Instrumentación Electrónica Avanzada Medición y Adquisición de Datos Prof. José Andrickson Mora JULIO 2004

Instrumentación Electrónica Avanzada Medición y Adquisición de DatosProf. José Andrickson Mora

JULIO 2004


JUNIO 2004

Medición con Sensores Resistivos

Los puentes de Whwatstone, son circuitos muy utilizados para la medición de cambios de resistencias en un dispositivo, donde se necesite de equilibrio mas amplificación de la señal.

Sin embargo si analizamos el caso de un circuito que se calibra en laboratorio con el sensor y luego se instala en campo con la conexión de cables de extensión. La salida se ve afectada por la inclusión de un valor resistivo adicional


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Medición con Sensores Resistivos

Para solucionar estos problemas ocasionados por la adición de la resistencias de los cables, se utilizan conexiones de tres o cuatro hilos en los sistemas de medición a distancia y de esta manera compensar al desequilibrio del puente por variación de resistencia.


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Medición con Sistemas de Adquisición de Datos

Al medir una señal analógica con un sistema de adquisición de datos existen tres formas o categorías de llevarla a cabo. Ellas son:

Diferencial Referencia única No referencia única

Las formas se dan en función a como vayan a ser tratadas las señales por el sistema de adquisición de datos, además de las características de aislamiento, niveles de tensión y protecciones de los circuitos de entrada y salida del sistema de medición .


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Medición de modo Diferencial:

En un sistema de medición diferencial ninguna entrada es conectada a una referencia fija, tal como tierra. La Figura muestra este sistema de medición para un sistema de adquisición de datos con ocho canales analógicos de entrada, como se puede observar cuando se usa este sistema el número de canales de entrada se reduce a la mitad, ya que se requieren dos canales para conformar un canal en modo diferencial. En esta tarjeta el terminal etiquetado AIGND es la tierra del sistema eléctrico.


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Medición de modo referencial:

En un sistema de medición con referencia única, los canales analógicos de entrada están referenciados a la tierra del sistema eléctrico. En la figura se muestra al sistema de adquisición de datos de 8 canales conectada para realizar medición con referencia única, como se puede observar todos los canales analógicos de entrada se encuentran referenciados a la tierra del sistema eléctrico.


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Medición de modo referencial diferentes:

En este sistema todas las mediciones son hechas con respecto a una referencia común, pero el voltaje de esta referencia puede variar con respecto a la tierra del sistema eléctrico. En la Figura se muestra este sistema de medición. En ella la línea AISENSE es la referencia común para tomar las mediciones y AIGND es la tierra del sistema eléctrico.




Las computadoras es parte esencial en muchos sistemas de instrumentación, ya que agilizan la recolección y tratamiento de datos en el proceso, almacenan y muestran información. Muchos instrumentos modernos son capaces de proveer un uso remoto, con acceso a la medición vía redes de computadoras.

Por otra parte, debemos tomar el cuanta que la mayoría de los procesos se desarrollan en el mundo analógico y las computadoras modernas trabajan en el mundo digital, por lo que se necesita de un sistemas de conversión entre los dos mundos, en nuestros estudios estos convertidores son los convertidores Analógicos a digital (ADC) y los convertidores digitales a analógicos (DAC).


Definamos algunos conceptos:

Transductor: es un dispositivo que convierte una variable física medida en una eléctrica.

Convertidor analógico-digital (ADC). Se encuentra a la salida del transductor y se encarga de convertir la señal analógica de entrada en una salida digital (de un valor continuo a un valor discreto).

Computadora. Es el encargado de almacenar y procesar la señal de salida del ADC de acuerdo con las instrucciones del programa en ejecución.

Convertidor digital-analógico (DAC). Convierte una señal digital (discreta) a un voltaje o corriente proporcional.

Actuador. Circuito o dispositivo que sirve para el control de la variable física.


Convertidor Digital a Analógico:

La conversión D/A es el proceso de tomar un valor representado en código digital (como binario directo o BCD) y convertirlo en un voltaje o corriente que sea proporcional al valor digital.

Desde un punto de vista técnico, la salida de un DAC no es una cantidad analógica ya que solo puede tomar valores específicos, como los 16 posibles niveles de voltaje para Vsal en un convertidor de 4 dígitos .


Resolución: la menor variación que puede ocurrir en la salida analógica como resultado de un cambio en la entrada digital.

%100Re xletaescalacomp

pasodetamañoPorcentualsolucion


Aplicación de un DAC.

La velocidad del motor el controlada por el nivel digital que sale de la computadora y a la vez es convertido por el convertidor digital a analógico.

El código BCD permite generar una secuencia de conteo para ser convertida a un valor analógico por DAC.


Circuito de un DAC.

Este circuito es la forma mas elemental de un convertidos digital a analógico, ya que activa un nivel de salida en función de la sumas de los bits (A,B,C y D) activos. El nivel de cada bit es igual, pero por la relación de resistencias, se le asigna un peso de salida a cada uno de ellos.


Convertidor Análogo a Digital (ADC).

Este tipo de convertidores genera una salida digital en función al nivel de voltaje a la entrada. Varios tipos importantes de ADC utilizan un convertidor D/A como parte de sus circuitos, mas un circuito de control que le permite detectar el nivel en que se encuentra.


Instrumentos Programables y su Interconexión.

Hasta ahora hemos tratado diversos instrumentos de medición y algunos generadores, que son diferenciados por las señales que miden o generan. Si observamos detenidamente, podemos notar que todos ellos responden a una misma estructura como puede observarse en la Figura.



Las señales de control de ambos instrumentos pueden ser generadas por varios elementos, entre los que podemos nombrar:

• Interruptores, en estados abierto o cerrado.• Conmutadores, que seleccionan algunas de las señales a su

entrada• Potenciómetro, que permiten variar entre dos límites una señal

analógica.• Amplificadores, que generan una salida en función a su entrada

y la ganancia.

Sin embargo, la utilización de este tipo de elementos en el control, manipulado por un operador, va en detrimento del proceso, ya que influyen directamente en la precisión de la medida, limita la exactitud, no permiten el almacenamiento continuo de datos, entre otros factores.



Por lo expuesto anteriormente es necesario generar las señales de control mediante un procesador digital programable, que posea memoria y capacidad de almacenamiento, esquemáticamente, se pueden ver los dispositivos en la Figura.



Actualmente, los sistemas de mediciones se basan en arquitectura abiertas que abarcan desde dispositivos con microcontroladores, periféricos y memorias, hasta los computadores personales (PC). A estos instrumentos se les llama instrumentos virtuales y pueden ser reconfigurados en el momento que el operador los desee. En la Figura puede observarse el diagrama de bloque de un instrumento virtual basado en arquitectura abierta.


Características de un sistema de instrumentos programables interconectados .

Cuando se desea un sistema de medición con varios instrumentos, es necesario una arquitectura de interconexión entre dispositivos. Dentro de las características que debe poseer están:

•Construcción del bus de conexión entre los instrumentos, que permita desarrollar un sistema de medición modular.

•Desarrollar una interfaz de los dispositivos con un PC o sistema de control.

•Que los dispositivos conectados entre ellos puedan intercambiar datos.



Para conectar varios instrumentos entre ellos a través de un bus de datos y control, el dispositivo debe tener un interface de comunicación que cumpla con las siguientes funciones como mínimo.

•Adaptador de eléctrico para la comunicación en el bus.•Control de transferencia de información•Gestión del flujo de información en el bus.

Por otra parte, el procesador digital situado en el instrumento debe poseer recursos físicos (hardware) y lógicos (software) adecuados para llevar a cabo, las siguientes tareas:

•Ejecución de instrucciones de operación enviada por otro instrumento.•Generar órdenes de operación para otros instrumentos.•Secuenciar operaciones de otros instrumentos.•Dialogar con el operador del sistema de medida automatizado, formado por los instrumentos interconectados.




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Sistema de Instrumentación Basados en Computadoras

Muchos procesos instrumentales como los espectrofotómetros u osciloscopios digitales están integrados a un sistema de medición basado en computadoras. Estos instrumentos pueden estar conectados con interfaces IEEE- 488 o RS-232 para ayudar al control del equipo con computadores personales, además, soportan la transferencia de datos para el procesamiento y muestra de datos.

Los sistemas de instrumentación pueden basarse en estaciones de computadoras personales o en sistemas industriales. También pueden utilizarse computadores portátiles acondicionados con tarjetas PCMCIA, de capacidad de entrada salida; dando la oportunidad al desarrollo de sistemas de instrumentación portátiles.


Sistema de Instrumentación Basados en Computadoras


Computadoras de Tarjetas Simples

La forma may simple de una computadora esta basada en las computadoras de tarjetas simples (SBC), la cual contiene un microprocesador, memoria e interfaces de comunicación con otros sistemas electrónicos.


Bus de una Computadora

La actual estructura de la arquitectura de un bus es muy variable, pero una forma simple puede mostrarse en la figura, donde se presenta una descripción esencial. Un grupo de pistas pueden trasladar los datos y la información de dirección con un segundo grupo de pistas utilizadas para controlar el flujo de datos y asegurarse su correcta transferencia. Otras pistas son reservadas para las señales que proveen un control de direccionamiento (permisivo) entre las tarjetas y asegurando que solo controle los buses una tarjeta a la vez. También puede haber pistas que provean señales de sincronización como reloj y la transmisión de señales de interrupciones.


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Interferencia Electromagnética (EMI)

Un problema de interferencias consta siempre de tres partes: la fuente, el receptor y el procedimiento de acoplamiento entre ambos

Fuente Camino Receptor

Las interferencias provocan anomalías en el funcionamiento de los sistemas de control, entre ellas la generación de falsas alarmas o mala indicación de posición de diversos dispositivos de instrumentación.


Interferencia Electromagnética

Los Casos de interferencia electromagnéticas son muy cotidianos en nuestra vida, muestra de ello son la mala recepción de TV, Radio, etc.


Acoplamiento Capacitivo de EMI

Se produce a causa de la capacitancia que existe entre los conductores de un sistema

V1

V2R1

R2

L1

L2

Cp

)*2

log(

1.12

d

DC Formula que describe el

Acople entre dos líneas


Acoplamiento Capacitivo de EMI (Ejemplo)

Dos circuitos de diferentes manejos de potencia trabajando muy cercano. VAB=110 V, VCD=5 V. Longitud 15 m ¿Calculemos el grado de incidencia?

Conmutador

Señal

Amplificada de Termopar

3 Cm

1 Cm

6 Cm

Instrumentación Electrónica Avanzada Medición y Adquisición de DatosProf. José Andrickson MoraAcoplamiento Capacitivo de EMI (Ejemplo)

Conmutador

Señal Amplificada de Termopar

3 Cm

1 Cm

6 Cm

pFCAD 87.78

001.0

1.0*2log

15*1.12

pFCAC 48.80

001.0

09.0*2log

15*1.12

pFCBD 57.84

001.0

07.0*2log

15*1.12

pFCBC 29.87

001.0

06.0*2log

15*1.12

BCAC

BCAC

BC

ABBC CC

CC

C

VV

**

Si el circuito C-D maneja señales digitales de (0-5)V se obtendrá una sobre tensión de : 6.237 %. Lo cual puede generar acciones prematuras en la activación de señales

Para el calculo del voltaje

VCD=VBD-VBC=53.08 – 52.77 = 311 m

De los Resultados anteriores: 8


Acoplamiento Magnético de EMI

Se produce debido a las inductancias que existen entre un circuito y la fuente de interferencia


Acoplamiento Magnético de EMI (Ejemplo)

El caso de un conductor estático a través del cual se mueve un campo magnético a razón de 0.5 m/s de izquierda a derecha. La densidad del flujo máximo es de 0.5 T en sentido perpendicular y entrando desde nuestro punto de vista. El conductor tiene 1 m de longitud.


Acoplamiento Magnético de EMI (Ejemplo)

La magnitud del voltaje inducido sobre este conductor se calcula de la siguiente manera:

=(v*B*sen(90º))*l*cos(0º)=(0.5 m/s)*(0.5 T)*(1 m)=0.25 V

Asumiéndose que este conductor transporta una señal digital de (0-5)V se obtendrá un error de 5% sobre la señal de datos, lo cual podría ser una señal persistente y la cual provoque una propagación del error, provocando una perturbación sobre el sistema de control.


Bibliografía

•Antonio Creus. “Instrumentación Industrial”. 5ª Edición. Editorial Alfaomega. Barcelona, España. 1993. Pág. 732

•John Bentley. “Sistemas de Medición. Principios y Aplicaciones”. CECSA

•Héctor Navarro. “Instrumentación Electrónica Moderna”. Editorial Innovación Tecnológica-Facultad de Ingeniería Universidad Central de Venezuela. Caracas Venezuela. 1995. Pag. 285.

•Ramón Pallas Areny “Sensores y Acondicionadores de Señal”. Editorial Marcombo, D.F. México. 2001 Pag. 480.

•Ronald Tocci. “Sistemas Digitales”. 5ª Edición. Prentice Hall. Naucalpan de Juarez. México. 1993. Pág. 823

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