temas1-2-3_2010_es
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Grado Ingeniería Electrónica Industrial y Automática
Instrumentación Electrónica IInstrumentación Electrónica I
CoordinadoraCoordinadora: Carmen Vázquez: Carmen Vázquez
Dpto. Tecnología ElectrónicaInstrumentación Electrónica I
@ carmen vázquez
Departamento Tecnología Electrónica
CoordinadoraCoordinadora: Carmen Vázquez: Carmen Vázquez
TRANSDUCTORES
BIBLIOGRAFÍA
TUTORÍAS
PROBLEMAS Evaluación continuaEvaluación continua
SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN Y MEDIDA:SISTEMAS DE INSTRUMENTACIÓN Y MEDIDA:••GENERALIDADESGENERALIDADES••CONCEPTOCONCEPTO
COMPONENTESCOMPONENTES
ACONDICIONAMIENTO SEÑAL:necesidad:
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
TRANSDUCTORES•función•clasificación•características en régimen estático
•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 2-3 sistemas con sensores en el laboratorio
Programa
PROGRAMA
T 1. INTRODUCCIÓN
T 2. SENSORES
T 3. CARACTERÍSTICAS SENSORES
T 4. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL
(**) (**) laboratorioslaboratorios
T 5. SENSORES TEMPERATURA Y ACONDICIONAMIENTO (**)
TEMA 6. SENSORES DE DEFORMACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO (**)
TEMA 7. SENSORES DE NIVEL Y POSICIÓN Y ACONDICIONAMIENTO
TEMA 8. SENSORES ÓPTICS Y CIRCUITOS ACONDICIONADORES
6 ECTS
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
Sistemas instrumentación en control de procesos
Visualizador
SENSOR ACONDICIONAMIENTO
Señaleléctrica
Variablefísica
Señalmedida
SISTEMA DE MEDIDA
© ITES-ParaninfoP
RO
CE
SO
SISTEMA DE CONTROLACTUADOR
TRANSMISOR
RECEPTOR
Señalmando
Medio detransmisión
¿Ejemplos?
Componentes de un sistema de medida
Magnitud física
a medir
Temperatura
Deformación
posición
Señal realimentación
para control
Visualización
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
transductor
Acondicionamiento
de señal
Línea transmisión Procesado de señal
Activos, pasivos
Amplificación,
Filtrado,
modulación Procesado de datos
Salida
Demodulación
amplificación
Computación
ADC
Visualización
Almacenamiento
Control..
Sistema de medida
text
ADQUISICIÓNDE DATOS
PROCESAMIENTODE DATOS
DISTRIBUCIÓNDE DATOS
Entrada(Valor verdadero)
Salida(Valor medido)
SISTEMA DEMEDIDA
- Temperatura - Presión - Velocidad - Luz - pH etc.
- Visualización
- Almacenamiento
- Transmisión
ENTRADAS SALIDAS© ITES-Paraninfo
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
textDE DATOS DE DATOS DE DATOS
SISTEMA DE MEDIDA
(Valor medido)
Procesador
ADQUISICIÓN DE DATOS
PROCESA-MIENTO
DE DATOS DISTRIBUCIÓN DE DATOS
Entrada SalidaSensor
Acondicio-namiento Acondicio-
namiento
ConversiónAD
ConversiónDA
Mundo físico
Sistema para la medida de deformacionesSistema para la medida de deformaciones
Diagrama de Bloques
εεεεεεεε Transductor Pte. WheatstoneG
AcondicionamientoAcondicionamiento
IEI
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
εεεεεεεε Transductor Pte. Wheatstone
Objetivo: CalibraciónCalibración
Ejemplo 1.
Control de temperatura
Acondicionadorde señal detemperatura
Medio detransmisión
Sensor detemperatura
Aislamiento
Controladorde
temperatura
Transmisor Receptor
Ejemplo 2
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
transmisión
Hornoindustrial
Aislamiento
Resistenciacalefactora
220 V
Lazo de realimentación
IEI
Programa
PROGRAMA
T 1. INTRODUCCIÓN
T 2. SENSORES
T 3. CARACTERÍSTICAS SENSORES
T 4. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL
(**) (**) laboratorioslaboratorios
T 5. SENSORES TEMPERATURA Y ACONDICIONAMIENTO (**)
TEMA 6. SENSORES DE DEFORMACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO (**)
TEMA 7. SENSORES DE NIVEL Y POSICIÓN Y ACONDICIONAMIENTO
TEMA 8. SENSORES ÓPTICS Y CIRCUITOS ACONDICIONADORES
6 ECTS
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
¿Qué es un transductor?¿Qué es un transductor?
Dispositivo que convierte una señal física de entrada en una señal de salida de tipo: eléctrico, hidraúlico...
Magnitud físicaMagnitud física
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
Magnitud físicaMagnitud física
Magnitud eléctricaMagnitud eléctrica
TRANSDUCTOR
y(x)y(x)
xx
¿Ejemplos?
Ventajas e inconvenientes transductor eléctrico Ventajas e inconvenientes transductor eléctrico frente mecánicofrente mecánico
Ventajas Amplificación nivel deseado
Salida registable a distancia ( control y medida remota)
Señales acondicionan al elemento
Inconvenientes Problemas entornos
explosivos (ópticos)
Comparativamente más caros
Menos fiables que tipo
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
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)
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
Capacitivos:
Variación: d, ε, S
Inductivos:
LVDT, variación L...
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
salida LVDT, variación L...
Activos Termopar
Célula fotovoltaica..
Magnitud física a medir: T, nivel, deformación, aceleración...
Programa
PROGRAMA
T 1. INTRODUCCIÓN
T 2. SENSORES
T 3. CARACTERÍSTICAS SENSORES
T 4. ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL
(**) (**) laboratorioslaboratorios
T 5. SENSORES TEMPERATURA Y ACONDICIONAMIENTO (**)
TEMA 6. SENSORES DE DEFORMACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO (**)
TEMA 7. SENSORES DE NIVEL Y POSICIÓN Y ACONDICIONAMIENTO
TEMA 8. SENSORES ÓPTICS Y CIRCUITOS ACONDICIONADORES
6 ECTS
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
Características estáticas de transductoresCaracterísticas estáticas de transductores
Descripción de comportamiento= Curva de calibración ==y(x)y(x).Proceso=Caracterización transductor. ¿? (Patrón)
Formas de presentar la relación entre yy -- xx.
Gráfica: curva calibración
150
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
función matemática: If=SxP
Tabla
potencia Fotodiodo (µµµµA)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
0
50
100
150
0,0 200,0 400,0 600,0
Potencia emitida (mW)
Co
rrie
nte
ge
ne
ra
(mic
roA
)
Características estáticas de transductoresCaracterísticas estáticas de transductores
Sensibilidad; “Pendiente de la curva entrada-salida del transductor”. S=S=∆∆y/y/∆∆xx. 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 Xi (Input Full Scale, (Input Full Scale,
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
Escala total. “Intervalo de operación del transductor”. XsXs--Xi Xi (Input Full Scale, (Input Full Scale, FS)FS)
Rango:(Xi,Xs)(Xi,Xs)InpuInput t Full Scale (XsFull Scale (Xs--Xi)Xi)
S=S=∆∆y/y/∆∆x (sensitivity)x (sensitivity)Ejemplos
LM335: 10mV/ºC
RTD Pt: 0,0039Ω/ΩºC
Termopar J: 52µV/ºC
Características estáticasCaracterísticas estáticas
S=S=∆∆y/y/∆∆x (sensitivity)x (sensitivity)
Sensibilidad normalizada
Departamento Tecnología Electrónica
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Rango:(Xi,Xs)(Xi,Xs)
Input Full Scale (XsInput Full Scale (Xs--Xi)Xi)
deriva de cero,deriva de cero,
yoyo
Sensibilidad normalizada
(1/(1/YoYo)∆)∆y/y/∆∆xx
Output V0
Características estáticasCaracterísticas estáticas
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
Mesurand input
iV
VS 0=
iV
VS
∆
∆= 0
Características estáticas. Linealidad ICaracterísticas estáticas. Linealidad I
Cuantificar carácter lineal. “Transductor lineal si cumple la relación”:y(x)=S x+yoy(x)=S x+yo yo= deriva de cero. yo= deriva de cero.
No Linealidad=máxima desviación entre curva calibración y una hipotética No Linealidad=máxima desviación entre curva calibración y una hipotética recta. recta. ¿Cuál?¿Cuál? %sobre el fondo de escala%sobre el fondo de escala
Ys
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
No Linealidad No Linealidad (%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆ymáx/Ys)*100, ymáx/Ys)*100,
supuesto Yi=0 supuesto Yi=0 (nonlinearity)(nonlinearity)
c) Mínimos cuadradosc) Mínimos cuadrados
Ys
Características estáticas. Linealidad IICaracterísticas estáticas. Linealidad II
Cuantificar carácter lineal. “Transductor lineal si cumple la relación”:y(x)=S x+yoy(x)=S x+yo yo= deriva de cero. yo= deriva de cero.
No Linealidad=máxima desviación entre curva calibración y una hipotética No Linealidad=máxima desviación entre curva calibración y una hipotética recta. recta. ¿Cuál?¿Cuál? % sobre el fondo de escala. % sobre el fondo de escala. REFERIDA A LA ENTRADAREFERIDA A LA ENTRADA
Ys
SalidaCurva real h2
SalidaCurva real
Desviaciónmáximah1
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
No Linealidad No Linealidad (%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆xxmáxmáx/input FS)*100, /input FS)*100,
(nonlinearity)(nonlinearity)
c) Mínimos cuadradosc) Mínimos cuadrados
Ys
Magnitud,X
XSXI
Curvalinealizada
Magnitud,X
XSXI
Curvalinealizada
(a) (b)
Características estáticas de transductoresCaracterísticas estáticas de transductores
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
Características estáticas de transductoresCaracterísticas estáticas de transductores
Resolución: “Incremento mínimo necesario en la entrada para que se obtenga un cambio en la salida” Ej:discriminación: 0,1ºCdiscriminación: 0,1ºC
Umbral. “Resolución cuando el incremento de la entrada empieza en cero”.
Departamento Tecnología Electrónica
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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
Ys
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% sobre el fondo de escala
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
Ys
Histéresis Histéresis (%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆ymáx/Ys)*100ymáx/Ys)*100∆ymax
supuesto Yi=0supuesto Yi=0
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% sobre el fondo de escala
Departamento Tecnología Electrónica
Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
Xs
Histéresis Histéresis (%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆(%)=(∆xxmáxmáx/input FS)*100/input FS)*100
∆xmax
Zona muerta
ResistenciaT2-T3
Zona muertaα
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Instrumentación Electrónica I@ carmen vázquez
© ITES-Paraninfo
360º0ºZona muerta
mαTerminales
T1 T2 T3
(a) (b)
Ángulo de giro,
mα
Exactitud y fidelidad: Accuracy
Error absoluto
|Valor medido-valor exacto (patrón)|
Error relativo (%)
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Error relativo (%)
(Error absoluto/valor verdadero)x100
Error relativo a fondo de escala (%)
(Error absoluto/Ys)x100
medidasValor verdadero
No exacto, fiel
•Accuracy,
Number of
measuermentsReal value
Mean
Accuracy
Figure 1: Precision
Figure 2: Accuracy
The standard deviation describes how spread out the results are about the mean
Exactitud y fidelidad: Accuracy
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•Accuracy,
•precision,
•resolution
Measurand Vi
σ σPrecision
Resolution
Non-linearity, Hysteresis,Repeatability, stability
Propagación errores
Salida=(y1±ε1)+(y2±ε2);
εi=error salida yi
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εi=error salida yi
εtotal2=(ε12+ ε22)
Depende de la función de salida compuesta: suma, multiplicación…
Características dinámicas
Ancho de banda ¿Qué es y cómo afecta al
comportamiento del sensor y del sistema?
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comportamiento del sensor y del sistema?
Mundo físico
Sistema para la medida de deformacionesSistema para la medida de deformaciones
Diagrama de Bloques
εεεεεεεε Transductor Pte. WheatstoneG
AcondicionamientoAcondicionamiento
IEI
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εεεεεεεε Transductor Pte. Wheatstone
Objetivo: CalibraciónCalibración
Ejemplo 1.
Práctica Práctica 2: 2: “Galgas “Galgas ExtensométricasExtensométricas””
Es
Ro
Ro
-
+
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Galga extensométrica mide a tracción
Pesas calibradas
Transductor: Galgas extensométricasTransductor: Galgas extensométricas
MEDIDA DEFORMACIONESMEDIDA DEFORMACIONES
R=f(εεεε) ρ
l
d TUnidades: µε=10-6
Ejemplo Sensibilidad
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l
εεεε ⇒∆d,∆ρ,∆l ⇒∆∆∆∆R
∆∆∆∆∆∆∆∆R/Ro=K R/Ro=K εεεεεεεε
PFL-1011: K=2,1
Ro=120 ΩΩΩΩ
Κ Κ Κ Κ factor galga,
∆∆∆∆∆∆∆∆R=KRo R=KRo εεεεεεεε
SS==∆∆∆∆∆∆∆∆R/R/∆ε∆ε∆ε∆ε∆ε∆ε∆ε∆ε==KRoKRo
∆∆∆∆∆∆∆∆R= 25,2 mR= 25,2 mΩΩΩΩΩΩΩΩ (100 µε)