Capítulo 1 Introducción a los sistemas de
medida
Generalidades El ser humano percibe información del mundo
a través de sus sentidos, pero no todos percibimos de la
misma manera. Dificultades para cuantificación objetiva.
Nuestros sentidos son incapaces de estimar ciertas variables
físicas. Necesidad de instrumentos de medida que suplan
estas deficiencias. Definición de Instrumentación:
Tecnología que comprende las técnicas, equipos y
metodologías relacionadas con el diseño,
construcción y aplicación de dispositivos
físicos para mejorar, complementar y aumentar la
eficiencia de los mecanismos de percepción del ser humano.
Instrumentación electrónica: Técnica que se
ocupa de la medición de cualquier magnitud física,
de su conversión a eléctrica y de su tratamiento
para proporcionar la información adecuada a un sistema de
control, operador humano o a ambos.
La instrumentación electrónica en el control de
procesos (I) Control: Gobierno de un sistema por otro sistema
Conceptos y terminología relacionada con el control de
procesos: Consignas o variables de control: Permiten especificar
al operador la respuesta deseada de la planta. Señales de
mando: Señales generadas por el sistema que, en funcion de
las consignas, actuan sobre la planta para modificar la salida
del proceso. Accionamientos o actuadores: Elementos que ejecutan
las órdenes dadas por el operador a través de las
entradas de consigna. Perturbación: Señal que
modifica negativamente la salida de un sistema. Regular una
variable: Mantener la variable en el valor deseado frente a las
influencias externas. Señal de error: Diferencia entre la
señal de referencia y la señal de
realimentación
La instrumentación electrónica en el control de
procesos (II) Tipos de sistemas de control Lazo abierto Lazo
cerrado (Realimentado)
La instrumentación electrónica en el control de
procesos (III) Sistema de medida en el contexto del control de
procesos
Capítulo 2 Sistemas electrónicos de medida
Generalidades Sistema: Conjunto de elementos en
interacción dinámica, organizados de acuerdo con
una finalidad. Los elementos de un sistema poseen propiedades
cuyo valor es necesario conocer para observar su evolución
y/o asegurar su correcto funcionamiento. Propiedades medibles:
Cualquier propiedad de un objeto puede ser medible. Dentro de la
industria podemos destacar las siguientes propiedades:
Eléctricas Magnéticas Mecánicas
Térmicas Químicas Radiaciones Sistema de medida:
Sistema que asigna un número ( información) a una
propiedad de un objeto o suceso con la finalidad de describirlo.
Objetivos de las medidas: Monitorizar o controlar un proceso.
Proporcionar información para verificar el comportamiento
de un sistema Sistema electrónico de medida: Sistema de
medida basado en circuitos que están formados por
componentes electrónicos (Basados en las propiedades
eléctricas de conductores y semiconductores).
Características de los sistemas electrónicos de
medida Debido a la estructura electrónica de la materia,
cualquier variación de un parámetro no
eléctrico implica una variación de un
parámetro eléctrico. No es necesario absorber
energía del medio cuyas variables se quiere medir porque
podemos amplificar la salida del sensor. Existe gran variedad de
circuitos integrados para acondicionar las señales
generadas por el sensor. Algunos contienen sensor y circuito
acondicionador. La transmisión de señales
eléctricas es mas versatil, aunque mas sensible a
interferencias que las transmisiones mecanicas, hidraulicas o
neumaticas. Necesidad de convertir los valores de una propiedad a
medir en valores de otra diferente ( La mayoría de las
propiedades a medir no son eléctricas)
Adquisición de datos: La información de las
variables a medir es adquirida y convertida en una señal
eléctrica. Procesamiento de datos: Procesamiento,
selección y manipulación de los datos por un
procesador digital ( tipo microcontrolador) para alcanzar los
objetivos perseguidos. Distribución de datos: El valor
medido se presenta al observador y se almacena o se transmite a
otro sistema. Funciones de un sistema electrónico de
medida
Estructura de un sistema electrónico de medida
Estructura de un sistema electrónico de medida
Conversión A/D
Sistemas de medida © ITES-Paraninfo 12
Sistemas de medida © ITES-Paraninfo 13
Sistemas de medida © ITES-Paraninfo 14
Ejemplo de sistema de medida © ITES-Paraninfo 15
Topología de estrella © ITES-Paraninfo 16
Topología de Buses © ITES-Paraninfo 17
ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL
Acondicionamiento de la señal (I) Aislamiento:
Protección del circuito de medida contra transitorios de
alta tensión en las entradas. Protección del
sistema bajo comprobación contra sobretensiones desde el
sistema de medida. Eliminar bucles de masa y tensiones en modo
común. Filtro: Eliminar componentes de frecuencia no
deseadas. Tipo de filtro: Medida de señal de continua o
baja frecuencia -> Filtros Paso Bajo con frecuencias de corte
entre 4 y 10KHz. (Pasivos, Activos); Medida señal alterna
-> Filtro para eliminar componentes de frecuencia fuera del
ancho de banda de la entrada. Casos típicos: Filtros
rechazo banda selectivos (50Hz), filtros antialiasing.
Acondicionamiento (II) Linealización: Conseguir una
respuesta lineal del sensor respecto a la variable medida.
Excitación de sensores: Sensores pasivos: necesitan ser
excitados para obtener una señal eléctrica
proporcional a la variación de la magnitud física.
Puede formar parte del circuito de acondicionamiento con fuentes
de corriente o de tensión de referencia. Según la
topología de excitación tenemos: Medida a dos
hilos. Medida a tres hilos. Medida a cuatro hilos.
Clasificación de los sensores
Generalidades Clasificación de los sensores Según
el principio fisico de funcionamiento Según el tipo de
señales que generan Según la forma constructiva
Según el campo de valores que miden Según el tipo
de variable física medida Activos Pasivos
Analógicos Digitales Temporales De medida Todo- Nada
(On-Off) Discretos Integrados Inteligentes
Según el principio físico de funcionamiento
Clasificación de los sensores según el principio
físico de funcionamiento Activos (Generadores) Pasivos
(Moduladores) Piezoeléctricos Fotoeléctricos
Fotoemisivos Fotovoltaicos Termoeléctricos (Termopares)
Magnetoeléctricos Electromecánicos Fotovoltaicos
Otros Resistivos (Resistencia variable) Potenciométricos
Termorresistivos Fotorresistivos Extensiométricos
Magnetorresistivos Electroquímicos Capacitivos ( Capacidad
variable) Inductivos (Inductancia variable) Reluctancia variable
Permeancia variable Transformador variable Magnetoestrictivos
Semiconductores Otros
Según el tipo de señal eléctrica que generan
(I) Clasificación de los sensores según el tipo de
señal eléctrica que generan Analógicos
Digitales Según el tipo de señal Según la
polaridad Temporales Periódicas No periódicas
Señales variables Señales continuas Unipolares
Bipolares Señales senoidales Señales cuadradas
Frecuencia Fase Frecuencia Relación alto/ bajo
Duración de un impulso Numero total de impulsos
Según el tipo de señal eléctrica que generan
(II) Sensores Analógicos Sensores que generan
señales eléctricas denominadas analógicas,
que pueden tomar cualquier valor dentro de unos márgenes
determinados y llevan la información en su amplitud. Tipos
de señales analógicas: Variables: Equivalen a la
suma de un conjunto de senoides de frecuencia mínima mayor
que cero. Continuas: Aquellas que pueden descomponerse en una
suma de senoides cuya frecuencia mínima es cero. Tienen un
cierto nivel fijo durante un tiempo indefinido, y representan la
información mediante su amplitud. Consideraciones: El
mundo físico es en general analógico -> La
mayoría de sensores proporciona este tipo de
señales. Las señales tienen problemas de ruido,
interferencias y distorsión, por lo que es necesario un
circuito de acondicionamiento
Según el tipo de señal eléctrica que generan
(III) Sensores Digitales Sensores que generan señales
eléctricas que solo toman un numero finito de niveles
entre un máximo y un mínimo. Formato: Salida en
Paralelo Salida en Serie Señal Analógica ELEMENTO
SENSOR CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO CONVERTIDOR ANALOGICO
DIGITAL Variable física a medir n Señal
Analógica ELEMENTO SENSOR CIRCUITO DE ACONDICIONAMIENTO
CAD Variable física a medir PROCESADOR n Salida serie
1
Según el tipo de señal eléctrica que generan
(IV) Sensores Temporales Sensores que proporcionan a su salida
señales eléctricas en las que la información
esta asociada al parámetro tiempo. Consideraciones
importantes: Pocos sensores dan a su salida información en
dominio temporal. La señal analógica proporcionada
por el sensor puede convertirse en una señal temporal que
lleva la información en la frecuencia mediante un
oscilador controlado por tensión. Variable física a
medir ELEMENTO SENSOR OSCILADOR CONTROLADO POR TENSION
Señal temporal Señal analógica SENSOR
TEMPORAL
Según el tipo de señal eléctrica que generan
(V) Tipos de señales temporales: Señales temporales
senoidales: Reciben el nombre de señales moduladas Se
obtienen modificando un parámetro temporal de una
señal senoidal generada por un circuito oscilador mediante
un circuito electrónico denominado demodulador.
Señales temporales cuadradas: Tienen una amplitud fija y
un parámetro variable que puede ser: Frecuencia o periodo
Relación entre la duración del uno y el cero
(On/Off): Periodo constante Información contenida en la
relación entre el tiempo que se está en cada estado
( Ciclo de trabajo) Suele decirse que está modulada en
anchura de pulso. (PWM) Duración de un impulso
Número total de impulsos que aparecen a la salida a partir
de un determinado instante.
Según el rango de valores de salida Sensor de medida:
Proporciona a la salida todos los valores posibles
correspondientes a cada valor de la variable de entrada dentro de
un determinado rango. Sensor todo-nada: Detecta si la magnitud de
entrada está por encima o por debajo de un determinado
valor. Proporciona a la salida una señal eléctrica
que solo puede tomar dos valores. ELEMENTO SENSOR CIRCUITO
ELECTRÓNICO DETECTOR DE NIVEL Variable física a
medir Señal temporal Señal analógica SENSOR
TODO-NADA
Según el nivel de integración de los sensores
Sensor discreto: Sensor en el que el circuito de
acondicionamiento se realiza mediante componentes electronicos
separados e interconectados entre sí. Sensor integrado:
Elemento sensor y circuito acondicionador (al menos este ultimo)
construidos en un unico circuito integrado, monolitico o hibrido.
Sensor inteligente: Realiza al menos una de las siguientes
funciones Cálculos numéricos Comunicación en
red ( No una punto a punto) Autocalibracion y autodiagnostico
Multiples medidas con identificacion del sensor
Según la variable fisica medida Clasificación de
los sensores según el tipo de variable física
medida Presión Temperatura Humedad Fuerza Desplazamiento/
Velocidad/ Aceleración de objetos Caudal Presencia y/o
posición de objetos Nivel de sólidos o
líquidos Químicos Magnitudes eléctricas
Magnitudes ópticas Otros
Combinación de los principios físicos de
funcionamiento y las variables físicas medidas por los
sensores
Sensores Industriales. Parámetros
Característicos
Generalidades Sensores adecuadamente construidos para trabajar en
las condiciones existentes en un entorno industrial ( Temperatura
elevada, presencia de polvo, humedad relativa alta…etc)
Principales parámetros característicos:
Características de entrada Características
eléctricas Características mecánicas
Características de funcionamiento Características
ambientales Características de fiabilidad De salida De
alimentación De aislamiento Estáticas
Dinámicas
Características de entrada (I) Campo de medida: Conjunto
de valores de la magnitud a medir que están comprendidos
dentro de los limites superior e inferior de la capacidad de
medida del sensor. Se indica mediante la especificación de
los valores extremos. Unidireccional ( Ej.: 0 a 10 cm)
Bidireccional Desplazado ( Ej.: 50 a 100 kg/ cm2) Sobrerrango o
sobrecarga: Máximo valor de la magnitud a medir que puede
aplicarse sin ocasionar un cambio en sus características
que rebase una tolerancia determinada. Forma de variación
de la magnitud de entrada Simétrico ( Ej.: ± 30
º C ) Asimétrico (Ej.: -10 a 70 º C ) Datos
estáticos Datos dinámicos Datos transitorios Datos
aleatorios
Características de entrada (II) PONER FOTOS SEÑALES
ENTRADA
Características eléctricas de salida Ligadas al
tipo de formato empleado. Tienen una gran importancia pues de
ellas depende la compatibilidad entre el sensor y el sistema
acoplado a él. Tipos: Sensores de salida analógica
Sensores de salida digital Sensores de salida todo-nada Sensores
de salida temporal Por tensión Por corriente
Sensores de salida analógica (I) Sensores de salida por
tensión: La impedancia de salida del sensor debe ser mucho
mayor que la de la entrada del circuito al que se conecta para
que sea despreciable la caída en los hilos de
conexión. Adecuada para transmitir la información
cuando la distancia entre el sensor y el equipo
electrónico es reducida. Márgenes comunes de
tensión: 0 a 10 V, 1 a 5 V, -5 a 5 V, -10 a +10 V SENSOR
Vg Z2 Z0 SISTEMA ELECTRONICO
Sensores de salida analógica (II) Jh SENSOR Ig Z2 Z0
SISTEMA ELECTRONICO IR ELEMENTO SENSOR CONVERTIDOR
TENSIÓN- CORRIENTE Salida por corriente Señal
analogica SENSOR ANALÓGICO DE SALIDA POR CORRIENTE
Variable física a medir
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