Tema 4: Acondicionamiento de la señal de salida de un
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Ingeniería Técnica Industrial Electrónica Industrial Instrumentación Electrónica I Tema 4: Acondicionamiento de la señal de salida de un transductor Departamento Tecnología Electrónica Carlos III University Madrid (Spain) Instrumentación Electrónica I CV 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 CV 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 CV 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 Departamento Tecnología Electrónica Procesado de señal Instrumentación Electrónica I CV Demodulación amplificación 2 Acondicionamiento de señal Entrada Sensor Acondicionamiento Conversión AD Procesador Conversión DA Acondicionamiento PROCESAMIENTO ADQUISICIÓN DE DATOS DE DATOS DISTRIBUCIÓN DE DATOS Necesidad: linealización, alta sensibilidad, evitar efecto magnitudes de influencia, niveles adecuados de señal 1) acondicionadores transductores pasivos •circuito potenciométrico •circuito puente 2) amplificación Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV Acondicionamiento transductores pasivos Necesidad conversión ∆Z ∆V ó ∆I IEI • Circuitos potenciométrico y puente: ¿esquemas? ¿lineales? ¿sensibilidad? ¿magnitudes influencia? Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 3 Sensor operando en ré régimen de pequeñ pequeña señ señal La variación en la magnitud de medida provoca pequeñas variaciones de resistencia. Ejemplo: ∆R= 25,2 mΩ, Ro=120 Ω Linealizar Salida Yo Xo Magnitud, X Xs Xi Instrumentación Electrónica I CV Departamento Tecnología Electrónica Circuito potenciométrico Rs ∆Z R1 ∆V equipo de medida Vm = Vo Es RT Re RT Es ( Rs + R1 + RT ) (a) Pequeñas variaciones, ∆RT<<RT: Es ∆RT 4 RTo Rs → 0 R1 = RTo (b) Alimentación generador corriente Vm Is ∆Vm = I s ∆RT Departamento Tecnología Electrónica No lineal Técnicas linealizar: 0 ∆Vm ≈ Re >> RT Rs RT Instrumentación Electrónica I CV 4 Circuito potenciométrico Técnicas linealización (a) Pequeñas variaciones, ∆RT<<RT: (b) Generador corriente (c) Montaje push-pull Rs ∆Vm ≈ R1 Es ∆RT 2 RTo Rs → 0 R1 = RTo − ∆RT Es R2 R2 = RTo + ∆RT Vm Tensión salida=Kte+∆ ∆Vm 0 Instrumentación Electrónica I CV Departamento Tecnología Electrónica Circuito potenciométrico Magnitudes de influencia ∆RT=Sm∆m+Sg∆g; m=medida interés, g=parámetro influencia (T típicamente) ¿Efecto? ¿Se puede compensar? Rs ∆Vm ≈ R1 Es ∆RT 2 RTo R1 = RTo − ∆RT Es R2 Rs → 0 R2 = RTo + ∆RT Vm 0 Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 5 Inconveniente circuito potenciomé potenciométrico. trico. Solució Solución Puente de Wheatstone Respuesta diferencial Potenciométrico: Término constante: !!!Resolución Respuesta lineal Aumento sensibilidad, inmunidad insuficiente pequeña señal. 4,00001!!! Vo=E Es/2+f(∆ /2 ∆R) Circuito potenciométrico Circuito puente Vo(t) R1 Vo=Es/2+f(∆ ∆R) R-DR R+DR Se elimina el término común Es/2 Es Es Vo Va Vb Va(t)-Vb(t) R+DR R+DR R-DR t t 0 0 Instrumentación Electrónica I CV Departamento Tecnología Electrónica Circuito en puente de Wheatstone R1 R3 Rs Re Vm Vm = Es Es R2 R4 R2 R3 − R1 R4 ( R1 + R2 )( R3 + R4 ) Re → ∞ Equilibrio : iRe = 0 R2 R3 = R1 R4 0 Vm = Es Ro (∆R2 − ∆R1 + ∆R3 − ∆R4 ) + ∆R2∆R3 − ∆R1∆R4 4Ro + 2Ro (∆R1 + ∆R2 + ∆R3 + ∆R4 ) + (∆R1 + ∆R2 )(∆R3 + ∆R4 ) 2 Ri = Ro + ∆Ri No lineal Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 6 Circuito en puente de Wheatstone Rs→0, Re→∝ Equilibrio, Rio=Ro Pequeñas variaciones R1 R3 Rs Re Vm Es R2 R4 Vm = Es (∆R2 − ∆R1 + ∆R3 − ∆R4 ) 4Ro 0 Lineal Instrumentación Electrónica I CV Departamento Tecnología Electrónica Ejemplo aplicació aplicación: Medida temperatura RTD +V Equilibrar puente R1 R2 Régimen pequeña señal +V Vs a Montaje 3 hilos medidas remotas b Rt rRo rRo c +tº R3 Vs a b Rw Rw +tº Rt Ro 0 d Rw 0 Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 7 Circuito en puente de Wheatstone R1 R3 Rs Re Vm = Es Vm Es R2 Rs→0, Re→∝ Equilibrio, Rio=Ro Pequeñas variaciones R4 (∆R2 − ∆R1 + ∆R3 − ∆R4 ) 4Ro Mejora sensibilidad Montaje push-pull convenientemente colocados sensores: 0 Máxima 4 sensores: ∆R2= ∆R3 =- ∆R1 =-∆R4 Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV Circuito en puente de Wheatstone Magnitudes de influencia ∆RT=Sm∆m+Sg∆g; m=medida interés, g=parámetro influencia (T típicamente) ¿Efecto? ¿Se puede compensar? En configuración push-pull y si se puede aplicar pequeña señal también al efecto de la magnitud de influencia. En ocasiones si la magnitud de medida no es susceptible de push-pull, se pueden usar 2 sensores: 1 medir y 1 para compensar Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 8 Amplificación. Objetivo: aumentar el nivel de señal Diseño: amplificadores multietapa, G grande con un BW razonable Parámetros: Ri, Ro, G Efectos de carga entre: etapas propio amplificador el circuito acondicionador transductor y entrada ampl. Salida del amplificador y la carga Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV Amplificación. Amplificadores de tensión. Características generales: Alta impedancia de entrada Ganancia en tensión elevada y variable Baja impedancia de salida Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 9 Amplificación. A.O. A.O. CI clave en el diseño de amplificadores Características clave: bajo coste, fácil uso, versatilidad Historia: 1964-67 Fairchild 1º A.O. integrados Avance tecnología: JFET, CMOS, BIFET, 2º innovación: encapsulado doble y cuádruple Especialización: Amplificadores de alta potencia, de audio, de G variable Amplificadores de INSTRUMENTACIÓN Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV Amplificación. A.O. A.O. ideal y circuitos de aplicació aplicación 1.1.1. Fundamentos A.O. 1.1.2. Aplicaciones de una entrada 1.1.3. Amplificadores diferenciales y de instrumentación Amplificación en sistemas de instrumentación Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 10 Amplificador Operacional Símbolo inversor Necesita ALIMENTACIÓN OUT 2 + 8 1 -Vcc 0 V- + 8 1 V- - OUT 2 - V+ 4 3 3 V+ Vcc 4 Terminal salida 0 Terminal entrada no inversor Carga, RL •2 entradas 3 terminales: •1 salida + 2 terminales alimentación Instrumentación Electrónica I Departamento Tecnología Electrónica CV A. Operacional Ideal Caracterí Características 5 4 - 6 + 8 I+ 0 7 c.a., Ri→∝ + V- OUT 0 Vo +Vcc V+ I- ¿Cómo modelarlo? + - Av (V+-V-) -Vcc Ideal: I+=I-=0 Av ↑↑ Ro=0 ideal Vo =Av(V+-V-) = Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 11 A. Operacional Caracterí Características I5 4 - +Vcc V+ V1 0 0 6 + 8 Vcc 7 V- OUT V2 En lazo abierto: Satura. Comparador -Vcc I+ Ideal: I+=I-=0 Vo =Av(V+-V-) Departamento Tecnología Electrónica V1=0v V2=1V, V+>VInstrumentación Electrónica I CV A. Operacional Versatilidad: “Las funciones a implementar se consiguen con la conexión de elementos externos” AMPLIFICACIÓ AMPLIFICACIÓN. “Existe una resistencia externa conectando el terminal de salida, Vo, con el terminal inversor de entrada, V-, del A.O.”. GANANCIA, G=f( Resistencias externas). Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 12 Circuitos lineales de aplicación Metodología común Uso características A.O. ideal y de una red de resistencias externa Cálculo: Ganancia, impedancia entrada Objetivo: Manejo de los circuitos y facilitar la comprensión del funcionamiento y prestaciones del amplificador diferencial Instrumentación Electrónica I CV Departamento Tecnología Electrónica Configuración Inversora Circuito R1 Ideal: I+=I-=0 4 3 V+ I1 - Vi 2 0 V- + 8 Cortocircuito virtual: V+=V- 1 Vo OUT 0 Aná Análisis, ¿Vo? I2 R2 0 I1=I2⇒Vi/R1=-Vo/R2, luego 0 Corrientes: I2 1k 4 3 - 1V OUT 2 0 0 Departamento Tecnología Electrónica + 0 8 V- 1mA Vo = -R2/R1 Vi; G V+ 2k 1 -2V Io IL Io=IL+I2 Instrumentación Electrónica I 0 CV 13 Configuración Inversora Cálculo Ri Modelo equivalente R2 R1 4 3 - Vi 0 0 + 8 1 Vo + R1 V1 -R2/R1·Vi V- OUT 2 Vo V+ Ii - 0 0 0 0 0 0 Ri≡Vi/Ii=R R1 Instrumentación Electrónica I CV Departamento Tecnología Electrónica Configuración no Inversora Circuito Modelo equivalente R1 4 3 OUT I1 2 + 8 Vo 1 Vo + Vi Ri V- 0 - V+ R2 (1+R2/R1)·Vi Vi - 0 0 0 0 0 0 I1=I2⇒Vi/R1=(Vo-Vi)/R2, luego Vo = (1+R2/R1) Vi; G Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 14 Buffer de ganancia unidad Circuito Modelo equivalente I-=0 V+ 4 3 - Vo 1 Vo OUT 2 1·Vi Ri + 8 V- Ii=0 + Vi - Vi 0 0 0 0 0 0 Vo=Vi Instrumentación Electrónica I CV Departamento Tecnología Electrónica Buffer. Utilidad ¿Util si G=1? ¿Y si se usa un inversor? I I-=0 2 R2(1k) 2 + 8 V- OUT Rg R1(1k) 4 3 - Vg Io OUT 6V Vg 0 6V V+ Rg (5k) 1 Vo 0 0 2 + 8 1 Vo V- - V+ 4 3 0 0 0 -1 V No demanda corriente AISLA LA FUENTE DE LA CARGA Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 1V ATENUACIÓ ATENUACIÓN 15 Amplificación diferencial Metodología común Uso características A.O. ideal Cálculo: Ganancia, impedancia entrada, RRMC Objetivo: Entender la estructura y ventajas del Amplificador de Instrumentación Instrumentación Electrónica I CV Departamento Tecnología Electrónica Amplificador Diferencial ¿Vo? Vo? TmaSuperposició Superposición Circuito R2 R1 4 5 Vi2 OUT R3 6 0 + 8 0 R3 7 Vo Vi1 0 Vi1 R4 0 + 8 V+ 0 R4 0 Ii R2 0 R1 4 5 0 - Vi2 No inversora Inversora Departamento Tecnología Electrónica 7 Vo V- OUT 6 OUT 0 0 Instrumentación Electrónica I CV V+ - R3 0 6 + 8 R4 7 Vo V- 4 5 V+ R1 V- Ii - V+ R2 0 0 16 Amplificador Diferencial Circuito ¿Vo? Vo? Si R2=R4 y R1=R3 R2 4 5 - Vi2 OUT R3 6 0 V+ R1 + 8 7 Vo Vo = V- Ii Vi1 R4 0 R4 R1 + R2 R Vi1 − 2 Vi 2 R3 + R4 R1 R1 0 0 Vo=Vi1(R4/R3+R4)(1+R2/R1)+Vi2(-R2/R1) Vo = R2 (Vi1 − Vi 2 ) R1 Instrumentación Electrónica I CV Departamento Tecnología Electrónica Amplificación Diferencial Relación de Rechazo al Modo Común - Ganancia modo común V+ 4 3 Vc 2 + 8 Vo=AmcVc 1 Vo V- OUT 0 0 RRMC ≡ Amd/Amc→∝ Amplificador Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 17 Amplificador Diferencial ¿Qué Qué ocurre al aplicar la misma señ señal a ambas entradas? Vo=0, Rechaza señ señales comunes R2 4 5 - 6 + 8 7 Vo V- OUT R1 Vc Si existen desequilibrios:R desequilibrios:R1≠R2, R3≠R4 V+ R1 Vo ≠ 0 R2 0 0 0 Departamento Tecnología Electrónica Tecnologí Tecnología Desequilibrios etapas previas Instrumentación Electrónica I CV Resumen: Amplificador Diferencial Caracterí Características Mejoras ☺ Amplifica la diferencia señales RRMC depende tecnología Desequilibrio resistencias entrada Variación ganancia difícil Bajas impedancias entrada Ganancia variable Mayores resistencias entrada Mejores RRMC EJEMPLO: INA106 Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 18 Amplificador Diferencial y Buffers 4 R2 6 + 8 R1 4 5 Vi2 - OUT R1 4 5 + 8 7 Vo R2 0 7 OUT 0 6 + 8 V- Ii=0 - V+ 6 0 V+ 7 OUT V- Ii=0 - V- 5 V+ ☺ Aumento de la impedancia de entrada Vi1 0 Etapa aisladora Etapa diferencial V =(R /R )(V -V ) o 2 1 i1 i2 Instrumentación Electrónica I CV Departamento Tecnología Electrónica Amplificador de Instrumentación ☺ Ganancia variable Vi2 5 - A 4 R2 Rf R1 4 5 Ri Rf - V+ 4 5 Ii=0 OUT 6 B OUT 6 + 8 7 Vo R2 7 0 Vy 0 + 8 Vi1 0 - R1 V- 0 Vx 7 V+ OUT V+ + V- 6 V- 8 Ii=0 A. diferencial salida diferencial A. diferencial salida asimé asimétrica Vx-Vy=(2Rf+Ri)(VA-VB) Departamento Tecnología Electrónica Vo=(R2/R1)(V )(Vy-Vx) Instrumentación Electrónica I CV 19 Amplificador de Instrumentación ☺ Mejora RRMC Ii=0 8 6 V- ☺ Ganancia variable + Vo=(R R2/R1)(1+2Rf/Ri)(Vi1-Vi2) 5 - A 4 Vx 7 V+ OUT Rf Ri B 4 5 ☺ Impedancia de entrada alta Departamento Tecnología Electrónica Ii=0 - OUT 6 + 8 7 Vy V- 0 V+ Rf Vc Vx= Vy si Vi1=Vi2⇒ IRi=0 Instrumentación Electrónica I CV Acondicionamiento de transductores resistivos Ganancias elevadas y variables (∆R pequeños) Amplificación diferencial con RRMC altas Altas impedancias de entrada ¿Cómo se consigue? Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 20 Amplificador de Instrumentación Símbolo Caracterí Características. AD620 Vb AD620 4 2 8 RG2 RG VREF OUT 1 3 RG1 + 7 Ri = 10 GΩ 5 6 Vo RRMC= 110 dB (mínima) V+ Va 0 G variable: (1-1000); RG Monolí Monolítico Instrumentación Electrónica I CV Departamento Tecnología Electrónica Aplicación: Medida deformaciones Motivación: Circuito Potenciomé Potenciométrico + AO inversor Kε R1 4 5 - OUT 6 Ro+∆R V+ Es Es ∆R + 2 2 Ro Es R2 + 8 7 Vo V- Ro-∆R 0 0 0 Es=2,4 V Ro=120 Ω ∆R=2,52 mΩ 1,2 V+ 25,2 µV G=103, 1200 + 0,25 V SATURA, ¿Solució Solución? Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 21 Utilidad: Circuito acondicionador 2 Circuito 1/2 Puente Wheatstone R1 Va>Vb ⇒RG2>RG1 G1, -∆R compresión 33 G1 G2, +∆R tracción Ro 120 Va = Vz1 Vz1 ∆R + 2 2 Ro Vb = Vz1 (equilibrio ) 2 Es Va DZ1 pot 10k Vb G2 Ro 120 0 Equilibra puente R1= 33Ω 1/2W DZ1= 2,4 V 1/4 W G1, G2: PFL1011 LIMITA I galga Va − Vb = Instrumentación Electrónica I CV Departamento Tecnología Electrónica Vz1 ∆R 2 Ro Utilidad: Circuito acondicionador 2 Amplificador de instrumentació instrumentación. AD620 15V C1 Ro/2 V z1 2 7 60 3 1 RG 70 0 Ro/2 8 2 100n + RG1 6 OUT RG2 - 4 AD620 REF V- C2 60 Vz1 Vz1 ∆R + 2 2 Ro 0 0 V+ Vo Vo = V z1 ∆ R G = 7 , 07 ∆ R 2 Ro 0 G = 49 , 4 K + 1 = 707 RG 5 100n -15V 0 No existe efecto de carga 10 GΩ>>120 Ω Rechaza el modo común: Voc = 2,68 mV(RRMC=Amd/Amc; Voc= Vz/2*Amc) Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 22 Circuito acondicionador 3 ¿Qué ocurre si se utiliza un A Diferencial? Ro/2 R1 G≈103, INA106 Vcc R2 V z1 2 4 3 V+ + 0 Ro/2 0 OUT R1 2 Vz1 Vz1 ∆R + 2 2 Ro - 11 1 Vo R2= 60 KΩ R1= 60 Ω V- LM324 -Vcc R2 0 Equivalente Thèvenin Puente+sensor Greal=500 MITAD Efecto de carga Instrumentación Electrónica I CV Departamento Tecnología Electrónica Acondicionamiento Segunda etapa amplificadora y ajuste de offset +15V pot +15V Vref 10k 4 3 Etapa 1ª ganancia Vi -15V R1 1 OUT 2 10k V+ + - 11 Vo TL081 RL 22k V- -15V R2 0 Ajustar nivel cero 27k Vo R R = − 2 Vi + Vref (1 + 2 ) Vi R1 R1 Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 23 Ejemplo. Sistema completo: Sensibilidad R1 33 Ro 120 15V 5V 15V 10k G2 RP2 10k Va Ro 120 C4 8 RP1 Vb Vref3 + V+ Va 15V OUT C1 Vb 8 2 100n OUT RG2 - AD620 4 RG 70 + RG1 V+ 7 -15V Vo1 6 2 - TL081 0 R1 0 Vo2 1 C3 100n -15V 5 REF V- 3 1 0 100n 4 DZ1 RL 22k V- G1 Es 0 0 10k R2 C2 0 27k 100n -15V Vo = Vo 2 = − S≡ R2 Vz1 ∆R R G1 + Vref (1 + 2 ) R1 2 Ro R1 ∆Vo =? ∆R Departamento Tecnología Electrónica 0 Instrumentación Electrónica I CV Sistema completo: Calibración Tabla de calibración a rellenar Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV 24 Sistema completo: Calibración Curva de calibración Sensibilidad doble 1/2 Puente Mayor linealidad Histéresis mínima Departamento Tecnología Electrónica Departamento Tecnología Electrónica Instrumentación Electrónica I CV Instrumentación Electrónica I CV 25
![Instrumentacion industrial[1]](http://s2.studylib.es/store/data/003358366_1-42b645bd6154f31d3364e8002ac0c8be-300x300.png)
