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• DaniloImbachi

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¿Qué es? La Telemetría es la ciencia relacionada con la medición de variables características de un sistema electrónico en estaciones remotas y la posterior transmisión de los datos adquiridos a una localización centralizada para su respectivo procesamiento y almacenamiento. Esto indica entonces que parámetros como velocidad, temperatura, presión, voltaje, etc. de un ambiente son medidos y los resultados transmitidos a una estación distante donde son desplegados, almacenados y analizados. Otra definición básica es el uso de las telecomunicaciones para de forma automática indicar o grabar mediciones a distancia desde un instrumento de medida.

Fundamentos Telemetría puede ser dividido funcionalmente en tres partes: Transductores, Sistema de Transmisión y Sistema de Despliegue e Interpretación.

Sistema Los transductores están localizados en la estación remota y transforman las características físicas a ser monitoreadas en variables eléctricas analógicas. El sistema de transmisión está constituido por una serie de circuitos y dispositivos que transforman las señales eléctricas de los transductores en señales adecuadas para ser transmitidas desde la estación remota y por lo tanto reconocidas en la estación receptora. El sistema de despliegue e interpretación se encarga de calcular los parámetros involucrados con su respectivo despliegue para su interpretación final y la toma de decisiones correspondiente.

En la mayoría de las situaciones de control industrial, el transductor de medición y el dispositivo actuador final están en la misma zona. Sin embargo hay aplicaciones en las cuales el valor medido debe ser transmitido a determinadas

distancias, varios cientos de metros o más. Al enviar una señal a estas distancias, por alambre o por fibra óptica, no puede mantenerse ésta en su forma analógica original ya que el ruido y la degradación de la señal debilitan la integridad de las señales analógicas.

Debe entonces, la señal original proveniente de los transductores, ser convertida a alguna forma de modulación por pulsos, o bien, a un valor digitalmente codificado y transmitido bit a bit. De esta forma, en un sistema de Telemetría debe involucrarse una tecnología de transformación de una medición analógica a una digital, transmitiendo la señal codificada a través de una determinada distancia, y luego reconvirtiendo la información recibida a su valor analógico. Agrupación     

Ópticos: como las fotoceldas, los fototransistores, las CCD (Charge Coupled Device) y las cámaras electrónicas. (Charge Coupled Device) y las cámaras electrónicas. De Presión, tensión o fuerza, como las galgas extensiométricas o los cristales piezoeléctricos. De temperatura y humedad, como las RTD (Resistance Temperature Detectors), las termocuplas y los termistores. De posición, velocidad y aceleración, como los medidores de distancia ópticos, el Radar o sonar, el GPS (Global Position System) o los acelerómetros.

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Amplificadores: Un A.O. (Amplificador Operacional) es usualmente usado para amplificar las pequeñas señales entregadas por el transductor y de esta forma adecuar mejor los niveles para su tratamiento y transmisión. Estos A.Os deben presentar características de bajo ruido y alta ganancia.

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Multiplexor: Utilizado para enviar varias señales medidas por un solo canal que serán transmitidas a la estación centralizada. Existen dos tipos de multiplexación muy utilizados en telemetría: TDM y FDM, aunque hay muchas implementaciones nuevas basadas en CDM (Code Division Multiplexing).

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Modulador: Se encarga de realizar la transformación de la señal a una forma adecuada conveniente para su transmisión por un medio determinado. En cuanto al tipo de modulaciones más utilizadas se tienen: Modulación por amplitud de pulso (PAM), Modulación por ancho de pulso (PWM), Modulación por posición de pulso (PPM) y la Modulación de pulsos codificados (PCM). Con esta última se han realizado una gran cantidad de

desarrollos y es para la modulación que se tienen más estándares en telemetría, debido sobre todo a su capacidad de corregir errores y a los algoritmos de compresión que permiten la transmisión de una cantidad de información significativamente más grande. 

Canal de transmisión: Este varía dependiendo de cada aplicación en particular. El canal puede ser la atmósfera terrestre, el espacio o el agua en el caso de un ejercicio submarino. Sin importar cuál sea el canal de transmisión, lo importante es conocer que técnica de transmisión es la óptima para este, y entender el tipo de ruido y distorsión que será incluido por el canal de transmisión.

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Demodulador: Es el encargado de devolver a su naturaleza inicial la señal transmitida. Por lo general se ocupa de la sincronización de los pulsos enviados, además de realizar la descompresión de la señal en el caso que se hubiera hecho uso de ésta.

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Demultiplexor: Realiza la separación de las diferentes señales transmitidas en la señal principal. Obviamente el demultiplexor debe sincronizarse con el multiplexor.

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Sistema de despliegue, análisis y almacenamiento: Este es el encargado de una gran variedad de actividades. En este punto, los datos son interpretados por los usuarios usualmente después de que estos han sido procesados en el computador para reconstruir una representación de la propiedad física que fué medida en el transductor. En cuanto al almacenamiento se puede decir que cualquiera de las técnicas comunes de almacenamiento digital de datos puede ser usada.

¿En que se basa? Se basa en una estructura de datos llamada Trama la cual está establecida en dos estándares los cuales son clase I y clase II, la clase más sencilla para aplicaciones básicas es la I, y la diseñada para aplicaciones más complicadas es la clase II. También se basa en sistemas de comunicación los cuales son los medios de transmisión que pueden ser Naturales:   

Atmósfera Agua Tierra

Artificiales:   

Cables Guías de onda Fibras ópticas

Algunos parámetros básicos que caracterizan un medio de transmisión son: 

Atenuación: la atenuación está expresada mediante una relación logarítmica entre las potencias enviadas y recibidas:

A = 10 log (Pt/Pr) [dB] donde: Pt: señal transmitida y Pr: señal recibida 

Distorsión: el medio de transmisión no es lineal y actúa distorsionando la señal ya sea modificando las características de la atenuación con la frecuencia o

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generando frecuencias no presentes en el emisor. Interferencias: señales de naturaleza similar o de frecuencias próximas a la

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señal a transmitir. Ruido: señales indeseables que se suman a la señal útil y puede ser ruido térmico, ruido atmosférico o ruido ambiental.

Descripción de una señal en el dominio de la frecuencia: Una señal f(t) = A sin (wt) puede caracterizarse en el dominio de la frecuencia a través de su descomposición en series de Fourier y su Ancho de Banda BW.

***Señal Senoidal***

***Serie de Fourier***

***Ancho de Banda*** Ahora, en la transmisión analógica se utilizan técnicas de modulación como:    

Modulación de amplitud (AM): en donde la comunicación se realiza modificando la amplitud A de la señal de información. Modulación angular Modulación en Frecuencia (FM): se modifica (wt) Modulación de Fase (PM): se modifica (f)

En la transmisión digital, en donde se transmite la señal a intervalos regulares de tiempo, se utilizan técnicas de modulación como:  

No cuantificada: PAM, PWM, PPM, PFM en donde los parámetros varían de forma continua en función de la información. Cuantificada: PCM la información se aproxima por un número finito de valores.

Las ventajas de la transmisión digital sobre la analógica son:     

Mayor inmunidad al ruido Mayor distancia de transmisión Almacenamiento de información Implementación de códigos de detección y corrección de errores Circuitería de menor costo

Multiplexación En la gran mayoría de las aplicaciones en Telemetría diferente número de medidas deben ser realizadas. Aunque una línea de transmisión o enlace puede ser utilizado para cada una de dichas medidas, los problemas de eficiencia en términos de potencia, ancho de banda, peso, tamaño y costos hacen que esta técnica no sea utilizada. Por lo tanto, lo que se hace comúnmente es enviar múltiples medidas sobre un solo canal de transmisión. Este procedimiento es denominado Multiplexación.

Existen básicamente dos tipos de Multiplexación: FDM(Frecuency Division Multiplexing) y TDM(Time Division Multiplexing). Para un espacio disponible de comunicación este puede ser dividido para el mismo tiempo en canales de diferentes frecuencias para FDM ó en diferentes slots de tiempos para una misma frecuencia para TDM. Como puede observarse para cada tipo existe un espacio de separación entre canales para reducir la interferencia entre canales y por lo tanto costos de circuitería y complejidad.

Tipos de Multiplexación Un ejemplo clásico de FDM es la transmisión de radio, en donde las múltiples señales, que ocupan diferentes frecuencias en el espectro son recibidas por una antena y los circuitos de sintonía en el receptor permiten la selección de una estación entre las varias recibidas.

El uso del espectro de radiofrecuencia para Telemetría y otras aplicaciones es regulado, como se mencionó con anterioridad, por varias agencias gubernamentales. El IRIG(Inter Range Instrumentation Group) publica periódicamente un conjunto de estándares en Telemetría en donde se especifícan los detalles pertinentes a las aplicaciones.

Las subportadoras son frecuencias portadoras en sistemas de Telemetría que son moduladas por las señales medidas ó por señales inteligentes.

Las señales entregadas por los transductores(A, B, C,……, N) son utilizadas para modular los osciladores de las diferentes subportadoras (fa, fb, fc,….., fn) que trabajan a determinadas frecuencias. Las salidas de los osciladores que generan

las subportadoras son linealmente sumadas o mezcladas y la señal compuesta resultante es utilizada para modular la portadora principal. En el sitio de recepción la señal compuesta es tomada por el demodulador y llevada a un número de filtros pasabanda los cuales están sintonizados en las frecuencias centrales de las subportadoras.

Sistema FDM Varios tipos de modulación pueden ser utilizados para las subportadoras y la portadora principal. Estos tipos de modulación pueden ser: FM(Frecuency Modulation), PM(Phase Modulation), AM(Amplitude Modulation), etc.

Los sistemas FDM son normalmente designados mediante el listado del tipo de modulación usado por las subportadoras seguido por el tipo de modulación de la portadora principal. Por ejemplo, FM/AM indica un sistema FDM en el cual las subportadoras son moduladas en frecuencia por las señales medidas y la portadora principal es modulada en amplitud por la señal compuesta de las subportadoras.

Una mejor opción que FDM es TDM ó Time Division Multiplexing. Aquí el tiempo disponible es dividido en slots ó ranuras siendo cada uno de ellos ocupado por una fracción de la señal a ser enviada. El equipo de multiplexación escanea secuencialmente las señales entrantes en donde solo una señal ocupa el canal en un instante dado.

La operación de un sistema TDM.Las señales provenientes de los transductores son llevadas a un conmutador ó circuitos de switcheo el cual muestrea los

canales secuencialmente. La salida del conmutador ó multiplexor está constituida por una serie de pulsos cuyas amplitudes corresponden a los valores muestreados de los transductores en los canales de entrada. Este tren de pulsos es llevado entonces a una circuitería que los convierte a una forma adecuada para ser modulados por el transmisor.

Sistema TDM

Conmutación TDM

En la estación receptora el proceso es el inverso. La salida remodulada es llevada a un convertidor que reproduce el tren de pulsos entregado por el conmutador en el lugar de transmisión, los cuales son demultiplexados para producir pulsos cuyos valores corresponden a las muestras de las señales medidas originalmente. A medida que el brazo de conmutador rota este hace contacto con cada uno de los transductores asociados y un conductor de sincronismo. Cada vez que se hace contacto con un conductor se produce un voltaje de salida, mientras que cuando el brazo llega a un aislador la salida es cero. El contacto de aislamiento corresponde al espacio entre señales en el tren de pulsos de salida. Para separar las señales en recepción un conmutador similar, sincronizado con el transmisor, es utilizado invirtiendo entrada y salida. El pulso de sincronización es utilizado para realizar esta tarea. Tanto para FDM como para TDM puede utilizarse cualquier tipo de modulación sea esta AM, FM, PM, etc. Sin embargo, la característica de los sistemas TDM en la forma como el procesador o convertidor trabaja permite que métodos de modulación por pulsos como PAM(Pulse Amplitude Modulation), PWM(Pulse Width Modulation), PPM(Pulse Position Modulation), PCM(Pulse Code Modulation) y modulación delta sean utilizados. Comunicación de datos La Comunicación de Datos es el proceso de transmitir pulsos, provenientes de cualquier fuente, de un sitio remoto a un sitio local o viceversa. Ejemplos de comunicación de datos es la transmisión PC a PC, Sistemas de Alarma y Telemetría. En el caso específico de la Telemetría la comunicación de datos hace referencia a la transmisión de mediciones provenientes de los transductores encargados de sensar los estados de las variables a ser monitoreadas y controladas ó almacenadas. Con la evolución y utilización de los PCs en la industria, la Comunicación de Datos y la Telemetría tienden a ocupar un mismo lugar. La comunicación entre PCs en la misma planta o entre lugares distantes y el almacenamiento de la información son una pequeña muestra de las aplicaciones que exigen experiencia técnica en Sistemas de Comunicación de Datos en orden de mantener su funcionalidad y operatividad. Básicamente existen dos formas mediante las cuales los datos pueden ser llevados de un lugar a otro: la transmisión paralela y la transmisión serial. La transmisión paralela es utilizada para mover datos dentro de un PC y a cortas distancias de este siendo un método rápido y eficiente. La transmisión serial está reservada para grandes distancias de comunicación, en la búsqueda y almacenamiento de información y transmisión sobre líneas telefónicas,

presentando una baja rata de transferencia. La transmisión serial necesita solamente de dos hilos mientras que la paralela requiere de ocho ó más líneas incrementando costos en circuitería y soporte. En la transmisión serial los bits de información pueden ser enviados en forma Asíncrona o Síncrona. En la transmisión síncrona, todos los caracteres son enviados a una rata constante, es decir en una forma continua, y se hace necesaria la sincronización en tiempo entre el receptor y el transmisor. Esta sincronización se efectúa mediante el envío de un tren de pulsos de reloj por una línea separada ó mediante la extracción de dichos pulsos de reloj de la señal de información. Como lo que se transmite son cadenas de caracteres, se hace necesario entonces imponer una serie de reglas sobre la operación del transmisor y el receptor en orden de asegurarse que la transmisión de información se haga en forma correcta. El conjunto de reglas para cada método de transmisión de denomina Protocolo de Comunicación. En la transmisión asíncrona, los caracteres pueden ser enviados en cualquier momento y el receptor debe estar provisto de los elementos que le permitan identificar el inicio y final de cada carácter enviado. Aquí el Protocolo de Comunicación debe de proveer el medio para habilitar al receptor para que pueda reconocer el inicio y final de cada carácter. En la transmisión serial, debe también tenerse en cuenta la dirección en la cual viaja la información por la línea de datos. La Transmisión Simplex es la técnica más rudimentaria existente que permite la comunicación en un solo sentido. La Transmisión Duplex permite que la comunicación sea bidireccional y puede ser: Full Duplex donde simultáneamente se tiene comunicación en ambos sentidos ó Half Duplex donde puede haber comunicación en ambos sentidos pero no al mismo tiempo.

Aplicaciones

En la Fórmula Uno, estos datos incluyen información vital sobre el rendimiento del motor, la eficiencia aerodinámica, la presión del aceite, adherencia de los neumáticos y el desgaste de los frenos, así como otras numerosas mediciones tomadas en el coche con respecto a la progresión del piloto en la pista. Cada segundo de cada vuelta se pueden hacer más de 150.000 mediciones hechas a bordo de un coche de Fórmula 1 con casi 200 sensores distintos, en promedio, distribuidos en el coche. Estos datos se transmiten de forma segura, utilizando la tecnología de microondas, a los ingenieros en el pit wall, y son compilados y procesados simultáneamente en una amplia gama de plataformas de computación para su posterior análisis por el equipo. Utilizando el software creado especialmente para la F1 se traducen todos los datos de una forma numérica a otra gráfica para que el equipo pueda interpretar la información recopilada. Una vez armada, la lectura de estos gráficos suministra a los ingenieros y técnicos una precisa imagen en tiempo real de cómo los pilotos y los coches se están desplazando.

Típico registro de los datos de un Fórmula 1 recibidos telemétricamente (Ampliar en pestaña aparte) En la detección de tsunamis.

Algunas aplicaciones de la Telemetría, por dar un ejemplo, hacen referencia al monitoreo de signos vitales en pacientes ambulatorios, al monitoreo y control de máquinas rotativas, al monitoreo y ajuste automático en la transmisión de potencia eléctrica, al monitoreo de señales meteorológicas, al monitoreo de señales sísmicas y en general al monitoreo de señales adquiridas bajo condiciones climáticas extremas.