Instrumentación Electrónica: Introducción

1. Instrumentación Electrónica:Introducción

2. 1.1 Sistema de medida (1) • Función: asignación objetiva y empírica de un número a una propiedad o cualidad de un objeto o evento • Aplicaciones: • Supervisión y diagnóstico de procesos • Control de procesos • Ingeniería experimental (diseño de prototipos, ...)

3. Sistema, planta o proceso 1.1 Sistema de medida (2) • Estructura de un sistema de medida y control: Sensor Acondicionador Transmisión de datos Presentación Alarmas Controlador Supervisor control manual Accionamiento Acondicionador Transmisión de órdenes

4. 1.1 Transductores, sensores y accionam. • Transductor: convierte una señal de una forma física a otra distinta, generalmente eléctrica. • Sensor: a partir de la energía del medio donde se mide, genera una señal de salida transducible que es función de la variable medida = transductor de entrada • Accionamiento: transductor de salida

5. 1.1 Acondicionamiento de señales • Acondicionadores de señal, adaptadores o amplificadores: convierten la señal de salida de un sensor electrónico en una señal apta para ser presentada, registrada o procesada (por ej. A/D). • Funciones: • Amplificación • Filtrado • Adaptación de impedancias • Modulación y demodulación

6. 1.2 Tipos de sensores (1) • Clasificación de sensores:

7. 1.2 Tipos de sensores (2) • Aporte de energía: • Moduladores: la energía de la señal de salida procede, en su mayor parte, de una fuente de alimentación auxiliar • Generadores: la energía de la señal de salida es suministrada por la entrada

8. 1.2 Tipos de sensores (3) • Modo de operación: • De deflexión: la magnitud medida produce un efecto físico relacionado con alguna variable útil (ej. muelle para la medida de fuerzas) • De comparación: se intenta anular la deflexión mediante la aplicación de un efecto conocido, opuesto al generado por la magnitud a medir. Es necesario un detector de desequilibrio y un medio para restablecerlo (ej. balanza manual)  más exacto pero peor respuesta dinámica

9. 1.2 Tipos de sensores (4)

10. Curva de calibración Error Curva teórica Valor medido Curva real Valor real 1.3 Características estáticas (1) • Exactitud o precisión: • Capacidad de un instrumento de medida de dar indicaciones que se aproximen al verdadero valor de la magnitud medida • Se determina mediante calibración estática a partir de un patrón de referencia al menos 10 veces más exacto que el sensor que se calibra

11. 1.3 Características estáticas (2) • Medidas de error: • Error = Valor medido - Valor real

12. 1.3 Características estáticas (3) • Medidas de error (cont.): • Ejemplo: Sensor de posición de clase 0.2 y alcance 10 mm  error inferior a 20 mm en el rango de medida • Las medidas han de expresarse de forma coherente con la precisión de los aparatos de medida: • 20ºC  1ºC OK • 20ºC  0.1ºC ? • 20.5ºC  1ºC ?

13. 1.3 Características estáticas (4) • Fidelidad: • Capacidad de un instrumento de medida de dar el mismo valor de la magnitud medida al medir varias veces en unas mismas condiciones determinadas • Fidelidad: condición necesaria pero no suficiente para exactitud: • Repetibilidad: • Fidelidad cuando las medidas se realizan en un intervalo de tiempo corto. Cuantitativamente es el percentil del 95% de la diferencia entre dos resultados individuales (si no se indica otro como el 99%)

14. 1.3 Características estáticas (5) • Deriva: • Variación de la salida a lo largo del tiempo • Deriva de cero: variación de la salida con entrada nula • Deriva del factor de escala: variación de la sensibilidad • Sensibilidad o factor de escala: • Pendiente de la curva de calibración • Puede ser constante o no a lo largo de la escala de medida

15. Curva de calibración Valor medido Valor real 1.3 Características estáticas (6) • Ejemplo: • En los sensores interesa tener una sensibilidad alta y constante:

16. Independiente: por mínimos cuadrados Ajustada al cero: por mínimos cuadrados pero pasando por el origen Terminal: recta que une la salida sin entrada y la salida teórica máxima Extremos: recta que une los extremos Teórica: característica teórica de diseño 1.3 Características estáticas (7) • Linealidad: grado de coincidencia entre la curva de calibración y una línea recta determinada:

17. Curva de calibración Valor medido Valor real 1.3 Características estáticas (8) • Linealidad (cont.): • La linealidad facilita la conversión a unidades físicas de la medida • Con la utilización de microprocesadores puede interesar más la repetibilidad que la linealidad • Resolución: incremento mínimo de la entrada que produce un cambio detectable en la salida. Cuando el incremento de la entrada se produce desde cero se habla de umbral • Histéresis: diferencia en la salida para una misma entrada, según la dirección en la que se alcance

18. 1.3 Características estáticas (9) • Errores aleatorios y sistemáticos:

19. 1.3 Características estáticas (9) • Errores aleatorios y sistemáticos (cont.): • Los errores sistemáticos se pueden corregir mediante calibración y analizando el procedimiento de medida • Los errores aleatorios se corrigen promediando varias medidas realizadas en las mismas condiciones (teorema del límite)

20. 1.4 Características dinámicas (1) • La presencia de inercias (masas, inductancias,...), capacidades (eléctricas, térmicas, ...) y en general elementos que almacenen energía hace que la respuesta de un sensor a señales de entrada variables en el tiempo sea distinta a la descrita por su característica estática • Error dinámico: diferencia entre el valor indicado y el valor exacto de la variable medida, siendo nulo el error estático • Velocidad de respuesta: indica la rapidez con que el sistema de medida responde a los cambios de la variable de entrada. Puede ser un aspecto importante en sistemas de control • Para describir el comportamiento dinámico de un sensor se utiliza su función de transferencia  sistemas lineales

21. x=xM E x + y - x=0 1.4 Características dinámicas (2) • Sistemas de medida de orden cero: y(t) = k x(t) • El sistema queda caracterizado por su sensibilidad (constante) k • El error dinámico es nulo • El retardo es nulo • Es necesario que el sensor no incluya ningún elemento que almacene energía • Ejemplo: potenciómetros para la medida de desplazamiento

22. 1.4 Características dinámicas (3) • Sistemas de medida de primer orden: • Sensibilidad estática: • Constante de tiempo: • Pulsación propia:

23. 1.4 Características dinámicas (4) • Sistemas de medida de primer orden (cont.):

24. 1.4 Características dinámicas (5) • Sistemas de medida de primer orden (cont.):

25. 1.4 Características dinámicas (6) • Sistemas de medida de primer orden (cont.): • Ejemplo: termómetro basado en elemento de masa M (kg), calor específico Cp (J/(kg K)), área de transmisión de calor A y coeficiente de transmisión de calor por convección h (W/(m2K)) Calor de entrada - Calor de salida = Calor acumulado siendo Te la temperatura externa, Ti la temperatura interna del sensor y suponiendo que no se pierde calor por los hilos de conexión Queda: Capacidad calorífica Resistencia a la transmisión de calor