Arriba

Soft sensors / sensores virtuales con conocimiento del proceso

Los soft sensors — también llamados sensores virtuales — combinan el conocimiento del sistema con las mediciones disponibles para ofrecer estimaciones fiables de variables difíciles de medir.

¿Qué son los Soft Sensors / Sensores Virtuales?

Un soft-sensor — también llamado sensor virtual — utiliza un modelo matemático del proceso junto con datos de medición existentes para calcular una estimación de la variable de interés. A diferencia de un instrumento físico, un soft-sensor o sensor virtual no requiere hardware adicional — se ejecuta como software en los sistemas de control existentes.

Arquitectura soft-sensor: conocimiento del sistema + mediciones → algoritmo de estimación → salida del sensor virtual
Arquitectura del soft-sensor / sensor virtual — añadiendo conocimiento del sistema a las mediciones disponibles.

Problemas industriales resueltos

Medición demasiado costosa

Problema

Los analizadores de calidad, viscosidad o composición cuestan 50.000–500.000 € y se comparten entre corrientes — solo muestras periódicas, no datos continuos.

Solución

Un soft-sensor proporciona estimaciones continuas entre muestras de analizador, permitiendo un control en tiempo real más preciso.

Instrumentación no instalable

Problema

Medidores de flujo en válvulas, cargas térmicas en sistemas criogénicos o par en accionamientos sellados no pueden instrumentarse por costo, espacio o condiciones.

Solución

Un soft-sensor calcula la variable a partir de mediciones correlacionadas ya presentes en el sistema.

No existe medición directa

Problema

Variables como el índice de fluidez del polímero, concentración celular o actividad del catalizador no tienen sensores en línea en tiempo real.

Solución

Un soft-sensor infiere estas variables a partir de proxies medibles usando modelos de primeros principios o basados en datos.

Fallo de sensores y redundancia

Problema

Las mediciones críticas fallan durante el arranque, perturbaciones o ensuciamiento. Un punto único de fallo en un lazo crítico de seguridad es intolerable.

Solución

Un soft-sensor fusiona mediciones redundantes de múltiples instrumentos para una estimación tolerante a fallos válida cuando fallan sensores individuales.

Precisión de medición

Problema

Dos instrumentos pueden tener perfiles de precisión complementarios — uno rápido pero ruidoso, otro lento pero preciso.

Solución

Un soft-sensor fusiona ambas señales mediante estimación óptima para una estimación simultáneamente rápida, precisa y sin deriva.

Tecnología

Mediciones

Los requisitos exactos de sensores se determinan caso por caso. En la mayoría de los casos, la instrumentación existente es suficiente — no se necesita nuevo hardware.

Modelos

Los modelos codifican el conocimiento del sistema aprovechado por el soft-sensor. La complejidad varía desde correlaciones empíricas simples hasta modelos dinámicos termohidráulicos o cinéticos completos. Nos especializamos en modelado de primeros principios para industria de procesos y aeronáutica.

Algoritmos de estimación

Desde observadores lineales (Luenberger, Filtro de Kalman) hasta algoritmos no lineales (Filtro de Kalman Extendido, Unscented, Estimación por Horizonte Deslizante). La elección depende de la no linealidad, computo disponible y precisión requerida.

Resultados Medidos

Aplicaciones Industriales y Resultados de Referencia Publicados

Benchmarks de literatura revisada por pares — lo que la tecnología de soft-sensor logra en entornos industriales reales. Fuentes de terceros, cada una enlazada.

Chemicals / Polymerization

Polymer melt index and density are only available from infrequent laboratory analysis (hours of delay). Quality control requires continuous real-time feedback across reactor temperature profiles and feed rates.

First-principles kinetic model inside NMPC closes the loop on delayed lab measurements, simultaneously controlling multiple reactors. Linear APC is insufficient due to strong nonlinear coupling between quality attributes and process conditions.

Resultado medido: In continuous production use since October 2012.
Fuente: Dow Chemical — Computers & Chemical Engineering (2014)
Pulp & Paper / Tissue Manufacturing

Basis weight (g/m²) cannot be measured in real time in the wire section of a tissue machine — only downstream, too late to correct production deviations.

Hybrid model: first-principles model (FPM) combined with 1D-CNN in parallel; a GRU network dynamically weights their outputs based on the current operating regime.

Resultado medido: RMSE 2.12 g/m² (hybrid) vs 2.68 g/m² (pure ML) vs 4.72 g/m² (pure physics) — validated on 7 months of industrial data.
Fuente: Othen et al. — RWTH Aachen / Nordic Pulp & Paper Research Journal (2025)
Oil & Gas — Downhole Pressure

Permanent downhole gauges (PDGs) are expensive and unreliable in harsh well conditions. Bottom-hole pressure (BHP) is critical for production optimisation and flow assurance.

LSTM soft sensor trained on wellhead / topside measurements. Transfer Learning adapts the model across different well environments and operating conditions with minimal additional data.

Resultado medido: MAPE consistently below 2% on real offshore datasets from Brazil Pre-salt basin.
Fuente: Fernandes et al. — arXiv (2026)
Power Generation — NOx Emissions

Real-time NOx prediction is required for combustion optimisation and emissions compliance. Plant conditions shift continuously with load, fuel quality, and equipment ageing, causing static models to degrade quickly.

Just-In-Time Learning Random Forest (JIT-RF): adapts locally to current operating conditions at each prediction step, handling concept drift from combustion changes without full model retraining.

Resultado medido: R² = 0.93 on real plant data; 99.7% of predictions within 15 mg/m³ absolute error — outperforming 6 comparison methods.
Fuente: He et al. — Sensors / MDPI (2024)
Wastewater Treatment

Lab analysis of effluent quality (COD, TSS, pathogen indicators) is slow and costly. No real-time visibility into treatment performance means delayed response to exceedances.

ML soft sensors trained on low-cost online measurements: turbidity, pH, conductivity. SVR (Support Vector Regression) and Cubist tree-based models predict key quality parameters continuously.

Resultado medido: COD: R² = 0.96 (SVR); TSS: R² = 0.99 (Cubist) — using only turbidity, pH and conductivity as inputs.
Fuente: Shyu et al. (Univ. South Florida) — ACS Environmental Au (2023)
Pharmaceutical / Process Analytical Technology (PAT)

Tablet critical quality attributes (CQAs) — content uniformity, dissolution, hardness — are only measurable at end-of-batch, blocking Real-Time Release Testing (RTRT) and requiring full off-line QA.

Soft sensors infer CQAs from in-line PAT instruments (NIR, Raman, laser diffraction) and process data during manufacturing, following the FDA PAT guidance framework for science- and risk-based process understanding.

Resultado medido: Enables RTRT workflows eliminating end-of-batch off-line testing. FDA PAT guidance framework in place since 2004.
Fuente: Markl et al. — International Journal of Pharmaceutics (2020)
Semiconductor / Virtual Metrology

Metrology steps (CMP endpoint, film thickness, etch depth) are expensive and sampled at low frequency — creating quality blind spots across thousands of wafers between measurements.

Virtual Metrology (VM) predicts post-process quality from tool telemetry (RF power, chamber pressure, gas flows, process recipe) without physical measurement, enabling higher sampling density at near-zero cost.

Resultado medido: Two decades of industrial VM deployment reviewed across CMP, CVD, plasma etching and TSV processes (185-paper systematic review).
Fuente: Maitra et al. — Expert Systems with Applications (2024)
Automotive / Autonomous Vehicles

Higher SAE automation levels require up to 28 sensors per vehicle at Level 5 vs 8 at Level 1. Physical sensors add cost, weight, power consumption, and failure points.

Virtual sensors (ideal, Hi-Fi, or RSI types) replace or supplement physical units, validated in full vehicle simulation environments. State estimation for chassis, drivetrain, and environment perception uses Kalman-family observers and hybrid ML approaches.

Resultado medido: Virtual sensor market: USD 1.37 B (2025) → projected USD 5.35 B (2030) per Mordor Intelligence.
Fuente: Barabás et al. — Sensors / MDPI (2025)

Soft Sensor / Sensor Virtual vs Instrumento Físico

Una comparación directa para decisiones de adquisición y viabilidad.

AspectoInstrumento FísicoSoft Sensor / Sensor Virtual
Coste inicial €50k–€500k por instrumento Solo software — funciona en DCS/PLC existente
Instalación Semanas a meses (obra civil, cableado) Días a semanas (integración del modelo)
Mantenimiento Paradas de calibración, ensuciamiento Actualización del modelo — sin tiempo de inactividad
Cobertura Una ubicación física por dispositivo Cualquier variable alcanzable por el modelo
Tasa de datos Periódica (analizador: 1–2 h) o puntual Continua, síncrona con ciclo de control
Modo de fallo Fallo duro — lazo abierto Degradación gradual — respaldo solo con modelo

Productos

Advanced Virtual Flow Meter

Cálculo de flujo basado en software en posiciones de válvulas mediante posición, presión y temperatura — sin medidor de flujo físico.

Más información

Variómetro Digital SSDV12

Sensor de alta precisión de tasa de ascenso/descenso para pilotos de parapente mediante fusión de datos de presión, inercia y GPS.

Más información

Referencias

Publicaciones Seleccionadas

Investigación revisada por pares sobre métodos de soft-sensor y sensor virtual en proyectos industriales y científicos.

Lista completa de publicaciones en noga.es →

Preguntas frecuentes

¿Qué es un soft-sensor / sensor virtual?

Un soft-sensor es un modelo de software que calcula estimaciones de variables de proceso difíciles de medir a partir de la instrumentación existente. No se necesita hardware nuevo — funciona en su DCS o PLC existente.

¿Necesito instalar nuevos sensores?

En la mayoría de los casos, no. El soft-sensor utiliza mediciones ya disponibles en su sistema de control. Los requisitos exactos se evalúan caso por caso.

¿Qué precisión tienen los soft-sensors?

Para procesos bien instrumentados con un buen modelo de primeros principios, los errores de estimación típicos son del 1–5 %. La aplicación criogénica del LHC del CERN estimó 5 estados termodinámicos a partir de 3 sensores de presión.

¿Cuánto tiempo dura un proyecto?

Típicamente 4–12 semanas desde el inicio hasta la puesta en marcha, dependiendo de la complejidad del modelo y la disponibilidad de datos. Una llamada de factibilidad de 30 minutos es suficiente para evaluar el alcance.

¿Qué ocurre cuando el proceso cambia o experimenta deriva?

La deriva del proceso — por desgaste, cambio de materias primas o cambios de grado de producción — es la causa más frecuente de degradación del soft-sensor. Los despliegues robustos incluyen monitorización del estado del modelo (RMSE continuo, indicadores de deriva), disparadores de reentrenamiento y reversión a la versión anterior. Para procesos con cambios de régimen frecuentes, se prefieren modelos adaptativos Just-In-Time (JIT).

¿Puede un soft-sensor reemplazar un sensor físico en un sistema instrumentado de seguridad?

Los soft-sensors son muy valiosos como canales de asesoramiento, monitorización y estimación redundante. Usarlos como único medio de medición en una función de seguridad (SIF) requiere demostrar modos de fallo deterministas, independencia y conformidad con el ciclo de vida de seguridad según IEC 61511. En la práctica, se despliegan como complemento a la instrumentación de seguridad física, no como sustituto.

Manténgase informado

Actualizaciones ocasionales sobre métodos de soft-sensor, casos de estudio y nuevos productos. Sin spam.

Consulte su desafío de medición

Cada proyecto de soft-sensor comienza por entender su proceso, instrumentación y qué desea medir. Una llamada de 30 minutos es suficiente para evaluar la viabilidad.

📅 Reservar llamada de 30 min Contacto El MPC cierra el lazo sobre las estimaciones del sensor virtual →

Sobre nosotros

Soft-Sensor es una práctica de ingeniería especializada liderada por el Dr. Rafał Noga — consultor APC/MPC con experiencia en soft-sensor y estimación de estado para industria de procesos, criogenia y aeronáutica desde 2007.

→ Sitio principal: noga.es