AutomatizaciónAutomatización

Abstract

The Corporación Centro de Desarrollo Tecnológicodel Gas (CDT de Gas) carries out calibrationprocesses for isothermal media of dry blocktemperature. Currently this activity is carried outmanually, which generates a considerable operatingcost. This process can be automated through theimplementation of a computational tool that, inconjunction with the RS-232 serial communicationavailable on the equipment, allows controlling the dryblock and acquiring the temperature generated insaid equipment. In this paper the results arepresented with the development and development ofthe computer tool programmed in Excel Visual Basicfor applications (VBA Excel), to achieve theautomation of the calibration process. This articlepresents the methodology used, description of theprocess and verification of the validity of the resultsobtained.

Keywords: Automation, dry blocks, calibration,characterization, VBA Excel.

Laura Juliana Vargas Escobar1, Christian Alexander Rovira Quijano2, *

1 Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Pontificia Bolivariana,km 7 vía Piedecuesta, Floridablanca, Colombia.2 Corporación Centro de Desarrollo Tecnológico del Gas. Parque TecnológicoGuatiguará, km 2 vía El Refugio, Piedecuesta, Colombia.

* crovira@cdtdegas.com

y caracterización de bloques secosy caracterización de bloques secosdel proceso de calibracióndel proceso de calibración

ResumenLa Corporación Centro de Desarrollo Tecnológico del Gas (CDT de Gas) realiza procesosde calibración de medios isotérmicos de temperatura tipo bloque seco. Actualmente dichaactividad es realizada manualmente, lo cual genera un costo operativo considerable. Esteproceso puede ser automatizado mediante la implementación de una herramientacomputacional que en conjunto con la comunicación serial RS-232 disponible en elequipo, permite controlar el bloque seco y adquirir las mediciones de temperaturagenerada en dicho equipo. En este trabajo se presenta los resultados obtenidos con eldesarrollo e implementación de la herramienta computacional programada en VisualBasic for applications para Excel (VBA Excel), para lograr la automatización del procesode calibración. El presente artículo presenta la metodología empleada, descripción delproceso y la verificación de la validez de resultados obtenidos.

Palabras clave: Automatización, bloques secos, calibración, caracterización, VBA Excel

1 IntroducciónLa Corporación Centro de DesarrolloTecnológico de Gas (Corporación CDT deGas) se especializa en procesos demetrología, investigación y desarrollo enel sector Gas. Entre los servicios queofrece se encuentra la calibración [2] demedios isotérmicos de temperatura tipobloque seco. De acuerdo con la guía decalibración número 13 de la EuropeanAssociation of National MetrologyInstitutes (EURAMET CG N°13) [4], elproceso se divide en dos etapas:caracterización y calibración. Lacaracterización consiste en determinar elcomportamiento térmico de la zona deinserción, donde se controla latemperatura (uniformidad espacial ytemporal). La calibración consiste enestablecer la relación entre la temperaturagenerada (medida a partir de un sensorde temperatura patrón) en un lugar dado(zona de inserción con un volumendefinido) y el valor de temperatura leído

en el indicador del bloque seco y esnecesaria la caracterización previa deldispositivo, para asociar unaincertidumbre a la calibración.

El proceso de calibración ycaracterización de bloques secosrequiere aproximadamente ocho horas,en este lapso un operario debe establecerpuntos de evaluación de temperatura yhacer las mediciones correspondientes[3]. En caso que los errores de medida seencuentren fuera de especificaciones, elequipo debe ajustado y por consiguientees necesario repetir el trabajo, por lotanto, el proceso podría duraraproximadamente 16 horas de trabajo. Eneste tiempo el metrólogo no poseedisponibilidad para otras actividades, apesar de los intervalos de espera entrepuntos de calibración. Con el objeto deaprovechar eficientemente el recursohumano, se han planteado alternativasque permitan que estas actividadespuedan ser automatizadas y que el

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funcionario se destine a actividades demayor relevancia como el análisis deresultados.

Teniendo en cuenta lo anterior, se ejecutóun proyecto que consistió en desarrollar eimplementar una herramientacomputacional en Visual Basic forapplications para Excel (VBA Excel) que,en conjunto con la comunicación serialRS-232, permite establecer, controlar yregistrar de manera automática, lospuntos de temperatura a evaluar en elbloque seco, logrando disminuirsignificativamente la intervención deloperario. Durante la actividad se incluyóun proceso de confirmación el cualconsiste en comparar los resultados delnuevo proceso de automatización contrael resultado obtenido con elprocedimiento manual.

2 MetodologíaLa metodología empleada para elproceso de automatización consistió encuatro etapas:

1. La descripción de los elementos: eldispositivo bloque seco y característicasque debe tener para ser calibradoautomáticamente, el cable utilizado paracomunicación con computador y porúltimo especificación de la herramientacomputacional.

2. Descripción del software y desarrollodel proceso de calibración (diagrama deflujo).

3. Proceso de calibración y

caracterización manual y automática.

4. Confirmación de la validez de losresultados comparando la calibración enmodo manual contra modo automático.

3 Descripción de loselementos

• Estándar de comunicación RS-232

Actualmente los equipos de medida, y engeneral diversos dispositivoselectrónicos, poseen interfaces decomunicación que les permitenestablecer comunicación con uncomputador con el fin de intercambiarinformación. Una interfaz hardware decomunicación comúnmente usada es la

Figura 1. Terminales de conexión RS-232 [11].

Met&Flu8

RS-232 [1]. El estándar RS-232 se aplicaa las comunicaciones con velocidadesiguales o menores a 20 kbps, con unalongitud de cable igual o menor a 15metros [5]. Esta interfaz de comunicaciónfísicamente es un cable con 25 terminalesde conexión; sin embargo, en algunoscasos no se requiere de todos losterminales de conexión para establecercomunicación, por ejemplo, lascomunicaciones asíncronas requieren unmáximo de 9 o 12 conectores, y lascomunicaciones síncronas requieren 12 o16 conectores. Los equipos con los quecuenta la Corporación CDT de Gasposeen un conector RS-232 de 9terminales. En la Figura 1 se muestra la

distribución de los terminales un conectorRS-232 de 9 conectores.

• Bloque seco

En procesos industriales y en laboratorioses necesario un medio isotérmico paracontrolar la temperatura, uno de losequipos más usados es el bloque seco. Elprincipio de funcionamiento del bloqueseco está basado en el efecto Peltier. Esteefecto es una propiedad termoeléctricaque consiste en la creación de unadiferencia térmica a partir de unadiferencia de potencial eléctrica. Ocurrecuando una corriente pasa a través dedos metales diferentes osemiconductores que están conectadosentre sí, en dos soldaduras (unionesPeltier). La corriente produce unatransferencia de calor desde una uniónque se enfría hasta la otra que secalienta.

Dentro de los equipos de la CorporaciónCDT de Gas se dispone de bloques secosmarca PRESYS. Una de las referenciasempleadas en el proceso deautomatización es el Presys T-25N, tieneun rango de operación de -25 °C a 125°C, una resolución de 0,01 °C yestabilidad de ±0,02 °C en todo el rangode medida, cuenta con un puerto RS-232que permite la comunicación con elcomputador para hacer calibracionesautomáticas y documentadas. En laFigura 2 se puede observar esteinstrumento.

• RTD patrón

Este es un termómetro de precisiónempleado para la medición y calibración

Figura 2. Bloque seco PRESYS T-25N [9].

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de termómetros de resistencia de platino,termistores y termopares; tiene un rangode operación entre -200 °C a 850 °C,tiene una resolución de 0,001°C, tienepuertos de comunicación RS-232. Estetermómetro se observa en la Figura 3.

• Visual Studio

Visual Studio es un conjunto deherramientas de desarrollo para lageneración de aplicaciones web, deescritorio y aplicaciones móviles. Soportalos lenguajes de programación VisualBasic, C# y C++ [7].El propósito principal de este proyecto esautomatizar el proceso de calibración debloque secos, para ello se deben tomardatos del equipo y, empleandocomunicación RS-232, enviar estos datosal computador. Mediante Visual Studio sepuede crear una aplicación que permitaleer datos mediante el puerto RS-232 yguardarlos en un documento de Excel,para su posterior procesamiento yanálisis [8]. El alcance de esta aplicaciónsolo contempla los equipos marcaPRESYS.

Figura 4. Entorno de programación de Visual Basic de Excel.

Met&Flu10

Figura 3. Súper termómetro PRESYS ST-501[10].

Figura 5. Pasos para la programación del proceso de calibración y caracterización.

4 Descripción del software

Para el desarrollo de este proyecto seempleó la herramienta VBA Excel. En laFigura 4 se observa el entorno de trabajo,en la sección inferior izquierda de la figurase encuentra la información acerca delproyecto sobre el cual se está trabajandoy en la sección inferior derecha seencuentra el espacio en el cual se escribeel código del archivo. Se observa que enla sección de información del proyecto sepuede seleccionar entre el módulo y elobjeto del archivo. En el módulo sedefinen las funciones que se emplearánen el programa y en la sección de objetosse definen las acciones que desarrollanlos diferentes elementos que conforma elarchivo. Es decir, si en la interfaz se tieneun botón para enviar datos, en la Hoja 1de la sección de Objetos, se define a quefunción llamará ese botón o que acciónrealizará.

Para el desarrollo de la aplicación seemplearon los pasos mostrados en laFigura 5. El proceso de divide pormódulos, para implementación seemplearon códigos específicos de lamarca PRESYS reduciendo el alcancesolo a este fabricante.

Como mejoras futuras se podrá tomar la

programación como base para ampliar aotras marcas del sector industrial,mejorando el alcance del desarrollo.

5 Proceso de calibración ycaracterización de un bloqueseco

El proceso de calibración de un bloqueseco consiste en establecer la relaciónentre la temperatura generada en la zonade inserción (medida con patrón detemperatura) y el valor leído en latemperatura indicador del bloque seco.Esta comparación se realiza en variospuntos de temperatura específicos, queabarquen todo el intervalo de medicióndel instrumento. En cada punto decalibración se realizan dos series demedidas y luego se realiza un promediode ellas. La secuencia de calibración paracada punto se hace cuando latemperatura se incrementa y otra cuandola temperatura se disminuye [3].

Posteriormente con los datos recopiladosse realiza el proceso de estimación deincertidumbre y error. Si estos parámetrosno se encuentran dentro de los erroresmáximos permisibles establecidos para elinstrumento, se debe hacer un ajuste yrepetir proceso de calibración [9].

Por otro lado, en el proceso de

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caracterización se realizan las pruebas dehomogeneidad axial, homogeneidadradial, influencia de carga y estabilidad enel tiempo. Cada una de estas pruebas sedefine a continuación.

• Homogeneidad axial

Este procedimiento consiste en tener undetector resistivo de temperatura (RTDpor sus siglas en inglés) insertado en elbloque seco a una profundidad máxima, yluego medir el valor de temperaturamáximo en ese punto. Después el RTD seeleva 40mm y se mide el valor máximo detemperatura. Tras tener caracterizados elpunto máximo de temperatura del bloqueseco, se fija el punto mínimo detemperatura y se realiza la medición conel RTD elevada. Finalmente el RTD seinserta hasta el fondo del orificio demedida y se mide la temperatura en esepunto [4].

• Homogeneidad radial

En este procedimiento se deben insertaral menos dos RTD en el bloque seco, unaen el orificio opuesto de la otra, haciendoque tengan la mayor distancia deseparación entre los sensores.Posteriormente se hace la medición detemperatura y se comparan los datos delas dos RTD para observar si existediferencia entre medir en un orificio delbloque seco u otro [4].

• Influencia de Carga

Para este paso se tiene una RTD insertaen el bloque seco y los demás orificiospara medida se llenan con otras RTD ocon varas de metal o cerámica. Esteprocedimiento se realiza para conocercómo se afecta la medida cuando seemplean todos los orificios del bloqueseco al mismo tiempo. Este procedimientose realiza en los puntos de temperaturamáximo y mínimo del bloque seco [4].

• Estabilidad en el tiempo

Figura 6. Montaje para calibrar y caracterizar bloques secos

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Cuando se realiza un proceso decalibración de bloque seco se debeesperar a que el instrumento se estabilice.En el proceso de caracterización se fija latemperatura mínima del equipo y se midela temperatura durante 30 minutos, eneste tiempo se observa cómo oscila latemperatura del instrumento. Luego sehace el mismo procedimiento para elpunto de máxima temperatura [4].

5.1 Calibración en modomanualLos procesos anteriormente descritos serealizaron con el bloque seco Presys T-25N, el termómetro de precisión PresysST-501 y como instrumento de medida delpatrón secundario se empleó eltermómetro de precisión Millik. El montajeusado se observa en la Figura 6.

En la Figura 6, el bloque seco Presys T-25N tiene inmerso el patrón principal quees una RTD empleada para procesos decalibración en CDT de Gas; la RTD seconecta a un termómetro de precisiónPresys ST-501, que permite observar la

temperatura medida por la RTD. Losmódulos de comunicación RS-232 dePresys son los que permiten alcomputador comunicarse con el bloqueseco y con el termómetro de precisión. Elpatrón secundario es necesario pararealizar la prueba de homogeneidadradial durante el proceso decaracterización, en la imagen este patrónestá conectado a un termómetro demarca Millik.

Para hacer la prueba de forma manual unprofesional competente y autorizado paraestas actividades en el CDT de Gas, debeintroducir manualmente el punto detemperatura a evaluar en el bloque seco,luego esperar a que pase el tiempo deestabilización del equipo y registrar enuna plantilla de Excel el valor medido porel bloque seco y por el instrumentopatrón; luego se debe introducir elsiguiente valor de temperatura y repetir elproceso hasta finalizar la calibración.Posteriormente, se procede a realizar laspruebas de caracterización, ya descritascon la particularidad que los tiempos deestabilización son más prolongados que

IndicaciónPromedio Patrón

IndicaciónPromedioInstrumento

Error deIndicación ±U

[°C] [°C] [°C] [°C]-19,97 -20,00 -0,03 0,360,00 0,00 0,00 0,3740,05 40,00 -0,05 0,4080,11 80,00 -0,11 0,43125,13 125,00 -0,13 0,46

Tabla 1. Resultados de calibración realizando la toma de datos manualmente.

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en el proceso de calibración, debido a quees necesario realizarlo a la temperaturamínima y máxima al cual puede operar elbloque seco bajo prueba.Posteriormente, se deben registrar losdatos de temperatura del instrumentobajo prueba y del patrón, y luego pasar ala siguiente prueba hasta completar elprocedimiento. La Tabla 1 muestra losresultados de calibración de formamanual.

Los puntos de temperatura evaluados eneste proceso fueron: -20, 0, 40, 80y 125 °C; cubriendo de esta manera todoel rango de operación del bloque seco [9].La primera columna de la Tabla 1corresponde al promedio de las lecturasrealizadas por el instrumento patrón paracada uno de los puntos evaluados. Lasegunda columna corresponde alpromedio de las mediciones realizadaspor el bloque seco, la tercera columna esel error de indicación, este es la restaentre los valores de las dos primerascolumnas; finalmente se tiene la columnade la incertidumbre calculada para elproceso.

5.2 Calibración en modoautomático

Para realizar el proceso de formaautomática, se emplea el mismo montajede la Figura 6, pero para realizar laspruebas se ejecuta el programadesarrollado; este realiza la función decambiar el punto de temperatura aevaluar y después del tiempo deestabilización mide la temperatura delbloque seco, de la misma forma como serealiza de forma manual; a intervalos deun segundo aproximadamente. La Tabla 2muestra los resultados del proceso deforma automática.

6 Verificación de la validez delos resultados realizando lacalibración en modo manualversus modo automático.

Para la implementación del métodoautomático de calibración es necesariodemostrar la eficacia y la comparabilidadde las medidas, para este proyecto es

Met&Flu14

IndicaciónPromedio Patrón

IndicaciónPromedioInstrumento

Error deIndicación ±U

[°C] [°C] [°C] [°C]-19,98 -20,00 -0,02 0,360,00 0,00 0,00 0,3740,05 40,00 -0,05 0,3980,11 80,00 -0,11 0,43125,13 125,00 -0,13 0,46

Tabla 2. Resultados de calibración realizando la toma de datos de forma automática.

𝐸𝑛 =𝑥 − 𝑋

�𝑈𝑙𝑎𝑏2 + 𝑈𝑟𝑒𝑓 2

IndicaciónPromedioInstrumento

x X En

[°C] [°C] [°C] [°C] [°C] --20,00 -0,02 -0,03 0,36 0,36 0,020,00 0,00 0,00 0,37 0,37 0,0040,00 -0,05 -0,05 0,39 0,40 0,0080,00 -0,11 -0,11 0,43 0,43 0,00125,00 -0,13 -0,13 0,46 0,46 0,00

Tabla 3. Estadístico de desempeño En.

𝑈𝑟𝑒𝑓𝑈𝑟𝑒𝑓

necesario evaluar el desempeño de losdos procesos, uno cuando se emplea elmétodo de calibración de forma manualversus el método de calibración de formaautomática, esto permite comprobar queel método automático es adecuado parael uso dentro de los fines previstos. Paraello se empleó el estadístico En [6]. Enalgunos métodos de calibración, estaprueba puede ser suficiente paraconfirmar la veracidad del método.

Los valores mostrados en la Tabla 1 yTabla 2 fueron calculados con lasplantillas empleadas por CDT de Gas.Luego se procede a calcular el estadísticode desempeño En, este parámetro secalcula restando los errores de indicacióny dividiendo el resultado en la suma delcuadrado de las incertidumbresexpandidas [6]. A continuación, semuestra esta ecuación:

Si este parámetro es menor a 1 seconsidera que la evaluación fue exitosa[6]. La Tabla 3 muestra el error porcentualcalculado para cada punto detemperatura.

Para el análisis se empleó comoreferencia los resultados de calibración deforma manual (Tabla 1) dado que es elmétodo que actualmente se encuentraacreditado en el Laboratorio del CDT deGas y como laboratorio se emplearon losresultados de la calibración automática(Tabla 2).

Se observa en la Tabla 3 que elestadístico de desempeño En es menor a1 en todos los casos, por lo cual se puedeconcluir que la evaluación es exitosa y elprograma desarrollado es apto pararealizar con él procesos de calibración ycaracterización de bloques secos.

7 Discusión

De acuerdo a los resultados observados

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en la Tabla 1 y Tabla 2, y al cálculo delestadístico de desempeño En de la Tabla3, se tiene que el programa desarrolladoes apto para realizar los procesos decalibración y caracterización de bloquessecos. Sin embargo para este procesoaún es necesario la colaboración deoperarios para la inserción de losdiferentes sensores en el proceso decaracterización, en particular en la pruebade homogeneidad radial, ya que hasta elmomento el programa implementado estádiseñado para funcionar con los módulosde Presys ST-501 y PC-507, lo cual indicaque si se tiene otro instrumento patrónconectado a un termómetro de precisióncomo el MilliK, los datos de este últimodeben ser medidos de forma manual y enel mismo tiempo que el programa midelos del instrumento Presys, a menos quese empleen sólo los instrumentos dePresys para este proceso.

8 Conclusiones

El resultado satisfactorio del Endemuestra el correcto desempeño delmétodo de calibración de formaautomática, permitiendo al Laboratorio deTemperatura del CDT de Gas continuarcon su implementación mejorando laeficiencia en los procesos de calibración.

En este proyecto se incursionó en laautomatización y caracterización debloques secos, permitiendo el desarrollode un programa en la herramientasoftware VBA Excel, haciendo que elproceso desarrollado pueda ser

empleado en cualquier computador quecuente con Excel de 32 bits.

En este momento la Corporación CDT deGas cuenta con una herramientacomputacional en Excel el cual se puedeemplear en procesos de caracterización ycalibración de bloques secos Presys T-25N, de acuerdo a la prueba de validaciónrealizada el programa es apto para estosprocesos.

Se debe automatizar el proceso con otrostermómetros de precisión y otros bloquessecos de marcas industriales.Actualmente se está trabajando en lacomunicación de los sensores detemperatura y medios isotérmicos marcaISOTECH, dado que son patronesempleados en nuestro laboratorio paraque el sistema sea más robusto y versátil.

AgradecimientosLos autores agradecen al ingeniero JhonAngulo de la Corporación CDT de Gaspor su colaboración en la realización deeste proyecto.

También se agradece a la CorporaciónCDT de Gas y a la Universidad PontificiaBolivariana, por el espacio brindado parala elaboración de este trabajo.

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en Febrero, 2017.

[9] PRESYS. Baños térmicos tipo bloqueseco. Disponible en:http://www.presys.com.br/es/produtos/calibradores/temperatura/bloco-seco/insert-solido/t-25n-t-35n-t-50n. Revisado enFebrero 2017.

[10] PRESYS. Súper Termómetro.Disponible en:https://www.presys.com.br/en/products/ca l ib ra to rs / tempera tu re /e lec t r i ca l -simulator/st-501. Revisado en Febrero,2017

[11] Punto Flotante S.A. Estándares decomunicaciones RS232, RS422, RS485[En línea]. Disponible en:http://www.puntoflotante.net/serial.htm.Revisado en 09 Febrero 2017.

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Referencias[1] Caballar J. 1997. La Interfaz Serie, deEl Libro de las Comunicaciones del PC,México, Alfaomega, pp. 24-36.

[2] Comité Conjunto de Guías enMetrología. 2008. VocabularioInternacional de Metrología - ConceptosFundamentales y Generales y TérminosAsociados.

[3] Corporación CDT de Gas. 2017.Capacitación en Estimación deIncertidumbre para la Calibración deInstrumentos de Temperatura.

[4] European Association of NationalMetrology Institutes. 2015. Calibration ofTemperature Block Calibrators -EURAMET cg-13 Version 3.0.

[5] Forero N. 2012. Normas deComunicación en Serie: RS-232, RS-422y RS-485. Ingenio Libre, pp. 86-94.

[6] Icontec Internacional. 2010. NormaTécnica Colombiana NTC-17043.Evaluación de la conformidad. Requisitosgenerales para los ensayos de aptitud.

[7] Microsoft. Introducción a Visual Studio.Disponible en:https://msdn.microsoft.com/eses/library/fx6bk1f4(v=vs.100).aspx. Revisado enFebrero, 2017.

[8] Microsoft. Métodos para transferirdatos a Excel desde Visual Basic.Disponible en:h t tps : / / suppor t .m ic roso f t .com/es-es/help/247412/methods-for-transferring-data-to-excel-fromvisual-basic. Revisado