Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Industrial. Temas 1,2,3. Carlos III University Madrid (Spain) Instrumentación n Electrónica I

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1 Ingeniería Técnica Industrial Industrial Instrumentación n I Temas 1,2,3 Carlos III University Madrid (Spain) BIBLIOGRAFÍA TUTORÍAS PROBLEMAS SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN N Y MEDIDA: GENERALIDADES CONCEPTO COMPONENTES UNICO EXAMEN FINAL TRANSDUCTORES función clasificación características en régimen estático ACONDICIONAMIENTO SEÑAL: necesidad: linealización, amplificación, etc. acondicionadores transductores: circuito potenciométrico circuito puente amplificador de instrumentación ESQUEMAS BÁSICOS EN INSTRUMENTACIÓN ELECTRÓNICA Sensores de mayor uso y aplicación industrial Desarrollo de 3 sistemas con sensores en el laboratorio 1

2 Temario TEMA 1. INTRODUCCIÓN TEMARIO HTE P HL 1 H TEMA 2. SENSORES Y TRANSDUCTORES 1 H T TEMA 3. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE UN TRANSDUCTOR TEMA 4. ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DE SALIDA DE UN TRANSDUCTOR TEMA 5. TRANSDUCTORES PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURA. TEMA 6. SENSORES PARA LA MEDIDA DE DEFORMACIONES 2 H T 7 H T 5 H 1 3 H 5 H 2 3 H TEMA 7. SENSORES DE POSICIÓN Y NIVEL 5 H 3 3 H TEMA 8. SENSORES ÓPTICOS T= Enfasis en todas prácticas 6 H TOTAL 32 H 9 H Componentes de un sistema de medida Temperatura Deformación posición Magnitud física a medir Señal realimentación para control Activos, pasivos transductor Salida Visualización Almacenamiento Control.. Amplificación, Filtrado, modulación Acondicionamiento de señal Línea transmisión Procesado de datos ADC Procesado de señal Computación Demodulación amplificación 2

3 Sistema para la medida de deformaciones Diagrama de Bloques Acondicionamiento Mundo físico ε Transductor Pte. Wheatstone G IEI Ejemplo 1. Objetivo: Calibración Control de temperatura Ejemplo 2 Transmisor Receptor Sensor de temperatura Acondicionador de señal de temperatura Medio de transmisión Aislamiento Controlador de temperatura Horno industrial Resistencia calefactora Lazo de realimentación IEI 220V 3

4 Temario TEMA 1. INTRODUCCIÓN TEMARIO HTE P HL 1 H TEMA 2. SENSORES Y TRANSDUCTORES 1 H T TEMA 3. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE UN TRANSDUCTOR TEMA 4. ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DE SALIDA DE UN TRANSDUCTOR 2 H T 7 H T TEMA 5. TRANSDUCTORES PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURA. TEMA 6. SENSORES PARA LA MEDIDA DE DEFORMACIONES 5 H 1 3 H 5 H 2 3 H TEMA 7. SENSORES DE POSICIÓN Y NIVEL 5 H 3 3 H TEMA 8. SENSORES ÓPTICOS T= Enfasis en todas prácticas 6 H TOTAL 32 H 9 H Qué es un transductor? Dispositivo que convierte una señal física de entrada en una señal de salida de tipo: eléctrico, hidraúlico... Magnitud física x TRANSDUCTOR Ejemplos? Magnitud eléctrica y(x) 4

5 Ventajas e inconvenientes transductor eléctrico frente mecánico Ventajas Amplificación nivel deseado Salida registable a distancia ( control y medida remota) Señales acondicionan al elemento de registro (analógico ó digital) Combinación señales salida (multiplexación) Tamaño y forma transductor minimizar peso y volumen (aviónica) Dimensiones y forma evitar influencia medida (piezoeléctrico: vibraciones) Inconvenientes Problemas entornos explosivos (ópticos) Comparativamente más caros Menos fiables que tipo mecánico (envejecimiento de componentes activos) Exactitud y precisión menores tipo mecánico. No superior 0,01%. Clasificación transductores Pasivos. Subclasificación Magnitud eléctrica de salida Resistivos: Potenciómetro Galga extensométrica Termistor LDR Inductivos: LVDT, variación L... Capacitivos: Variación: d, ε, S Activos Termopar Célula fotovoltaica.. Magnitud física a medir: T, nivel, deformación, aceleración... 5

6 Temario TEMA 1. INTRODUCCIÓN TEMARIO HTE P HL 1 H TEMA 2. SENSORES Y TRANSDUCTORES 1 H T TEMA 3. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE UN TRANSDUCTOR TEMA 4. ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DE SALIDA DE UN TRANSDUCTOR 2 H T 7 H T TEMA 5. TRANSDUCTORES PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURA. TEMA 6. SENSORES PARA LA MEDIDA DE DEFORMACIONES 5 H 1 3 H 5 H 2 3 H TEMA 7. SENSORES DE POSICIÓN Y NIVEL 5 H 3 3 H TEMA 8. SENSORES ÓPTICOS T= Enfasis en todas prácticas 6 H TOTAL 32 H 9 H Características ticas de transductores Descripción de comportamiento= Curva de calibración =y(x) y(x). Proceso=Caracterización transductor.? (Patrón) Formas de presentar la relación entre y - x. Gráfica: curva calibración función matemática: I f =SxP Tabla potencia Fotodiodo (µ A) emitida (mw) corriente genera 166,0 35,4 204,2 45,1 238,8 53,5 279,9 61,9 313,3 70,9 347,5 78,9 384,6 88,6 424,6 96,6 464,5 104,7 502,3 112,8 542,0 120,8 Corriente genera (microa) ,0 200,0 400,0 600,0 Potencia emitida (mw) 6

7 Características ticas de transductores Sensibilidad; Pendiente de la curva entrada-salida del transductor. S= y/ y/ x. Unidades, constante? Ordenes de magnitud. Rango de medida: Límites máximo y mínimo que se pueden medir con el transductor (Xi,Xs) Escala total. Intervalo de operación del transductor. Xs-Xi FS) Salida, Y Xi (Input Full Scale, Ejemplos LM335: 10mV/ºC RTD Pt: 0,0039Ω/ΩºC Termopar J: 52µV/ºC Salida a fondo de escala Y s -Y i Y s Y i S= y/ y/ x(sensitivity) Magnitud a medir, X X i límite inferior Rango:(Xi,Xs) Input Full Scale (Xs-Xi) Xi) X s límite superior Características ticas Y s Salida, Y Salida a fondo de escala Y s -Y i Y i deriva de cero, yo S= y/ y/ x (sensitivity) Sensibilidad normalizada (1/Yo Yo) y/ y/ x Magnitud a medir, X X i límite inferior Rango:(Xi,Xs) Input Full Scale (Xs-Xi) Xi) X s límite superior 7

8 Características ticas Output V 0 V0 S = V i S V 0 = V i Mesurand input Características ticas. Linealidad I Cuantificar carácter lineal. Transductor lineal si cumple la relación : y(x)=s x+yo yo= deriva de cero. No Linealidad=máxima desviación entre curva calibración y una hipotética tica recta. Cuál? %sobre el fondo de escala REFERIDA A LA SALIDA Salida Curva real Salida Curva real Y s Desviación máxima Curva linealizada Curva linealizada Magnitud, X Magnitud, X X i (a) Ec. Recta S=(Xs-Xi)/Y1 X s No Linealidad (%)=( ym ymáx/ys)*100, supuesto Yi=0 (nonlinearity) X i (b) Ec. Recta S=dY/dX(X1,Y1) X s c) Ec.. Recta Mínimos cuadrados 8

9 Características ticas. Linealidad II Cuantificar carácter lineal. Transductor lineal si cumple la relación : y(x)=s x+yo yo= deriva de cero. No Linealidad=máxima desviación entre curva calibración y una hipotética tica recta. Cuál? % sobre el fondo de escala. REFERIDA A LA ENTRADA Salida Curva real h 1 Desviación máxima Salida Curva real h 2 Y s Curva linealizada Curva linealizada Magnitud, X Magnitud, X X i X s X i X s (a) No Linealidad (%)=( x máx /input FS)*100, (nonlinearity) (b) c) Mínimos cuadrados Características ticas de transductores 9

10 Características ticas de transductores Resolución: Incremento mínimo necesario en la entrada para que se obtenga un cambio en la salida Ej:discriminación: : 0,1ºC Umbral. Resolución cuando el incremento de la entrada empieza en cero. Repetibilidad. Capacidad de dar el mismo valor de la magnitud medida, al efectuar la lectura varias veces en las mismas condiciones Estabilidad. Capacidad mantener la curva de calibración durante tiempos suficientemente largos ( Derivas térmicas?) Histéresis I Histéresis; Diferencia a la salida para una misma entrada, según el sentido en que se alcance dicha entrada: ascendente o descendente. % sobre el fondo de escala (Referida a la salida) Salida, Y Y s X y max Histéresis (%)=( ym ymáx/ys)*100 supuesto Yi=0 Magnitud a medir, X 10

11 Histéresis II Histéresis; Diferencia a la salida para una misma entrada, según el sentido en que se alcance dicha entrada: ascendente o descendente % sobre el fondo de escala (Referida a la entrada) Salida, Y x max Histéresis (%)=( x máx /input FS)*100 Magnitud a medir, X X s Exactitud y fidelidad: Accuracy Error absoluto Valor medido-valor exacto (patrón) Error relativo (%) (Error absoluto/valor verdadero)x100 Error relativo a fondo de escala (%) (Error absoluto/ys)x100 Valor verdadero medidas No exacto, fiel 11

12 Exactitud y fidelidad: Accuracy The standard deviation describes how spread out the results are about the mean Number of measuerments Real value Mean Figure 1: Precision Accuracy, precision, resolution Accuracy Figure 2: Accuracy σ σ Precision Non-linearity, Hysteresis, Repeatability, stability Resolution Measurand V i Propagación errores Salida=(y1±ε1)+(y2±ε2); εi=error salida yi εtotal 2 =(ε1 2 + ε2 2 ) Depende de la función de salida compuesta: suma, multiplicación 12

13 Sistema para la medida de deformaciones Diagrama de Bloques Acondicionamiento Mundo físico ε Transductor Pte. Wheatstone G IEI Ejemplo 1. Objetivo: Calibración Práctica 3: Galgas Extensométricas tricas Ro Es Ro 0 0 Galga extensométrica mide a tracción Pesas calibradas 13

14 Transductor: Galgas extensométricas tricas Ejemplo Sensibilidad R=f(ε) PFL-1011: K=2,1 R o =120 Ω MEDIDA DEFORMACIONES ρ d T l ε d, ρ, l R R/ R/Ro=K ε Unidades: µε=10-6 Κ factor galga, R= 25,2 mω (100 µε) R= R=KRo ε S= R/ R/ ε ε=kro Transductor: Galga extensométrica trica Hoja características 14