Tema 03: Sistemas de medida. M. en C. Edgardo Adrián Franco Martínez edgardoadrianfrancom

Transcripción

1 M en C Edgardo Adrián Franco Martínez edgardoadrianfrancom 1

2 Contenido Sistemas de medida Error de medida Unidades funcionales de un sistema de medida Adquisición de datos Acondicionamiento Sensores integrados Conversión analógica-digital Procesamiento de datos Distribución de los datos Sistemas de medida multicanal Multicanal con un ADC por canal Multicanal con un solo ADC (ADC Multiplexado) Arquitectura de los sistemas de instrumentación Arquitectura centralizada Arquitectura distribuida 2

3 Sistemas de medida Un sistema de medida electrónico es aquel equipo cuya finalidad es obtener información acerca de un proceso físico y presentar dicha información de forma adecuada a un observador o a otro sistema técnico de control ENTRADAS Temperatura Presión Velocidad Luz ph, etc SISTEMA DE MEDIDA SALIDAS Visualización Almacenamiento Transmisión OBJETO DE UN SISTEMA DE MEDIDA 3

4 Existen multitud de magnitudes físicas a ser medidas : Naturaleza de la variable Mecánica Térmica Magnética Eléctrica Óptica Química Biológica Tipo de variable Desplazamiento, velocidad, aceleración, fuerza, par, presión, masa, flujo, etc Temperatura, calor, entropía, etc Campo magnético, flujo, permeabilidad magnética, etc Carga, corriente, tensión, resistencia, conductancia, capacidad, permitividad dieléctrica, polarización, frecuencia Rayos gamma, rayos X, ultravioleta, visible, infrarrojo, microondas, etc Humedad, ph, concentración iónica, análisis de gases, etc Proteínas, hormonas, antígenos, etc 4

5 Error de medida Considerando el sistema de medida como una caja negra, la entrada sería el valor verdadero de la variable a medir y la salida, el valor medido Solo en caso ideal, la diferencia entre ambos valores será nula, por lo que siempre contamos con un error de medida Las causas de este error son de origen diverso: ruido del sistema de medida, interferencias exteriores, desviaciones de los parámetros de los componentes, mala calibración, etc 5

6 El error de medición se define como la diferencia entre el valor medido y el valor verdadero Afectan a cualquier instrumento de medición y pueden deberse a distintas causas Las que se pueden de alguna manera prever, calcular, eliminar mediante calibraciones y compensaciones, se denominan determinísticos o sistemáticos y se relacionan con la exactitud de las mediciones Los que no se pueden prever, pues dependen de causas desconocidas, o estocásticas se denominan aleatorios y están relacionados con la precisión del instrumento 6

7 Unidades funcionales de un sistema de medida En un sistema de medida se pueden distinguir tres funciones principales: adquisición de datos, procesamiento de datos y distribución de los datos Adquisición de datos: La información de las variables a medir es adquirida y convertida en una señal eléctrica De esta etapa dependerá en gran medida las prestaciones del sistema de medida Procesamiento de datos: Consiste en el procesamiento, selección y manipulación de los datos con arreglo a los objetos perseguidos Esta función suele ser realizada por un procesador digital, tipo microcontrolador, procesador digital de señales (Digital Signal Processor DSP), etc Distribución de los datos: El valor medido se presenta a un observador (pg, mediante un display), se almacena (pg, en disco o chip de memoria)o se trasmite a otro sistema 7

8 Unidades funcionales de un sistema de medida Entrada (Valor verdadero) ADQUISICIÓN DE DATOS PROCESAMIENTO DE DATOS SISTEMA DE MEDIDA DISTRIBUCIÓN DE DATOS Salida (Valor medido) Módulos de un sistema de medida Entrada Sensor Acondicion amiento Adquisición de datos Conversión A/D Procesador Procesamiento de datos Conversión D/A Acondicion amiento Distribución de datos Salida 8

9 Adquisición de datos La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital) Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal del sensor a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital (ADC) Entrada (Valor verdadero) ADQUISICIÓN DE DATOS PROCESAMIENT O DE DATOS SISTEMA DE MEDIDA DISTRIBUCIÓN DE DATOS Salida (Valor medido) La adquisición de datos puede ser dividida en unidades funcionales: Sensor Acondicionamiento Conversión A/D 9

10 Entrada Sensor Acondicion amiento Adquisición de datos Conversión A/D Procesador Procesamiento de datos Conversión D/A Acondicion amiento Distribución de datos La variable del mundo fisco es convertida a una señal eléctrica a través de un sensor Con frecuencia, la señal procedente del sensor tiene características no aptas para ser procesadas: señal de muy baja amplitud, espectro grande, baja linealidad, etc Por ello la etapa de acondicionamiento de la señal (amplificación, filtrado, liberalización y modulación/demodulacion) Salida 10

11 Acondicionamiento Señal del sensor Amplificación Filtrado Linealización Acondicionamiento Modulación / Demodulación Amplificación: Incrementar el nivel de potencia de la señal Filtrado: Eliminar las componentes de la señal no deseadas Señal para conversión digital Linealización: Obtener una señal de salida que varié linealmente con la variable que se desea medir Modulación / Demodulación: Modificar la forma de la señal a fin de poder transmitirla a largas distancias o a fin de reducir su sensibilidad frente a interferencias durante el transporte 11

12 Sensores integrados Muchos sensores incluyen toda la circuitería de acondicionamiento, dando lugar a sensores integrados, que incluso incluyen un conversor A/D que les permite proporcionar una salida digital 12

13 Conversión analógica-digital La conversión analógica-digital (ADC) consiste en la transcripción de señales analógicas en señales digitales, con el propósito de facilitar su procesamiento (codificación, compresión, etc) y hacer la señal resultante (la digital) más inmune al ruido y otras interferencias a las que son más sensibles las señales analógicas 13

14 14

15 Procesamiento de datos El procesamiento es la etapa en la que se realiza una manipulación matemática de una señal digital Este está caracterizado por la representación en el dominio del tiempo discreto, en el dominio frecuencia discreta, u otro dominio discreto de señales por medio de una secuencia de números o símbolos Esto se puede conseguir mediante un procesador o microprocesador que posee un juego de instrucciones, un hardware y un software optimizados para aplicaciones que requieran operaciones numéricas a muy alta velocidad Debido a esto es especialmente útil para el procesado y representación de señales analógicas en tiempo real: en un sistema que trabaje de esta forma (tiempo real) se reciben muestras provenientes de un conversor analógico/digital (ADC) Se puede trabajar con señales analógicas, pero es un sistema digital, por lo tanto necesitará un conversor analógico/digital a su entrada y digital/analógico en la salida Como todo sistema basado en procesador programable necesita una memoria donde almacenar los datos con los que trabajará y el programa que ejecuta Entrada (Valor verdadero) ADQUISICIÓN DE DATOS PROCESAMIENT O DE DATOS SISTEMA DE MEDIDA DISTRIBUCIÓN DE DATOS Salida (Valor medido) 15

16 Distribución de los datos La distribución de los datos implica codificar los datos procesados bajo algún principio eléctrico hacia algún modulo capaz de presentarlos al usuario y/o distribuirlos a otros sistemas de medida y/o controladores Entrada (Valor verdadero) ADQUISICIÓN DE DATOS PROCESAMIENT O DE DATOS SISTEMA DE MEDIDA DISTRIBUCIÓN DE DATOS Salida (Valor medido) 16

17 Sistemas de medida multicanal Podemos realizar la medición de múltiples variables del exterior, procesarlas y enviarlas a la salida, esto con fines de control, monitoreo, o telemetría avanzados Podemos realizar la medición de múltiples entradas con sistemas: Multicanal con un solo ADC Multicanal con un ADC por canal 17

18 Multicanal con un solo ADC (ADC Multiplexado) El multiplexado es la conmutación de las entradas del convertidor, de modo que con un sólo convertidor podemos medir los datos de diferentes canales de entrada Puesto que el mismo convertidor está midiendo diferentes canales, su frecuencia máxima de conversión será la original dividida por el número de canales muestreados Entrada 1 Sensor 1 Acondicionador 1 Entrada 2 Entrada 3 Sensor 2 Sensor n Acondicionador 2 Acondicionador n Multiplexor Analógico ADC Procesamiento 18

19 Multicanal con un solo ADC (ADC Multiplexado) Ventajas Bajo costo Expansibilidad Desventajas Bajas frecuencias de muestreo Mayor procesamiento Un solo rango de conversión Una sola resolución 19

20 Multicanal con un ADC por canal Cada entrada analógica tiene su propio modulo de conversión a digital, es una arreglo de ADC s individuales Entrada 1 Entrada 2 Sensor 1 Sensor 2 Acondicionador 1 Acondicionador 2 ADC 1 ADC 2 Procesamiento Entrada 3 Sensor n Acondicionador n ADC 3 20

21 Multicanal con un ADC por canal Ventajas Altas frecuencias de muestreo/variables Menor procesamiento Diferentes rangos de conversión Distintos niveles de resolución Desventajas Alto coste Poca expansibilidad 21

22 Arquitectura de los sistemas de instrumentación En un proceso de control, generalmente los instrumentos de medida mantienen la información de múltiples mediciones de entrada En tales casos puede adoptar dos arquitecturas básicas: Arquitectura centralizada Arquitectura distribuida 22

23 Arquitectura centralizada Se caracteriza por realizar el algoritmo de medición y control en el núcleo inteligente, ie centralizadamente Generalmente, se emplea en procesos de pocas variables y con distancias cortas entre los sensores y el núcleo inteligente Sus desventajas son la necesidad de mucho cable generalmente de alto coste y las elevadas exigencias sobre el sistema de acondicionamiento de señales debido al ruido eléctrico presente 23

24 Arquitectura centralizada Señales de los sensores Sistema de medida 1 2 n Valores medidos Núcleo inteligente Sistema de control Valores consignados 1 2 n Señales de mando Sensor 1 Actuador 1 Actuador 2 Sensor n Sensor 2 P R O C E S O Actuador n 24

25 Arquitectura distribuida Es utilizada cuando el número de señales del proceso es muy elevado, o su dispersión geográfica es muy grande y/o cuando las exigencias dinámicas de las variables medidas son altas Se caracteriza por poseer varios núcleos inteligentes sobre la base de microprocesadores, microcontroladores, que se comunican con otros sistemas a través de un bus, con alta inmunidad al ruido El núcleo inteligente de segundo nivel, realiza las funciones de organizador de la transferencia de información y ejecuta parcial o totalmente el algoritmo de control 25

26 Arquitectura distribuida Núcleo inteligente M Núcleo Inteligente 1 Núcleo Inteligente 1 Núcleo Inteligente 1 Núcleo Inteligente n Sensor 1 Actuador 1 Sensor 2 Actuador 2 P R O C E S O Sensor n Actuador n 26