Mecatrónica. Instalación y Operación de Sistemas Mecatrónicos Manual para el alumno Quinto semestre. Profesional Técnico-Bachiller E-INOSI-01

Transcripción

1 Instalación y Operación de Sistemas Mecatrónicos Manual para el alumno Quinto semestre E-INOSI-01 Profesional Técnico-Bachiller Mecatrónica

2 DIRECTORIO Director General Wilfrido Perea Curiel Secretario Académico Francisco de Padua Flores Flores Director de Desarrollo Curricular de la Formación Básica y Regional Carmelo Tomás Pérez Alvarado Directora de Diseño Curricular de la Formación Ocupacional Violeta Araceli Figueroa Villarreal Director de Formación Académica Fernando Eulogio Sánchez Robles Directora de Acreditación y Operación de Centros de Evaluación Virginia Rivera Bernal Nombre del Módulo: Instalación y Operación de Sistemas Mecatrónicos Tipo de Módulo: Autocontenido Específico D.R. a 2008 CONALEP. Prohibida la reproducción total o parcial de esta obra, incluida la portada, por cualquier medio sin autorización por escrito del CONALEP. Lo contrario representa un acto de piratería intelectual perseguido por la ley Penal. E-CBNC Calle 16 de septiembre 147 Norte Col. Lázaro Cárdenas, C.P Metepec, Estado de México. II

3 ÍNDICE Mensaje al alumno 6 Competencias 7 Simbología 8 CAPÍTULO 1 IDENTIFICACIÓN DE UN SISTEMA MECATRÓNICO 9 Presentación Disciplinas que conforman la mecatrónica 11 Concepto de mecatrónica 11 Áreas de aplicación de la mecatrónica Requerimientos de sistemas mecatrónicos 12 Sistemas 12 Sistema de medición 13 Sistema de control Sensores y transductores 23 Terminología de funcionamiento 23 Desplazamiento, posición y proximidad 28 Velocidad y movimiento 35 Fuerza 36 Presión de fluidos 37 Nivel de líquidos 38 Temperatura 39 Sensores de luz Acondicionadores de señales. 52 Acondicionamiento de señales 52 Protección 53 Filtrado 53 Señales digitales 56 Adquisición de datos Sistemas de presentación de datos 61 Dispositivos para presentación visual 61 Elementos para la presentación de datos 62 Visualizadores Control en lazo cerrado 66 Procesos continuos y discretos 66 Modos de control 67 Modos de dos posiciones 69 Controlador PID Lógica digital y Microprocesadores 69 Compuertas lógicas 69 Lógica secuencial 70 III

4 Estructura de una microcomputadora 71 Microcontroladores Sistemas de entrada/salida 73 Interfaces 73 Puertos de entrada/salida 73 Adaptador de interfaz para dispositivos periféricos Sistemas de comunicación 78 Comunicaciones digitales 78 Control centralizado, jerárquico y distribuido 79 Redes 81 Protocolos 82 Interfaces de comunicación Sistemas de actuación mecánica 85 Tipos de movimiento. 85 Cadenas cinemáticas. 92 Levas. 94 Trenes de engranes. 95 Rueda dentada 96 Transmisión por correa y cadena. 99 Chumaceras Sistema de actuación eléctrica 101 Interruptores mecánicos 101 Interruptores de estado sólido 102 Solenoides 103 Motores de CD 104 Motores de CA 104 Motores de paso. 105 Servomecanismos eléctricos Sistemas de actuación neumática 112 Válvulas para control dirección 112 Válvulas de control de presión. 115 Válvulas de control de flujo. 117 Temporizadores. 120 Servomecanismos neumáticos Sistemas de actuación hidráulica. 122 Válvulas para control de dirección. 122 Válvulas de control de presión. 123 Válvulas para control de flujo. 125 Servomecanismos hidráulicos. 126 Actividades 127 Prácticas 128 Transferencia a otros contextos 152 Autoevaluación 153 CAPÍTULO 2 INSTALACIÓN DE SISTEMAS MECATRÓNICOS 154 Presentación 155 IV

5 Consideraciones para la instalación de un sistema mecatrónico 156 Interpretación de los planos de un sistema mecatrónico 156 Consideraciones del ambiente donde se instalará el sistema mecatrónico Instalación de un sistema mecatrónico 164 Herramientas y componentes necesarios para la instalación del sistema mecatrónico 164 Interpretación y seguimiento de las especificaciones del fabricante Pruebas necesarias para el funcionamiento idóneo del sistema mecatrónico 165 Identificar las variables de interés 165 Comprobar el comportamiento de las variables de interés Puesta a punto del sistema mecatrónico 166 Ajuste de los componentes del sistema mecatrónico para un óptimo funcionamiento 166 Verificación del comportamiento de las variables de interés 167 Actividades 169 Prácticas 170 Transferencia a otros contextos 181 Autoevaluación 182 CAPÍTULO 3 OPERACIÓN DE SISTEMAS MECATRÓNICOS 183 Presentación Funcionamiento de una máquina mecatrónica 185 Interpretación de las instrucciones de operación del fabricante para el funcionamiento de la máquina mecatrónica 185 Bitácora en la operación de una máquina mecatrónica Funcionamiento del sistema mecatrónico con carga 189 Pruebas de funcionamiento del sistema mecatrónico con carga 189 Manejo de parámetros de arranque Condiciones para la operación de la máquina mecatrónica 194 Requerimientos para la operación de la máquina mecatrónica 194 Comportamiento de las variables de interés de la máquina mecatrónica Variables que requieren de supervisión 199 Desperfectos en los componentes de la máquina. 199 Normas de seguridad requeridas en la operación de un sistema mecatrónico 200 Actividades 202 Prácticas 203 Transferencia a otros contextos 216 Autoevaluación 217 Respuestas a la autoevaluación 218 Sugerencias bibliográficas 221 Glosario 222 Referencias Documentales 224 V

6 MENSAJE AL ALUMNO El presente manual apoya el aprendizaje de los contenidos del módulo de Instalación y Operación de Sistemas Mecatrónicos. Es parte de la carrera de Profesional Técnico Bachiller en Mecatrónica. Su finalidad es proporcionarte los conocimientos y habilidades que te permitan la identificación de los distintos elementos que conforman un sistema mecatrónico, así como la interpretación de las instrucciones del fabricante para la instalación y operación de sistemas mecatrónicos. Las competencias desarrolladas con el apoyo de este manual son importantes para el desempeño de tu actividad como técnico profesional, ya que constituyen la base de diversas actividades desarrolladas en la industria y talleres. Este manual se organiza en tres capítulos: el primero trata la identificación de un sistema mecatrónico, indicando las características físicas y de funcionamiento. El segundo aborda la instalación de un sistema mecatrónico, señalando los componentes, pruebas y puesta a punto. El tercero se enfoca a la operación de sistema mecatrónico de acuerdo con las instrucciones, condiciones y comportamiento de las variables. VI

7 COMPETENCIAS La relación entre competencias laborales que se desarrollarán en este manual y los capítulos en que se encuentran ellas se muestran a continuación: Competencias Laborales Determinar la necesidad del requerimiento de una máquina mecatrónica de acuerdo al tipo de aplicación deseado. Determinar la naturaleza y características de los componentes que conforman una máquina mecatrónica. Determinar las condiciones óptimas de instalación de una máquina mecatrónica. Capítulos 1 Instalar una máquina mecatrónica de acuerdo con las especificaciones de diseño. Realizar pruebas de funcionamiento de una máquina mecatrónica. 2 Operar una máquina mecatrónica según las especificaciones del fabricante. Realizar bitácoras del funcionamiento de una máquina mecatrónica. Determinar el comportamiento de las variables de interés de una máquina mecatrónica. 3 VII

8 SIMBOLOGÍA Investigación de campo Investigación documental Actividad Individual Trabajo en equipo Ejercicios Prácticas Transferencia a otros contextos Autoevaluación 8

9 1 Identificación de un Sistema Mecatrónico 9

10 PRESENTACIÓN Bienvenido al estudio del primer capítulo de este manual. De manera general te quiero reseñar los resultados de aprendizaje que integran este capítulo, con el fin de que tengas un panorama completo de los contenidos que serán tema de estudio y puedas visualizar el alcance de las competencias que deberás adquirir en el transcurso de tu aprendizaje. Al finalizar el capítulo, podrás identificar las funciones y características de un sistema mecatrónico de acuerdo con sus aplicaciones para su adecuado funcionamiento. El siguiente diagrama ilustra los principales conceptos sobre los que trabajarás en el primer capítulo. Disciplinas relacionadas Mecatrónica Componentes de los sistemas mecatrónicos Tipos de sistemas utilizados en la mecatrónica 10

11 Disciplinas que conforman la mecatrónica Concepto de mecatrónica El término "Mecatrónica" fue introducido por primera vez en 1969 por el ingeniero Tetsuro Mori, trabajador de la empresa japonesa Yakasawa. En un principio se definió como la integración de la mecánica y la electrónica en una máquina o producto, pero luego se consolidó como una especialidad de la ingeniería e incorporó otros elementos como los sistemas de computación, los desarrollos de la microelectrónica, la inteligencia artificial, la teoría de control y otros relacionados con la informática, estabilidad y alcanzabilidad. Teniendo como objetivo la optimización de los elementos industriales a través de la optimización de cada uno de sus subprocesos con nuevas herramientas sinérgicas. La mecatrónica surge de la combinación sinérgica de distintas ramas de la ingeniería, entre las que destacan: la mecánica de precisión, la electrónica, la informática y los sistemas de control. Su principal propósito es el análisis y diseño de productos y de procesos de manufactura automatizados. Áreas de aplicación de la mecatrónica En cuanto a aplicaciones, los rubros más importantes son robótica, sistemas de transporte, sistemas de manufactura, máquinas de control numérico, nanomáquinas y biomecatrónica. 11

12 La robótica es la parte de la técnica de diseño y construcción de autómatas flexibles y reprogramables, capaces de realizar diversas funciones. Es el nivel de automatización más flexible y en mucho indica las tendencias futuras del resto de la mecatrónica. Las líneas de investigación más desarrolladas son: síntesis de manipuladores y herramientas, manipuladores de cadena cinemática cerradas, robots autónomos, robots cooperativos, control y teleoperación asincrónicas (por medio de conexiones TCP/IP), estimación del ambiente, comportamiento inteligente, interfaces hápticas, navegación y locomoción. La aplicación de la Mecatrónica en el transporte se desarrolla en el diseño de mecanismos activos (ejemplo: suspensiones activas), control de vibraciones, estabilización de mecanismos y navegación autónoma. En la manufactura, la Mecatrónica se ha servido de los modelos de sistemas a eventos discretos, y los ha aplicado para el diseño óptimo de líneas de producción así como la optimización de procesos ya existente. También ha ayudado a automatizar las líneas de producción y generar el concepto de manufactura flexible. Antecedentes de la Mecatrónica son las máquinas de control numérico. En este tema los desarrollos más recientes son: análisis, detección y control de vibraciones, y temperatura, en las herramientas de corte, diagnóstico de las herramientas de corte y prototipaje rápido, electroerosionado y síntesis por láser. Las nanomáquinas son un área que se han beneficiado de los desarrollos de la Mecatrónica. Un ejemplo muy evidente es el desarrollo del disco duro. Las líneas de investigación más manejadas son: micromanejo, microactuadores y micromaquinado. La biomecatrónica es la aplicación de la mecatrónica para resolver problemas de sistemas biológicos, en particular el desarrollo de nuevos tipos de prótesis, simuladores quirúrgicos, control de posición de instrumental médico (por ejemplo catéteres), sillas de ruedas y teleoperación quirúrgica Requerimientos de sistemas mecatrónicos Sistemas Un sistema mecatrónico es aquel sistema digital que recoge señales, las procesa y emite una respuesta por medio de actuadores, generando movimientos o acciones sobre el sistema en el que se va a actuar: Los sistemas mecánicos están integrados con sensores, microprocesadores y controladores. Los robots, las máquinas controladas digitalmente, los vehículos guiados automáticamente, etcétera se deben considerar como sistemas mecatrónicos. 12

13 Sistema de medición Sensor Un sensor es un dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de instrumentación dependen del tipo de sensor y pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, ph, etcétera. Una magnitud eléctrica obtenida puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como un fototransistor), etcétera. Los sensores son dispositivos que permiten medir el estado del mecanismo o del medio ambiente. La incorporación de sensores a los mecanismos es el resultado de utilizar controles de lazo cerrado. Un ejemplo muy desarrollado es el uso de la visión artificial, la cual se usa para determinar la posición y la orientación del mecanismo, del ambiente o de las herramientas, sin embargo, no siempre es posible medir directamente alguna variable se estima su valor por medio de observadores del estado y filtros. Por otro lado, se tiene la fusión de sensores. Un problema que se ha manejado recientemente es el desarrollo de referenciales para determinar la posición y orientación en problemas de navegación, siendo resuelto por medio de sistemas de posicionamiento global (GPS, por sus siglas en inglés). Acondicionador de señal La señal de salida de un sensor no suele ser válida para su procesado. Por lo general requiere de una amplificación para adaptar sus niveles a los del resto de la circuitería. Un ejemplo de amplificador es el amplificador de instrumentación, que es muy inmune a cierto tipo de ruido. No sólo hay que adaptar niveles, también puede que la salida del sensor no sea lineal o incluso que ésta dependa de las condiciones de funcionamiento (como la temperatura ambiente o la tensión de alimentación) por lo que, hay que linealizar el sensor y compensar sus variaciones. La compensación puede ser hardware o software, en este último caso ya no es parte del acondicionador. Otras veces la información de la señal no está en su nivel de tensión, puede que esté en su frecuencia, su corriente o en algún otro parámetro, por lo que, también se pueden necesitar demoduladores, filtros o convertidores corriente-tensión. Un ejemplo de cuando la información no está en el nivel de tensión puede ser un sensor capacitivo, en el que se necesita que tenga una señal variable en el tiempo (preferentemente sinusoidal). 13

14 Un ejemplo clásico de acondicionador es el puente de Wheatstone, en el que se sustituyen una o varias impedancias del puente por sensores. Un puente de Wheatstone DOH es un instrumento eléctrico de medida inventado por. Samuel Hunter Christie en 1832, mejorado y popularizado por Sir Charles Wheatstone en Se utiliza para medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Estos están constituidos por cuatro resistencias que forman un circuito cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida. La figura 1, muestra la disposición eléctrica del circuito y la Figura 2 corresponde a la imagen real de un puente de Wheatstone típico. Vemos que, Rx es la resistencia cuyo valor queremos determinar, R1, R2 y R3 son resistencias de valores conocidos, además la resistencia R2 es ajustable Si la relación de las dos resistencias del brazo conocido (R1/R2) es igual a la relación de las dos del brazo desconocido (Rx/R3), el voltaje entre los dos puntos medios será nulo y por tanto no circulará corriente alguna entre esos dos puntos C y B. Para efectuar la medida lo que se hace es variar la resistencia R2 hasta alcanzar el punto de equilibrio. La detección de corriente nula se puede hacer con gran precisión mediante el galvanómetro V. La dirección de la corriente, en caso de desequilibrio, indica si R2 es demasiado alta o demasiado baja. El valor de la F.E.M. (E) del generador es indiferente y no afecta a la medida. Figura 1.-Disposición del Puente de Wheatstone 14

15 Cuando el puente está construido de forma que R3 es igual a R2, Rx es igual a R1 en condición de equilibrio. (Corriente nula por el galvanómetro). Asimismo, en condición de equilibrio siempre se cumple que: Si los valores de R1, R2 y R3 se conocen con mucha precisión, el valor de Rx puede ser determinado igualmente con precisión. Pequeños cambios en el valor de Rx romperán el equilibrio y serán claramente detectados por la indicación del galvanómetro. De forma alternativa, si los valores de R1, R2 y R3 son conocidos y R2 no es ajustable, la corriente que fluye a través del galvanómetro puede ser utilizada para calcular el valor de Rx siendo este procedimiento más rápido que el ajustar a cero la corriente a través del medidor. Figura 2.- Imagen de un Puente de Wheatstone típico Por último, entre el acondicionador y el siguiente paso en el proceso de la señal puede haber una cierta distancia o un alto nivel de ruido, por lo que una señal de tensión no es adecuada al verse muy afectada por estos dos factores. En este caso se debe adecuar la señal para su transporte, por ejemplo transmitiendo la información en la frecuencia o en la corriente (por ejemplo el bucle de 4-20mA). Variantes del puente de Wheatstone se pueden utilizar para la medida de impedancias, capacidades e inductancias La disposición en puente también es ampliamente utilizada en instrumentación electrónica. Para ello, se sustituyen una o más resistencias por sensores, que al variar su resistencia dan lugar a una salida proporcional a la variación. A la salida del puente (en la Figura 1, donde está el galvanómetro) suele colocarse un amplificador. 15

16 Sistema de presentación visual Una de las nuevas tendencias es la instrumentación virtual con sistemas de presentación visual. La idea es sustituir y ampliar elementos "hardware" por otros "software", para ello se emplea un procesador (normalmente un PC) que ejecute un programa específico, este programa se comunica con los dispositivos para configurarlos y leer sus medidas. Las ventajas de la instrumentación virtual son que es capaz de automatizar las medidas, procesado de la información, visualización y actuación remotamente, etc. Algunos programas especializados en este campo son LabVIEW y Agilent-VEE (antes HP- VEE). Y algunos buses de comunicación populares son GPIB, RS-232, USB, etcétera LabVIEW es una herramienta gráfica para pruebas, control y diseño mediante la programación. El lenguaje que usa se llama lenguaje G, donde la G simboliza que es lenguaje Gráfico. Este programa fue creado por National Instruments (1976) para funcionar sobre máquinas MAC, salió al mercado por primera vez en Ahora está disponible para las plataformas Windows, UNIX, Mac y Linux y va por la versión 8.5 y con soporte para Windows Vista. Los programas desarrollados con LabVIEW se llaman Instrumentos Virtuales, o VIs, lo que da una idea de su uso en origen: el control de instrumentos. El lema de LabVIEW es: "La potencia está en el Software". Entre sus objetivos están el reducir el tiempo de desarrollo de aplicaciones de todo tipo (no sólo en ámbitos de Pruebas, Control y Diseño) y el permitir la entrada a la informática a programadores no expertos. Esto no significa que la empresa haga únicamente software, sino que busca combinar este software con todo tipo de hardware, tanto propio -tarjetas de adquisición de datos, PAC, Visión, y otro Hardware- como de terceras empresas. Su principal característica es la facilidad de uso, válido para programadores profesionales como para personas con pocos conocimientos en programación pueden hacer (programas) relativamente complejos, imposibles para ellos de hacer con lenguajes tradicionales. También es muy rápido hacer programas con LabVIEW y cualquier programador, por experimentado que sea, puede beneficiarse de él. Los programas en LabView son llamados instrumentos virtuales ( VIs) Para los amantes de lo complejo, con LabVIEW pueden crearse programas de miles de VIs (equivalente a millones de páginas de código texto) para aplicaciones complejas, programas de automatizaciones de decenas de miles de puntos de entradas/salidas, etc. Incluso existen buenas prácticas de programación para optimizar el rendimiento y la calidad de la programación. El labview 7.0 introduce un nuevo tipo de subvi llamado VIs Expreso (Express VIS). 16

17 Estos son VIs interactivos que tienen una configuración de caja de diálogo que permite al usuario personalizar la funcionalidad del VI Expreso. El VIs estándar son VIs modulares y personalizables mediante cableado y funciones que son elementos fundamentales de operación de LabView. Como se ha dicho, un sistema de presentación visual es una herramienta gráfica de programación, esto significa que los programas no se escriben, sino que se dibujan, facilitando su comprensión. Un programa se divide en Panel Frontal y Diagrama de Bloques. El Panel Frontal es la interfaz con el usuario, en la cual se definen los controles e indicadores que se muestran en pantalla (cómo el usuario interacciona con el VI). El Diagrama de Bloques es el programa propiamente dicho, donde se define su funcionalidad, aquí se colocan iconos que realizan una determinada función y se interconectan. Suele haber una tercera parte icono/conector que son los medios utilizados para conectar un VI con otros VIs. La figura siguiente muestra un Diagrama de Bloques de un programa en el que se genera un array de 100 elementos aleatorios, a continuación se hace la FFT de este array y se muestra en una gráfica: Figura 3 Diagrama de Bloques 17

18 Sistema de control Sistema de lazo abierto La regulación automática es una rama de la ingeniería que se ocupa del control de un proceso en un estado determinado; por ejemplo, mantener la temperatura de una calefacción, el rumbo de un avión o la velocidad de un automóvil en un valor establecido. La regulación automática, también llamada Teoría de Control, estudia el comportamiento de los sistemas dinámicos, tratándolos como cajas o bloques con una entrada y una salida. En general, la entrada al sistema es una señal analógica o digital que se capta en algún punto del sistema. Los bloques intermedios representan las diversas acciones perturbadoras que afectan a la señal, como rozamientos en los actuadores, así como el efecto de los elementos de control interpuestos, los reguladores. Estos efectos se suelen representar mediante las funciones matemáticas que los describen, llamadas funciones de transferencia. La salida del sistema se llama referencia y corresponde al valor de la señal tras actuar sobre ella las anteriores funciones de transferencia. Cuando una o más de las variables de salida de un sistema tienen que seguir el valor de una referencia que cambia con el tiempo, se necesita interponer un controlador que manipule los valores de las señales de entrada al sistema hasta obtener el valor deseado de salida. Aunque existen diversos tipos de sistemas de control desde la antigüedad, la formalización del dominio de la regulación comenzó con un análisis de la dinámica del regulador centrífugo, dirigida por el físico James Clerk Maxwell en 1868 bajo el título On Governors, sobre los reguladores describió y analizó el fenómeno de la "caza", en el que retrasos en el sistema pueden provocar una compensación excesiva y un comportamiento inestable. Se generó un fuerte interés sobre el tema, durante el cual el compañero de clase de Maxwell, Edward John Routh, generalizó los resultados de Maxwell para los sistemas lineales en general. Este resultado se conoce con el nombre de Teorema de Routh-Hurwitz. Durante la Segunda Guerra Mundial, la Teoría de Control fue parte importante de los sistemas de control de disparo, sistemas de guiado y electrónicos. La carrera espacial también dependía del control preciso de las naves. Por otra parte, la Teoría de Control también ha visto un uso creciente en campos como la economía y la sociología. Los sistemas de control en los que la salida no tiene efecto sobre la acción de control, se denominan sistemas de control de lazo abierto. En otras palabras, en un sistema de control de lazo abierto la salida ni se mide ni se retroalimenta para compararla con la entrada. Un ejemplo práctico lo constituye una lavadora de ropa doméstica. El remojo, lavado y enjuague en la lavadora se cumplen por tiempos. La máquina no mide la señal de salida, es decir, la limpieza de la ropa. 18

19 En cualquier sistema de control de lazo abierto, no se compara la salida con la entrada de referencia. Por tanto, para cada entrada de referencia corresponde una condición de operación fija. Así, la precisión del sistema depende de la calibración. En presencia de perturbaciones, un sistema de control de lazo abierto no cumple su función asignada. En la práctica el control de lazo abierto sólo se puede utilizar si la relación entre la entrada y la salida es conocida, y si no se presentan perturbaciones tanto internas como externas. Desde luego, tales sistemas no son sistemas de control retroalimentado. Cualquier sistema de control que funciona sobre una base de tiempos, es un sistema de lazo abierto. Por ejemplo, el control de tráfico con señales accionadas en función de tiempos, es otro caso de control de lazo abierto. Figura 4 Ilustración: Lazo de control abierto La tarea del operador en la ilustración de arriba, es la de ajustar la presión (p2) en una tubería por medio de una válvula de control. Para este propósito, el utiliza un valor asignado que determina una cierta señal de control (y) surgida de un ajustador remoto para cada set point (w). Dado que este método de control no considera posibles fluctuaciones en el flujo; es recomendado únicamente en sistemas donde las perturbaciones no afecten la variable de control. 19

20 Sistema de lazo cerrado ORGANISMO PÚBLICO DESCENTRALIZADO DEL GOBIERNO FEDERAL Para evitar los problemas del control en lazo abierto, la teoría de control introduce la realimentación. Un regulador de lazo cerrado utiliza la realimentación para controlar los estados y las salidas de un sistema dinámico. El nombre de "lazo cerrado" hace referencia al camino que sigue la información en el sistema: las entradas al proceso (p. ej. la tensión que se aplica a un motor eléctrico) afecta a las salidas del proceso (p. ej., la velocidad o el par que ofrece el motor). Estas salidas se miden con sensores (captadores en el lenguaje de control) y se procesan, una vez comparadas con la referencia o consigna, mediante un controlador o regulador; el resultado, una señal de control, se añade a la entrada del proceso, cerrando el lazo. El control de lazo cerrado siempre debe estar formado por: Un proceso Medida y transmisión de la variable Controlador Elemento final de control El control con lazo cerrado presenta las siguientes ventajas sobre el control en lazo abierto: Corrección de las perturbaciones (tales como rozamiento impredecible en un motor). Buen comportamiento incluso con incertidumbre en el modelo, es decir, en aquellos casos en que la estructura del modelo no representa perfectamente la realidad del proceso o los parámetros del modelo no se pueden medir con absoluta precisión. Permite estabilizar procesos inestables. Tolerancia a variaciones en los parámetros. La única desventaja del control en lazo cerrado frente al control en lazo abierto, es que el primero, reduce la ganancia total del sistema. Esto lleva al uso conjunto del control en lazo abierto y cerrado, para mejorar el rendimiento. Una arquitectura muy frecuente para un regulador en lazo cerrado es el regulador PID. La salida del sistema y(t) se compara con el valor de referencia r(t), a través de las medidas de un sensor. Se alimenta el error e al regulador C. Se define el error e como la diferencia entre el valor de referencia y la salida del sistema. En función del error, el regulador modifica su salida, que es precisamente la alimentación al proceso que se está controlando. Este esquema es el que se muestra en la siguiente figura. El sistema en la figura es un sistema sencillo de una sola entrada y una sola salida, SISO (del inglés single-input-single-output); los sistemas más complejos, MIMO (Multi-Input-Multi- Output) son bastante frecuentes. En estos casos, las variables se representan mediante vectores en lugar de valores escalares. 20

21 Figura 5 Sistema SISO Si suponemos que el regulador C y el proceso P son lineales e invariantes en el tiempo (es decir, los elementos de su función de transferencia C(s) y P(s) no dependen del tiempo), el sistema de la figura se puede analizar aplicando la transformada de Laplace sobre las variables. Esto proporciona las siguientes relaciones: Despejando Y(s) en función de R(s) se obtiene: El término Se denomina función de transferencia del sistema. El numerador es la ganancia en lazo abierto de r a y, y el denominador es uno más la ganancia del lazo cerrado. Si 21

22 Entonces Y(s) es muy parecido a R(s), lo que significa que la salida se ajusta muy bien a la referencia r de control. En un sistema de lazo de control cerrado, la variable ha ser controlada (Variable controlada x) es continuamente medida y así comparada con un valor predeterminado (Variable de referencia w). Si existe una diferencia entre estas dos variables (error e o desviación del sistema xw), ajustes son realizados hasta que la diferencia cuantificada es eliminada y la variable controlada iguala la variable de referencia. Con frecuencia se llama así a los sistemas de control retroalimentado. En la práctica, se utiliza indistintamente la denominación control retroalimentado o control de lazo cerrado. La señal de error actuante, que es la diferencia entre la señal de entrada y la de retroalimentación (que puede ser la señal de salida o una función de la señal de salida y sus derivadas), entra al controlador para reducir el error y llevar la salida del sistema a un valor deseado. El término lazo cerrado implica siempre el uso de la acción de control retroalimentado para reducir el error del sistema. Figura 6 Ilustración: Lazo de control cerrado 22

23 El bosquejo del operador de la ilustración anterior, monitorea la presión p2 en una tubería para la cual diferentes consumidores están conectados. Cuando se incrementa el consumo, la presión en la tubería decrece. El operador reconoce que la presión cae y cambia la presión de control de la válvula de control neumática hasta que la presión deseada p2 es alcanzada de nuevo. A través del monitoreo de la presión y la inmediata reacción, el operador asegura que la presión es mantenida al nivel deseado. Una ventaja del sistema de control de lazo cerrado es que el uso de la retroalimentación hace que la respuesta del sistema sea relativamente insensible a perturbaciones externas y a variaciones internas de parámetros del sistema. De este modo, es posible utilizar componentes relativamente imprecisos y económicos, y lograr la exactitud de control requerida en determinada planta, cosa que sería imposible en un control de lazo abierto. Desde el punto de vista de la estabilidad, en el sistema de control de lazo abierto, ésta es más fácil de lograr, ya que en él la estabilidad no constituye un problema importante. En cambio, en los sistemas de lazo de control cerrado, la estabilidad si es un problema importante, por su tendencia a sobre corregir errores que pueden producir oscilaciones de amplitud constante o variable. Hay que puntualizar que para sistemas cuyas entradas son conocidas previamente y en los que no hay perturbaciones, es preferible utilizar el control de lazo abierto. Los sistemas de control de lazo cerrado tienen ventajas solamente si se presentan perturbaciones no previsibles y/o variaciones imprevisibles de componentes del sistema. Nótese que la potencia de salida determina parcialmente el costo, peso y tamaño de un sistema de control. La cantidad de componentes utilizados en un sistema de control de lazo cerrado es mayor a la correspondiente a un sistema de control de lazo abierto. Así, entonces un sistema de control de lazo cerrado es generalmente de mayor costo y potencia Sensores y transductores Terminología de funcionamiento Recuerda que un sensor es un dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de instrumentación dependen del tipo de sensor y pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, ph, etcétera. Una magnitud eléctrica obtenida puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como un fototransistor), etcétera. 23

24 Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable a medir o a controlar. Hay sensores que no solo sirven para medir la variable, sino también para convertirla mediante circuitos electrónicos en una señal estándar (4 a 20 ma, o 1 a 5VDC) para tener una relación lineal con los cambios de la variable censada dentro de un rango (span), para fines de control de dicha variable en un proceso.[cita requerida] Puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Las áreas de aplicación de los sensores son: Industria automotriz, Industria aeroespacial, Medicina, Industria de manufactura, Robótica, etcétera. Entre las características técnicas de un sensor destacan las siguientes: Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor. Precisión: es el error de medida máximo esperado. Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset. Linealidad o correlación lineal. Sensibilidad de un sensor: relación entre la variación de la magnitud de salida y la variación de la magnitud de entrada. Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida. Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada. Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor. Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida. Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano. Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como 24

25 por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de la circuitería. La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida. La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al medir una distancia la resolución es de 0,01 mm, pero la precisión es de 1 mm. Entonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de 0,01 mm., pero no puede asegurarse que haya un error de medición menor a 1 mm. En la mayoría de los casos este exceso de resolución conlleva a un exceso innecesario en el coste del sistema. No obstante, en estos sistemas si el error en la medida sigue una distribución normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos; la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión. Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de entrada que puede observarse en la magnitud de salida. En la siguiente tabla se indican algunos tipos y ejemplos de sensores electrónicos. Magnitud Transductor Característica Posición lineal o angular Desplazamiento y deformación Velocidad lineal y angular Potenciómetro Encoder Transformador diferencial Galga extensiométrica Dinamo tacométrica Encoder Detector inductivo Analógica Digital Analógica Analógica Analógica Digital Digital Aceleración Acelerómetro Analógico Fuerza y par (deformación) Galga extensiométrica Analógico Presión Caudal Membranas Piezoeléctricos Turbina Magnético Analógica Analógica Analógica Analógica 25

26 Termopar ORGANISMO PÚBLICO DESCENTRALIZADO DEL GOBIERNO FEDERAL Analógica Temperatura RTD Termistor NTC Termistor PTC Analógica Analógica Analógica Bimetal I/0 Inductivos I/0 Sensores de presencia Capacitivos I/0 Ópticos I/0 y Analógica Sensores táctiles Matriz de contactos I/0 Piel artificial Analógica Visión artificial Sensor de proximidad Sensor acústico (presión sonora) Sensores de acidez Sensor de luz Sensores captura de movimiento Cámaras de video Cámaras CCD o CMOS Sensor final de carrera Sensor capacitivo Sensor inductivo Sensor fotoeléctrico micrófono IsFET fotodiodo Fotorresistencia Fototransistor Sensores inerciales Procesamiento digital Procesamiento digital Tabla 1 Tipos y ejemplos de sensores electrónicos 26

27 Algunas magnitudes pueden calcularse mediante la medición y cálculo de otras, por ejemplo, la aceleración de un móvil puede calcularse a partir de la integración numérica de su velocidad. La masa de un objeto puede conocerse mediante la fuerza gravitatoria que se ejerce sobre él en comparación con la fuerza gravitatoria ejercida sobre un objeto de masa conocida (patrón). Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra energía diferente a la salida. El nombre del transductor ya nos indica cual es la transformación que realiza (p.e. electromecánica, transforma una señal eléctrica en mecánica o viceversa), aunque no necesariamente la dirección de la misma. Es un dispositivo usado principalmente en la industria, en la medicina, en la agricultura, en robótica, en aeronáutica, etc. para obtener la información de entornos físicos y químicos y conseguir (a partir de esta información) señales o impulsos eléctricos o viceversa. Los transductores siempre consumen algo de energía por lo que la señal medida resulta debilitada. Tipos de transductores Electroacústico Electromagnético Electromecánico Electroquímico Electrostático Fotoeléctrico Magnetoestrictivo Piezoeléctrico Radioacústico Ejemplos Un micrófono es un transductor electroacústico que convierte la energía acústica Un altavoz también es un transductor electroacústico, pero sigue el camino contrario. Un altavoz transforma la corriente eléctrica en vibraciones sonoras. Otros ejemplos son los teclados comunes que transforman el impulso de los dedos sobre las membranas y éstas generan el código de la tecla presionada. El sistema de alarma de un automóvil, el cual transforma los cambios de presión dentro del vehículo a la activación de dicha alarma. Algunas de estas son termistores, galgas extensiométricas, piezoeléctricos, termostatos, etcétera. 27

28 Otros ejemplos son: un ventilador, una estufa doméstica, un dedo humano Desplazamiento, posición y proximidad El sensor de desplazamiento, posición y proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor. Existen varios tipos de sensores de desplazamiento, posición y proximidad según el principio físico que utilizan. Los más comunes son los detectores capacitivos, los inductivos y los fotoeléctricos, como el de infrarrojos. Los interruptores de posición también denominados finales de carrera. Basan la detección en el contacto mecánico del elemento a detectar con una parte del sensor (pulsador, palanca, etcétera). Este contacto mecánico produce la apertura o cierre de un interruptor. Dentro de los componentes electrónicos, el final de carrera o sensor de contacto (también conocido como "interruptor de límite") o limit swicht, son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido de un elemento móvil, como por ejemplo una cinta transportadora, con el objetivo de enviar señales que puedan modificar el estado de un circuito. Internamente pueden contener interruptores normalmente abiertos (NA o NO en inglés), cerrados (NC) o conmutadores dependiendo de la operación que cumplan al ser accionados, de ahí la gran variedad de finales de carrera que existen en mercado Generalmente estos sensores están compuestos por dos partes: un cuerpo donde se encuentran los contactos y una cabeza que detecta el movimiento. Su uso es muy diverso, empleándose, en general, en todas las máquinas que tengan un movimiento rectilíneo de ida y vuelta o sigan una trayectoria fija, es decir, aquellas que realicen una carrera o recorrido fijo, como por ejemplo ascensores, montacargas, robots, etc. Los finales de carrera están fabricados en diferentes materiales tales como metal, plástico o fibra de vidrio. Los sensores capacitivos son un tipo de sensor eléctrico, el condensador, a veces denominado con el anglicismo capacitor, es un dispositivo formado por dos conductores o armaduras, generalmente en forma de placas o láminas, separados por un material dieléctrico, que sometidos a una diferencia de potencial adquieren una determinada carga eléctrica. A esta propiedad de almacenamiento de carga se le denomina capacidad, y en el sistema internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo un Faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una diferencia de potencial de 1 Voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1 Culombio. 28

29 Se denomina capacitancia de un conductor a la propiedad de adquirir carga eléctrica cuando es sometido a un potencial eléctrico con respecto a otro en estado neutro. La relación entre el área de las placas y la capacitancia nos da que a mayor área útil, mayor será la capacitancia (son directamente proporcionales). En tanto la relación entre la capacitancia y la separación entre dos placas es inversamente proporcional. Por último, tenemos que la capacitancia depende del dieléctrico, siendo que para el vacío, la capacitancia es C0; para un aislante dieléctrico K, la capacitancia está dada por C0K. donde: ε 0 : constante dieléctrica del vacío ε r : constante dieléctrica o permisividad relativa del material dieléctrico entre las placas A: el área efectiva de las placas d: distancia entre las placas o espesor del dieléctrico Aplicaciones Detección de nivel: En esta aplicación, cuando un objeto (líquidos, granulados, metales, aislantes, etcétera.) penetra en el campo eléctrico que hay entre las placas sensor, varía el dieléctrico, variando consecuentemente el valor de capacitancia. Sensado de humedad: El principio de funcionamiento de esta aplicación es similar a la anterior. En esta ocasión el dieléctrico, por ejemplo el aire, cambia su permisividad con respecto a la humedad del ambiente. Detección de posición: Esta aplicación es básicamente un condensador variable, en el cual una de las placas es móvil, pudiendo de esta manera tener mayor o menor superficie efectiva entre las dos placas, variando también el valor de la capacitancia, y también puede ser usado en industrias químicas. Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar materiales metálicos ferrosos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia de objetos metálicos en un determinado contexto (control de presencia o de ausencia, detección de paso, de atasco, de posicionamiento, de codificación y de conteo). 29

30 Una corriente (i) que circula a través de un hilo conductor, genera un campo magnético que está asociado a ella. Figura 7 Detección de posición Los sensores de proximidad inductivos contienen un devanado interno. Cuando una corriente circula por el mismo, un campo magnético es generado, que tiene la dirección de las flechas naranjas. Cuando un metal es acercado al campo magnético generado por el sensor de proximidad, éste es detectado. Figura 8 Sensor inductivo La bobina del sensor inductivo induce corrientes de Foucault en el material a detectar. Éstas, a su vez, generan un campo magnético que se opone al de la bobina del sensor, causando una reducción en la inductancia de la misma. Esta reducción en la inductancia de la bobina interna del sensor, trae aparejada una disminución en la impedancia de ésta. 30

31 La inductancia es un valor intrínseco de las bobinas, que depende del diámetro de las espiras y el número de ellas. En sistemas de corriente alterna, la reactancia inductiva se opone al cambio del sentido de la corriente y se calcula de la siguiente manera: Donde: XL = Reactancia Inductiva medida en Ohms ( ) π = Constante Pi. F = Frecuencia del sistema medida en Hertz (Hz) L = Inductancia medida en Henrios (H) Figura 9 Inductancia En resumen, el circuito detector reconocerá el cambio en la impedancia de la bobina del sensor (Debido a las corrientes de Foucault inducidas en el objeto a detectar) y enviará una señal al amplificador de salida, el cual cambiará el estado de la misma. Cuando el metal a detectar es removido de la zona de detección, el oscilador podrá generar nuevamente el campo magnético con su amplitud normal. Es en este momento en que el circuito detector nuevamente detecta este cambio de impedancia y envía una señal al amplificador de salida para que sea éste quién nuevamente, restituya el estado de la salida del sensor. Si el sensor tiene una configuración Normal Abierta, éste activará la salida cuando el metal a detectar ingrese a la zona de detección. Lo opuesto ocurre cuando el sensor tiene una configuración "Normal Cerrada" Estos cambios de estado son evaluados por unidades externas tales como: PLC, Relés, PC, etc. 31

32 Un Sensor fotoeléctrico es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Estos sensores requieren de un componente emisor que genera la luz, y un componente receptor que ve la luz generada por el emisor. Todos los diferentes modos de sensado se basan en este principio de funcionamiento. Están diseñados especialmente para la detección, clasificación y posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas. Espectro electromagnético Atendiendo a su longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres. Desde los energéticos rayos gamma (con una longitud de onda del orden de picometros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden de varios kilómetros) pasando por la luz visible cuya longitud de onda está en el rango de las décimas de micra. El rango completo de longitudes de onda forma el espectro electromagnético, del cual la luz visible no es más que un minúsculo intervalo que va desde la longitud de onda correspondiente al violeta (380 nm) hasta la longitud de onda del rojo (780 nm). Los colores del espectro se ordenan como en el arco iris, formando el llamado espectro visible. Si hablamos de luz en sentido estricto nos referimos a radiaciones electromagnéticas cuya longitud de onda es capaz de captar el ojo humano, pero técnicamente, el ultravioleta, las ondas de radio o las microondas también son luz, pues la única diferencia con la luz visible es que su longitud de onda queda fuera del rango que podemos detectar con nuestros ojos; simplemente son "colores" que nos resultan invisibles, pero podemos detectarlos mediante instrumentos específicos cjc. Hoy en día la mayoría de los sensores fotoeléctricos utilizan LEDs como fuentes de luz. Un LED es un semiconductor, eléctricamente similar a un diodo, pero con la característica de que emite luz cuando una corriente circula por él en forma directa. Los LEDs pueden ser construidos para que emitan en verde, azul, amarillo, rojo, infrarrojo, etcétera. Los colores más comúnmente usados en aplicaciones de sensado son rojos e infrarrojos, pero en aplicaciones donde se necesite detectar contraste, la elección del color de emisión es fundamental, siendo el color más utilizado el verde. Los fototransistores son los componentes más ampliamente usados como receptores de luz, debido a que ofrecen la mejor relación entre la sensibilidad a la luz y la velocidad de respuesta, comparado con los componentes fotorresistivos, además responden bien ante luz visible e infrarroja. Las fotocélulas son usadas cuando no es necesaria una gran sensibilidad, y se utiliza una fuente de luz visible. Por otra parte los fotodiodos donde se requiere una extrema velocidad de respuesta. 32

33 Fuentes de luz habituales: Color Rango Características INFRARROJO ROJO VERDE nm nm nm No visible, son relativamente inmunes a la luz ambiente artificial. Generalmente se utilizan para detección en distancias largas y ambientes con presencia de polvo. Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado por luz ambiente intensa, y es de uso general en aplicaciones industriales. Al ser visible es más sencilla la alineación. Puede ser afectado por luz ambiente intensa, generalmente se utiliza esta fuente de luz para detección de marcas. Tabla 2 Fuentes de Luz habitualel Con la excepción de los infrarrojos, los LEDs producen menos luz que las fuentes incandescentes y fluorescentes que comúnmente iluminan el ambiente. La modulación de la fuente de luz provee el poder de sensado necesario para detectar confiablemente con esos bajos niveles de luz. Muchos de los sensores fotoeléctricos utilizan LEDs emisores de luz modulada y receptores fototransistores. Los LEDs, pueden estar encendidos y apagados (o modulados) con una frecuencia que normalmente ronda un kilohercio. Esta modulación del LEDs emisor hace que el amplificador del fototransistor receptor pueda ser conmutado a la frecuencia de la modulación, y que amplifique solamente la luz que se encuentre modulada como la que envía el emisor. La operación de los sensores que no poseen luz modulada está limitada a zonas donde el receptor no reciba luz ambiente y sólo reciba la luz del emisor. Un receptor modulado ignora la presencia de luz ambiente y responde únicamente a la fuente de luz modulada. Los LEDs infrarrojos son los más efectivos y son, además, los que tiene el espectro que mejor trabajan con los fototransistores; es por tal motivo que son usados en muchas aplicaciones. Sin embargo, los sensores fotoeléctricos son también utilizados, para detectar contraste (detección de marcas) o color, y para esto se requiere que la luz sea visible. La curva de exceso de ganancia se especifica en cada tipo de sensor fotoeléctrico, y la misma está en función de la distancia de sensado. Esta curva es usada al momento de seleccionar el sensor, para predecir la confiabilidad de la detección en un ambiente conocido. Como se muestra a continuación. 33

34 Figura 10 Curva de exceso de ganancia Condición de operación Mínima ganancia requerida Aire limpio, sin suciedad en lentes o reflector 1,5X Ambiente levemente sucio, con humedad, o filmes sobre los reflectores o las lentes. Lentes limpiados regularmente. Ambiente medianamente sucio, contaminación en lentes o reflectores, limpiados ocasionalmente. Ambiente muy sucio, alta contaminación en lentes o reflectores, limpiados esporádicamente. 5X 10X 50X Tabla 3 Condiciones de operación El receptor de rayos infrarrojos suele ser un fototransistor o un fotodiodo. El circuito de salida utiliza la señal del receptor para amplificarla y adaptarla a una salida que el sistema pueda entender la señal enviada por el emisor puede ser codificada para distinguirla de otra y así identificar varios sensores a la vez, esto es muy utilizado en la robótica en casos en que se necesita tener más de un emisor infrarrojo y solo se quiera tener un receptor. 34

35 Figura 11 Ejemplo de un Diagrama de Bloques del Sensor de Proximidad por Infrarrojos. IrSensor-A de KEDO Electronic Product Design Velocidad y movimiento Los sensores de velocidad y movimiento tradicionales están controlados por un cable recubierto que es torsionado por un conjunto de pequeñas ruedas dentadas en el sistema de transmisión. La forma más común de un sensor de velocidad y movimiento depende de la interacción de un pequeño imán fijado al cable con una pequeña pieza de aluminio con forma de dedal fijada al eje del indicador. A media que el imán rota cerca del dedal, los cambios en el campo magnético inducen corriente en el dedal, que produce a su vez un nuevo campo magnético. El efecto es que el imán arrastra al dedal -así como al indicador- en la dirección de su rotación sin conexión mecánica entre ellos. El eje del puntero es impulsado hacia el cero por un pequeño muelle. El par de torsión en el dedal se incrementa con la velocidad de la rotación del imán. Así que un incremento de la velocidad hace que el dedal rote y que el indicador gire en el sentido contrario al muelle. Cuando el par de torsión producido por las corrientes inducidas iguala al del muelle del indicador éste se detiene apuntando en la dirección adecuada, que corresponde a una cifra en la rueda indicadora. El muelle se calibra de forma que una determinada velocidad de revolución del cable corresponde a una velocidad específica en el sensor. Este calibrado debe realizarse teniendo en cuenta muchos factores, incluyendo las proporciones de las ruedas dentadas que controlan al cable flexible, la tasa del diferencial y el diámetro de los neumáticos. El mecanismo del sensor a menudo viene acompañado de un odómetro y de un pequeño interruptor que envía pulsos a una computadora. 35

36 Otra forma de sensor de velocidad y movimiento se basa en la interacción entre un reloj de precisión y un pulsador mecánico controlado por una transmisión. El mecanismo del reloj impulsa al indicador hacia cero, mientras que el pulsador controlado por el dispositivo lo empuja hacia la indicación máxima. La posición del indicador refleja la relación entre las salidas de los dos mecanismos. Fuerza Figura 12 Sensores de velocidad y movimiento El sensor de fuerza más común es una galga extensométrica, la cual es un dispositivo electrónico que aprovecha el efecto piezorresistivo para medir deformaciones. Ante una variación en la estructura del material de la galga se producirá una variación de su resistencia eléctrica. Los materiales que suelen utilizarse para fabricar galgas son aleaciones de cobre y hierro, platina y silicialista. Para tratar la variación de voltaje se utilizará un puente de Wheatstone. Éste está formado por cuatro resistencias unidas en un círculo cerrado, siendo una de ellas la resistencia bajo medida. De esta manera podremos medir resistencias desconocidas mediante el equilibrio de los brazos del puente. Su principal ventaja es su linealidad; también presentan una baja impedancia de salida. Su principal desventaja es su dependencia de la temperatura, lo que provoca que, a veces, haya que diseñar circuitos electrónicos para compensar esa dependencia. 36

37 Figura 13 Sensor de fuerza Presión de fluidos Un manómetro es un instrumento de medición que sirve para medir la presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados. Existen básicamente dos tipos: los de líquidos y los de gases. Los manómetros de líquidos emplean por lo general, como líquido manométrico el mercurio, que llena parcialmente un tubo en forma de U., el tubo puede estar abierto por ambas ramas o abierto por una sola. En ambos casos la presión se mide conectando el tubo al recipiente que contiene el fluido por su rama inferior abierta y determinando el desnivel h de la columna de mercurio entre ambas ramas. Si el manómetro es de tubo abierto es necesario tomar en cuenta la presión atmosférica p0 en la ecuación: p = p0 ± ρ.g.h Si es de tubo cerrado, la presión vendrá dada directamente por p = ρ.g.h. Los manómetros de este segundo tipo permiten, por sus características, la medida de presiones elevadas. 37

38 En los manómetros metálicos la presión da lugar a deformaciones en una cavidad o tubo metálico, denominado tubo de Bourdon en honor a su inventor. Estas deformaciones se transmiten a través de un sistema mecánico a una aguja que marca directamente la presión sobre una escala graduada. Figura 14 Sensor de presión de fluidos. Nivel de líquidos El sensor de nivel de líquidos consiste básicamente de un módulo de electrónica encapsulada y un sensor de detección del tipo presión. El sensor es soportado de cable y protegido con un cuerpo de inoxidable y soportado para un tubo rígido de. La caja de electrónica puede ser montada directamente en la cabeza del sensor o remotamente para comodidad o seguridad. El tubo de soporte puede estar suministrado por el usuario o por algún fabricante externo. Aplicaciones típicas Cuando el sensor se instala en un tanque, sumidero, cuenca u otro recipiente, el sensor de diferimiento detecta la presión que es ejercido en él por el agua u otro líquido que rodea él. Ésta presión es proporcional linealmente a la altura y densidad del líquido sobre el sensor. No hay cavidades, y el diafragma es abierto completamente al líquido que se mide. El sensor no puede ser tapado y hecho impracticable por líquidos con muchos sólidos. Los líquidos residuales y lechadas son manejados fácilmente. 38

39 Las características de montaje superior lo hacen fácil usar en cuencas de concreto, sumideros y otros recipientes donde el montaje inferior o lateral del sensor sería difícil o imposible. Comparado con un transmisor de capacitancia, no se requiere ni referencia de tierra, ni limpieza periódica y recalibración para funcionar precisa y confiablemente. El sensor puede ser montado usando un rango ancho de las conexiones roscadas y bridadas. Puede ser suministrado con un soporte de montaje para las paredes verticales o antepechos horizontales sobre cuencas, tanques abiertos, fosas e instalaciones similares. El sensor se referencia a la presión atmosférica a través de un tubo de respiradero. Un filtro de desecante o una vejiga de aislamiento evitan la condensación de humedad en el tubo. Figura 15 Sensor de nivel de líquidos Temperatura Un termopar es un dispositivo formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado "punto caliente" o unión caliente o de medida y el otro denominado "punto frío" o unión fría o de referencia. En instrumentación industrial, los termopares son ampliamente usados como sensores de temperatura. Son económicos, intercambiables, tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio rango de temperaturas. Su principal limitación es la exactitud ya que los errores del sistema inferiores a un grado centígrado son difíciles de obtener. El grupo de termopares conectados en serie recibe el nombre de termopila. Tanto los termopares como las termopilas son muy usados en aplicaciones de calefacción a gas. 39

40 Figura 16 Diagrama de funcionamiento del termopar Además de lidiar con la CUF, el instrumento de medición debe además enfrentar el hecho de que la energía generada por un termopar es una función no lineal de la temperatura. Esta dependencia se puede aproximar por un polinomio complejo (de 5º a 9º orden dependiendo del tipo de termopar). Los métodos analógicos de linealización son usados en medidores de termopares de bajo costo. Modalidades de termopares Los termopares están disponibles en diferentes modalidades, como sondas. Estas últimas son ideales para variadas aplicaciones de medición, por ejemplo, en la investigación médica, sensores de temperatura para los alimentos, en la industria y en otras ramas de la ciencia, etcétera. A la hora de seleccionar una sonda de este tipo debe tenerse en consideración el tipo de conector. Los dos tipos son el modelo estándar, con pines redondos y el modelo miniatura, con pines chatos, siendo estos últimos (contradictoriamente al nombre de los primeros) los más populares. Otro punto importante en la selección es el tipo de termopar, el aislamiento y la construcción de la sonda. Todos estos factores tienen un efecto en el rango de temperatura a medir, precisión y fiabilidad en las lecturas. 40

41 Tipos de termopares Tipo K (Cromo (Ni-Cr) Chromel / Aluminio (aleación de Ni -Al) Alumel): con una amplia variedad de aplicaciones, está disponible a un bajo costo y en una variedad de sondas. Tienen un rango de temperatura de -200 ºC a ºC y una sensibilidad 41µV/ C aprox. Posee buena resistencia a la oxidación. Tipo E (Cromo / Constantán (aleación de Cu-Ni)): No son magnéticos y gracias a su sensibilidad, son ideales para el uso en bajas temperaturas, en el ámbito criogénico. Tienen una sensibilidad de 68 µv/ C. Tipo J (Hierro / Constantán): debido a su limitado rango, el tipo J es menos popular que el K. Son ideales para usar en viejos equipos que no aceptan el uso de termopares más modernos. El tipo J no puede usarse a temperaturas superiores a 760 ºC ya que una abrupta transformación magnética causa una descalibración permanente. Tienen un rango de -40ºC a +750ºC y una sensibilidad de ~52 µv/ C. Es afectado por la corrosión. Tipo N (Nicrosil (Ni-Cr-Si / Nisil (Ni-Si)): es adecuado para mediciones de alta temperatura gracias a su elevada estabilidad y resistencia a la oxidación de altas temperaturas, y no necesita del platino utilizado en los tipos B, R y S que son más caros. Por otro lado, los termopares tipo B, R y S son los más estables, pero debido a su baja sensibilidad (10 µv/ C aprox.) generalmente son usa dos para medir altas temperaturas (superiores a 300 ºC). Tipo B (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): son adecuados para la medición de altas temperaturas superiores a ºC. Los tipos B presentan el mismo resultado a 0 ºC y 42 ºC debido a su curva de temperatura/voltaje, limitando así su uso a temperaturas por encima de 50 ºC. Tipo R (Platino (Pt)-Rodio (Rh)): adecuados para la medición de temperaturas de hasta 1.300ºC. Su baja sensibilidad (10 µv/ C) y su elev ado precio quitan su atractivo. Tipo S (Platino / Rodio): ideales para mediciones de altas temperaturas hasta los ºC, pero su baja sensibilidad (10 µv/ C) y su elevado p recio lo convierten en un instrumento no adecuado para el uso general. Debido a su elevada estabilidad, el tipo S es utilizado para la calibración universal del punto de fusión del oro (1064,43 C). Los termopares con una baja sensibilidad, como en el caso de los tipos B, R y S, tienen además una resolución menor. La selección de termopares es importante para asegurarse que cubren el rango de temperaturas a determinar. 41

42 Precauciones y consideraciones al usar termopares La mayor parte de los problemas de medición y errores con los termopares se deben a la falta de conocimientos del funcionamiento de los termopares. A continuación, un breve listado de los problemas más comunes que deben tenerse en cuenta. Problemas de conexión La mayoría de los errores de medición son causados por uniones no intencionales del termopar. Se debe tener en cuenta que cualquier contacto entre dos metales distintos creará una unión. Si lo que se desea es aumentar la longitud de las guías, se debe usar el tipo correcto del cable de extensión. Así por ejemplo, el tipo K corresponde al termopar K. Al usar otro tipo se introducirá una unión termopar. Cualquiera que sea el conector empleado debe estar hecho del material termopar correcto y su polaridad debe ser la adecuada. Lo más correcto es emplear conectores comerciales del mismo tipo que el termopar para evitar problemas. Resistencia de la guía Para minimizar la desviación térmica y mejorar los tiempos de respuesta, los termopares están integrados con delgados cables. Esto puede causar que los termopares tengan una alta resistencia, la cual puede hacer que sea sensible al ruido y también puede causar errores debidos a la resistencia del instrumento de medición. Una unión termopar típica expuesta con 0,25 mm., tendrá una resistencia de cerca de 15 ohmios por metro. Si se necesitan termopares con delgadas guías o largos cables, conviene mantener las guías cortas y entonces usar el cable de extensión, el cual es más grueso, (lo que significa una menor resistencia) ubicado entre el termopar y el instrumento de medición. Se recomienda medir la resistencia del termopar antes de utilizarlo. Descalibración La descalibración es el proceso de alterar accidentalmente la conformación del cable del termopar. La causa más común es la difusión de partículas atmosféricas en el metal a los extremos de la temperatura de operación. Otras causas son las impurezas y los químicos del aislante difundiéndose en el cable del termopar. Si se opera a elevadas temperaturas, se deben revisar las especificaciones del aislante de la sonda. Ten en cuenta que uno de los criterios para calibrar un instrumento de medición, es que el patrón debe ser por lo menos 10 veces más preciso que el instrumento a calibrar. 42

43 Ruido La salida de un termopar es una pequeña señal, así que es susceptible de error por ruido eléctrico. La mayoría de los instrumentos de medición rechazan cualquier modo de ruido (señales que están en el mismo cable o en ambos) así que el ruido puede ser minimizado al retorcer los cables para asegurarse que ambos recogen la misma señal de ruido. Si se opera en un ambiente extremadamente ruidoso, (Ej: cerca de un gran motor), es necesario considerar usar un cable de extensión protegido. Si se sospecha de la recepción de ruido, primero se deben apagar todos los equipos sospechosos y comprobar si las lecturas cambian. Sin embargo, la solución más lógica es diseñar un filtro pasabajas (resistencia y condensador en serie) ya que es poco probable que la frecuencia del ruido (por ejemplo de un motor) sea menor a la frecuencia con que oscila la temperatura. Voltaje en Modo Común Aunque las señales del termopar son muy pequeñas, voltajes mucho más grandes pueden existir en el output del instrumento de medición. Estos voltajes pueden ser causados tanto por una recepción inductiva (un problema cuando se mide la temperatura de partes del motor y transformadores) o por las uniones a conexiones terrestres. Un ejemplo típico de uniones a tierra sería la medición de un tubo de agua caliente con un termopar sin aislamiento. Si existe alguna conexión terrestre pueden existir algunos voltios entre el tubo y la tierra del instrumento de medición. Estas señales están una vez más en el modo común (las mismas en ambos cables del termopar) así que no causarán ningún problema con la mayoría de los instrumentos siempre y cuando no sean demasiado grandes. Los voltajes del modo común pueden ser minimizados al usar los mismos recaudos del cableado establecidos para el ruido, y también al usar termopares aislados. Desviación térmica Al calentar la masa de los termopares se extrae energía que afectará a la temperatura que se trata determinar. Considérese por ejemplo, medir la temperatura de un líquido en un tubo de ensayo: existen dos problemas potenciales. El primero es que la energía del calor viajará hasta el cable del termopar y se disipará hacia la atmósfera reduciendo así la temperatura del líquido alrededor de los cables. Un problema similar puede ocurrir si un termopar no está suficientemente inmerso en el líquido, debido a un ambiente de temperatura de aire más frío en los cables, la conducción térmica puede causar que la unión del termopar esté a una temperatura diferente del líquido 43

44 mismo. En este ejemplo, un termopar con cables más delgados puede ser útil, ya que causará un gradiente de temperatura más pronunciado a lo largo del cable del termopar en la unión entre el líquido y el aire del ambiente. Si se emplean termopares con cables delgados, se debe prestar atención a la resistencia de la guía. El uso de un termopar con delgados cables conectado a un termopar de extensión mucho más gruesa a menudo ofrece el mejor resultado. Externos Cuando de sueldan dos conductores de materiales diferentes A y B y el extremo soldado se somete a una temperatura diferente a los extremos libres, se produce entre estos últimos una pequeña diferencia de voltaje que es característica del par soldado. Este par soldado se conoce como termopar y el efecto que produce el voltaje se llama efecto Peltier. Estos conductores pueden ser metálicos puros o sus aleaciones, también metaloides e incluso cerámicas especiales. Un termopar es un dispositivo capaz de convertir la energía calorífica en energía eléctrica su funcionamiento se basa en los descubrimientos hechos por Seebeck en 1821 cuando hizo circular corriente eléctrica en un circuito, formado por dos metales diferentes cuyas uniones se mantienen a diferentes temperaturas, esta circulación de corriente obedece a dos efectos termoeléctricos combinados, el efecto Peltier que provoca la liberación o absorción de calor en la unión de dos metales diferentes cuando una corriente circula atreves de la unión y el efecto Thompson que consiste en la liberación o absorción de calor cuando una corriente circula a través de un metal homogéneo en el que existe un gradiente de temperaturas. Es decir la fuerza electromotriz es proporcional a la temperatura alcanzada por la unión térmica a si mismo si se resta el calentamiento ohmico, que es proporcional al cuadrado de la corriente, queda un remanente de temperatura que en un sentido de circulación de la corriente es positivo y negativo en el sentido contrario. El efecto depende de los metales que forman la unión. La combinación de los dos efectos Peltier y Thompson, es la causa de la circulación de corriente al cerrar el circuito en el termopar, esta corriente puede calentar el termopar y afectar la precisión en la medida de la temperatura, por lo que durante la medición debe hacerse mínimo su valor. Leyes Estudios realizados sobre el comportamiento de termopares han permitido establecer tres leyes fundamentales: 1. Ley del circuito homogéneo. En un conductor metálico homogéneo no puede sostenerse la circulación de una corriente eléctrica por la aplicación exclusiva de calor. 44

45 2. Ley de los metales intermedios. Si en un circuito de varios conductores la temperatura es uniforme desde un punto de soldadura 'A' a otro 'B', la suma algebraica de todas las fuerzas electromotrices es totalmente independiente de los conductores metálicos intermedios y es la misma que si se pusieran en contacto directo 'A' y 'B'. 3. Ley de las temperaturas sucesivas. La f.e.m generada por un termopar con sus uniones a las temperaturas T1 y T3 es la suma algebraica de la f.e.m. del termopar con sus uniones a T1 y T2 y de la f.e.m. del mismo termopar con sus uniones a las temperaturas T2 y T3. Por estas leyes se hace evidente que en el circuito se desarrolla una pequeña tensión continua proporcional a la temperatura de la unión de medida, siempre que haya una diferencia de temperaturas con la unión de referencia. Los valores de esta f.e.m. están tabulados en tablas de conversión con la unión de referencia a 0ºc las cuales pondré en esta pagina Web así como las funciones poli nómicas que se pueden utilizar en lugar de las tablas para saber el valor en voltaje que entregar un termopar dependiendo de la temperatura. Los RTD son sensores de temperatura resistivos. En ellos se aprovecha el efecto que tiene la temperatura en la conducción de los electrones para que, ante un aumento de temperatura, haya un aumento de la resistencia eléctrica que presentan. Este aumento viene expresado como: Donde: R es la resistencia a una temperatura de TºC R0 es la resistencia a 0ºC T es la temperatura Este efecto suele aproximarse a un sistema de primer o segundo orden para facilitar los cálculos. Los sensores RTD suelen ir asociados a montajes eléctricos tipo Puente de Wheatstone, que responden a la variación de la resistencia eléctrica por efecto de la temperatura para originar una señal analógica de 4-20 ma que es la que se utiliza en el sistema de control correspondiente como señal de medida. Termoresistencias Platino Pt Un tipo de RTD son las Pt100 o Pt1000. Estos sensores deben su nombre al hecho de estar fabricados de platino (Pt) y presentar una resistencia de 100ohms ó 1000ohms respectivamente a 0ºC. Son dispositivos muy lineales en un gran rango de temperaturas, por lo que suele expresarse su variación como: 45

46 Donde Tª0 es una temperatura de referencia y R0 es la resistencia a esa temperatura. Tolerancias comerciales según norma IEC 751:1995 Pt100 Clase A ±0,15 ºC [ 0 ºC] ±0,06 Ω [ 0 ºC] Pt100 Clase B ±0,30 ºC [ 0 ºC] ±0,12 Ω [ 0 ºC] Un termistor es un semiconductor que varía el valor de su resistencia eléctrica en función de la temperatura, su nombre proviene de Thermally sensitive resistor (Resistor sensible a la temperatura en inglés). Existen dos clases de termistores: NTC y PTC. Termistor NTC Figura 17 Termistor Termistor NTC [editar] Un Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va decreciendo a medida que aumenta la temperatura. Son resistencias de coeficiente de temperatura negativo, constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura. Se emplean en su fabricación óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, etc. La relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial: 46

47 donde, A y B son constantes que dependen del termistor. La característica tensión-intensidad (V/I) de un termistor NTC presenta un carácter peculiar ya que, cuando las corrientes que lo atraviesan son pequeñas, el consumo de potencia (R * I2) será demasiado pequeño para registrar aumentos apreciables de temperatura, o lo que es igual, descensos en su resistencia óhmica; en esta parte de la característica, la relación tensión-intensidad será prácticamente lineal y en consecuencia cumplirá la ley de Ohm. Si seguimos aumentando la tensión aplicada al termistor, se llegará a un valor de intensidad en que la potencia consumida provocará aumentos de temperatura suficientemente grandes como para que la resistencia del termistor NTC disminuya apreciablemente, incrementándose la intensidad hasta que se establezca el equilibrio térmico. Ahora nos encontramos, pues, en una zona de resistencia negativa en la que disminuciones de tensión corresponden aumentos de intensidad. Termistor PTC Un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor va aumentando a medida que se incrementa la temperatura. Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación. El termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado alta. Las aplicaciones de un termistor PTC están, por lo tanto, restringidas a un determinado margen de temperaturas. Hasta un determinado valor de voltaje, la característica I/V sigue la ley de Ohm, pero la resistencia aumenta cuando la corriente que pasa por el termistor PTC provoca un calentamiento y se alcanza la temperatura de conmutación. La característica I/V depende de la temperatura ambiente y del coeficiente de transferencia de calor con respecto a dicha temperatura ambiente. El término bimetálico se refiere a un objeto que se componga de dos o más metales ensamblados juntos. En vez de ser una mezcla de dos o más metales, como en el caso de una aleación, los objetos bimetálicos consisten en capas de diversos metales. Trimetal y tetrametal se refieren a objetos integrados por tres y cuatro metales separados respectivamente. Los termostatos bimetálicos tanto en tiras como en discos, que convierten un cambio de temperatura en un movimiento mecánico, son los objetos bimetálicos más conocidos debido a su nombre. Están compuestos por dos capas de metales con diferentes coeficientes térmicos de expansión, por lo que al variar la temperatura tiende a flexionarse 47

48 hacia el lado de menor coeficiente de expansión. Esta disposición es utilizada en disyuntores de corriente, donde la corriente que circula por el mismo bimetal lo calienta y hace que se abra al circuito limitando la corriente máxima. Sin embargo, hay otros objetos bimetálicos comunes. Por ejemplo latas cubiertas de acero. Para disminuir el costo y evitar que la gente las derrita por su metal, las monedas se componen a menudo de un metal barato cubierto con un metal más costoso. Un tipo común de objeto trimetálico (antes de la lata de aluminio puro) era una lata estañada de acero con una tapa de aluminio. La fabricación de la tapa con aluminio permitió que fuera quitada a mano en vez de usar un abrelatas, pero estos envases resultaron difíciles de reciclar debido a su mezcla de metales. Sensores de luz Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente presente en ausencia de luz, recibe el nombre de corriente de oscuridad. Figura 18 Símbolo del fotodiodo 48

49 Principio de operación Un fotodiodo es una unión P-N o estructura P-I-N. Cuando una luz de suficiente energía llega al diodo, excita un electrón dándole movimiento y crea un hueco con carga positiva. Si la absorción ocurre en la zona de agotamiento de la unión, o a una distancia de difusión de él, estos portadores son retirados de la unión por el campo de la zona de agotamiento, produciendo una fotocorriente. Fotodiodos de avalancha Tienen una estructura similar, pero trabajan con voltajes inversos mayores. Esto permite a los portadores de carga fotogenerados el ser multiplicados en la zona de avalancha del diodo, resultando en una ganancia interna, que incrementa la respuesta del dispositivo. Composición El material empleado en la composición de un fotodiodo es un factor crítico para definir sus propiedades. Suelen estar compuestos de silicio, sensible a la luz visible (longitud de onda de hasta 1µm); germanio para luz infrarroja (longitud de onda hasta aprox. 1,8 µm ); o de cualquier otro material semiconductor. Material Longitud de onda (nm) Silicio Germanio Indio galio arsénico (InGaAs) sulfuro de plomo < Tabla 4 Composición de un fotodiodo 49

50 Figura 19 Fotodiodo También es posible la fabricación de fotodiodos para su uso en el campo de los infrarrojos medios (longitud de onda entre 5 y 20 µm), pero estos requieren refrigeración por nitrógeno líquido. Antiguamente se fabricaban exposímetros con un fotodiodo de selenio de una superficie amplia. Investigación La investigación a nivel mundial en este campo se centra (en torno a 2005) especialmente en el desarrollo de células solares económicas, miniaturización y mejora de los sensores CCD y CMOS, así como de fotodiodos más rápidos y sensibles para su uso en telecomunicaciones con fibra óptica. Desde 2005 existen también semiconductores orgánicos. La empresa NANOIDENT Technologies fue la primera en el mundo en desarrollar un fotodetector orgánico, basado en fotodiodos orgánicos. Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotorresistor, fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuyas siglas (LDR) se originan de su nombre en inglés light-dependent resistor. Un fotorresistor está hecho de un semiconductor de alta resistencia. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los fotones son absorbidos por la elasticidad del semiconductor dando a los electrones la suficiente energía para saltar la banda de 50

51 conducción. El electrón libre que resulta (y su hueco asociado) conduce electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Un dispositivo fotoeléctrico puede ser intrínseco o extrínseco. En dispositivos intrínsecos, los únicos electrones disponibles están en la banda de la valencia, por lo tanto el fotón debe tener bastante energía para excitar el electrón a través de toda la banda prohibida. Los dispositivos extrínsecos tienen impurezas agregadas, que tienen energía de estado a tierra más cercano a la banda de conducción puesto que los electrones no tienen que saltar lejos, los fotones más bajos de energía (es decir, de mayor longitud de onda y frecuencia más baja) son suficientes para accionar el dispositivo. Las células de sulfuro de cadmio; el sulfuro de cadmio o las células de sulfuro del cadmio (CdS) se basan en la capacidad del cadmio de variar su resistencia según la cantidad de luz que pulsa la célula. Cuanta más luz pulsa, más baja es la resistencia. Aunque no es exacta, incluso una célula simple de CdS puede tener una amplia gama de resistencia de cerca de 600 ohmios en luz brillante a 1 o 2 MΩ en oscuridad. Las células son también capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta (UV). Usos Se fabrican de diversos tipos. Se pueden encontrar células baratas de sulfuro del cadmio en muchos artículos de consumo, por ejemplo cámara fotográfica, medidores de luz, relojes con radio, alarmas de seguridad y sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles en función de la luz ambiente. En el otro extremo de la escala, los fotoconductores de Ge:Cu son los sensores que funcionan dentro de la gama más baja "radiación infrarroja". Figura 20 Fotorresistencia Se llama fototransistor a un transistor sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta carga de base lleva el 51

52 transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el efecto de ganancia propio del transistor. En el mercado se encuentran fototransistores tanto con conexión de base como sin ella y tanto en cápsulas plásticas como metálicas (TO-72, TO-5) provistas de una lente. Se han utilizado en lectores de cinta y tarjetas perforadas, lápices ópticos, etc., para comunicaciones con fibra óptica se prefiere usar detectores con fotodiodos p-i-n. También se pueden utilizar en la detección de objetos cercanos cuando forman parte de un sensor de proximidad. Se utilizan ampliamente encapsulados conjuntamente con un LED, formando interruptores ópticos (opto-switch), que detectan la interrupción del haz de luz por un objeto. Existen en dos versiones: de transmisión y de reflexión. Figura 21 Fototransistor Acondicionadores de señales Acondicionamiento de señales El acondicionamiento de señales es un área de la mecatrónica que se dedica al análisis y procesamiento de señales (audio, voz, imágenes, video) que son discretas. Aunque comúnmente las señales en la naturaleza nos llegan en forma analógica, también existen casos en que estas son por su naturaleza digitales, por ejemplo, las edades de un grupo de personas, el estado de una válvula en el tiempo (abierta/cerrada), etc. Se puede acondicionar una señal para obtener una disminución del nivel de ruido, para mejorar la presencia de determinados matices, como los graves o los agudos y se realiza combinando los valores de la señal para generar otros nuevos. 52

53 Protección Una protección digital es un sistema que, dependiendo de las variaciones de las señales de entrada en el tiempo y amplitud, se realiza un procesamiento matemático sobre dicha señal; generalmente mediante el uso de la transformada rápida de Fourier; obteniéndose en la salida el resultado del procesamiento matemático o la señal de salida. Las protecciones digitales tienen como entrada una señal analógica o digital y en su salida tienen otra señal analógica o digital, pudiendo haber cambiado en amplitud, frecuencia o fase dependiendo de las características de la protección digital. La protección digital es parte del procesado de señal digital. Se le da la denominación de digital más por su funcionamiento interno que por su dependencia del tipo de señal a proteger, así podríamos llamar protección digital tanto a un filtro que realiza el procesado de señales digitales como a otro que lo haga de señales analógicas. Los usos más comunes son para atenuar o amplificar algunas frecuencias, por ejemplo se puede implementar un sistema para controlar los tonos graves y agudos del audio del estéreo del auto. La gran ventaja de las protecciones digitales sobre los analógicos es que presentan una gran estabilidad de funcionamiento en el tiempo. Filtrado El filtrado digital consiste en la realización interna de un procesado de datos de entrada. El proceso de filtrado consiste en el muestreo digital de la señal de entrada, el procesamiento considerando el valor actual de entrada y considerando las entradas anteriores. El último paso es la reconstrucción de la señal de salida. En general la mecánica del procesamiento es: Tomar las muestras actuales y algunas muestras anteriores (que previamente habían sido almacenadas) para multiplicadas por unos coeficientes definidos. También se podría tomar valores de la salida en instantes pasados y multiplicarlos por otros coeficientes. Finalmente todos los resultados de todas estas multiplicaciones son sumados, dando una salida para el instante actual. El procesamiento interno y la entrada del filtro serán digitales, por lo que puede ser necesario una conversión analógica-digital o digital-analógica para uso de filtros digitales con señales analógicas. 53

54 Un tema muy importante es considerar las limitaciones del filtro de entrada debido al teorema de muestreo de Nyquist-Shannon que en pocas palabras; si quiero procesar hasta una frecuencia de 10KHz, debo muestrear a por lo menos 20 KHz. Los filtros digitales se usan frecuentemente para tratamiento digital de la imagen o para tratamiento del sonido digital. Otro ejemplo común de filtros digitales son los programas para retocar imágenes. Tipos de filtros Hay varios tipos de filtros así como distintas clasificaciones para estos filtros: De acuerdo con la parte del espectro que dejan pasar y que atenúan hay: Filtros pasa alto Filtros pasa bajo Filtros pasa banda Banda eliminada Multibanda Pasa todo Resonador Oscilador Filtro peine (Comb filter) Filtro ranura o filtro rechaza banda (Notch filter) De acuerdo con su orden: Primer orden Segundo orden De acuerdo con el tipo de respuesta ante entrada unitaria: FIR (Finite Impulse Response) IIR (Infinite Impulse Response) TIIR (Truncated Infinite Impulse Response) 54

55 De acuerdo con la estructura con que se implementa: Laticce Varios en cascada Varios en paralelo Expresión general de un filtro: Hay muchas formas de representar un filtro. Por ejemplo, en función de w (frecuencia digital), en función de z y en función de n (número de muestra). Todas son equivalentes, pero a la hora de trabajar a veces conviene más una u otra. Como regla general se suele dejar el término a 0 =1. Si se expresa en función de z y en forma de fracción: Y en dominio de n: Los coeficientes son la a y el b y son los que definen el filtro, por lo tanto, el diseño consiste en calcularlos. Ejemplo del diseño de un filtro: En primer lugar se parte de las especificaciones y basándose en éstas, se elige el tipo de filtro. En este ejemplo se parte de un filtro digital que anule las frecuencias menores a 5Hz y la de 50Hz y que no altere al resto, la frecuencia de muestreo será 1000Hz, además se quiere fase lineal. Con estas especificaciones se elige un filtro FIR. El diseño se puede hacer manualmente o con la ayuda de una computadora. En este ejemplo el método de diseño será el de Remez. En Matlab se obtienen los coeficientes que definen el filtro, que en la ecuación anterior se llaman a y b (el numerador es la variable b y el denominador solo tiene un término que es 1, como corresponde a un filtro FIR): 55

56 [n,fo,mo,w] = remezord ([ ],[ ], [ ],1000); b = remez(n,fo,mo,w) En la siguiente figura se muestra el aspecto del filtro en el centro. En la parte superior se muestra la señal que se quiere filtrar y en la parte inferior la señal filtrada (se trata de un electrocardiograma). Figura 22 Aspecto del filtro en el centro El siguiente paso es seleccionar la forma de implementarlo, es decir su estructura. Luego se elige el hardware sobre el que funcionará. Normalmente un Procesador digital de señal o una FPGA, aunque también puede ser un programa de computadora Finalmente se usan los coeficientes obtenidos y la estructura elegida para crear el programa. Señales digitales Una señal digital es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético en que cada signo que codifica el contenido de la misma puede ser analizado en término de algunas magnitudes que representan valores discretos, en lugar de valores dentro de un cierto rango. Por ejemplo, el interruptor de la luz sólo puede tomar dos valores o estados: abierto o cerrado, o la misma lámpara: encendida o apagada (véase circuito de conmutación). Los sistemas digitales, como por ejemplo la computadora usan lógica de dos estados representados por dos niveles de tensión eléctrica, uno alto, H y otro bajo, L (de High y Low, 56

57 respectivamente, en inglés). Por abstracción, dichos estados se sustituyen por ceros y unos, lo que facilita la aplicación de la lógica y la aritmética binaria. Si el nivel alto se representa por 1 y el bajo por 0, se habla de lógica positiva y en caso contrario de lógica negativa. Cabe mencionar que, además de los niveles, en una señal digital están las transiciones de alto a bajo y de bajo a alto, denominadas flanco de subida y de bajada, respectivamente. En la figura 23 se muestra una señal digital donde se identifican los niveles y los flancos. Señal digital: 1) Nivel bajo, 2) Nivel alto, 3) Flanco de subida y 4) Flanco de bajada. Es conveniente aclarar que, a pesar de que en los ejemplos señalados el término digital se ha relacionado siempre con dispositivos binarios, no significa que digital y binario sean términos intercambiables. Por ejemplo, si nos fijamos en el código Morse, veremos que en él se utilizan, para el envío de mensajes por telégrafo eléctrico, cinco estados digitales, que son: Referido a un aparato o instrumento de medida, decimos que es digital cuando el resultado de la medida se representa en un visualizador mediante números (dígitos) en lugar de hacerlo mediante la posición de una aguja, o cualquier otro indicador, en una escala. Figura 23 Señal digital: 1) Nivel bajo, 2) Nivel alto, 3) Flanco de subida y 4) Flanco de bajada. Adquisición de datos La adquisición de datos, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por una computadora (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de variables físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora o PAC. Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo o tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ). 57

58 Definiciones Dato: representación simbólica (numérica, alfabética...), atributo o característica de un valor. No tiene sentido en sí mismo, pero convenientemente tratado (procesado) se puede utilizar en la relación de cálculos o toma de decisiones. Adquisición: recogida de un conjunto de variables físicas, conversión en voltaje y digitalización de manera que se puedan procesar en una computadora Sistema: conjunto organizado de dispositivos que interactúan entre sí ofreciendo prestaciones más completas y de más alto nivel. Una vez que las señales eléctricas se transformaron en digitales, se envían a través del bus de datos a la memoria del PC. Una vez los datos están en memoria pueden procesarse con una aplicación adecuada, archivarlas en el disco duro, visualizarlas en la pantalla, etc. Bit de resolución: número de bits que el convertidor analógico a digital (ADC) utiliza para representar una señal. Rango: valores máximo y mínimo entre los que el sensor, instrumento o dispositivo funcionan bajo unas especificaciones. Teorema de Nyquist: al muestrear una señal, la frecuencia de muestreo debe ser mayor que dos veces el ancho de banda de la señal de entrada, para reconstruir la señal original de forma exacta a partir de sus muestras. En caso contrario, aparecerá el fenómeno del Aliasing que se produce al infra-muestrear. Si la señal sufre aliasing, es imposible recuperar el original. Velocidad de muestreo recomendada: 2xfrecuencia mayor (medida de frecuencia) 10xfrecuencia mayor (detalle de la forma de onda) Los componentes de los sistemas de adquisición de datos, poseen sensores adecuados que convierten cualquier parámetro de medición de una señal eléctrica, que se adquiriere por el hardware de adquisición de datos. Los datos adquiridos se visualizan, analizan, y almacenan en una computadora, ya sea utilizando el proveedor de software suministrado u otro software. Los controles y visualizaciones se pueden desarrollar utilizando varios lenguajes de programación de propósito general como VisualBASIC, C++, Fortran, Java, Lisp, Pascal. Los lenguajes especializados de programación utilizados para la adquisición de datos incluyen EPICS, utilizada en la construcción de grandes sistemas de adquisición de datos, LabVIEW, que ofrece un entorno gráfico de programación optimizado para la adquisición de datos, y MATLAB. Estos entornos de adquisición proporcionan un lenguaje de programación además de bibliotecas y herramientas para la adquisición de datos y posterior análisis. 58

59 De la misma manera que se toma una señal eléctrica y se transforma en una digital para enviarla a ala computadora, se puede también tomar una señal digital o binaria y convertirla en una eléctrica. En este caso el elemento que hace la transformación es una tarjeta o módulo de Adquisición de Datos de salida, o tarjeta de control. La señal dentro de la memoria del PC la genera un programa adecuado a las aplicaciones que quiere el usuario y luego de procesada es recibida por mecanismos que ejecutan movimientos mecánicos, a través de servomecanismos, que también son del tipo transductores. Un sistema típico de adquisición utiliza sensores, transductores, amplificadores, convertidores analógico - digital (A/D) y digital - analógico (D/A), para procesar información acerca de un sistema físico de forma digitalizada. Cómo se adquieren los datos?: La adquisición de datos se inicia con el fenómeno físico o la propiedad física de un objeto (objeto de la investigación) que se desea medir. Esta propiedad física o fenómeno podría ser el cambio de temperatura o la temperatura de una habitación, la intensidad o intensidad del cambio de una fuente de luz, la presión dentro de una cámara, la fuerza aplicada a un objeto, o muchas otras cosas. Un eficaz sistema de adquisición de datos puede medir todas estas diferentes propiedades o fenómenos. Recuerda que un transductor es un dispositivo que convierte una propiedad física o fenómeno en una señal eléctrica correspondiente medible, tal como tensión, corriente, el cambio en los valores de resistencia o condensador, etcétera. La capacidad de un sistema de adquisición de datos para medir los distintos fenómenos depende de los transductores para convertir las señales de los fenómenos físicos mesurables en la adquisición de datos por hardware. Hay transductores específicos para diferentes aplicaciones, como la medición de la temperatura, la presión, o flujo de fluidos. DAQ también despliega diversas técnicas de acondicionamiento de Señales para modificar adecuadamente diferentes señales eléctricas en tensión, que luego pueden ser digitalizados usando CED. Las señales pueden ser digitales (también llamada señales de la lógica) o analógicas en función del transductor utilizado. El acondicionamiento de señales suele ser necesario si la señal desde el transductor no es adecuado para la DAQ hardware que se utiliza. La señal puede ser amplificada o desamplificada, o puede requerir de filtrado, o un cierre patronal, en el amplificador se incluye para realizar desmodulación. Varios otros ejemplos de acondicionamiento de señales podría ser el puente de conclusión, la prestación actual de tensión o excitación al sensor, el aislamiento, linealización, etc. Este pretratamiento de la señal normalmente lo realiza un pequeño módulo acoplado al transductor. 59

60 DAQ hardware son por lo general las interfaces entre la señal y un PC. Podría ser en forma de módulos que pueden ser conectados a la computadora de los puertos (paralelo, serie, USB, etcétera..) o ranuras de las tarjetas conectadas a (PCI, ISA) en la placa madre. Por lo general, el espacio en la parte posterior de una tarjeta PCI es demasiado pequeño para todas las conexiones necesarias, de modo que una ruptura de caja externa es obligatoria. El cable entre este recuadro y el PC es cara debido a los numerosos cables y el blindaje necesario y porque es exótico. Las tarjetas DAQ a menudo contienen múltiples componentes (multiplexores, ADC, DAC, TTL-IO, temporizadores de alta velocidad, memoria RAM). Estos son accesibles a través de un bus por un micro controlador, que puede ejecutar pequeños programas. El controlador es más flexible que una unidad lógica dura cableada, pero más barato que una CPU de modo que es correcto para bloquear con simples bucles de preguntas. Driver software normalmente viene con el hardware DAQ o de otros proveedores, y permite que el sistema operativo pueda reconocer el hardware DAQ y dar así a los programas acceso a las señales de lectura por el hardware DAQ. Un buen conductor ofrece un alto y bajo nivel de acceso. Ejemplos de Sistemas de adquisición y control: DAQ para recoger datos (datalogger) medioambientales (energías renovables e ingeniería verde). DAQ para audio y vibraciones (mantenimiento, test). DAQ + control de movimiento (corte con laser). DAQ + control de movimiento+ visión artificial (robots modernos). Ventajas: Flexibilidad de procesamiento, posibilidad de realizar las tareas en tiempo real o en análisis posteriores (con el fin de analizar los posibles errores) Gran capacidad de almacenamiento Rápido acceso a la información y toma de decisión, se adquieren gran cantidad de datos para analizar Posibilidad de emular una gran cantidad de dispositivos de medición y activar varios instrumentos al mismo tiempo Facilidad de automatización 60

61 Se utiliza en la industria, la investigación científica, el control de máquinas y de producción, la detección de fallas y el control de calidad entre otras aplicaciones. Ejemplo 1 Un tipo de ejercicio de adquisición: Tenemos 300 señales a monitorizar. Todas ellas de 4 bytes y queremos guardar la información de todo el proceso cada segundo. Qué capacidad ha de tener el disco duro del PC servidor para tener un histórico de todo un año?' 300segundo * 4bytes = 1200bytes * segundo 3600 * 24 * 365 = * = 37.8GB Deberíamos tener una capacidad de 3ci7.8GB. Pero teniendo en cuenta que siempre se tiene que tener una copia de seguridad, esta capacidad la tendremos que multiplicar por dos y eso nos daría 75.7GB. Ejemplo 2 En un sistema de adquisición de datos entran 210 señales por segundo, de 8 bytes cada una. Qué capacidad ha de tener el disco duro del PC servidor para tener un histórico de todo un mes? 210segundo * 8bytes = 1680bytes * segundo 3600 * 24 * 30 = * = 4.35gigabytes Sistemas de presentación de datos Dispositivos para presentación visual Los dispositivos para presentación visual, son comúnmente llamados visualizadores o displays en inglés, estos son los dispositivos de ciertos aparatos electrónicos que permiten mostrar información al usuario, creados a partir de la aparición de calculadoras, cajas registradoras e instrumentos de medida electrónicos en los que era necesario hacerlo. Los primeros dispositivos para presentación visual, similares a los de los ascensores, se construían con lámparas que iluminaban las leyendas. Al permitir mostrar distintas informaciones, ya se puede hablar con propiedad de visualizadores. 61

62 Un tubo Nixie es semejante a una lámpara de neón pero con varios ánodos que tienen la forma de los símbolos que se quiere representar. Otro avance fue la invención del visualizador de 7 segmentos. Figura 24 Tubo Nixie. Elementos para la presentación de datos En el contexto de la informática, los elementos para la presentación de datos son una colección de información orientada a un determinado ámbito (empresa, organización, etc.), integrado, no volátil y variable en el tiempo, que ayuda a la toma de decisiones en la entidad en la que se utiliza. Se trata, sobre todo, de un expediente completo de una organización, más allá de la información transaccional y operacional, almacenado en una base diseñada para favorecer el análisis y la divulgación eficiente de datos (especialmente OLAP, procesamiento analítico en línea). La presentación no debe usarse con datos de uso actual. Los almacenes de datos contienen a menudo grandes cantidades de información que se subdividen a veces en unidades lógicas más pequeñas dependiendo del subsistema de la entidad del que procedan o para el que sea necesario. En un almacén de datos lo que se quiere es contener datos que son necesarios o útiles para una organización, es decir, que se utiliza como un repositorio de datos para posteriormente transformarlos en información útil para el usuario. Un almacén de datos debe entregar la información correcta a la gente indicada en el momento óptimo y en el formato adecuado. El almacén de datos da respuesta a las necesidades de usuarios expertos, utilizando Sistemas de Soporte a Decisiones (DSS), Sistemas de información ejecutiva (EIS) o herramientas para hacer consultas o informes. Los usuarios finales pueden hacer fácilmente consultas sobre sus almacenes de datos sin tocar o afectar la operación del sistema. 62

63 En el funcionamiento de un almacén de los datos son muy importantes las siguientes ideas: Integración de los datos provenientes de bases de datos distribuidas por las diferentes unidades de la organización y que con frecuencia tendrán diferentes estructuras (fuentes heterogéneas). Se debe facilitar una descripción global y un análisis comprensivo de toda la organización en el almacén de datos. Separación de los datos usados en operaciones diarias de los datos usados en el almacén de datos para los propósitos de divulgación, de ayuda en la toma de decisiones, para el análisis y para operaciones de control. Ambos tipos de datos no deben coincidir en la misma base de datos, ya que obedecen a objetivos muy distintos y podrían entorpecerse entre sí. Periódicamente, se importan datos al almacén de datos de los distintos sistemas de planeamiento de recursos de la entidad (ERP) y de otros sistemas de software relacionados con el negocio para la transformación posterior. Es práctica común normalizar los datos antes de combinarlos en el almacén de datos mediante herramientas de extracción, transformación y carga (ETL). Estas herramientas leen los datos primarios (a menudo bases de datos OLTP de un negocio), realizan el proceso de transformación al almacén de datos (filtración, adaptación, cambios de formato, etc.) y escriben en el almacén. Visualizadores Tipos de visualizador Visualizador de segmentos En un visualizador de siete segmentos se representan los dígitos 0 a 9 iluminando los segmentos adecuados. También suelen contener el punto o la coma decimal. A veces se representan también algunos caracteres como la "E" (Error), "b" o "L" (Low Battery), etc., pero para representar los caracteres alfabéticos se introdujo el visualizador de 14 segmentos. El visualizador de 14 segmentos tuvo éxito reducido y sólo existe de forma marginal debido a la competencia de la matriz de 5x7 puntos. Los visualizadores de segmentos se fabrican en diversas tecnologías: Incandescencia, de cátodo frío, LED, cristal líquido, fluorescente, etc. 63

64 Figura 25 Display VFD Visualizador de matriz Visualizadores de incandescencia, la matriz de 5x7 permite representar letras mayúsculas y minúsculas, signos de puntuación y caracteres especiales con un grado de legibilidad excelente. No es nueva y ya en los años 1940 se podía ver mostrando leyendas publicitarias. Estaban fabricadas con lámparas de incandescencia. Actualmente se fabrican con LED y LCD. A las matrices de 5x7 siguen las líneas de caracteres, principalmente LCD y VFD, presentándose en múltiples formatos, de una a cuatro líneas de ocho a cuarenta caracteres. Matriz gráfica. Consiste en una matriz más grande, que puede representar tanto caracteres como gráficos. Se fabrican en LCD y VFD. Las matrices de LED están constituidas por un mosaico de visualizadores más pequeños (8x8, normalmente). Pueden ser multicolores (Rojo-Naranja-Verde o Rojo-Verde-Azul), encontrando su utilidad en vallas publicitarias, campos de fútbol, etc. 64

65 Figura 26 Visualizadores de incandescencia. Visualizador electromecánico Los problemas de los primeros visualizadores para su uso a la intemperie: falta de luminosidad y fragilidad condujeron al desarrollo de otros tipos de visualizador, en los que se mueve mecánicamente alguna pieza que oculta o muestra un símbolo o leyenda. Pertenecen a este tipo los visualizadores "de cortinilla", que constan de un motor paso a paso que va pasando las "hojas" que contienen distintas leyendas hasta llegar al mensaje deseado. Gozó de gran popularidad en aeropuertos, estaciones de tren y autobuses, etc. Pero la dificultad para cambiar los mensajes significó su fin cuando se pudo disponer de alternativas en otras tecnologías. Otro visualizador mecánico, que se ve como siete segmentos y como matriz consiste en segmentos o puntos fluorescentes sobre láminas que pueden girar para ponerse perpendiculares mediante la acción de un electroimán. Presenta la ventaja de que son visibles a plena luz solar y sólo consumen en el cambio de estado. Visualizador de proyección Despiece de un visualizador de proyección. Se pueden apreciar las bombillas, grupos de lentes, película conteniendo los dígitos y diafragmas. Consisten en una matriz de lámparas, de las que se ilumina sólo una cada vez. La luz se dirige a un condensador que la proyecta sobre una película que contiene los símbolos que se quiere representar. Después otro grupo de lentes enfoca la imagen sobre una pantalla translúcida, que se hacen visibles en su cara posterior. Como norma general el número de imágenes está limitado a doce y no se pueden cambiar, salvo que se desmonte la unidad y se cambie la película. 65

66 En la siguiente figura se pueden apreciar las bombillas, grupos de lentes, película conteniendo los dígitos y diafragmas Figura 27 Despiece de un visualizador de proyección.. Visualizador fluorescente de vacío: Consisten en una ampolla de vidrio que contiene uno o varios filamentos que actúan de cátodo, varios ánodos recubiertos de fósforo y una rejilla por carácter. Al polarizar positivamente los ánodos y las rejillas, los electrones emitidos por cátodo alcanzan un ánodo, que se ilumina. Dependiendo del modelo, funcionan con tensiones de alimentación de rejillas y ánodos a partir de 12V Control en lazo cerrado Procesos continuos y discretos Los procesos continuos y discretos son los aspectos fundamentales de un sistema para decidir la mejor estrategia de control en el mismo. La controlabilidad es la posibilidad de llevar el sistema a un estado particular usando una señal de control adecuada. Si un estado no es controlable, entonces ninguna señal de control aplicada podrá nunca llevar al sistema hasta un estado controlable. Por otra parte, la observabilidad es la posibilidad de "adivinar", mediante la observación de las señales de entrada y salida del sistema, el estado interno del sistema. Es decir, si el sistema se encuentra en un estado no observable, el controlador no será capaz de corregir el comportamiento en lazo cerrado si dicho estado no es deseable. Si se estudian los estados de cada variable del sistema que se va a controlar, cada estado "malo" (desde el punto de vista del control) de dichas variables debe ser controlable y 66

67 observable para asegurar un funcionamiento correcto del sistema en bucle cerrado. Matemáticamente, si alguno de los autovalores del sistema no es, a la vez, continuo y discreto, su efecto en la dinámica del sistema se mantendrá inalterado en el control en lazo cerrado que implementemos. Si dicho autovalor es inestable, su dinámica afectará al sistema en lazo cerrado y lo hará inestable. Los polos no observables no están presentes en la función de transferencia de una representación en el espacio de estados, por lo que a veces se prefieren en el análisis de sistemas dinámicos. Si un polo no observable es inestable, entonces inestabiliza el sistema y, tanto si dicho polo es controlable como si no lo es, el sistema no se podrá estabilizar (debido a que no se puede actuar sobre el polo por no ser observable). En resumen, un sistema sólo será controlable cuando todos los polos inestables del mismo sean a la vez procesos continuos y discretos. La solución a problemas de control de sistemas no controlables o no observables suele incluir la adición de actuadores y sensores. Modos de control La tendencia moderna en los sistemas de ingeniería es hacia una mayor complejidad, debido principalmente a los requerimientos de las tareas complejas y la elevada precisión. Los sistemas complejos pueden tener entradas y salidas múltiples y pueden variar en el tiempo. Debido a la necesidad de alcanzar los requerimientos cada vez más restrictivos en el desempeño de los sistemas de control, al aumento en la complejidad del sistema y a un acceso fácil a las computadoras de gran escala, aproximadamente desde 1960 se ha desarrollado la teoría de control moderna, que es un nuevo enfoque del análisis y diseño de sistemas de control complejos. Este enfoque nuevo se basa en el concepto de estado. Cada sistema de control debe garantizar en primer lugar la estabilidad del comportamiento en lazo cerrado. En los sistemas lineales, esto se puede conseguir directamente mediante asignación de los polos. En los sistemas no lineales hay que recurrir a teorías específicas, habitualmente basadas en la Teoría de Aleksandr Lyapunov para asegurar la estabilidad sin tener en cuenta la dinámica interna del sistema. En función de la especificación de requisitos del sistema (es decir, de las condiciones que deseamos imponer a la salida) se debe escoger una estrategia de control u otra. A continuación se presentan las técnicas de control más habituales: Reguladores PID: Proporcional integral derivativo: El regulador PID probablemente sea el diseño de control más empleado, por ser el más sencillo. "PID" son las siglas de Proporcional-Integral-Derivativo, y se refiere a los tres 67

68 términos que operan sobre la señal de error para producir una señal de control. Si u(t) es la señal de control que se envía al sistema, y(t) es la medición que se hace de la señal de salida y r(t) es la salida deseada, el error se define como e(t) = r(t) y(t) y un regulador PID toma el aspecto El primer sumando aplica una señal proporcional al error. El segundo evalúa cual ha sido la evolución del error, y cobra más importancia cuando el error cometido es pequeño pero constante., El tercero término evalúa cual será la tendencia, y cobra más importancia cuando el error cometido se produce por instantes. La dinámica deseada en lazo cerrado se obtiene ajustando los tres parámetros KP, KI y KD. Este ajuste a menudo se hace iterando de manera empírica y sin conocimiento previo del modelo del sistema. A menudo se puede asegurar la estabilidad usando únicamente el término proporcional. Los reguladores PID son la clase más usada de sistemas de control: sin embargo no se pueden usar en varios casos más complicados, especialmente si se consideran sistemas MIMO (Múltiple Input Múltiple Output, múltiples entradas y salidas). Asignación del lugar de los polos: Espacio de estado (control) En los sistemas MIMO (múltiples entradas y salidas) se pueden asignar los lugares de los polos matemáticamente, usando una representación del espacio de estados del sistema en lazo abierto y calculando una matriz de realimentación que asigne a los polos sus posiciones deseadas. En sistemas complicados puede ser necesaria una computadora con capacidad de cálculo, y no siempre se puede asegurar la robustez de la solución. Más aún, en general no se miden todos los estados del sistema y por lo tanto se deben incorporar observadores al diseño del lugar de los polos. Control óptimo El control óptimo es una técnica particular de control en la que la señal de control intenta optimizar una determinada función de coste: por ejemplo, en el caso de un satélite, el valor de flujo de los cohetes que permitan llevarlo a la trayectoria deseada con el mínimo consumo de combustible. En las aplicaciones industriales se han usado dos métodos de diseño de control óptimo, ya que se ha demostrado que pueden garantizar estabilidad en lazo cerrado. Son el Control por Modelo Predictivo (MPC) y el Control Gaussiano Lineal Cuadrático (LQG). El primero permite tomar en consideración restricciones aplicables a las señales del sistema, que en muchos procesos industriales es un requisito decisivo. Junto con los reguladores PID, los sistemas MPC son la técnica más usada en el control de procesos. 68

69 Modos de dos posiciones En un sistema de control de dos posiciones, el elemento de actuación solo tiene dos posiciones fijas que, en muchos casos, son simplemente encendidos y apagados. El control de dos posiciones extendido en sistemas de control tanto industriales como domésticos. Ventajas: Es relativamente simple y barato Solo tiene dos posiciones, encendido y apagado Controlador PID Control proporcional-integral-derivativo (PID), supongamos un sistema realimentado en forma canónica, es decir, con realimentación unitaria, una de las estructuras de controladores más populares se denomina Controlador PID en atención a utilizar acciones de tipo Proporcional, Integral y Derivativo. Todos los métodos de diseño conducen a determinar los valores de Kp, Ti y Td que hacen que el sistema de lazo cerrado tenga la respuesta adecuada, medida en términos del cumplimiento de las especificaciones de diseño (error en régimen permanente, velocidad de respuesta permanente.tp, tr, ts- y sobreimpulso). El Método de Ziegler-Nichols, indica que inicialmente se deben anular las acciones integral (Ti=infinito) y derivativa (Td=0). Luego incrementar gradualmente Kp hasta que el sistema justo comience a oscilar. Este punto de inestabilidad es denominado la "última ganancia" Pu y "último período" Tu. A partir de estos valores, se pueden ajustar las ganancias del controlador PID para cada una de sus diversas modalidades Lógica digital y Microprocesadores Compuertas lógicas Una puerta lógica o compuerta lógica, es un dispositivo electrónico que es la expresión física de un operador booleano en la lógica de conmutación. Cada puerta lógica consiste en una red de dispositivos interruptores que cumple las condiciones booleanas para el operador particular. Son esencialmente circuitos de conmutación integrados en un chip. Claude Elwood Shannon experimentaba con relés o interruptores electromagnéticos para conseguir las condiciones de cada compuerta lógica, por ejemplo, para la función booleana Y 69

70 (AND) colocaba interruptores en circuito serie, ya que con uno solo de éstos que tuviera la condición «abierto», la salida de la compuerta Y sería = 0, mientras que para la implementación de una compuerta O (OR), la conexión de los interruptores tiene una configuración en circuito paralelo. La tecnología microelectrónica actual permite la elevada integración de transistores actuando como conmutadores en redes lógicas dentro de un pequeño circuito integrado. El chip de la CPU es una de las máximas expresiones de este avance tecnológico. En nanotecnología se está desarrollando el uso de una compuerta lógica molecular, que haga posible la miniaturización de circuitos. Lógica secuencial A diferencia de los sistemas combinacionales, en los sistemas secuenciales los valores de las salidas, en un momento dado, no dependen exclusivamente de los valores de las entradas en dicho momento, sino también de los valores anteriores. El sistema secuencial más simple es el biestable. La mayoría de los sistemas secuenciales están gobernados por señales de reloj. A estos se los denomina "síncronos" o "sincrónicos", a diferencia de los "asíncronos" o "asincrónicos" que son aquellos que no son controlados por señales de reloj. Los principales sistemas secuenciales que pueden encontrarse en forma de circuito integrado o como estructuras en sistemas programados SON: Contador Registros En todo sistema secuencial nos encontraremos con: a) Un conjunto finito, n, de variables de entrada (X1, X2,..., Xn). b) Un conjunto finito, m, de estados internos, de aquí que los estados secuenciales también sean denominados autómatas finitos. Estos estados proporcionarán m variables internas (Y1,Y2,..., Ym). c) Un conjunto finito, p, de funciones de salida (Z1, Z2,..., Zp). Dependiendo de cómo se obtengan las funciones de salida, Z, los sistemas secuenciales pueden tener dos estructuras como las que se observan el la siguiente figura, denominadas autómata de Moore, a), y autómata de Mealy, b). 70

71 Figura 28 Estructuras de bloque de un autómata de Moore, a), y un autómata de Mealy, b) Estructura de una microcomputadora Una microcomputadora es una computadora que tiene un microprocesador (unidad central de procesamiento). Generalmente, el microprocesador tiene los circuitos de almacenamiento (o memoria caché) y entrada/salida en el mismo circuito integrado (o chip). El primer microprocesador comercial fue el Intel 4004, que salió el 15 de noviembre de Desde el lanzamiento de la computadora personal de IBM, el IBM PC, el término computadora personal se aplica a las microcomputadora orientados a los consumidores. La primera generación de microcomputadora fue conocida también como computadoras domésticas. Fue el lanzamiento de la hoja de cálculo VisiCalc lo que hizo que los microcomputadoras dejasen de ser un pasatiempo para los aficionados de la informática para convertirse en una herramienta de trabajo. Sus principales características son: Velocidad de procesamiento: Decenas de millones de instrucciones por segundo. Usuario a la vez: Uno (Por eso se llaman Personales). Tamaño: Pequeña, o portátiles. Facilidad de uso: Supuestamente fáciles de usar. Clientes usuales: Pequeñas empresas, oficinas, escuelas, individuos. Penetración social: Mediana. Impacto social: Alto, en los países industrializados. Parque instalado: Cientos de millones en el mundo. Costo: Pocos cientos de dólares estadounidenses. peso: 2 Kg aproximadamente 71

72 Microcontroladores ORGANISMO PÚBLICO DESCENTRALIZADO DEL GOBIERNO FEDERAL Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y Unidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en un solo circuito integrado. Figura 29 Microcontrolador Motorola 68HC11 Son diseñados para disminuir el costo económico y el consumo de energía de un sistema en particular. Por eso el tamaño de la CPU, la cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la aplicación. El control de un electrodoméstico sencillo como una batidora, utilizará un procesador muy pequeño (4 u 8 bit) por que sustituirá a un autómata finito. En cambio un reproductor de música y/o vídeo digital (mp3 o mp4) requerirá de un procesador de 32 bit o de 64 bit y de uno o más Códec de señal digital (audio y/o vídeo). El control de un sistema de frenos ABS (Antilock Brake System) se basa normalmente en un microcontrolador de 16 bit, al igual que el sistema de control electrónico del motor en un automóvil. Los microcontroladores representan la inmensa mayoría de los chips de computadoras vendidos, sobre un 50% son controladores "simples" y el restante corresponde a DSPs más especializados. Mientras se pueden tener uno o dos microprocesadores de propósito general en casa (vd. está usando uno para esto), usted tiene distribuidos seguramente entre los electrodomésticos de su hogar una o dos docenas de microcontroladores. Pueden encontrarse en casi cualquier dispositivo electrónico como automóviles, lavadoras, hornos microondas, teléfonos, etcétera. Un microcontrolador difiere de una CPU normal, debido a que es más fácil convertirla en una computadora en funcionamiento, con un mínimo de chips externos de apoyo. La idea es que el chip se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de información que necesite, y eso es todo. Un microprocesador tradicional no le permitirá hacer esto, ya que 72

73 espera que todas estas tareas sean manejadas por otros chips. Hay que agregarle los módulos de entrada/salida (puertos) y la memoria para almacenamiento de información. Por ejemplo, un microcontrolador típico tendrá un generador de reloj integrado y una pequeña cantidad de memoria RAM y ROM/EPROM/EEPROM/FLASH, significando que para hacerlo funcionar, todo lo que se necesita son unos pocos programas de control y un cristal de sincronización. Los microcontroladores disponen generalmente también de una gran variedad de dispositivos de entrada/salida, como convertidores de analógico a digital, temporizadores, UARTs y buses de interfaz serie especializados, como I2C y CAN. Frecuentemente, estos dispositivos integrados pueden ser controlados por instrucciones de procesadores especializados. Los modernos microcontroladores frecuentemente incluyen un lenguaje de programación integrado, como el BASIC que se utiliza bastante con este propósito. Los microcontroladores negocian la velocidad y la flexibilidad para facilitar su uso. Debido a que se utiliza bastante sitio en el chip para incluir funcionalidad, como los dispositivos de entrada/salida o la memoria que incluye el microcontrolador, se ha de prescindir de cualquier otra circuitería. Figura Sistemas de entrada/salida Interfases En el Lenguaje de programación C++, una interfaz de personas es la parte del interfaz informático que permite la circulación correcta y sencilla de información entre varias aplicaciones y entre el propio programa y el monousuario. Metafóricamente se entiende la Interfaz como una conversación entre el usuario y la tarjeta madre (o entre el usuario y el diseñador de la misma): durante muy pocos años se vio a la interacción como una charla 73

74 hombre-pc (para trabajar con una interfase alfa era necesario conocer el "lenguaje" de las tarjetas conectadas en serie). Desde una perspectiva semiótica, los usuarios no dialogan con el sistema sino con su creador por medio de un complejo juego de estrategias (del diseñador y del usuario). Puede definirse como el conjunto de comandos y/o métodos que permiten la intercomunicación del programa con cualquier otro programa o entre partes (módulos) del propio programa o elemento interno o externo. De hecho, los periféricos son controlados por interfases. Si extrapoláramos este concepto a la vida real, podríamos decir que el teclado de un teléfono sería una interfaz de usuario, mientras que la clavija sería la interfaz que permite al teléfono comunicarse con la central telefónica. En programación de computadoras también se habla de interfaz gráfica de usuario, que es un método para facilitar la interacción del usuario con la computadora a través de la utilización de un conjunto de imágenes y objetos pictóricos (iconos, ventanas), además de texto. En electrónica, telecomunicaciones y hardware, una interfaz (electrónica) es el puerto (circuito físico) a través del que se envían o reciben señales desde un sistema o subsistemas hacia otros. No existe un interfaz universal, sino que existen diferentes estándares (Interfaz USB, interfaz SCSI, etc.) que establecen especificaciones técnicas concretas (características comunes), con lo que la interconexión sólo es posible utilizando el mismo interfaz en origen y destino. En materia de hardware encontramos términos que se refieren a las interfases: puerto, puerto de datos, bus, bus de datos, slot, slot de expansión. También, en materia de hardware se considera interfaz al medio mediante el cual un disco duro se comunica con los demás componentes de la computadora puede ser IDE, SCSI, USB o Firewire. Puertos de entrada/salida En computación, un puerto es una forma genérica de denominar a una interfaz por la cual diferentes tipos de datos pueden ser enviados y recibidos. Dicha interfaz puede ser física, o puede ser a nivel software. Puerto serie (o serial) Un puerto serie es una interfaz de comunicaciones entre computadoras y periféricos en donde la información es transmitida bit a bit enviando un sólo bit a la vez (en contraste con el puerto paralelo que envía varios bits a la vez). 74

75 El puerto serie por excelencia es el RS-232 que utiliza cableado simple desde 3 hilos hasta 25 y que conecta computadoras o microcontroladores a todo tipo de periféricos, desde terminales a impresoras y módems pasando por ratones. La interfaz entre el RS-232 y el microprocesador generalmente se realiza mediante el integrado 82C50. El RS-232 original tenía un conector tipo D de 25 pines, sin embargo la mayoría de dichos pines no se utilizaban, por lo que IBM incorporó desde su PS/2 un conector más pequeño de solamente 9 pines que es el que actualmente se utiliza. En Europa la norma RS-422 de origen alemán es también un estándar muy usado en el ámbito industrial. Uno de los defectos de los puertos serie iniciales era su lentitud en comparación con los puertos paralelos, sin embargo, con el paso del tiempo, están apareciendo multitud de puertos serie con una alta velocidad que los hace muy interesantes ya que tienen la ventaja de un menor cableado y solucionan el problema de la velocidad con un mayor apantallamiento; son más baratos ya que usan la técnica del par trenzado; por ello, el puerto RS-232 e incluso multitud de puertos paralelos están siendo reemplazados por nuevos puertos serie como el USB, el Firewire o el Serial ATA. Los puertos serie sirven para comunicar a la computaora con la impresora, el ratón o el módem; Sin embargo, específicamente, el puerto USB sirve para todo tipo de periféricos, desde ratones, discos duros externos, hasta conexión bluetooth. Los puertos SATA (Serial ATA): tienen la misma función que los IDE, (a éstos se conecta, la disquetera, el disco duro, lector/grabador de CDs y DVDs) pero los SATA cuentan con mayor velocidad. Un puerto de red puede ser puerto serie o puerto paralelo. PCI - Peripheral Component Interconnect Puertos PCI (Peripheral Component Interconnect): son ranuras de expansión en las que se puede conectar tarjetas de sonido, de vídeo, de red etc. El slot PCI se sigue usando hoy en día y podemos encontrar bastantes componentes (la mayoría) en el formato PCI.) Dentro de los slots PCI está el PCI-Express. Los componentes que suelen estar disponibles en este tipo de slot son: Capturadoras de televisión Controladoras RAID Tarjetas de red, inalámbricas o no. Tarjetas de sonido PCI-Express PCI-Express (anteriormente conocido por las siglas 3GIO, 3rd Generation I/O) es un nuevo desarrollo del bus PCI que usa los conceptos de programación y los estándares de 75

76 comunicación existentes, pero se basa en un sistema de comunicación serie mucho más rápido que PCI y AGP. Este sistema es apoyado principalmente por Intel, que empezó a desarrollar el estándar con nombre de proyecto Arapahoe después de retirarse del sistema Infiniband. Tiene velocidad de 16x (8GB/s) y es utilizado en tarjetas gráficas. Además de todo esto el 501 se pueden poner las tarjetas graficas Puertos de memoria A estos puertos se conectan las tarjetas de memoria RAM. Los puertos de memoria, son aquellos puertos en donde puedes agrandar o extender la memoria de tu computadora. Existen diversas capacidades de memorias RAM, por ejemplo, aquellas de 256MB (Megabytes) o algunas de hasta 4GB (Gigabytes), entre más grande, más almacenamiento tiene la computadora. El almacenamiento de la memoria RAM, es para que el sistema tenga rápidamente datos solicitados o programas, la RAM no se tiene que confundir con el disco duro, el disco duro una vez apagada la computadora no pierde los datos, mientras que la RAM al apagar la computadora éstos se borran completamente, la RAM fue diseñada por que el acceso a ella es más rápido que el disco duro lo que hace que la computadora sea más rápida pudiendo ejecutar una mayor cantidad de procesos. Puerto de rayos infrarrojos En este tipo de puertos, puede haber de alta velocidad, los infrarrojos sirven para conectarse con otros dispositivos que cuenten con infrarrojos sin la necesidad de cables, los infrarrojos son como el Bluetooth. La principal diferencia es que la comunicación de Infrarrojos usa como medio la luz, en cambio el Bluetooth, utiliza ondas de radio frecuencia. Especificaciones: para pasar la información por medio de infrarrojos se necesita colocar los infrarrojos pegados uno con el otro y así mantenerlos hasta que todos los datos se pasen de un puerto infrarrojo al otro, esto lleva un poco más de tiempo que si lo hiciéramos con el bluetooth. Muchas computadoras cuentan con un puerto de rayos infrarrojos de alta velocidad, que agiliza que los archivos, datos, imágenes, etc. se pasen más rápido. Puerto USB USB (Universal Serial Bus) [editar]permite conectar hasta 127 dispositivos y ya es un estándar en las computadoras de última generación, que incluyen al menos dos puertos USB 1.1, o puertos USB 2.0 en los más modernos. Otras ventajas que ofrece este puerto Es totalmente Plug & Play, es decir, con sólo conectar el dispositivo y en caliente (con la computadora encendida), el dispositivo es reconocido e instalado de manera inmediata. 76

77 Sólo es necesario que el Sistema Operativo lleve incluido el correspondiente controlador o driver, Posee una alta velocidad en comparación con otro tipo de puertos, USB 1.1 alcanza los 12 Mb/s y hasta los 480 Mb/s (60 MB/s) para USB 2.0, mientras un puerto serie o paralelo tiene una velocidad de transferencia inferior a 1 Mb/s. El puerto USB 2.0 es compatible con los dispositivos USB 1.1 El cable USB permite también alimentar dispositivos externos a través de él, el consumo máximo de este controlador es de 5 voltios. Los dispositivos se pueden dividir en dispositivos de bajo consumo (hasta 100 ma) y dispositivos de alto consumo (hasta 500 ma) para dispositivos de más de 500 ma será necesario alimentación externa. Puertos Físicos Los puertos físicos, son aquellos como el puerto "paralelo" de una computadora. En este tipo de puertos, se puede llegar a conectar: un monitor, la impresora, el escáner, etc. Ya que estos artículos cuentan con un puerto paralelo para la computadora, con el cual se puede conectar y empezar su labor. En si el puerto paralelo es una conexión más para la impresora Adaptador de interfaz para dispositivos periféricos Se denominan periféricos tanto a las unidades o dispositivos a través de los cuales la computadora se comunica con el mundo exterior, como a los sistemas que almacenan o archivan la información, sirviendo de memoria auxiliar de la memoria principal. Son un conjunto de dispositivos que, sin pertenecer al núcleo fundamental de la computadora, formado por la CPU y la memoria central, permitan realizar operaciones de entrada/salida (E/S) complementarias al proceso de datos que realiza la CPU. Estas tres unidades básicas en un computador, CPU, memoria central y El subsistema de E/S, están comunicadas entre sí por tres buses o canales de comunicación: El bus de direcciones, para seleccionar La dirección Del dato o Del periférico AL que se quiere acceder, El bus de control, básicamente para seleccionar La operación a realizar sobre El dato (principalmente lectura, escritura o modificación) y El bus de datos, por donde circulan los datos. El teclado y el monitor, imprescindibles en cualquier computadora personal de hoy en día (no lo fueron en las primeras computadoras), son posiblemente los periféricos más comunes, y es posible que mucha gente no los considere como tal debido a que generalmente se toman como parte necesaria de una computadora. El mouse es posiblemente el ejemplo más claro de este aspecto. Hace menos de 20 años no todos las computadora personales incluían este dispositivo. 77

78 El sistema operativo MS-DOS, el más común en esa época, tenía una interfaz de línea de comandos para la que no era necesaria el empleo de un mouse, todo se hacía mediante comandos de texto. Fue con la popularización de Finder, sistema operativo de Macintosh de Apple y la posterior aparición de Windows cuando el mouse comenzó a ser un elemento imprescindible en cualquier hogar dotado de una computadora personal. Actualmente existen sistemas operativos con interfaz de texto que tampoco hacen uso del mouse como, por ejemplo, algunos sistemas básicos de UNIX y Linux Sistemas de comunicación Comunicaciones digitales Sabías que actualmente un 90 por ciento de las empresas utilizan los canales digitales como principal herramienta de relación con sus clientes? Si en 2006, un 72.8 por ciento de las empresas disponía de página Web propia, en 2007 esta cifra se sitúa en un 90.1 por ciento. Aún con la importancia de las páginas Web, el teléfono tiene un espacio definitorio en lo que a la comunicación digital se refiere, aunque la tendencia se marca a la baja, no se debe dejar de reconocer la importancia del teléfono, que aún se encuentra muy arraigado para su uso como herramienta de comunicación con los clientes; se ha convertido en una herramienta más dentro de todos los canales de marketing y no en un elemento exclusivo como venía siendo hasta ahora. Así como el contacto a través de páginas Web se va haciendo una herramienta sumamente importante, lo mismo ocurre con el correo electrónico, la herramienta preferida por las empresas a la hora de diseñar sus campañas de marketing, de hecho, el 92.8 por ciento de las empresas hacen uso activo del , mientras que el año pasado, sólo se alcanzó el 79.5 por ciento. En una economía globalizada, los directivos de las empresas deberán adoptar estrategias que integren a los medios de comunicación digitales, ya que al no contar con una barrera física pueden ser usados de manera global y con un bajo costo de inversión comparado con la publicidad tradicional, que genera gastos por cada punto geográfico al que se quiera llegar. La Web no tiene barreras de entrada muy altas para quienes deseen participar en ella. El ritmo de crecimiento en la red no tiene comparación en la historia de la comunicación: el número de usuarios se duplica cada 10 meses. Solamente en el año 2003 se superaron ya los 500 millones de personas conectadas a la Web. La economía digital ofrece nuevas formas para crear negocios, que se caracterizan por la descentralización de estructuras, la presencia ya no solo física de las empresas sino con diferentes oficinas virtuales. La economía actual, basada en medios digitales, se aprovecha de la falta de intermediarios que ofrece la Web para negociar y se replantean las operaciones Business to Business y Business to Consumer; al mismo tiempo que cambian la forma de 78

79 manejar la comunicación interna, logística de atención al cliente, investigación de mercados y muy especialmente la publicidad y el marketing. La gestión de los proyectos de comunicación digitales son herramientas estratégicas que permiten a las marcas posicionar de mejor manera sus productos y servicios, así como la imagen que se asocia con ellas. Los medios online han llevado a las empresas a tener una nueva manera de relacionarse con sus clientes, proveedores y el público en general, y hasta con su competencia, ya que abriendo los canales de comunicación adecuados se crea una competencia más abierta donde no importen las erogaciones en materia publicitaria, sino la creatividad y las relaciones que se creen entre empresas y clientes. Esto hace que se cree una nueva manera de hacer publicidad y relaciones publicas, usando los nuevos canales informativos, dando una nueva mística al enfoque de dirigirse en los medios digitales Las nuevas estrategias de comunicación de las empresas deben aglutinar la información para medios tradicionales, así como desarrollar nuevos proyectos para los medios digitales, que incluyan un perfil multimedia y un toque personalizado de lo que se quiere lograr y hasta dónde se quiere llegar con estos medios, ya que al integrar este tipo de comunicación a la convencional se podría decir que la empresa que comunica a través de los medios digitales se vuelve un medio por sí sola. Otra herramienta que se puede usar son los blogs, con más de diez años de antigüedad. Los blogs hoy, son más de 70 millones en el mundo entero y 1,4 de ellos se crean cada segundo. Además, ya no es sólo una herramienta de expresión individual, se impone también como el nuevo medio de comunicación que las empresas adoptan, para desarrollar su imagen y atender mejor a sus clientes. Nadie puede pasar por alto este fenómeno, a medio camino entre el y la web. Control centralizado, jerárquico y distribuido Hoy en día los sistemas de cómputo están organizados por varias computadoras conectados en red, esto es un sistema centralizado, jerárquico y distribuido. El problema que se plantea es que es necesario un software para coordinar las actividades. Una colección de sistemas independientes conectados con una red con un software diseñado para proporcionar soluciones de cómputo integradas. Tanto en SW como en HD los beneficios de estos servicios son en cuanto software, compartir datos, y hardware ahorro de dinero. Se denomina gestor de recursos al módulo software que gestiona recursos del mismo tipo. El resto de recursos se comunica con el gestor de recursos para utilizar otros recursos. Existen dos modelos de diseños centralizados, jerárquicos y distribuidos. Modelo Cliente/Servidor. El servidor gestiona los recursos que demanda el cliente. Un mismo proceso puede ser cliente y servidor. Puede ser cliente de un recurso y servidor de otros. El cliente solicita el recurso al servidor y si es válido el servidor se lo concede y le responde de su validez. 79

80 Modelo basado en objetos: Cada recurso es visto como un objeto y este objeto tiene un identificador unívoco que le permite moverse en la red sin variar su identidad. Los beneficios son la sencillez la flexibilidad. Los recursos son vistos de forma uniforme. Apertura Determina en qué medida el sistema es ampliable y la capacidad de añadir recursos compartidos sin interrumpir servicios. Esto se hace con la normalización de interfaces. Se requiere que el sistema sea extensible tanto de manera software como hardware. A nivel HD permitiendo que se añadan nuevas computadoras al sistema y a nivel SW permitiendo añadir nuevos servicios Concurrencia Cuando existen nuevos procesos en la computadora se dice que se están ejecutando concurrentemente. Si sólo tenemos un procesador se produce una multiplexación temporal, si tenemos n procesadores hay paralelismo y podemos ejecutarlos simultáneamente. En un sistema distribuido tendremos paralelismo. La concurrencia surge porque los usuarios pueden estar utilizando distintas tareas. Los accesos concurrentes de recursos deben ser sincronizados. Escalabilidad Podemos tener desde dos computadoras hasta cientos, pero en estas diferentes escalas deben funcionar eficientemente. Que sea escalable un sistema es complicado. Un sistema distribuido debe ser diseñado de forma que ningún recurso ni de SW ni de HW sea restringido. La escalabilidad en sistemas distribuidos supone que a veces hay que hacer varios recursos para ello. Si estamos compartiendo un fichero y lo vamos modificando debe reflejarse a los diferentes usuarios. Tolerancia a fallos Se dice que un sistema es fiable si cumple con lo siguiente: Seguridad: ante accesos no deseables Consistencia: a la hora de acceder a los mismos datos Los fallos pueden ser HD y SW. Los fallos HD se solucionan con duplicación HD, lo que supone un coste económico alto, con lo que nos lo planteamos sólo en los sistemas críticos, es decir, en los servidores! 80

81 En cuanto a los fallos SW se debe recuperar la situación inicial antes de hacer comenzado el proceso que produjo el fallo. La disponibilidad en un sistema es la proporción de tiempo que está libre para su uso. Si tenemos un sistema multiusuario, el fallo de un usuario puede hacer que caiga el sistema, en cambio en un sistema distribuido sólo hará que falle donde se produjo el error ese usuario. Si la red se cae hace que caiga todo el sistema. Luego el punto crítico está en la red. Transparencia Es la ocultación que se proporciona al usuario y a los programadores de aplicaciones de los recursos del sistema. Es el grado de concurrencia del usuario sobre la composición del sistema. El usuario lo concibe como un todo, no como un conjunto de componentes independientes. La separación de componentes proporciona ventajas como: Redes Una red de computadoras es un conjunto de equipos (computadoras y/o dispositivos) conectados por medio de cables, señales, ondas o cualquier otro método de transporte de datos, que comparten información Para simplificar la comunicación entre programas (aplicaciones) de distintos equipos, se definió el Modelo OSI por la ISO, el cual especifica siete capas de abstracción. Con ello, cada capa desarrolla una función específica con un alcance definido. Una Intranet es una red privada en que la tecnología de Internet se usa como arquitectura elemental. Una red interna se construye usando los protocolos TCP/IP para comunicación de Internet, que pueden ejecutarse en muchas de las plataformas de hardware y en proyectos por cable. El hardware fundamental no es lo que construye una Intranet, lo que importa son los protocolos del software. Las Intranets pueden coexistir con otra tecnología de red de área local. En muchas compañías, los "Sistemas Patrimoniales" existentes que incluyen sistemas centrales, redes Novell, mini - computadoras y varias bases de datos, están integrados en un Intranet. Una amplia variedad de herramientas permite que esto ocurra. El guión de la Interfaz Común de Pasarela (CGI) se usa a menudo para acceder a bases de datos patrimoniales desde una Intranet. El lenguaje de programación Java también puede usarse para acceder a bases de datos patrimoniales. Una Intranet o una Red Interna se limita en alcance a una sola organización o entidad. Generalmente ofrecen servicios como HTTP, FTP, SMTP, POP3 y otros de uso general. 81

82 Figura 31 Arquitecturas de red Protocolos El protocolo de red o protocolo de comunicación es el conjunto de reglas que especifican el intercambio de datos u órdenes durante la comunicación entre las entidades que forman parte de una red. Estándares de redes IEEE 802.3, estándar para Ethernet IEEE 802.5, estándar para Token Ring IEEE , estándar para Wi-Fi IEEE , estándar para Bluetooth Algunas tecnologías relacionadas: AppleTalk, ATM, Bluetooth, DECnet, FDDI, Frame Relay, HIPPI, PPP, HDLC 82