IMPORTANTE: SÓLO VEREMOS LA INST. DE MEDIDA

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José Manuel Franco Pérez
hace 5 años
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2 Conceptos generales qué es la instrumentación? La parte de la electrónica que permite transformar variables físicas en magnitudes eléctricas para mostrar su valor al observador o actuar en consecuencia. Dos tipos: Instrumentación de Medida Sensores Instrumentación de Control Actuadores IMPORTANTE: SÓLO VEREMOS LA INST. DE MEDIDA ENTRADAS - Temperatura - Presión - Velocidad - Luz - ph etc. SALIDAS - Visualización SISTEMA DE MEDIDA - Almacenamiento - M.A. Pérez García Tema 1 - /9

3 Conceptos generales Entrada (Valor verdadero) ADQUISICIÓN DE DATOS PROCESAMIENTO DEtext DATOS DISTRIBUCIÓN DE DATOS Salida (Valor medido) SISTEMA DE MEDIDA Típicamente, TRES BLOQUES Entrada M.A. Pérez García Acondicionamiento Conversión AD ADQUISICIÓN DE DATOS Procesador PROCESAMIENTO DE DATOS Conversión DA Acondicionamiento Salida DISTRIBUCIÓN DE M.A. Pérez García CON INSTRUMENTACIÓN DE CONTROL... Caso especial con actuadores: Motores, alarmas, etc.! Tema 1-3/9

4 Visualizador SISTEMA DE MEDIDA Señal eléctrica Variable física SENSOR ACONDICIONAMIENTO PROCESO Conceptos generales Señal medida TRANSMISOR Medio de transmisión ACTUADOR Señal mando SISTEMA DE CONTROL M.A. Pérez García Ejemplo de sistema de instrumentación y control Algunas preguntas abiertas... Quién puede explicar qué puede ser el proceso y el control? Falta algo en el dibujo? Hay referencia a distancias y tamaños? Tema 1-4/9

5 Conceptos generales: ejemplo Receptor Transmisor Acondicionador de señal de temperatura Sensor de temperatura Medio de transmisión Controlador de temperatura Aislamiento Resistencia calefactora Horno M.A. Pérez García 0 V No sólo mide la temperatura, sino que es capaz de modificarla según las instrucciones del diseñador. Cuál es el objetivo del elemento de aislamiento? El control es completo? Tema 1-5/9

6 Tipos de sistemas Sistemas en lazo abierto y realimentados Lazo abierto Realimentado DIFERENCIAS EN CALIDAD, ELEMENTOS, PROGRAMACIÓN, COSTE... No es instrumentación de control Tema 1-6/9

7 Sistemas Multicanal frente a Multiplexados M.A. Pérez García Canal 1 Sensor 1 Acondicinador 1 Canal 1 Sensor Acondicinador Canal n Sensor n MULTIPLEXOR ANALÓGICO ADC Procesador Salida DAC Acondicinador n Multicanal Consecuencias en: Coste Complejidad Velocidad Canal 1 Sensor 1 Acondicinador 1 ADC 1 Canal 1 Sensor Acondicinador ADC Canal n Sensor n Acondicinador n PROCESADOR Tipos de sistemas DAC Salida ADC M.A. Pérez García Tema 1-7/9

8 Tipos de sistemas Sistemas en Estrella vs. Basados en Bus En M.A. Pérez García Tema 1-8/9

9 Sistemas en Estrella vs. Basados en Bus Basados en M.A. Pérez García Tipos de sistemas Tema 1-9/9

Tipos de sistemas Sistemas en Estrella vs. Basados en Bus En Estrella Basados en bus @Copyright: M.A.

10 Tipos de sistemas Sistemas en Estrella vs. Basados en Bus En Estrella Basados en M.A. Pérez García Consecuencias en: Coste Complejidad Velocidad Tipo de M.A. Pérez García Tema 1-10/9

11 Variables y Señales DOS CONCEPTOS DISTINTOS VARIABLE: Parámetro físico que se desea medir y dependiente del tiempo. Por ejemplo: Temperatura, presión, luminosidad, humedad, etc. Tipo Analógico: Las anteriores. Tipo Digital: Presencia de un objeto, superación de un nivel, etc. SEÑAL: Variable eléctrica (tensión o corriente) presente en un sistema y dependiente de la física. Deterministas: Modelables (teóricamente) a lo largo del tiempo. Ruido: Indeterminadas. Tema 1-11/9

12 Variables y Señales SEÑALES DETERMINISTAS Valor de salida deducible matemáticamente (Siempre en sistemas lineales, normalmente en no lineales). RUIDO Estudiado en cursos anteriores. Se estudia en términos de potencia efectiva y ancho de banda. Térmico: Típico de resistencias (Crece con T y R) Disparo: Semiconductores (Crece con corriente) Flicker: Ejemplo de ruido rosado. Cuantización: Falso ruido determinista (Tema 7) Tema 1-1/9

13 RUIDO ELÉCTRICO Es una señal aleatoria y no se puede extraer ni el espectro de frecuencia en amplitud ni en fase. Sí se puede, en cambio, el espectro de potencia. RUIDO BLANCO Ancho de banda RUIDO ROSA Log P Log P Variables y Señales Ancho de banda Log f0 f1 Log f0 f1 Tema 1-13/9

14 Variables y Señales RUIDO ELÉCTRICO Ruido blanco y rosado: Idealizaciones. Todos son rosas a partir de frecuencias altas! Térmico: Resistencias Δ v n =4 k B R T Δ f Disparo: Semiconductores Δ i n = q I Δ f Flicker: Desconocido Δ v n =K f v n,eff = dv BW n α Δ f i n, eff = Δ v n =K f α Δ f di n BW Tema 1-14/9

que no coincide con el que le gustaría a un

15 Caracterizar sensores y sistemas Por desgracia, la naturaleza tiene un criterio de diseño de sensores que no coincide con el que le gustaría a un ingeniero. Querríamos esto... Tenemos esto... Tema 1-15/9

16 Supondremos que la respuesta es lineal (salvo alguna cosilla) Salida a fondo de escala sib n Se ad d i il Rango de medida o alcance Variable Señal Caracterizar sensores y sistemas XMIN XMAX Tema 1-16/9

17 Cómo mediremos la no idealidad? H N. L.= X MAX X MIN Tanto por ciento Tanto por mil ppm H Variable Señal Caracterizar sensores y sistemas XMIN XMAX Tema 1-17/9

18 Cómo mediremos la no idealidad? te s u Aj H N. L.= X MAX X MIN al e lin Tanto por ciento Tanto por mil ppm H Variable Señal Caracterizar sensores y sistemas XMIN XMAX Tema 1-18/9

19 Caracterizar sensores y sistemas Cómo mediremos la no idealidad? Elija rango(s) y determine Valores máximo y mínimo Rango total del sensor Salida a fondo de escala SENSIBILIDAD Cómo calcularíamos la no idealidad en este caso? Tema 1-19/9

Zona muerta Sensor de contenido de gasolina en un depósito @copyright: http://www.

htm Caracterizar sensores y sistemas El volumen de gasolina se detecta por el

20 Zona muerta Sensor de contenido de gasolina en un Caracterizar sensores y sistemas El volumen de gasolina se detecta por el desplazamiento vertical del flotador. Normalmente, necesita un volumen mínimo para funcionar (Principio de Arquímedes) Zona muerta Tema 1-0/9

21 Caracterizar sensores y sistemas Saturación e histéresis Positiva Negativa P.e.: Sensores ópticos P.e.: Sensores magnéticos Tema 1-1/9

Caracterizar sensores y sistemas Respuesta

Fotodiodos: nanosegundos Sensores de gases: varios

(C, L). El ejemplo es un sistema de un polo!

22 Caracterizar sensores y sistemas Respuesta temporal El sensor puede tardar en responder. Fotodiodos: nanosegundos Sensores de gases: varios minutos El sensor tiene comportamiento reactivo (C, L). El ejemplo es un sistema de un polo!! A veces, el sensor es más rápido que el sistema: Fotodiodos Tema 1 - /9

23 Calibración de un sistema Ajustes y linealización entre dos puntos Ejemplo clásico: Un termómetro de mercurio a 0º y 100º. Se marcan los extremos de la columna de dilatación y se divide en 100 pasos iguales. Original Ajuste de cero Ajuste de ganancia y linealización Tema 1-3/9

24 Calibración de un sistema Un ejemplo práctico La salida del sensor es una tensión El potenciómetro permite regular el nivel de salida El potenciómetro permite ajustar la ganancia y, con ello, los niveles de salida. Tema 1-4/9

25 Calidad de la medida Fiabilidad, resolución y precisión No son sinónimos ni intercambiables. Fiabilidad: El sistema está bien calibrado y su salida da información correcta sobre el valor de la variable que se mide Aunque sea con un margen de error del 0%. Resolución: Incertidumbre en la medida inherente al proceso de medida (p.e., conversión A/D). Precisión: Resolución + fiabilidad PRECISIÓN Y VELOCIDAD SUELEN ESTAR REÑIDAS Tema 1-5/9

26 Propagación de errores Ruido, tolerancia y error instrumental Cualquier error aleatorio (p.e., ruido y tolerancia) ( A±Δ A )+( B±Δ B)=( A + B)± (Δ A) +(Δ B) ( A±Δ A ) (B±Δ B)=( A B)± (Δ A) +(Δ B) ΔA ΔB ( A±Δ A ) ( B±Δ B)= A B (1± ( ) +( )) A B A±Δ A A Δ A ΔB = (1± ( ) +( )) B±Δ B B A B Tema 1-6/9

27 Propagación de errores Ruido, tolerancia y error instrumental Cualquier error NO aleatorio (p.e., instrumental) ( A±Δ A )+( B±Δ B)=( A + B)±[Δ A+ Δ B] ( A±Δ A ) ( B±Δ B)=( A B)±[Δ A+ Δ B] ΔA ΔB ( A±Δ A ) ( B±Δ B)= A B (1±( + )) A B A±Δ A A Δ A ΔB = (1±( + )) B±Δ B B A B Difieren en el uso de cuadrados y raíz. Efectos del ruido siempre menor. Tema 1-7/9

28 Propagación de errores Ruido, tolerancia y error instrumental Y, en general, ocurre que: B S = A Δ B= S Δ A B A Δ Y = ( S B A SENSIBILIDAD Δ A 1) +( S Δ A ) +...+( S Δ A N ) B A1 B A B AN Las fórmulas exactas pueden hacerse cada vez más complejas Tema 1-8/9

29 Propagación de errores Efectos de tolerancia en sistemas complejos Cuál es la frecuencia de oscilación? Muchas variables en el tablero Algunas ocultas en el op amp Solución: Variar aleatoriamente variables dentro del rango y estudiar estadísticamente el resultado. MONTE CARLO Integrado en muchas versiones de SPICE Tema 1-9/9

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