Instrumentación Electrónica I Temas 1,2,3
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Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Industrial Instrumentación Electrónica I Temas 1,2,3 Departamento Tecnología Electrónica Carlos III University Madrid (Spain) Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓ INSTRUMENTACIÓN Y MEDIDA: BIBLIOGRAFÍA TUTORÍAS •GENERALIDADES •CONCEPTO UNICO EXAMEN FINAL PROBLEMAS COMPONENTES 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 Instrumentación Electrónica I Desarrollo de 3 sistemas con sensores en el laboratorio Departamento Tecnología Electrónica 1 Temario TEMARIO HTE P HL TEMA 1. INTRODUCCIÓN 1H TEMA 2. SENSORES Y TRANSDUCTORES 1H T TEMA 3. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE UN TRANSDUCTOR 2H T TEMA 4. ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DE SALIDA DE UN TRANSDUCTOR 7H T TEMA 5. TRANSDUCTORES PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURA. 5H 1 3H TEMA 6. SENSORES PARA LA MEDIDA DE DEFORMACIONES 5H 2 3H TEMA 7. SENSORES DE POSICIÓN Y NIVEL 5H 3 3H TEMA 8. SENSORES ÓPTICOS 6H TOTAL 32 H 9H T= Enfasis en todas prá prácticas Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica Componentes de un sistema de medida Temperatura Deformación posición Activos, pasivos Amplificación, Filtrado, modulación Señal realimentación para control Magnitud física a medir transductor Salida Acondicionamiento de señal Visualización Almacenamiento Control.. Computación Procesado de datos ADC Línea transmisión Procesado de señal Instrumentación Electrónica I Demodulación amplificación Departamento Tecnología Electrónica 2 Sistema para la medida de deformaciones Diagrama de Bloques Mundo físico ε Acondicionamiento IEI G Transductor Pte. Wheatstone Ejemplo 1. Objetivo: Calibració Calibración Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica Control de temperatura Ejemplo 2 Transmisor Acondicionador de señal de temperatura Sensor de temperatura Horno industrial Receptor Medio de transmisión Controlador de temperatura Aislamiento Resistencia calefactora Lazo de realimentación IEI 220V Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica 3 Temario TEMARIO HTE P HL TEMA 1. INTRODUCCIÓN 1H TEMA 2. SENSORES Y TRANSDUCTORES 1H T TEMA 3. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE UN TRANSDUCTOR 2H T TEMA 4. ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DE SALIDA DE UN TRANSDUCTOR 7H T TEMA 5. TRANSDUCTORES PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURA. 5H 1 3H TEMA 6. SENSORES PARA LA MEDIDA DE DEFORMACIONES 5H 2 3H TEMA 7. SENSORES DE POSICIÓN Y NIVEL 5H 3 3H TEMA 8. SENSORES ÓPTICOS 6H T= Enfasis en todas prá prácticas TOTAL 32 H 9H Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica ¿Qué es un transductor? Dispositivo que convierte una señal física de entrada en una señal de salida de tipo: eléctrico, hidraúlico... Magnitud física Magnitud elé eléctrica x TRANSDUCTOR y(x) ¿Ejemplos? Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica 4 Ventajas e inconvenientes transductor eléctrico frente mecánico Ventajas Inconvenientes Amplificación nivel deseado Salida registable a distancia 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%. ( 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) Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica Clasificación transductores Pasivos. Subclasificación Magnitud eléctrica de salida Activos Resistivos: Potenciómetro Galga extensométrica Termistor LDR Capacitivos: Variación: d, ε, S Inductivos: LVDT, variación L... Termopar Célula fotovoltaica.. Magnitud física a medir: T, nivel, deformación, aceleración... Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica 5 Temario TEMARIO HTE P HL TEMA 1. INTRODUCCIÓN 1H TEMA 2. SENSORES Y TRANSDUCTORES 1H T TEMA 3. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DE UN TRANSDUCTOR 2H T TEMA 4. ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL DE SALIDA DE UN TRANSDUCTOR 7H T TEMA 5. TRANSDUCTORES PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURA. 5H 1 3H TEMA 6. SENSORES PARA LA MEDIDA DE DEFORMACIONES 5H 2 3H TEMA 7. SENSORES DE POSICIÓN Y NIVEL 5H 3 3H TEMA 8. SENSORES ÓPTICOS 6H T= Enfasis en todas prá prácticas TOTAL 32 H 9H Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica Características estáticas de transductores Descripción de comportamiento= Curva de calibración =y(x). y(x) Proceso=Caracterización transductor. ¿? (Patrón) Formas de presentar la relación entre y - x. función matemática: If=SxP Tabla potencia Fotodiodo (µ 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) Gráfica: curva calibración 150 100 50 0 0,0 200,0 400,0 600,0 Potencia emitida (mW) Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica 6 Características estáticas de transductores Sensibilidad; “Pendiente de la curva entrada-salida del transductor”. S=∆ 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) Xi,Xs) Escala total. “Intervalo de operación del transductor”. XsXs-Xi (Input Full Scale, FS) Salida, Y Ys Ejemplos S=∆ S=∆y/∆ y/∆x(sensitivity) x(sensitivity) Salida a fondo de escala Ys-Yi LM335: 10mV/ºC RTD Pt: 0,0039Ω/ΩºC Termopar J: 52µV/ºC Yi Magnitud a medir, X Xi límite inferior Xs Rango:((Xi,Xs) Xi,Xs) Input Full Scale (Xs(Xs-Xi) límite superior Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica Características estáticas Salida, Y Ys S=∆ S=∆y/∆ y/∆x (sensitivity) Salida a fondo de escala Ys-Yi Yi Sensibilidad normalizada (1/Yo Yo)∆ )∆y/ y/∆ ∆x deriva de cero, (1/ Magnitud a medir, X yo Xi límite inferior Xs Rango:((Xi,Xs) Xi,Xs) límite superior Input Full Scale (Xs(Xs-Xi) Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica 7 Características estáticas Output V0 S= V0 Vi S= ∆V0 ∆Vi Mesurand input Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica Características estáticas. Linealidad I Cuantificar carácter lineal. “Transductor lineal si cumple la relación”: y(x)=S x+yo yo= yo= deriva de cero. No Linealidad= Linealidad=máxima desviació desviación entre curva calibració calibración y una hipoté hipotética recta. ¿Cuá Cuál? %sobre el fondo de escala REFERIDA A LA SALIDA Salida Salida Curva real Curva real Ys Curva linealizada Desviación máxima Curva linealizada Magnitud, X Xi Xs (a) Ec. Recta S=(Xs-Xi)/Y1 Magnitud, X Xi Xs (b) Ec. Recta S=dY/dX(X1,Y1) No Linealidad (%)=(∆ (%)=(∆ymá ymáx/Ys)*100, x/Ys)*100, supuesto Yi=0 (nonlinearity) c) Ec. Ec. Recta Mínimos cuadrados Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica 8 Características estáticas. Linealidad II Cuantificar carácter lineal. “Transductor lineal si cumple la relación”: y(x)=S x+yo yo= yo= deriva de cero. No Linealidad= Linealidad=máxima desviació desviación entre curva calibració calibración y una hipoté hipotética recta. ¿Cuá Cuál? % sobre el fondo de escala. escala. REFERIDA A LA ENTRADA h1 Salida Desviación máxima Salida Curva real h2 Curva real Ys Curva linealizada Curva linealizada Magnitud, X Xi Xs Magnitud, X Xi (a) Xs (b) c) Mínimos cuadrados No Linealidad (%)=(∆ (%)=(∆xmáx/input FS)*100, (nonlinearity) Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica Características estáticas de transductores Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica 9 Características estáticas de transductores Resolución: “Incremento mínimo necesario en la entrada para que se obtenga un cambio en la salida” Ej:discriminaci discriminació ón: 0,1º 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?) Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica 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) Salida, Y Ys ∆ymax Histé Histéresis (%)=(∆ (%)=(∆ ymá ymáx/Ys)*100 x/Ys)*100 supuesto Yi=0 Magnitud a medir, X X Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica 10 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) entrada) Salida, Y ∆xmax Histé Histéresis (%)=(∆ (%)=(∆xmáx/input FS)*100 Magnitud a medir, X Xs Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica 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 No exacto, fiel Valor verdadero medidas Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica 11 Exactitud y fidelidad: Accuracy The standard deviation describes how spread out the results are about the mean Number of measuerments Figure 1: Precision Mean Real value Accuracy Figure 2: Accuracy •Accuracy, •precision, •resolution σ σ Precision Non-linearity, Hysteresis, Repeatability, stability Measurand Vi Resolution Departamento Tecnología Instrumentación Electrónica I Electrónica Propagación errores Salida=(y1±ε1)+(y2±ε2); εi=error salida yi εtotal2=(ε12+ ε22) Depende de la función de salida compuesta: suma, multiplicación… Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica 12 Sistema para la medida de deformaciones Diagrama de Bloques Mundo físico ε Acondicionamiento IEI G Transductor Pte. Wheatstone Ejemplo 1. Objetivo: Calibració Calibración Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica Práctica 3: “Galgas Extensométricas” Ro Es Ro 0 0 Galga extensométrica mide a tracción Pesas calibradas Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica 13 Transductor: Galgas extensométricas Ejemplo Sensibilidad R=f(εε) MEDIDA DEFORMACIONES d ρ T Unidades: µε=10-6 l ε ⇒∆d,∆ρ,∆l ⇒∆ ∆R ∆R/Ro=K ε PFL-1011: K=2,1 Ro=120 Ω Κ factor galga, ∆R=KRo R=KRo ε S=∆R/∆ε ∆ε=KRo R/∆ε= ∆R= 25,2 mΩ (100 µε) Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica Transductor: Galga extensométrica Hoja características Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica 14
