldwide support for application of the technology. The Foundation would own the HART technology, manage the protocol standards, and ensure that the technology is openly available for the benefit of the industry. Today, the HCF manages the protocol standards and the protocol intellectual property, holds training workshops, distributes CD-ROMs for information dissemination, publishes a quarterly newsletter, is online with a highly visited web site and sponsors HART exhibit booths at trade shows around the globe each year. The HART Protocol is supported by all major instrumentation suppliers and available products cover the full range of process measurement and control applications.

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As we move into the new century, the HCF will continue to support and enhance the HART technology to serve industry needs for smart instrumentation. Millions of HART installations exist today and applications are growing. Sales of compatible devices will continue to accelerate as the protocol remains a key tool for improving plant operations. The future of the HART Protocol is strong and the technology will be continue to be widely used. HART COMMUNICATIONS BENEFITS

35-40 data items Standard in every HART device Device Status & Diagnostic Alerts Process Variables & Units Loop Current & % Range Basic Configuration Parameters Manufacturer & Device Tag Standard commands provide easy access DDL not necessary (or desirable) to get this data Increases control system integrity Get early warning of device problems Use capability of multi-variable devices Automatically track and detect changes (mismatch) in Range or Engineering Units Validate PV and Loop Current values at control system against those from device HART is Safe, Secure, and Available Tested and Accepted global standard Supported by all major instrumentation manufacturers Saves Time and Money Install and commission devices in fraction of the time Enhanced communications and diagnostics reduce maintenance & downtime Low or no additional cost by many suppliers Improves Plant Operation and Product Quality Additional process variables and performance indicators Continuous device status for early detection of warnings and errors Digital capability ensures easy integration with plant networks Protects Your Asset Investments Compatible with existing instrumentation systems, equipment and people Allows benefits to be achieved incrementally No need to replace entire system

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HART DEVICE PARAMETERS Digital Process Variable Values

Status and Diagnostic

Device Identification

Calibration Information

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Primary Variable with engineering units Secondary Process Variables with engineering units Loop Current (milliamps) and percent range Device malfunction Primary Variable out of limits Secondary Variable out of limits Loop Current fixed or saturated Configuration changed Loop test (force loop current) Instrument tag and descriptor Manufacturer Device type and revision Final assembly number Sensor serial number Date Range units Upper and lower range values Upper and lower sensor limits Sensor min span Damping Message

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ANEXOS

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TECHNICAL INFORMATION

Type of communication

Signal.

Traditional Analog

4-20 ma

Communication Signals

Digital

Fsk, based on the communication standard 2,200 hz 1,200hz

Bell

202

Telephone

Logical “0” frequency Logical “1” frequency Data Information Data update rate: Request/response mode—2–3 updates per second Optional burst mode—3–4 updates per second Data byte structure: 1 start bit, 8 data bits, 1 odd parity bit, 1 stop bit Data integrity: Two-dimensional error checking Status information in every reply message Simple Command Type of commands Structure. Structure Universal Common to all devices Common practice Optional, used by many devices Device specific For unique product features Communication Two communication masters Masters Variables Up to 256 variables per device IEEE 754 floating point format (32 bits) with engineering units Wiring Topologies Point to point--simultaneous analog and digital Point to point--digital only Multidrop network--digital only (up to 15 devices) Cable Lengths Maximum twisted-pair length--10,000 ft (3,048 m) Maximum multiple twisted-pair length--5,000 ft (1,524 m) Cable length depends on characteristics of individual products/cable; see specifications for detailed length calculations Intrinsically Safe With appropriate barrier/isolator

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Instrumentación

Anexos.

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Instrumentación

Referencias.

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REFERENCIAS

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